CN108155667A - 一种光伏电机驱动器弱功率控制电路与方法 - Google Patents

一种光伏电机驱动器弱功率控制电路与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，包括MCU、光伏组件、Boost电路、三相逆变电路、输入电流传感器、母线电容、输入电压检测电路、母线电压检测电路、电机、母线储能电路、储能超级电容缓起动及泄放电路和储能超级电容电压检测电路。本发明同时还公开了该光伏电机驱动器弱功率控制电路的控制方法。本发明的实施，能够实现驱动器在极低输入功率下的正常工作，实现光伏组件在弱光条件连续MPPT控制，延长驱动器运行时间，充分利用组件能量，同时，该技术方案能够显著提升驱动器在低输入功率下的电机启动功率，避免电机启动失败，提高电机的控制性能。

Description

一种光伏电机驱动器弱功率控制电路与方法
技术领域
本发明涉及一种电机驱动器，特别涉及一种光伏电机驱动器弱功率控制电路与方法。
背景技术
目前在光伏电机驱动领域，光伏电机驱动器根据光伏组件的输出功率调节驱动器输出频率、转速或转矩。在光照充足时，通过MPPT调节，使驱动器工作在组件最大功率点。当驱动器用于驱动水泵，空调压缩机等电机负载时，维持电机正常工作的最低功率较大；在光照较弱时，由于光伏组件输出功率低于电机负载维持功率，此时驱动器无法正常进行MPPT调节而停止输出，所驱动的电机停止运转。然而，此时光伏组件仍能提供电能只是功率较低，也就是说此时组件发出的电能驱动器无法正常使用而是白白浪费掉了，这对本来就珍贵的太阳能发电资源来说无疑是很大的损失。
中国专利公告CN 102158130公开了一种用于光伏变频器弱功率满足供电的装置，包括充电电路、控制电路、蓄电装置和输出电路。该装置是将弱太阳光线下所发出的电能收集并存储起来，在达到一定容量的时候提供给变频器输出以拖动电机，使光伏变频器在弱太阳光下能够持续间断的工作，提高了光伏变频器对太阳光能的利用率。该发明实现的原理是在控制电路的基础上增加了一套充电电路、蓄电装置和输出电路来提高对太阳能的利用率，因此该方案的电路复杂，体积大，成本较高；其次是在整个工作周期内不能实现驱动器连续MPPT控制。本发明的技术方案则较好的解决了以上两点不足。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种光伏电机驱动器弱功率控制电路与方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，包括MCU、光伏组件PV、Boost电路、三相逆变电路G4、输入电流传感器H1、母线电容C3、输入电压检测电路G1、母线电压检测电路G3和电机，还包括母线储能电路、储能超级电容缓起动及泄放电路、储能超级电容电压检测电路G2，所述Boost电路由输入滤波电容C1、Boost电感L1、Boost功率管Q1和Boost二极管D1组成，所述三相逆变电路G4由6个逆变功率管Q4～Q9组成，所述母线储能电路由超级电容模组C2和超级电容放电开关管Q3组成，所述储能超级电容缓起动及泄放电路由功率电阻R1、超级电容缓起动开关管Q2和超级电容泄放开关继电器K1组成；所述光伏组件PV与输入滤波电容C1并联，所述输入电压检测电路G1连接到输入滤波电容C1两端，所述光伏组件PV正极依次串联输入电流传感器H1、Boost电感L1的一端，所述Boost电感L1的另一端与Boost二极管D1的正极和Boost功率管Q1的集电极连接，所述Boost功率管Q1的发射极连接光伏组件PV的负极，所述Boost二极管D1的负极连接三相逆变电路G4的正极，所述Boost功率管Q1、超级电容缓起动开关管Q2和超级电容放电开关管Q3的发射极连接在一起，所述超级电容缓起动开关管Q2的集电极、超级电容放电开关管Q3的集电极分别与功率电阻R1的两端连接，所述超级电容缓起动开关管Q2的集电极与超级电容泄放开关继电器K1串联后与三相逆变电路G4正极连接，所述超级电容放电开关管Q3的集电极与超级电容模组C2串联后与三相逆变电路G4正极连接，所述超级电容电压检测电路G2连接到超级电容模组C2两端，所述母线电容C3与三相逆变电路G4并联，所述母线电压检测电路G3连接到母线电容C3两端，所述MCU的10路输出分别与Boost功率管Q1、超级电容缓起动开关管Q2、超级电容泄放开关继电器K1、超级电容放电开关管Q3和6个逆变功率管Q4～Q9的输入端连接，所述三相逆变电路G4负极与光伏组件负极连接，所述三相逆变电路G4的三个输出分别串联一个逆变电流传感器后接入电机的三相输入端。
