CN1554913A - 太阳能光伏整体集成并网控制器及方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及太阳能光伏整体集成并网控制器及方法，尤指一种用于太阳能光伏产业发电系统的控制装置及其方法。该发明的装置由太阳能板、控制装置、监控装置、交流负载及交流电网等组成，太阳电池方阵与并网逆变单元相互连接，交流电网与交流负载相互连接，并网逆变单元的输出连接到交流电网与交流负载之间的连线，上位机与监控单元相互连接，监控单元与人机界面单元相互连接，用RS232接口与人机界面单元及上位机通信连接。本发明的优点是：具有驱动电路简单、电压和电流容量大、工作频率高、开关损耗低、安全工作区大、工作可靠性高等优点，该系统结构紧凑、性能优良、安全可靠、电磁干扰小、效率高。

Description

太阳能光伏整体集成并网控制器及方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏整体集成并网控制器及方法，尤指一种用于太阳能光伏产业发电系统的控制装置及其方法。

背景技术

太阳能光伏产业是二十一世纪的新兴产业之一。太阳能光伏发电系统在不断提高太阳电池的光电转换效率及使用寿命的同时，其控制装置的研发和应用是太阳能光伏系统中最为重要和关键的部分。传统的控制器控制太阳能电池方阵的输入阵列数，以满足蓄电池的充电要求，同时通过逆变装置向交流负载供电。该技术的主要技术问题和缺点是，组件独立设计不具备并联或并网运行；控制器采用有级方式控制太阳电池方阵；不具备ZV-ZCS(零压零流开关)谐振软开关逆变技术、全数字化DSP(数字信号处理)技术、数字同步锁相技术、MPPT(Maximum Power Point Trace)自寻优最大功率点技术、反孤岛运行技术、系统集中管理及远程监控技术、系统组件最优化仿真技术。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种由并网逆变单元、当地监控单元、人机界面单元、远程监控单元组成的系统，该系统通过并网逆变单元，将太阳电池方阵输出的直流电能转换成交流电能，通过监控单元对交流电网的幅值、频率、相位的实时跟踪，使系统能自动迅速与交流电网同相位、同幅值并网运行系统。

本发明要解决的技术问题是：要解决ZV-ZCS(零压零流开关)谐振软开关并网逆变技术、全数字化DSP(数字信号处理)技术、数字同步锁相技术、反孤岛运行技术、系统集中管理及远程监控技术、系统组件最优化仿真技术等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置由太阳能板、控制装置、监控装置、交流负载及交流电网等模块组成，太阳电池方阵与并网逆变单元相互连接，交流电网与交流负载相互连接，并网逆变单元的输出连接到交流电网与交流负载之间的连线，上位机与监控单元相互连接，监控单元与人机界面单元相互连接；上位机、监控单元与人机界面单元相互串接后再与太阳电池方阵、并网逆变单元、交流电网及交流负载相互并接，用RS232接口与人机界面单元及上位机通信连接。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变单元的保护电路输出信号传输到SPWM波形发生模块的输入端，并网输出电流控制模块的一侧输出信号传输到电网过零检测模块的输入端，电网过零检测模块的输出信号传输到同步锁相控制模块的输入端，同步锁相控制模块的输出信号传输到SPWM波形发生模块的输入端，SPWM波形发生模块的输出信号传输到隔离驱动模块的输入端，隔离驱动模块的输出信号传输到功率转换电路的输入端，功率转换电路的输出信号传输到变压器滤波器模块的输入端，变压器滤波器模块的输出信号一路传输到并网输出电流控制模块，另一路传输到输出电压反馈模块，输出电压反馈模块的输出信号传输到软开关及DSP控制单元的输入端，软开关及DSP控制单元的输出信号传输到SPWM波形发生模块的输入端，并网输出电流控制模块的另一侧输出端与交流电网输入端相互并接。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变单元的软开关由零电流开关、零电压开关和零电压电流开关组成。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变单元的逆变电路由三相全桥电路及绝缘栅场效应管组成；并网逆变单元的驱动回路由低损耗零压零流开通/关断谐振软开关和全数字化DSP电路组成。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的控制装置的控制芯片由16位INTEL80C196MC芯片组成。

