CN201846091U - 全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器 - Google Patents

全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，包括三相桥式逆变单元、控制单元、驱动单元和信号采集单元，三相桥式逆变单元通过信号采集单元与控制单元、驱动单元形成闭环控制系统。其中，三相桥式逆变单元的输入端与太阳能光伏阵列的输出端相连，三相桥式逆变单元的输出端通过三相工频变压器及交流接触器与三相电网连接。本实用新型效率高、可靠性高，并网电流谐波含量小，特别适用于电能质量较差地区的光伏并网发电。

Description

全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器
技术领域
本实用新型涉及光伏发电与电气技术领域，具体涉及一种全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器。
背景技术
世界能源结构正在发生巨大的变革。以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限，清洁干净的可再生能源为主的多样性，复合型的能源结构。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用，太阳能光伏发电是太阳能利用的主要形式。随着太阳能光伏发电应用的发展，太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应，而是向逐渐取代常规能源的方向发展。
在国外，并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏发电产业已经逐渐形成，并持续高速发展。国内太阳能光伏发电应用则刚刚起步，作为太阳能并网发电系统核心设备的光伏并网逆变器主要依靠进口，虽然国内也有自主的并网逆变器产品，但存在系统运行不稳定，可靠性低，保护措施不全，容易引起事故，技术水平同国际水平相比有待于进一步提高和完善的缺点。
光伏并网逆变器的研制包含许多关键技术，例如主逆变电路拓扑选择，控制方式、并网方式等，下面分别对其予以说明：
主逆变电路拓扑结构：随着电力电子技术的发展，大容量低成本的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块、IPM(IntelligentPower Module，智能功率模块)的上市，产生了许多逆变器的拓扑结构，但用于三相并网逆变器的主要拓扑结构为三相电压型桥式拓扑。
控制器及控制方式：在逆变器的控制器选择上早期采用专用的芯片产生PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，然后通过模拟电路来实现驱动和信号的检测，控制方式也是传统的模拟电路控制，其方法简单、单一；后来DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)被越来越多的采用，但控制上仅是将模拟的功能数字化实现，控制结果往往不及单纯的模拟控制。
并网方式：传统的方法是用模拟电路进行过零点捕获，然后反馈到控制器去跟踪电网电压的相位，从而实现并网。此种方式在电网电压畸变、振荡、不平衡情况下很难实现同步跟踪。
综上所述，现有技术中的太阳能光伏并网逆变器主要通过模拟电路或模拟电路功能数字化实现，其一致性和可靠性差，性能低，导致太阳能不能得到高效利用。
实用新型内容
本实用新型提供一种全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，用以解决现有技术中光伏并网逆变器可靠性低，运行不稳定，保护措施不全的问题，进而提高太阳能的利用效率。
本实用新型所述技术方案包括：
一种全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，包括三相桥式逆变单元13、控制单元12、驱动单元11和信号采集单元10，所述三相桥式逆变单元13通过信号采集单元10与控制单元12、驱动单元11形成闭环控制系统，其中：
三相桥式逆变单元13的输入端与太阳能光伏阵列1的输出端相连，三相桥式逆变单元13的输出端通过三相工频变压器6及交流接触器8与三相电网9连接；