优先地，所述超级电容模组C2采用带电压均衡及过压保护的超级电容模组，模组容量1.5F，额定电压为320V，能够满足500W功率放电1分钟。
优先地，所述功率电阻R1采用绕线式铝壳电阻，电阻值为200Ω，最大功率为500W。
优先地，所述超级电容泄放开关继电器K1的开关触点为常闭触点，触点功率为450V/5A，保证在驱动器断电后能自动闭合使电阻R1并联到超级电容模组两端进行放电。
优先地，所述超级电容泄放开关继电器K1的闭合/断开由MCU的一路数字输出引脚进行控制，在驱动器上电后即断开K1，防止电阻R1继续消耗超级电容模组电能。
优先地，所述MCU输出PWM控制Boost功率管Q1、超级电容缓起动开关管Q2和6路逆变功率管Q4～Q9的输入端，超级电容放电开关管Q3由MCU的一路数字输出引脚进行控制。
优先地，所述超级电容缓起动开关管Q2、超级电容放电开关管Q3为场效应管或IGBT。
一种光伏电机驱动器弱功率控制电路的方法，所述驱动器分为逆变连续工作状态和逆变断续工作状态。
所述驱动器的逆变连续工作状态包括以下步骤：
(1)MCU分别通过输入电压检测电路G1采样输入电压，通过输入电流传感器H1采样输入电流；
(2)MCU通过输出PWM对Boost电路进行MPPT控制，三相逆变电路G4输出电能，电机工作；
(3)三相逆变电路G4按照设定的工作模式对应调节频率、转速或转矩，使电机功率等于Boost进行MPPT的输入功率，母线电压维持在常态工作电压点；
(4)Boost电路的输出功率全部输送到电机，超级电容保持备用状态，MCU输出PWM对超级电容缓起动开关管Q2进行控制，补充超级电容模组C2自身的损耗。
所述驱动器的逆变断续工作状态包括以下步骤：
(1)MCU分别通过输入电压检测电路G1采样输入电压，通过输入电流传感器H1采样输入电流；
(2)MCU通过输出PWM对Boost电路进行MPPT控制，三相逆变电路G4输出电能，电机工作；
(3)三相逆变电路G4按照设定的工作模式以最低频率、转速或转矩驱动电机工作；
(4)由于Boost电路的输出功率低于电机维持功率，母线电压开始下降，当母线电压低于超级电容模组C2电压时，超级电容模组C2通过超级电容放电开关管Q3的反向并联二极管对母线进行放电，同时超级电容放电开关管Q3闭合，维持电机持续工作；
(5)直至超级电容模组C2电压放电至维持电机正常工作的最低直流电压或无法进行MPPT控制的最低临界电压时，三相逆变电路G4关闭，停止向电机输出电能，电机停止输出；
(6)MCU通过输出PWM继续对Boost电路进行MPPT控制，对超级电容模组C2和母线电容C3进行充电，当超级电容模组C2充至额定电压后超级电容放电开关管Q3断开，母线电压继续上升至常态工作电压点后开启三相逆变电路G4，按照设定的工作模式以最低频率、转速或转矩驱动电机工作；
(7)若光伏组件PV输入功率大于电机维持功率，驱动器进入逆变连续工作状态，否则驱动器重复上述逆变断续工作状态的步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)。
本发明的有益效果是，本发明在能够实现驱动器在极低输入功率下的正常工作，实现光伏组件在弱光条件连续MPPT控制，延长驱动器运行时间，充分利用组件能量，同时，该方案能够显著提升驱动器在低输入功率下的电机启动功率，避免电机启动失败，提高电机的控制性能。
附图说明
图1是光伏电机驱动器弱功率控制电路图；
图2是光伏电机驱动器的开机过程时序图；
图3是光伏电机驱动器的断续工作过程时序图。
其中，PV1～PVn.光伏组件，C1.输入滤波电容，H1.输入电流传感器，H2～H4.逆变电流传感器，L1.Boost电感，D1.Boost二极管，Q1.Boost功率管，Q2.超级电容缓起动开关管，K1.超级电容泄放开关继电器，R1.功率电阻，C2.超级电容模组，Q3.超级电容放电开关管，C3.母线电容，Q4～Q9.逆变功率管，G1.输入电压检测电路，G2.超级电容电压检测电路，G3.母线电压检测电路，G4.