一种太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法，其并网逆变方法用零压零流开通/关断软开关的并网逆变技术完成并网控制系统，用零压零流开通/关断谐振技术、全数字化DSP技术、数字同步锁相技术，将太阳能电池方阵输出的直流电能转换为50/60Hz的正弦波交流电能，自动完成与交流电网同频率、同相位的并网控制。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法的电网检测方法为被动检测与主动检测相结合，其中：

a)、被动检测方法为电压相位跳变方式，包括：

步骤1.相位检测

监测系统输出电压的每个周波的周期，对前10个周波的平均相位的检测，监测相位的跳变；

步骤2.判断

相位跳变的整定值设定为5°，整定时间为0.20秒，根据系统输出电压出现一定相位跳变来判断系统是否单独运行，在整定时间内相位变化返回到平均相值时，不判为单独运行；

b)、主动检测方法为无功功率变动方式，包括：

变动：通过将并网控制系统的输出电流频率周期性地改变，无功功率产生变动；

c)、被动检测方法和主动检测方法相结合为“反孤岛”运行保护。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法的并网运行控制方法包括：

a)、独立供电及自动同步并网运行控制的具体工作步骤是：

步骤1.电网解列

并网控制系统在电网停电时，实现自动与电网解列，独立向重要负载提供优质交流电能；

步骤2.提供电能

在配备蓄电池后，系统在夜间不间断地提供电能；

步骤3.切换至并网发电

在电网恢复供电时，通过与电网电压同步，在不影响给负载供电的情况下切换至并网发电运行方式；

步骤4.监测控制

系统监测太阳电池方阵输出电压和输出功率，控制太阳能电池方阵投入或停止运行；

b)、并网控制系统运行及停止控制的具体工作步骤是：

步骤1.电压设定

电压为太阳电池方阵在25℃时最大输出动作电压的80％值；起动电压1为比电压值高10V；起动电压2为起动电压1的1.05倍；

步骤2.运行条件

太阳电池方阵的开路电压：在超过起动电压1的设定值20分钟后运行；或太阳电池方阵的开路电压：在超过起动电压2的设定值10秒钟后运行；

步骤3.停止条件

太阳电池方阵的输出功率小于标称值的5％20分钟后停止；

c)、并网控制系统电压自动调整的具体工作步骤是：

步骤1.超前相位无功功率控制

从功率因素为1过渡到超前无功功率控制的设定值，电网提供超前相位电流节时增加，变换效率；

步骤2.输出功率控制

当超前相位无功功率控制对电压升高的抑制达到临界值时，系统电压转由输出功率控制，限制并网控制系统的输出功率。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法的管理监控方法用并网控制系统集中管理和当地/远程监控方法完成，其中：

a)、监控单元通过电压、电流霍尔传感器对并网控制系统各组件参数进行采集，根据各组件参数进行计算和分析，作出相应的控制操作，同时通过RS232或RS485串口与触摸式人机界面、上位机双向通信；

b)、用监控单元完成模拟量数据采集、开关量数据采集、开关量控制输出、保护、通信的控制操作。

本发明的太阳能光伏整体集成并网控制器由并网逆变单元、当地监控单元、人机界面单元、远程监控单元(上位机)组成，该系统通过并网逆变单元，将太阳电池方阵输出的直流电能转换成交流电能，通过监控单元对交流电网的幅值、频率、相位的实时跟踪，使系统能自动迅速与交流电网同相位、同幅值并网。系统通过RS232或RS485接口与人机界面单元及上位机通信，实现系统的当地和远程监控功能。

