CN1146658A - 逆变器的控制装置和利用该控制装置的发电系统 - Google Patents

逆变器的控制装置和利用该控制装置的发电系统 Download PDF

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Abstract

为了提供一种廉价的使用单微处理器并可以执行电流控制和最大功率控制而无须改变硬件设计的逆变器，提供了一个用于将直流电转换成交流电的利用开关器件的逆变器的控制装置，其中控制装置由一个逆变判别电路构成，用于接收输出电流或输出电压及基准信号，并用于判别开关器件的开关状态是否应当被逆变，一个门脉冲信号形成装置，用于响应从逆变判别电路输出的逆变请求信号改变开关器件的开关状态。其中门脉冲信号形成装置具有一个数字CPU，用于利用逆变请求信号通过一个中断过程形成一个门脉冲信号作为中断控制信号。

Description

逆变器的控制装置和利用该控制装置的发电系统
本发明涉及一种逆变器的控制装置和利用该控制装置的发电系统。更具体地说，本发明涉及一种连接到商用的电源系统的系统链接式逆变器的控制装置以及一种利用这种控制及能够与不稳定发电如太阳能发电配合的发电系统。
太阳能发电系统将耗之不尽的清洁的太阳能转换成电能，并且被寄与了极大的希望。特别是近年来，正在进行立法，正式地采用一种系统链接系统，该系统用于利用一个逆变器将由太阳能电池产生的直流电转换成交流电并把这种交流电送到商业电源系统中。图1显示了一个一般的太阳能发电系统的例子。太阳能电池的输出通过一个系统链接逆变器(以下简称逆变器)2连接到商业电源系统3。逆变器2具有：一个具有一个线圈和电容的输入滤波器(直流侧滤波器)21；一个具有一个半导体开关的开关单元22，该半导体开关由一个门控制信号和类似信号控制开/关。一个具有一个线圈和电容的输出滤波器(交流侧滤波器)23；一个控制装置24，用于控制转换器的操作。控制装置24具有一个最大功率控制单元241和一个瞬时值电流控制单元242。逆变器2可以具有一个保护装置或类似装置。
最大功率控制单元241根据日照强度和温度的改变来改变太阳能电池的工作点，从而从太阳能电池中获得最大的电功率。控制单元241输入一个太阳能电池电压Vpv和一个太阳能电池电流Ipv并对逆变器的输出电流指令值进行运算操作，使得太阳能电池输出变为最大。更具体地说，控制单元241对电压进行运算操作和计算使得太阳能电池电压等于该电压。通常是使用一个数字微处理器(通常称为micom)作为运算操作装置。作为这种最大功率控制单元的一个例子，如同日本专利申请公报62-85312中公开的单元。
瞬时值电流控制单元242从最大功率控制单元241输入电流指令值并通过一个门控信号控制逆变单元22，以便使得逆变器的输出电流与电流指令值几乎一致。作为这样的瞬时值电流控制单元的一个例子，U.S.专利N0.4,424,557公开了一个这样的单元。
瞬时值电流控制单元的操作将参照图1和2进行叙述。瞬时值电流控制单元242从最大功率控制单元241输入电流指令值并发送一个门控制信号(on/off)指令信号到开关单元22。图2显示了在这个例子中门信号，输出电流信号波形，和电流指令值之间的关系。如图2所示，作为瞬时值电流控制信号，一个门控制信号被发送以便输出电流几乎与电流指令值一致。即，当门信号是在高(H)电平时，输出电流增加，当输出电流超过指示值一个预定量或更多时，门信号被置为低(L)电平，由此减少输出电流。当输出电流比指令值低一个预定量或更多时，门信号被再度设置为H电平，由此增加输出电流。通过这样的一个控制操作，输出电流几乎与指令值一致。在用于太阳能的发电系统的逆变器中，为了减少噪声和输出电流失真，在许多情况下，门信号的最高的频率被设置到10kHz到30kHz范围中的一个相当高的值。
