CN201682294U - 一种基于z源三相光伏并网逆变器 - Google Patents

一种基于z源三相光伏并网逆变器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种基于Z源三相光伏并网逆变器，包括有一以光伏阵列为输入电源的DC/DC变换电路、Z源网络、将直流DC电变换成交流AC电的DC/AC变换电路和上述DC/DC及DC/AC电路部分的控制电路，DC/AC电路输出端并入电网。上述控制电路以TMS320F2812作为数字控制系统，通过各种传感器与所述基于TMS320F2812的数字控制系统形成闭环控制系统。本实用新型运用于光伏发电系统，能大大提高光伏系统的发电效率，降低成本，输出稳定、谐波量少的电流，确保电网的安全正常运行。

Description

一种基于Z源三相光伏并网逆变器
技术领域
本实用新型涉及一种电源逆变技术，特别涉及一种基于Z源三相光伏并网逆变器。
背景技术
随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源、环境与发展已成为当今世界亟待解决的问题。开发利用可再生能源和各种绿色能源已越来越受到当今世界各国的高度关注，以实现可持续发展。太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，正在得到越来越广泛的应用，对于缓解能源和环境污染问题，具有重大的理论和现实意义。
太阳能光伏电池的输出特性曲线易受光照强度、温度等外部因素的影响，以及光伏电池的转换率比较低和成本比较高，因此，为了提高光伏发电系统的输出功率和保证电网的安全正常运行，必须利用电力电子技术和控制技术对光伏发电系统加以控制。
基于Z源三相光伏并网逆变器的研究涉及很多关键性的技术，比如DC/DC变换电路拓扑结构的选择、Z源网络电路、DC/AC电路拓扑结构的选择、控制器及控制方式的选择、孤岛效应的检测等。
DC/DC变换电路拓扑结构：目前使用的开关器件主要有MOSFET、IGBT以及二极管等。基本的电路拓扑结构有Buck变换电路、Boost变换电路、Buck-Boost变换电路、Cuk变换电路、单端反激变换电路。
DC/AC变换电路拓扑结构：目前使用的功率器件主要有IGBT、MOSFET等。功率器件构成的电路有半控型、全控型电路。
控制器及控制方式：逆变器的控制器采用专用的芯片TMS320F2812产生PWM控制波，通过模拟电路实现驱动和传感器实现检测。控制方式采用基于人工神经网络的最大功率跟踪法和SVPWM实现并网控制，准确跟踪太阳能光伏电池输出的最大功率点，以及逆变器输出的交流电流与网侧电压同频同相位，同时谐波率THD较小。孤岛效应是光伏并网系统中必须解决的问题。
发明内容
本实用新型是针对现在光伏发电系统运行效率和安全性的问题，提出了一种基于Z源三相光伏并网逆变器，在任何日照强度和温度情况下，能有效跟踪太阳能光伏电池输出最大功率点；DC/AC逆变器输出的交流电流与网侧电压同频同相位，且谐波率THD较小；远程通讯监测系统和显示装置对现场数据采集、处理、存储和查询；实现孤岛效应的检测电路。
本实用新型的技术方案为：一种基于Z源三相光伏并网逆变器，包括DC/DC电路、Z源网络电路、DC/AC电路、控制电路、远程通讯电路及显示装置、孤岛检测系统，光伏阵列输出正负极接DC/DC电路输入端，控制电路包括并网控制模块、MPPT控制模块、数据采集模块，传感器采集光伏阵列模拟信号和逆变输出信号，经过数据采集模块经过AD转换和处理后，送入MPPT控制模块输出控制信号到DC/DC电路，同时送入并网控制模块输出控制信号到DC/AC电路，DC/DC电路与DC/AC电路中间通过Z源网络电路连接，控制电路输出接远程通讯电路及显示装置，DC/AC电路输出端并联孤岛检测系统。
所述Z源网络电路包含两个电感和两个电容，两个电感直接跨接在DC/DC电路与DC/AC电路两个输入输出端，两个电容以X形接入DC/DC电路与DC/AC电路两个输入输出端。
所述DC/AC电路采用IGBT功率器件构成的全桥电路。
所述控制电路采用基于专门控制芯片TMS320F2812的数字控制系统。
所述远程通讯电路及显示装置把输出的数字信号调制成模拟信号，通过电话线或无线网络发送到接收端，接收端的调制解调器再将模拟信号解调成数字信号，接收端处理收到的数字信号，并加以显示。
所述孤岛检测系统在并网逆变器与并联RLC负载之间，并联RLC负载和电网之间加保护开关。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型基于Z源三相光伏并网逆变器，实现太阳能电池板的最大功率跟踪；将太阳能电池发出的DC电力逆变成符合并网标准的AC交流电；远程通讯监测系统和显示装置实现远程数据的采集、处理、存储、查询及显示；孤岛检测发生孤岛效应的数据变化和特征，及时实施保护措施。提高光伏发电系统的输出功率和保证电网的安全正常运行。
附图说明
图1为本实用新型基于Z源三相光伏并网逆变器原理图；
图2为本实用新型基于Z源三相光伏并网逆变器中电路连接图；