三相逆变电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，包括MCU、光伏组件PV、Boost电路、三相逆变电路G4、输入电流传感器H1、母线电容C3、输入电压检测电路G1、母线电压检测电路G3和电机，还包括母线储能电路、储能超级电容缓起动及泄放电路、储能超级电容电压检测电路G2，所述Boost电路由输入滤波电容C1、Boost电感L1、Boost功率管Q1和Boost二极管D1组成，所述三相逆变电路G4由6个逆变功率管Q4～Q9组成，所述母线储能电路由超级电容模组C2和超级电容放电开关管Q3组成，所述储能超级电容缓起动及泄放电路由功率电阻R1、超级电容缓起动开关管Q2和超级电容泄放开关继电器K1组成；所述光伏组件PV与输入滤波电容C1并联，所述输入电压检测电路G1连接到输入滤波电容C1两端，所述光伏组件PV正极依次串联输入电流传感器H1、Boost电感L1的一端，所述Boost电感L1的另一端与Boost二极管D1的正极和Boost功率管Q1的集电极连接，所述Boost功率管Q1的发射极连接光伏组件PV的负极，所述Boost二极管D1的负极连接三相逆变电路G4的正极，所述Boost功率管Q1、超级电容缓起动开关管Q2和超级电容放电开关管Q3的发射极连接在一起，所述超级电容缓起动开关管Q2的集电极、超级电容放电开关管Q3的集电极分别与功率电阻R1的两端连接，所述超级电容缓起动开关管Q2的集电极与超级电容泄放开关继电器K1串联后与三相逆变电路G4正极连接，所述超级电容放电开关管Q3的集电极与超级电容模组C2串联后与三相逆变电路G4正极连接，所述超级电容电压检测电路G2连接到超级电容模组C2两端，所述母线电容C3与三相逆变电路G4并联，所述母线电压检测电路G3连接母线电容C3两端，所述MCU的10路输出分别与Boost功率管Q1、超级电容缓起动开关管Q2、超级电容泄放开关继电器K1、超级电容放电开关管Q3和6逆变功率管Q4～Q9的输入端连接，所述三相逆变电路G4负极与光伏组件负极连接，所述三相逆变电路G4的三个输出分别串联一个逆变电流传感器后接入电机的三相输入端。
在实施例中，所述超级电容模组C2采用带电压均衡及过压保护的超级电容模组，模组容量1.5F，额定电压为320V，能够满足500W功率放电1分钟。利用超级电容模组充放电电流大，循环寿命长，损耗小的特点，保证驱动器的MPPT和电机控制性能及效率。
在实施例中，所述超级电容泄放开关继电器K1的开关触点为常闭触点。因为开关继电器K1与功率电阻R1组成超级电容泄放电路，在驱动器上电后MCU控制超级电容泄放开关继电器K1断开，从而断开功率电阻R1的放电回路，保证驱动器正常工作下超级电容模组C2的电量不会被功率电阻消耗；由于超级电容模组C2存储电量较大，当驱动器关机后，超级电容泄放开关继电器K1掉电，常闭触点闭合，电阻R1作为泄放电阻对超级电容模组C2进行放电，使超级电容模组C2两端电压在规定时间内降低到安全电压以下，保证安全规范要求。最好选用触点容量为450V/5A的继电器，保证继电器触点寿命。
在实施例中，所述功率电阻R1采用绕线式铝壳电阻，电阻值为200Ω，功率为500W。这样能够满足太阳光较弱时的频繁开关机使用，电阻R1不会由于过热引起火灾。
在实施例中，所述电机驱动器在正常工作前需要进行上电控制，以便完成对超级电容模组和母线电容的预充电。上电后开关继电器K1断开，MCU控制超级电容缓起动开关管Q2导通，使母线电压通过电阻R1对超级电容模组C2的充电电流进行限制，若母线电压高于超级电容模组C2额定电压，则在超级电容模组C2充电到额定电压后关闭开关管Q2，再开启三相逆变电路G4，完成上电启动；若母线电压低于超级电容模组C2额定电压，则在超级电容模组C2电压充电到母线电压后关闭开关管Q2，同时闭合开关管Q3，再输出PWM控制Boost功率管Q1，持续对超级电容模组C2和母线电容进行充电，直到超级电容模组C2电压达到额定电压后，关闭开关管Q3，Boost功率管Q1继续工作使母线电压达到常态工作电压点，开启三相逆变电路G4，进入正常工作状态，完成驱动器的启动过程。
在实施例中，所述超级电容泄放开关继电器K1的接入/断开由MCU的一路数字输出引脚进行控制。
在实施例中，所述MCU输出PWM控制Boost功率管Q1、超级电容缓起动开关管Q2和6路逆变功率管Q4～Q9的输入端，所述超级电容放电开关管Q3由MCU的一路数字输出引脚进行控制。
在实施例中，所述超级电容缓起动开关管Q2、超级电容放电开关管Q3为场效应管或IGBT。
一种光伏电机驱动器弱功率控制电路的方法，所述驱动器分为逆变连续工作状态和逆变断续工作状态。