最大功率控制单元和瞬时值电流控制单元通常被个别地构造。这是因为用于最大功率控制和瞬时值电流控制的控制速度是完全不同的。由于最大功率控制单元只跟踪日照射的不稳定就即可，可以使用相对较慢的控制单元。根据发明人的研究，控制单元可以工作在例如0.1秒的慢周期就足够了。但是，由于瞬时值控制系统需要连续地将输出电流与电流指定值进行比较以及必须根据比较结果确定门的通/断。此外，为了减少输出电流失真和噪声，需要以10Khz或以上的频率接通/关断开关单元。例如，为了实现10KHz的开关速度，必须将控制周期限制在少于100毫秒的值。如果在两个控制操作中都是一个数字微处理器进行的，则所有的控制逻辑都可以汇编为一个软件，于是系统的灵活性能够显著增加。但是，如果这样的结构被一般地实施的话，最大功率控制单元瞬时值电流控制单元二者在一个控制周期中(例如，100微秒)执行，以至需要非常高速的微处理器和非常高速的模拟/数字转换器。这是非常昂贵的并且存在逆变器不能以低成本制造的问题。因此，总的来说，按硬件构造的瞬时值电流控制单元和按软件构造的最大功率控制单元如上所述被结合在一起。尽管由硬件执行瞬时值的控制是较容易的，但是由于要提供两个硬件的控制单元和一个数字化微处理器，造成成本上升并需要安装空间。当出现新的开关器件时，必须改变目前的控制单元的硬件的设计。
在日本专利申请公报No.57-25171中公开了一种利用定时器中断的逆变器控制装置。但是，该装置不能应用于具有输入根据如太阳能电池日照而连续的改变的逆变器。
如上所述，适于链接逆变器利用单CPU执行瞬时值电流控制(波形形成控制)和最大功率控制的适用的控制装置还没有实现。
本发明就是在考虑上述问题的基础上作出的，并且本发明的目的是提供一种低成本的逆变器，它使用单数字微处理器并执行电流控制和最大功率控制，既使对于任何开关器件或太阳能电池也无需改变硬件的设计。
本发明的另一个目的是提供一种用于通过使用开关器件将直流电转换成交流电并逆变提供给商业电源系统的逆变器的控制装置，包括：逆变判别装置，用于将转换器的输出电流或者输出电压与预定的参考信号比较，从而判别开关器件的开关状态是否被逆变；门脉冲信号形成装置，用于响应从判别装置输出的逆变请求信号逆变开关器件的开关状态，其中，门脉冲信号形成装置是由一个数字CPU构成的，并且该CPU接收转换请求信号作为中断控制信号并形成一个门脉冲信号在逆变请求中断处理程序中在中断信号被输入之后逆变开关器件的开关状态。
本发明的另一个目的是提供一种发电系统，包括：一个具有该控制装置的逆变器；一个用于提供直流电到逆变器的太阳能电池；和一个作为逆变器的附加装置的商业电源系统，其中太阳能电池的输出电能被逆变提供到该商业电源系统。
为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种转换器的控制装置，用于利用一个开关器件将直流电转换成交流电，包括：一个逆变判别电路，用于接收输出电流或输出电压及基准信号，从而判别开关器件的开关状态是否应当被逆变；以及一个门脉冲信号形成装置，用于响应从转换判别电路输出的转换请求信号改变开关器件的开关状态，其中门脉冲信号形成装置由一个CPU构成并输入逆变请求信号作为CPU的中断控制信号。
当考虑逆变器的切换操作时，应当理解一些在功能上必需的处理过程的时间周期仅仅是用于切换开关的时间瞬间。本发明中注意到了这一点，用于逆变的时刻是由硬件方式来判别的，并且产生一个中断请求信号，从而允许CPU只在此瞬间时刻执行开关的切换操作。利用该方法，CPU一靓可以最大限度地用于例如一个保护过程，最大功率处理，或类似处理，以便它能够以相对足够的响应时间并在一个极短的响应时间内利用一个中断处理执行形成开关门脉冲的处理。利用该方法，由于门脉冲形成处理是作为CPU的一个软件来描述的，即使当开关器件改变时也无需改变硬件。此外，相互处理程序之间的独立性也显著增加，于是调试过程易于进行。
图1是一个用于描述太阳能发电系统的结构性的简易框图；
图2是一个示意图，用于解释输出电流值和电流指令值之间的关系；
图3和图10为示意结构框图，每一图用于解释本发明的太阳能发电系统的结构的一个例子；
图4为一个示意电路图，用于解释开关单元的一个例子；
图5为一个示意电路结构图，用于解释逆变判别电路的一个实例；
图6和图9为流程图，分别用于解释主控制过程的例子；
图7A，7B，8A，8B为流程图，分别用于解释中断处理的例子；