本发明的有益效果是：以正弦波电流的方式并网送电减小对电网产生谐波干扰和过多的无功分量，用绝缘栅场效应管作逆变电路的功率器件，集功率MOSFET和双极型晶体管的优点于一体，具有驱动电路简单、电压和电流容量大、工作频率高、开关损耗低、安全工作区大、工作可靠性高等优点，该系统结构简单、性能优良、安全可靠、智能化程度高、电磁干扰小、效率高。在性能和可靠性上达到了国际先进水平。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图1是本发明总体结构方框示意图；

附图2是本发明系统的实施例结构示意图；

附图3是本发明并网逆变单元原理方框示意图；

附图中标号说明：

1-太阳电池方阵；            201-保护电路；

2-并网逆变单元；            202-同步锁相控制；

3-交流电网；                203-电网过零检测；

4-交流负载；                204-并网输出电流控制；

5-上位机；                  205-SPWM波形发生；

6-监控单元；                206-隔离驱动；

7-人机界面单元；            207-功率转换电路；

8-太阳能板；                208-变压器滤波器；

9-并网逆变器；              209-软开关及DSP控制单元；

                            210-输出电压反馈；

具体实施方式

请参阅附图1、2、3所示，本发明的装置由太阳能板8、控制装置、监控装置、交流负载4及交流电网3等装置组成，太阳电池方阵1与并网逆变单元2相互连接，交流电网3与交流负载4相互连接，并网逆变单元2的输出连接到交流电网3与交流负载4之间的连线，上位机5与监控单元6相互连接，监控单元6与人机界面单元7相互连接；上位机5、监控单元6与人机界面单元7相互串接后再与太阳电池方阵1、并网逆变单元2、交流电网3及交流负载4相互并接，用RS232接口与人机界面单元7及上位机5通信连接。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变单元2的保护电路201输出信号传输到SPWM波形发生205模块的输入端，并网输出电流控制204模块的一侧输出信号传输到电网过零检测203模块的输入端，电网过零检测203模块的输出信号传输到同步锁相控制202模块的输入端，同步锁相控制202模块的输出信号传输到SPWM波形发生205模块的输入端，SPWM波形发生205模块的输出信号传输到隔离驱动206模块的输入端，隔离驱动206模块的输出信号传输到功率转换电路207的输入端，功率转换电路207的输出信号传输到变压器滤波器208模块的输入端，变压器滤波器208模块的输出信号一路传输到并网输出电流控制204模块，另一路传输到输出电压反馈210模块，输出电压反馈210模块的输出信号传输到软开关及DSP控制单元209的输入端，软开关及DSP控制单元209的输出信号传输到SPWM(脉宽调制)波形发生205模块的输入端，并网输出电流控制204模块的另一侧输出端与交流电网3输入端相互并接。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变单元2的软开关由零电流开关、零电压开关和零电压电流开关组成，并网逆变单元2驱动回路采用国际先进的低损耗ZV-ZCS(零压零流开通/关断)谐振软开关技术和全数字化DSP(数字信号处理)控制技术，主回路采用国际流行的智能功率模块IGBT(绝缘栅场效应管)作为功率器件；并网逆变单元2采用数字同步锁相技术实现系统自动迅速与电网电压同相位、同扶值的并网；为了保证在切换至并网运行时不产生对负荷的冲击，并网逆变单元2采用电流瞬时控制，将电流控制成50/60Hz正弦波，以正弦波电流的方式并网送电减小对电网产生谐波干扰和过多的无功分量；本并网逆变单元2输出电流的总谐波含量(THD)＜5％，各次谐波含量＜3％，并网逆变单元2的技术指标达国际先进水平。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变单元2的逆变电路由三相全桥电路及绝缘栅场效应管组成；并网逆变单元2的驱动回路由低损耗零压零流开通/关断谐振软开关和全数字化DSP电路组成用IGBT(绝缘栅场效应管)作逆变电路的功率器件，IGBT(绝缘栅场效应管)是电压控制型器件，它集功率MOSFET和双极型晶体管的优点于一体；并网逆变单元2控制回路采用低损耗ZV-ZCS(零压零流开通)谐振软开关技术和DSP(数字信号处理)控制技术，实现SPWM(脉宽调制)开关驱动信号的输出；该技术是预先将0～360°正弦值作为参考信号存在EOROM中；本系统采用单极性SPWM控制，开关驱动信号通过隔离驱动主回路单相全桥的功率器件，将太阳电池方阵输出的直流电能转换成交流电能，再经过滤波电感和工频变压器将其转换为380V的三相四线的标准正弦波电压；并网逆变单元2采用电流瞬时控制，以正弦波电流方式转换，有效地抑制波形中的高次谐波成分过多的无功分量。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的控制装置的控制芯片由16位INTEL80C196MC芯片组成；该芯片数据处理能力强，指令的执行速度快，尤其是其内部集成了最具特色的三相波形发生器(WFG)单元，大大简化了用于SPWM波形发生软件和外部硬件。