在实施例中，所述驱动器的逆变连续工作状态包括以下步骤：
(1)MCU分别通过输入电压检测电路G1采样输入电压，通过输入电流传感器H1采样输入电流；
(2)MCU通过输出PWM对Boost电路进行MPPT控制，三相逆变电路G4输出电能，电机工作；
(3)三相逆变电路G4按照设定的工作模式对应调节频率、转速或转矩，使母线电压维持在常态工作电压点；
(4)Boost电路的输出功率全部输送到电机，超级电容保持备用状态，MCU输出PWM对超级电容缓起动开关管Q2进行控制，补充超级电容模组C2的损耗。
在实施例中，结合图3对所述驱动器的逆变断续工作状态做进一步说明，包括以下步骤：
(1)MCU分别通过输入电压检测电路G1采样输入电压，通过输入电流传感器H1采样输入电流；
(2)MCU通过输出PWM对Boost电路进行MPPT控制，三相逆变电路G4输出电能，电机工作；
(3)三相逆变电路G4按照设定的工作模式以最低频率、转速或转矩驱动电机工作；
(4)由于Boost电路的输出功率低于电机维持功率，母线电压开始下降，当母线电压低于超级电容模组C2时，超级电容模组C2通过超级电容放电开关管Q3的反向并联二极管对母线先进行放电，同时超级电容放电开关管Q3闭合，维持电机持续工作；
(5)直至超级电容模组C2电压放电至维持电机正常工作的最低直流电压或无法进行MPPT控制的最低临界电压时，三相逆变电路G4关闭，停止向电机输出电能，电机停止输出；
(6)MCU通过输出PWM继续对Boost电路进行MPPT控制，对超级电容模组C2和母线电容C3进行充电，当超级电容模组C2充至额定电压后超级电容放电开关管Q3断开，母线电压继续上升至常态工作电压点后开启三相逆变电路G4，按照设定的工作模式以最低频率、转速或转矩驱动电机工作；
(7)若光伏组件PV输入功率大于电机维持功率，驱动器进入逆变连续工作状态，否则驱动器重复上述逆变断续工作状态的步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (11)

1.一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，包括MCU、光伏组件(PV)、Boost电路、三相逆变电路(G4)、输入电流传感器(H1)、母线电容(C3)、输入电压检测电路(G1)、母线电压检测电路(G3)和电机，其特征在于，还包括母线储能电路、储能超级电容缓起动及泄放电路、储能超级电容电压检测电路(G2)，所述Boost电路由输入滤波电容(C1)、Boost电感(L1)、Boost功率管(Q1)和Boost二极管(D1)组成，所述三相逆变电路(G4)由6个逆变功率管(Q4～Q9)组成，所述母线储能电路由超级电容模组(C2)和超级电容放电开关管(Q3)组成，所述储能超级电容缓起动及泄放电路由功率电阻(R1)、超级电容缓起动开关管(Q2)和超级电容泄放开关继电器(K1)组成；所述光伏组件(PV)与输入滤波电容(C1)并联，所述输入电压检测电路(G1)连接到输入滤波电容(C1)两端，所述光伏组件(PV)正极依次串联输入电流传感器(H1)、Boost电感(L1)的一端，所述Boost电感(L1)的另一端与Boost二极管(D1)的正极和Boost功率管(Q1)的集电极连接，所述Boost功率管(Q1)的发射极连接光伏组件(PV)的负极，所述Boost二极管(D1)的负极连接三相逆变电路(G4)的正极，所述Boost功率管(Q1)、超级电容缓起动开关管(Q2)和超级电容放电开关管(Q3)的发射极连接在一起，所述超级电容缓起动开关管(Q2)的集电极、超级电容放电开关管(Q3)的集电极分别与功率电阻(R1)的两端连接，所述超级电容缓起动开关管(Q2)的集电极与超级电容泄放开关继电器(K1)串联后与三相逆变电路(G4)正极连接，所述超级电容放电开关管(Q3)的集电极与超级电容模组(C2)串联后与三相逆变电路(G4)正极连接，所述超级电容电压检测电路(G2)连接到超级电容模组(C2)两端，所述母线电容(C3)与三相逆变电路(G4)并联，所述母线电压检测电路(G3)连接到母线电容(C3)两端，所述MCU的10路输出分别与Boost功率管(Q1)、超级电容缓起动开关管(Q2)、超级电容泄放开关继电器(K1)、超级电容放电开关管(Q3)和6个逆变功率管(Q4～Q9)的输入端连接，所述三相逆变电路(G4)负极与光伏组件负极连接，所述三相逆变电路(G4)的三个输出分别串联一个逆变电流传感器后接入电机的三相输入端。