图11为一个用于解释在比较例中的主控制程序的流程图。
(实施例1)
图3显示了利用根据本发明逆变器的太阳能发电系统的结构的一个较佳实施例。
在图3中，与图1中所示的相同的部件使用相同的标号。标号4表示一个CPU(中央处理单元)；5表示一个逆变判别电路；6表示一个转换器。转换器6连接到商业电源系统3中并且向逆变判别电路5提供所需的电流值作为一个基准电流值。来自开关单元22的电流输出被提供到逆变判别电路5。
根据图3中的逆变器2，一个模拟比较器和一个适当的由CPU执行的程序被结合在一起并且设定一个断开所有的开关单元22的开关的全断开时间。在图3中，开关单元22的门驱动电路(未示出)直接由来自数字CPU4的数字输出信号驱动。来自逆变判别电路5的开关逆变请求信号被连接到CPU4的中断信号线。
作为太阳能电池1，其中有以非晶形硅或石英作为光电转换层的电池。但是实施本发明时这一点没有限制。在本实施例中，使用了由USSC公司制造的56块(14串×4并)非晶形太阳能电池模块(商品名：UPM880)作为太阳能电池1并且构造了具有200V和5.6A的输出的阵列。
太阳能电池1的输出通过具有大容量电容的直流侧滤波器21被输入到开关单元22。在该实施例中，一个4700MF的铝电解电容器被用作为直流侧滤波器21的电容器。这种电容器的选择要使得它能够经受脉动电流和太阳能电池1的电压的释放。
作为开关单元22，最好使用利用4个自灭弧型开关器件例如MOSFET，IGBT，等的所谓全桥电路。作为另一种电路，也可以使用利用两个器件的半桥式电路。在该实施例中，图4中所示的全桥电路使用了4个由日立公司制造的MOSFET(2SK1405：600和15A)构成。开关单元22的输出通过一个输出电抗器(10A，10mH)被连接到商业电源系统。
如图4所示，四个MOSFET具有两组MOSEFT(221和222；223和224)，其中的每一个，源极S和漏极D互连。源极互连S的MOSEFT(221和223)的漏极D，被分别连接到正端(+)。漏极D互连的MOSEFT(222和224)的源极S被分别连接到负端(-)。输出被从MOSEFT的源极S和漏极D的连接的节处取出。来自CPU4的输出被送到每个MOSEFT的栅极G。
作为瞬时值电流控制系统(逆变判别系统)是电流跟踪型。图5为执行该功能的电路的一个具体的例子。在图5中的逆变判别电路5中，通过将系统电压乘以一个预定的常数而得到的电压作为基准电压施加到参考信号输入端Iref。一个逆变器输出信号被提供到输出电流输入端Iinv并分别由比较器COMP1和COMP2进行比较。具有相反相位的逆变请求信号被输出。
R1到R9和R12表示固定电阻，VR10，VR11，VR13，和VR14分别表示可变电阻。
这些电阻器的电阻值被设定如下：R1至R8＝100KΩ；R9，R12＝5.1KΩ；VR10，VR13＝500Ω；VR11，VR14＝200Ω。
现在参照图2描述逆变判别电路5的操作状态。当基准电流Iref和输出电流Iinv之间的差超过预定的电流宽度Δ时，产生一个输出以便逆变请求信号R或S被设为高逻辑电平H。在该实施例中，普通运算放大器TL072被用作为算术运算放大器U1-1和U1-2，及其中输出被为TTL电平由Maxim公司制造的且操作速度高MAX909作为比较器的。具体地说，对这些器件虽然没有严格的限制，为了连接到数字CPU，使用数字电平(CMOS，TTL)输出到输出端R和S的器件将是很方便的。考虑到逆变器的效率和失真，有必要将电流宽度Δ设置为一个适当的值。通常来说，当Δ降低时开关次数增加而效率变差。但是，失真也降低。当Δ增加时，产生相反的现象。因此，有必要再考虑到失真等音素的情况下确定电流宽值Δ。
逆变判别电路5的输出R和S被连接到数字CPU的中断输入端。最好采用具有多个中断输入端的CPU。除非其它情况，只需利用一个用于中断控制的电路如有Intel公司制造的集成电路(型号8251)将多个中断输入端连接起来。