一种太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法，其并网逆变方法用零压零流开通/关断ZV-ZCS软开关的并网逆变技术完成并网控制系统，用ZV-ZCS(零压零流开通/关断)谐振技术、全数字化DSP技术、数字同步锁相技术，将太阳能电池方阵输出的直流电能转换为50/60Hz的正弦波交流电能，自动完成与交流电网同频率、同相位的并网控制。

为保证光伏并网系统的安全可靠运行，提出了包括反孤岛运行电网解列保护技术在内的多种检测和保护功能；并网发电运行时，电网因意外情况出现停电时，并网运行设备应该能够及时检测出电网停电情况，并与电网解列，停止向电网送电，以保护人身和设备安全，采用了被动与主动相结合的检测技术，实现了“反孤岛”保护功能，确保了对电网停电的实时监测和及时反应。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法的电网检测方法为被动检测与主动检测相结合，其中：

a)、被动检测方法为电压相位跳变方式，包括：

步骤1.相位检测

监测系统输出电压的每个周波的周期，对前10个周波的平均相位的检测，监测相位的跳变；

步骤2.判断

相位跳变的整定值设定为5°(也可设定3°、8°)，整定时间为0.20秒，根据系统输出电压出现一定相位跳变来判断系统是否单独运行，为防止误检出，在整定时间内相位变化返回到平均相值时，不判为单独运行；

b)、主动检测方法为无功功率变动方式，包括：

变动：通过将并网控制系统的输出电流频率周期性地改变，无功功率产生变动；

c)、被动检测方法和主动检测方法相结合为“反孤岛”运行保护。

本发明的并网控制系统可独立供电或自动同步并网运行，满足电网并网和重要负载不间断供电要求。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法的并网运行控制方法包括：

a)、独立供电及自动同步并网运行控制的具体工作步骤是：

步骤1.电网解列

并网控制系统在电网停电时，可实现自动与电网解列，独立向重要负载提供优质交流电能；

步骤2.提供电能

在配备蓄电池后，本系统还可在夜间不间断地提供电能；

步骤3.切换至并网发电

在电网恢复供电时，通过与电网电压同步，可在不影响给负载供电的情况下切换至并网发电运行方式；

步骤4.监测控制

系统监测太阳电池方阵输出电压和输出功率，控制太阳能电池方阵投入或停止运行，防止出现剩余功率逆潮流，导致并网点的电压升高而超过电网的规定值；

b)、并网控制系统运行及停止控制的具体工作步骤是：

步骤1.电压设定

最佳电压：为太阳电池方阵在25℃时最大输出动作电压的80％值(四舍五入)；起动电压1：为比最佳电压值高10V；起动电压2：为起动电压1的1.05倍；

如：最佳电压设定为220V，起动电压1为230V，起动电压2为242V。

步骤2.运行条件

太阳电池方阵的开路电压：在超过起动电压1的设定值20分钟后运行；或太阳电池方阵的开路电压：在超过起动电压2的设定值10秒钟后运行；

步骤3.停止条件

太阳电池方阵的输出功率小于标称值的5％20分钟后停止；

本发明的并网控制系统电压自动调整：并网控制系统连接电网，出现剩余功率逆潮流的时候，由于系统阻抗高，并网点的电压会升高，甚至超过电网的规定值，为避免这种情况采用电压自动调整。