所述信号采集单元10采集三相电网9电压、三相桥式逆变单元13输出电流、太阳能光伏阵列1输出电流和输出电压，控制单元12对信号采集单元10采集的电流、电压信号进行高速采样和A/D转换，当控制单元10检测到太阳能光伏阵列1的输出电压达到设定启动电压，并且三相电网9电压的幅值和频率均在正常范围内时，控制单元10确定三相电网9电压的相位信息，并通过驱动单元11发送驱动信号调节三相桥式逆变单元13输出电压的幅值和相位使其和三相电网9电压的幅值和相位一致后，再发出控制指令将交流接触器8闭合，开始并网。
进一步地，所述三相桥式逆变单元13的输出端接三相工频变压器6的初级线圈，三相工频变压器6的次级线圈接电磁干扰滤波器7，电磁干扰滤波器7的输出经过三相交流接触器8并入三相电网9。
进一步地，所述三相桥式逆变单元13包括防反二极管2、解耦电容3、三相逆变桥4和三相滤波电抗器5，所述太阳能光伏阵列1经过防反二极管2、解耦电容3后输入三相逆变桥4后经三相滤波电抗器5输出。
进一步地，所述三相逆变桥4包括三个两单元的IGBT模块。
进一步地，所述控制单元12包括DSP控制模块21和CPLD保护模块22，DSP控制模块21产生用于驱动三相逆变桥4的驱动信号，经CPLD保护模块22发送给驱动单元11，驱动单元11将CPLD保护模块22发送的信号经过缓冲、隔离、放大后驱动三相逆变桥4。
进一步地，所述驱动单元11在检测到三相逆变桥4故障后，产生故障信号将其发送给CPLD保护模块22，CPLD保护模块22将所述故障信号发送给DSP控制模块21，DSP控制模块21收到所述故障信号后发出控制命令将交流接触器8断开。
进一步地，当CPLD保护模块22检测到DSP控制模块21发出的驱动信号有误时，CPLD保护模块22一方面封锁所述驱动信号，另一方面发送故障信号给DSP控制模块21，DSP控制模块21收到所述故障信号后发出控制命令将交流接触器8断开。
进一步地，所述控制单元12在检测到电压、电流、温度异常或检测到孤岛发生时，发出控制命令将交流接触器8断开。
进一步地，所述控制单元10采用基于旋转坐标变换的锁相环算法得到三相电网9电压的相位和频率信息。
本实用新型有益效果如下：
1、当三相电网电压存在谐波畸变、不平衡时，本实用新型的并网电流可有效跟踪三相电网电压正序分量的相位变化，使系统可靠并网运行；
2、本实用新型采用SVPWM脉冲生成技术，可提高太阳能光伏阵列直流电压利用率，从而提高太阳能的转化效率；
3、本实用新型采用全数字控制系统，其一致性好、效率高、可靠性高，并网电流谐波含量小，特别适用于电能质量较差地区的光伏并网发电。
附图说明
图1为本实用新型所述全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器的结构示意图；
图2为本实用新型中控制单元的原理图；
图3为本实用新型中信号采集单元的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
请参阅图1，该图为本实用新型所述全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器的结构示意图，由图中可见，本实用新型所述全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器包括三相桥式逆变单元13、控制单元12、驱动单元11和信号采集单元10，三相桥式逆变单元13通过信号采集单元10与控制单元12、驱动单元11形成闭环控制系统。其中，三相桥式逆变单元13的输入端与太阳能光伏阵列1的输出端相连，三相桥式逆变单元13的输出端通过三相工频变压器6及交流接触器8与三相电网9连接。
所述三相桥式逆变单元13包括防反二极管2、解耦电容3、三相逆变桥4和三相滤波电抗器5，太阳能光伏阵列1经过防反二极管2、解耦电容3后输入三相逆变桥4，三相逆变桥4包括三个两单元的IGBT模块，三相逆变桥4的输出经过三相滤波电抗器5后，接三相工频变压器6的初级线圈，三相工频变压器6的次级线圈接电磁干扰滤波器(EMI)7，电磁干扰滤波器7的输出经过三相交流接触器8并入三相电网9。