在该实施例中，使用了一个由Mitsubishi电器公司制造的用于学习的微计算机板(商品名：MTK7702A)。在板上安装了一个器件M7710(由Mitsubishi电器公司制造，时钟频率为25MHz)作为CPU。这种CPU是所谓单片型，并且具有一个A/D转换器，一个D/A转换器，一个定时器，一个并行I/O，一个RAM，和三个中断输入端。该CPU适于实施本发明。在该实施例中，输出端R和S被分别接到中断0和中断1。并口No.6的到4位被用作为门脉冲。
该并口的输出由一个光电耦合器隔离，然后被送到开关器件的门驱动电路。门驱动电路可以采用众所周知的电路。在许多情形中，由于所建议的门驱动电路在许多公司的功率器件手册中透露，它们也可以被采用。
根据本发明的逆变器控制电路如上构造。下面描述一种软件的结构。
在本发明的控制装置中，必需说明两个独立的处理程序。即描述为中断处理的开关逆变处理程序和用于执行其它处理程序如最佳操作点跟踪控制或类似程序的主控制程序。在本发明的情形中，由于交互程序无须知道它们的存在，程序可以很容易地描述并且可维护性能得以提高。
根据该实施例，一个用于闪烁连接到CPU M7710的第五并口的LED的程序在主控制程序中被执行。图6表示了该主控制程序。由主控制程序描述的操作必须有一个比开关转换操作慢的延时控制(响应)时间。除非其它情形，用于中断处理的时间会变为不能被相对地忽略的大小并妨碍操作。
中断处理程序的描述内容示于图7A和图7B。用于ALLOFF(所有的开关器件都被断开。在该实施例中，ALLOFF处理被执行2微秒的时间)的处理执行一个预定的时间。之后，执行向电流增加模式(FET221和224被导通)以及电流减少模式(FET222和223被导通)的一个状态逆变。利用ALLOFF过程，可以防止事故，诸如使得串联到太阳能电池输出的开关器件(图4中的FET223和224)由于灭弧延时被同时导通，电路被短路及开关器件被击穿等。该实施例的特点是ALLOFF的时间是由软件的方式决定的。当开关器件的类型被改变时，有时ALLOFF时间必须被改变。即使在这种情况下，该实施例的控制装置不需要既费时又费钱的硬件的改变。由于开关操作可以由CPU智能地进行，对于各种未预料到的情形进行各种处理，系统的安全性得以提高。
根据该控制装置，在复位之后执行LED的闪烁操作时，只有当开关逆变中断时，才进行开关逆变并控制输出电流波形。在该装置中，由于与系统的相位同步是由提供到逆变判别电路的基准电流Iref自动完成的，以上的控制处理程序相当简单。
(实施例2)
在该实施例中，由Mitsubishi电器公司制造的IGBT(CM50DY-12H)被采用作为开关器件而其它硬件大体与实施例1中的相同。对处理程序的描述改变为如图8A和8B所示。具体地说，原来的逆变的时间的由一定时器进行测量。当测量的时间太短时，执行一个时间等待程序。在该实施例中，最短的开关时间被设定为0.1毫秒。通过执行如上所述的最短时间的限制处理，开关频率可以被限制到10KH或更少。由于IGBT的开关操作慢于MOSFET的开关操作，所以限制开关频率是必要的。但是，在本发明的控制装置中，没有必要改变与之相关的硬件。一个用于存储时间的存储器被中断0和中断1共用。
(实施例3)
在该实施例中，除了前述的实施例以外，主控制程序被改写为如图9所示，并且最佳操作点跟踪(MPPT)控制操作由该主控制程序执行。
即，在电流指令值增加模式被设定之后，一个电流幅度指令被更新并且该装置等待0.1毫秒。接下来，PV(太阳能电池)电流/电压被读出并且PV电功率被计算。这时进行核实看PV(太阳能电池)电功率是否已经增加到大于先前计算结果。如果是，电流幅度指令被更新。当PV功率没有比先前的计算结果增加时，电流指令模式被逆变。之后，电流幅度指令被更新。
如上所述，电流指令根据PV功率的增加和减少而被更新。关于最佳操作点跟踪，构成了图10所示的电路，使得微机板也可以获取太阳能电池电压和电流加到A/D输入端。
为了取出太阳能电池电压，通常的方法是利用一个适当电压的分压电阻降低太阳能电池的电压，之后，降低电压通过时用一个隔离放大器被输入到A/D输入端。为了获取太阳能电池的电流，在隔离之后，利用一个由霍尔元件构成的DCCT(直流电流变换器)将电流转换成电压，该电压被输入到CPU的A/D输入端。至于其它方法，有使用精密电阻电流检测方法。D/A转换器的输出由一个模拟乘法器243乘以系统电压，得到的电压被作为基准电流Iref，从而，使得逆变器输出电流的幅度能够由CPU控制。最大功率控制单元241被设置在CPU4中。