c)、并网控制系统电压自动调整的具体工作步骤是：

步骤1.超前相位无功功率控制

从功率因素为1过渡到超前无功功率控制的设定值，电网提供超前相位电流节时增加，变换效率略微降低；

步骤2.输出功率控制

当超前相位无功功率控制对电压升高的抑制达到临界值时，系统电压转由输出功率控制，限制并网控制系统的输出功率，防止电压升高，太阳电池方阵的发电功率即使在额定值，也要限制输出功率。

本发明的监控单元实现对并网控制器(包括太阳电池方阵、交流电网)的集中管理和就地/远程监控功能，通过触摸人机界面显示和操作。

所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法的管理监控方法用并网控制系统集中管理和当地/远程监控方法完成，其中：

a)、监控单元通过电压、电流霍尔传感器对并网控制系统各组件参数进行采集，根据各组件参数进行计算和分析，作出相应的控制操作，同时通过RS232或RS485串口与触摸式人机界面、上位机双向通信，实现系统的当地和远程监控功能；

b)、用监控单元完成模拟量数据采集、开关量数据采集、开关量控制输出、保护、通信的控制操作。

本发明的太阳能光伏整体集成并网控制器或由并网逆变单元2、当地监控单元、人机界面单元7、远程监控单元(上位机)组成，该系统通过并网逆变单元2，将太阳电池方阵1输出的直流电能转换成交流电能，通过监控单元6对交流电网3的幅值、频率、相位的实时跟踪，使系统能自动迅速与交流电网3同相位、同幅值并网。系统通过RS232或RS485接口与人机界面单元7及上位机5通信，实现系统的当地和远程监控功能。

请参阅附图2所示，为本发明系统的实施例结构示意图，太阳能板8的输出信号传送到并网逆变器9的输入端，并网逆变器9的输出端与交流电网3的输入端相连接，交流负载4并接与并网逆变器9的输出端。

Claims (9)

1、一种太阳能光伏整体集成并网控制器，该装置有太阳能板、控制装置、监控装置、交流负载及交流电网装置，其特征在于：太阳电池方阵与并网逆变单元相互连接，交流电网与交流负载相互连接，并网逆变单元的输出连接到交流电网与交流负载之间的连线，上位机与监控单元相互连接，监控单元与人机界面单元相互连接；上位机、监控单元与人机界面单元相互串接后再与太阳电池方阵、并网逆变单元、交流电网及交流负载相互并接，用RS232接口与人机界面单元及上位机通信连接。

2、根据权利要求1所述的太阳能光伏整体集成并网控制器，其特征在于：所述的并网逆变单元的保护电路输出信号传输到SPWM波形发生模块的输入端，并网输出电流控制模块的一侧输出信号传输到电网过零检测模块的输入端，电网过零检测模块的输出信号传输到同步锁相控制模块的输入端，同步锁相控制模块的输出信号传输到SPWM波形发生模块的输入端，SPWM波形发生模块的输出信号传输到隔离驱动模块的输入端，隔离驱动模块的输出信号传输到功率转换电路的输入端，功率转换电路的输出信号传输到变压器滤波器模块的输入端，变压器滤波器模块的输出信号一路传输到并网输出电流控制模块，另一路传输到输出电压反馈模块，输出电压反馈模块的输出信号传输到软开关及DSP控制单元的输入端，软开关及DSP控制单元的输出信号传输到SPWM波形发生模块的输入端，并网输出电流控制模块的另一侧输出端与交流电网输入端相互并接。