图3为本实用新型基于Z源三相光伏并网逆变器中Z源变换器拓扑结构图；
图4为本实用新型基于Z源三相光伏并网逆变器中远程通讯监测及显示装置图；
图5为本实用新型基于Z源三相光伏并网逆变器中发生孤岛效应时的供电状态；
图6为本实用新型基于Z源三相光伏并网逆变器中孤岛效应检测示意图。
具体实施方式
基于Z源的三相光伏并网逆变器，如图1至图4所示，包括DC/DC电路、Z源网络电路、DC/AC电路、控制电路、远程通讯电路及显示装置、孤岛检测系统。
图2中，DC/DC变换电路采用Buck-Boost变换器。Buck变换器的电感要做得足够大，才能减少负载电流的纹波波动；而Boost变换器即使它的电感做得如何的大，输出电流都是脉动的。将两者的拓扑组合在一起，除去Buck中的无源开关，除去Boost中的有源开关，便可构成升降压(Buck-Boost)变换器。它是一种输出电压既可高于也可低于输入电压的单管非隔离直流变换器。Buck-Boost变换电路和前两者最大的不同是输出电压的极性和输入电压的极性相反，输入电流和输出电流都是脉动的，但是由于滤波电容的作用，负载电流是连续稳定的。该电路的输入为太阳能光伏阵列的输出DC+、DC-，主要用于将太阳能光伏阵列发出的DC电力进行变换，完成最大功率的跟踪，实现光伏发电系统输出最大功率。光伏阵列的输出电压和电流通过电流电压传感器采集模拟信号，并且通过光照温度传感器采集光照强度和光伏阵列外表面的温度，经过AD转换器送入MPPT控制模块，控制模块处理采集数据，根据处理结果产生当前最大功率点跟踪控制PWM波，输出PWM波驱动开关管动作，改变Buck-Boost电路的输入电压Vi，即光伏阵列的输出电压Vpv，使其与光伏阵列最大功率点所对应的电压相匹配，从而使光伏阵列始终输出最大功率。
图3中，Z源网络包含电感L1、L2和电容C1、C2的二端控网络接成的X形，以提供一个Z源，将DC/DC变换器和DC/AC变换器连接在一起。Z源网络的最大的和独特的特点是允许逆变桥瞬时开路和短路，这为逆变器主电路根据需要升压或降压提供了一种机制。Z源网络为电源、主电路和负载提供了巨大的灵活性，逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。该电路的输入为DC/DC变换电路的输出。
图2中，DC/AC变换电路采用IGBT功率器件构成的全桥电路，主要是将DC电力转换成符合并网标准的AC电力，输入为Z源网络的输出。通过控制电路产生的PWM波形控制其功率器件的通断，从而实现并网控制。
图2中，控制电路采用基于专用控制芯片TMS320F2812的控制电路，通过各种传感器采集太阳能光伏阵列的表面温度、日照强度、输出直流电压、输出直流电流、逆变部分输出的电压、电流、电网侧的电流、电压。通过对采集的光伏电池的表面温度、日照强度、直流电压、直流电流的模拟信号逻辑分析计算，输出PWM波控制DC/DC变换电路通断，以使光伏阵列输出工作于最大功率点对应的最大功率电压，从而完成最大功率跟踪，此过程的算法采用基于神经网络的最大功率跟踪法；采集逆变部分输出的电压、电流、电网侧的电流、电压模拟信号，经AD转换器转换，然后送给并网控制模块分析处理，产生相应的PWM脉冲控制波，用PWM波控制功率器件构成的逆变全桥的通断，逆变器输出的电流与电网侧的电压同频同相位。
图4中，远程通讯监视系统及显示装置，即在通信两端各加装一个Modem，Modem把输出的数字信号调制成模拟信号，通过电话线或无线网络发送到接收端，接收端的调制解调器再将模拟信号解调成数字信号，接收端处理收到的数字信号，并加以显示。
远程通讯监测系统及显示装置主要用于数据采集、处理、存储、查询及显示。采集太阳能光伏阵列输出的电参数、馈入电网的累计电能、并网逆变器的输入输出参数、并网的电参数及太阳总辐射等信号。采集的数据经过数据处理得出最佳的运行信号，加入数据库中，以备查询。同时可实时显示现场的运行数据，进入各个监测界面。有时，可通过远程通讯把处理得出的最佳运行信息送给现场的控制模块中心，实现光伏发电系统的输出功率最大，电网运行最佳。
图5中，当电网需要停电维护时，孤岛效应发生时，自持的供电网络将会危害及维修人员的安全。本实用型根据孤岛效应产生的原因和相应的检测方法和电网和普通负载的特点，使用主动和被动结合的法检测方法，从而快速、准确的检测孤岛现象。
如图6，用于检测并网逆变器孤岛效应示意图，由光伏并网逆变器、电网、并联RLC负载以及逆变器侧开关S1和电网侧开关S2组成。其中A点为并网逆变器与电网的公共耦合点，Vpv为A处的电压即并网逆变器的输出端电压，Ppv和Qpv分别为并网逆变器输出的有功功率和无功功率，ΔP和ΔQ分别俄日电网提供的有功功率和无功功率，负载需求的有功功率和无功功率分别为Pload和Qload，RLC电路表示局部负载。并网系统断电时，如果系统不能提供负载所需要的有功功率，则会引起输出电压的变化。系统要求并网电流和电网电压的相位差为(即单位功率因数)，这时系统输出频率会发生改变。通过过压、欠压检测和过高频率、过低频率检测判断是否发生孤岛效应。当检测到孤岛效应发生时，先断开S2，然后断开S1，就确保了电网的安全运行。