有一种登山法作为MPPT控制操作方法。在该实施例中，采用了登山方法。在上面所述的图9中的虚线所包围的部分显示了该登山方法的流程。即，电流指令值被增加，在这时计算PV功率，当功率下降时，电流指令值减少，当功率上升时，电流指令值进一步增加。为控制环路提供了100毫秒(0.1秒)的等待时间以便逆变器能够跟踪操作。即使存在用于限制开关之间的等待时间，中断处理程序的处理时间最多为0.2毫秒或更少。因此，在上面的两个控制时间之间，有500倍的差值。
当该装置如上所述在白天在蓝色天空下被操作时，该实施例的转换器不会工作异常，但是执行最大功率点跟踪操作。对于输出电流失真和最短开关时间不会产生问题。如上所述，MPPT操作和输出波形形成操作可以由单CPU实现。
作为比较例，图11显示了一个只通过软件用于处理波形形成和主控制操作的程序的例子的流程图。在这种情形下，相对复杂的处理例如系统同步过程，相位判别过程，或类似过程是必要的。
如上所述，根据本发明，提供了一个系统连接逆变器的控制装置，用于将直流电转换成交流电并反过来送到商业电源系统中，包括：逆变判别装置，用于输入一个输出电流或者输出电压以及一个基准信号，及用于判别开关器件的开关状态是否被逆变；一个门脉冲信号形成装置，用于响应从转换判别装置输出的逆变请求信号改变开关器件的开关状态，其中的门脉冲信号形成装置由数字CPU构成而逆变请求信号作为该CPU的中断控制信号输入。该控制装置具有如下的效果。
(1)对于开关器件的特定的参数如ALLOFF时间和最短开关时间可以很容易地改变。
(2)可以很容易地实现门阻断功能。
(3)最低或最高开关频率可以容易地限制。
(4)在太阳能发电中，MPPT控制单元和波形控制单元可以由廉价的较低速的单CPU构成。因此，转换器控制装置的成本可被降低。
(5)由于采用了中断处理过程，最大功率控制过程和波形形成控制(门脉冲产生)过程可作为完全独立的程序描述。因此，每个程序的调试可以独立地容易地执行并且开发效率也可以提高。

Claims (5)

1.一种逆变器的控制装置，用于利用一个开关器件将直流电转换成交流电并用于向商用电源系统提供所述交流电能，包括：
一个逆变判别装置，用于比较所述逆变器的输出电流或输出电压与基准信号，从而判别开关器件的开关状态是否应当被逆变；
一个门脉冲信号形成装置，用于响应从判别电路输出的逆变请求信号逆变所述开关器件的开关状态，
其中所述门脉冲信号形成装置是有一个数字CPU，所述的CPU接收所述的逆变请求信号作为中断控制信号并形成一个门脉冲信号，在所述的中断控制信号被输入后在逆变请求中断处理程序中逆变所述开关器件的开关状态。
2.根据权利要求1的装置，其中所述的门脉冲信号形成装置逆变所述的开关器件的开关状态到一个第一状态，在该状态中所述的逆变器的输出电压以第一极性施加到到商业电源系统中，或者一个第二状态，其中所述的输出电压被以所述的第一极性相反的极施加。
3.根据权利要求2的装置，还具有一个时间测量装置，其中所述的数字CPU基于所述的时间测量装置的输出上所述的逆变请求中断处理程序中获得一个在先前的逆变请求和目前的逆变请求之间的时间差，并当所述的时间差短于预定的时间时，CPU等待所述的开关器件的开关状态的逆变直到时间达到所述的预定时间。
4.一种太阳能发电系统，包括：
具有根据权利要求1的控制装置的逆变器；
用于提供直流电到所述的逆变器的太阳能电池；以及
商业电源系统，作为所述转换器的附加系统，
其中所述的太阳能电池的输出电能被反向地提供到所述的商业电源系统中。
5.根据权利要求4的系统，其中除了改变所述开关状态的程序之外，所述的控制装置的数字CPU也同时执行一个最大功率控制过程，用于控制所述太阳能电池的操作电压，以便从太阳能电池提取最大功率。
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