3、根据权利要求1所述的太阳能光伏整体集成并网控制器，其特征在于：所述的并网逆变单元的软开关由零电流开关、零电压开关和零电压电流开关组成。

4、根据权利要求1所述的太阳能光伏整体集成并网控制器，其特征在于：所述的并网逆变单元的逆变电路由三相全桥电路及绝缘栅场效应管组成；并网逆变单元的驱动回路由低损耗零压零流开通/关断谐振软开关和全数字化DSP电路组成。

5、根据权利要求1所述的太阳能光伏整体集成并网控制器，其特征在于：所述控制装置的控制芯片由16位INTEL80C196MC芯片组成。

6、一种太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法，其特征在于：并网逆变方法用零压零流开通/关断软开关的并网逆变技术完成并网控制系统，用零压零流开通/关断谐振技术、全数字化DSP技术、数字同步锁相技术，将太阳能电池方阵输出的直流电能转换为50/60Hz的正弦波交流电能，自动完成与交流电网同频率、同相位的并网控制。

7、根据权利要求6所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法，其特征在于：所述的电网检测方法为被动检测与主动检测相结合，其中：

a)、被动检测方法为电压相位跳变方式，包括：

步骤1.相位检测

监测系统输出电压的每个周波的周期，对前10个周波的平均相位的检测，监测相位的跳变；

步骤2.判断

相位跳变的整定值设定为5°，整定时间为0.20秒，根据系统输出电压出现一定相位跳变来判断系统是否单独运行，在整定时间内相位变化返回到平均相值时，不判为单独运行；

b)、主动检测方法为无功功率变动方式，包括：

变动：通过将并网控制系统的输出电流频率周期性地改变，无功功率产生变动；

c)、被动检测方法和主动检测方法相结合为“反孤岛”运行保护。

8、根据权利要求6所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法，其特征在于：所述的并网运行控制方法包括：

a)、独立供电及自动同步并网运行控制的具体工作步骤是：

步骤1.电网解列

并网控制系统在电网停电时，实现自动与电网解列，独立向重要负载提供优质交流电能；

步骤2.提供电能

在配备蓄电池后，系统在夜间不间断地提供电能；

步骤3.切换至并网发电

在电网恢复供电时，通过与电网电压同步，在不影响给负载供电的情况下切换至并网发电运行方式；

步骤4.监测控制

系统监测太阳电池方阵输出电压和输出功率，控制太阳能电池方阵投入或停止运行；

b)、并网控制系统运行及停止控制的具体工作步骤是：

步骤1.电压设定

电压为太阳电池方阵在25℃时最大输出动作电压的80％值；起动电压1为比电压值高10V；起动电压2为起动电压1的1.05倍；

步骤2.运行条件

太阳电池方阵的开路电压：在超过起动电压1的设定值20分钟后运行；或太阳电池方阵的开路电压：在超过起动电压2的设定值10秒钟后运行；

步骤3.停止条件

太阳电池方阵的输出功率小于标称值的5％20分钟后停止；

c)、并网控制系统电压自动调整的具体工作步骤是：

步骤1.超前相位无功功率控制

从功率因素为1过渡到超前无功功率控制的设定值，电网提供超前相位电流节时增加，变换效率；

步骤2.输出功率控制

当超前相位无功功率控制对电压升高的抑制达到临界值时，系统电压转由输出功率控制，限制并网控制系统的输出功率。

9、根据权利要求6所述的太阳能光伏整体集成并网控制器的并网逆变、电网检测、并网运行控制及管理监控方法，其特征在于：所述的管理监控方法用并网控制系统集中管理和当地/远程监控方法完成，其中：

a)、监控单元通过电压、电流霍尔传感器对并网控制系统各组件参数进行采集，根据各组件参数进行计算和分析，作出相应的控制操作，同时通过RS232或RS485串口与触摸式人机界面、上位机双向通信；

b)、用监控单元完成模拟量数据采集、开关量数据采集、开关量控制输出、保护、通信的控制操作。