Claims (6)

1.一种基于Z源三相光伏并网逆变器，其特征在于，包括DC/DC电路、Z源网络电路、DC/AC电路、控制电路、远程通讯电路及显示装置、孤岛检测系统，光伏阵列输出正负极接DC/DC电路输入端，控制电路包括并网控制模块、MPPT控制模块、数据采集模块，传感器采集光伏阵列模拟信号和逆变输出信号，经过数据采集模块经过AD转换和处理后，送入MPPT控制模块输出控制信号到DC/DC电路，同时送入并网控制模块输出控制信号到DC/AC电路，DC/DC电路与DC/AC电路中间通过Z源网络电路连接，控制电路输出接远程通讯电路及显示装置，DC/AC电路输出端并联孤岛检测系统。
2.根据权利要求1所述基于Z源三相光伏并网逆变器，其特征在于，所述Z源网络电路包含两个电感和两个电容，两个电感直接跨接在DC/DC电路与DC/AC电路两个输入输出端，两个电容以X形接入DC/DC电路与DC/AC电路两个输入输出端。
3.根据权利要求1所述基于Z源三相光伏并网逆变器，其特征在于，所述DC/AC电路采用IGBT功率器件构成的全桥电路。
4.根据权利要求1所述基于Z源三相光伏并网逆变器，其特征在于，所述控制电路采用基于专门控制芯片TMS320F2812的数字控制系统。
5.根据权利要求1所述基于Z源三相光伏并网逆变器，其特征在于，所述远程通讯电路及显示装置把输出的数字信号调制成模拟信号，通过电话线或无线网络发送到接收端，接收端的调制解调器再将模拟信号解调成数字信号，接收端处理收到的数字信号，并加以显示。
6.根据权利要求1所述基于Z源三相光伏并网逆变器，其特征在于，所述孤岛检测系统在并网逆变器与并联RLC负载之间，并联RLC负载和电网之间加保护开关。
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