2.如权利要求1所述的一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，其特征在于，所述超级电容模组(C2)采用带电压均衡及过压保护的超级电容模组，模组容量为1.5F，额定电压值为320V。
3.如权利要求1所述的一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，其特征在于，所述功率电阻(R1)采用绕线式铝壳电阻，电阻值为200Ω，最大功率为500W。
4.如权利要求1所述的一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，其特征在于，所述超级电容泄放开关继电器(K1)的开关触点为常闭触点。
5.如权利要求4所述的一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，其特征在于，所述超级电容泄放开关继电器(K1)的开关触点功率为450V/5A，。
6.如权利要求4所述的一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，其特征在于，所述超级电容泄放开关继电器(K1)的接入/断开由MCU的一路数字输出引脚进行控制。
7.如权利要求1至6任一所述的一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，其特征在于，所述MCU输出PWM控制Boost功率管(Q1)、超级电容缓起动开关管(Q2)和6路逆变功率管(Q4～Q9)的输入端，所述超级电容放电开关管(Q3)由MCU的一路数字输出引脚进行控制。
8.如权利要求1至6任一所述的一种光伏电机驱动器弱功率控制电路，其特征在于，所述超级电容放电开关管(Q3)为场效应管或IGBT。
9.一种利用权利要求1所述光伏电机驱动器弱功率控制电路的方法，其特征在于，驱动器分为逆变连续工作状态和逆变断续工作状态。
10.如权利要求9所述的一种光伏电机驱动器弱功率控制电路的方法，其特征在于，驱动器的逆变连续工作状态包括以下步骤：
(1)MCU分别通过输入电压检测电路(G1)采样输入电压，通过输入电流传感器(H1)采样输入电流；
(2)MCU通过输出PWM对Boost电路进行MPPT控制，三相逆变电路(G4)输出电能，电机工作；
(3)三相逆变电路(G4)按照设定的工作模式对应调节频率、转速或转矩，使母线电压维持在常态工作电压点；
(4)三相逆变电路(G4)的输出功率全部输送到电机，超级电容保持备用状态，MCU输出PWM对超级电容缓起动开关管(Q2)进行控制，补充超级电容损耗。
11.如权利要求9所述的一种光伏电机驱动器弱功率控制电路的方法，其特征在于，驱动器的逆变断续工作状态包括以下步骤：
(1)MCU分别通过输入电压检测电路(G1)采样输入电压，通过输入电流传感器(H1)采样输入电流；
(2)MCU通过输出PWM对Boost电路进行MPPT控制，三相逆变电路(G4)输出电能，电机工作；
(3)三相逆变电路(G4)按照设定的工作模式以最低频率、转速或转矩驱动电机工作；
(4)由于Boost电路的输出功率低于电机维持功率，母线电压开始下降，当母线电压低于超级电容模组(C2)时，超级电容模组(C2)通过超级电容放电开关管(Q3)的反向并联二极管对母线先进行放电，同时超级电容放电开关管(Q3)闭合，维持电机持续工作；
(5)直至超级电容模组(C2)电压放电至维持电机正常工作的最低直流电压或无法进行MPPT控制的最低临界电压时，三相逆变电路(G4)关闭，停止向电机输出电能，电机停止输出；
(6)MCU通过输出PWM继续对Boost电路进行MPPT控制，对超级电容模组(C2)和母线电容(C3)进行充电，当超级电容模组(C2)充至额定电压后超级电容放电开关管(Q3)断开，母线电压继续上升至常态工作电压点后开启三相逆变电路(G4)，按照设定的工作模式以最低频率、转速或转矩驱动电机工作；
(7)若光伏组件(PV)输入功率大于电机维持功率，驱动器进入逆变连续工作状态，否则驱动器重复上述逆变断续工作状态的步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)。
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