请参阅图2，该图为本实用新型中控制单元的原理图，由图中可见，所述控制单元12包括DSP控制模块21和CPLD(Complex Programmable LogicDevice复杂可编程逻辑器件)保护模块22。其中，DSP控制模块21用于实现数据采集处理、控制保护、算法实现、驱动外部电路和数据通讯。DSP控制模块21采用SVPWM脉冲生成技术生成SVPWM调制脉冲，经CPLD保护模块22为三相逆变桥4提供驱动信号。CPLD保护模块22通过硬件描述语言编程对三相逆变桥4的驱动信号进行封锁、保护。本实施例中DSP控制模块21采用TI的32位定点器件TMS320F2808，它能提供100MIPS，高精度PWM输出功能，PWM的分辨率达到16位，A/D分辨率为12位。
进一步地，所述DSP控制模块21又包括A/D转换模块26、SVPWM模块24、保护模块23、控制算法模块25和通信模块27。其中，A/D转换模块26用于实现采集到的各电压、电流模拟量到数字量的转换；SVPWM模块24用于产生驱动三相逆变桥4的脉冲序列信号；保护模块23用于实现电压、频率超限的保护及过温等的保护；控制算法模块25包括最大功率跟踪MPPT算法模块、防孤岛效应算法模块、并网控制算法模块、基于旋转坐标变换的锁相环算法模块；通信模块27用于实现和监控系统的通信。
所述驱动单元11用于将CPLD保护模块22送过来的SVPWM信号经过缓冲、隔离、放大后驱动三相逆变桥4，驱动单元11还具有低电压保护、IGBT过流、短路保护功能。本实施例中驱动单元11采用了瑞士CONCEPT的SCALE-2双驱动核2SC0108T。
请参阅图3，该图为本实用新型中信号采集单元的原理图，信号采集单元10采集太阳能光伏阵列1输出电压和输出电流，三相电网9电压、三相桥式逆变单元13输出电流。信号的采集全部采用高精度和高线性度的电流型电压、电流霍尔传感器，采集的信号经过滤波、调理电路后直接送入控制单元12的DSP控制模块21的A/D输入口，由其内部的A/D转换模块26以10k的固定频率完成数据的采样和转换。采样到的三相电网9电压通过基于旋转坐标变换的三相软件锁相算法得到三相电网电压的正序分量相位，经过控制算法模块25使输出并网电流跟踪三相电网电压的相位和频率，实现单位功率因数。
工作时，信号采集单元10采集三相电网9电压、三相桥式逆变单元13输出电流、太阳能光伏阵列1输出电流和输出电压，采集到的电压和电流信号经过滤波、调理电路后直接送入控制单元12的DSP控制模块21的A/D输入口，控制单元12的DSP控制模块21对信号采集单元10采集的电流、电压信号进行高速采样和A/D转换，当DSP控制模块21检测到太阳能光伏阵列1的输出电压达到设定启动电压时，DSP控制模块21将采样到的三相电网9电压进行基于旋转坐标变换的三相软件锁相算法计算，得到三相电网9电压的相位和频率信息，若三相电网9电压的幅值和频率均在正常范围内，DSP控制模块21通过CPLD保护模块22向驱动单元11发送驱动信号调节三相桥式逆变单元13输出电压的幅值和相位使其和三相电网9电压的幅值和相位一致，这样当交流接触器8闭合并网时可降低系统的并网冲击电流，在三相桥式逆变单元13输出电压的幅值、相位和三相电网9电压的幅值、相位一致后，DSP控制模块21发出控制指令将交流接触器8闭合，开始并网。
本实用新型所述全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器具有过载、短路、过热及反孤岛保护功能，在本实用新型工作过程中，如果控制单元12检测到电压、电流、温度异常或检测到孤岛发生，就发出控制命令将交流接触器8断开。所述驱动单元11在检测到三相逆变桥4故障后，产生故障信号并将该故障信号通过CPLD保护模块22发送给DSP控制模块21，DSP控制模块21收到所述故障信号后发出控制命令将交流接触器8断开。当CPLD保护模块22检测到DSP控制模块21发出的驱动信号有误时，CPLD保护模块22一方面封锁所述驱动信号，另一方面发送故障信号给DSP控制模块21，DSP控制模块21收到所述故障信号后发出控制命令将交流接触器8断开。
本实用新型所述全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器的并网控制算法描述如下：
本实用新型所述全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器的并网控制由内外两个控制环路组成：外部为MPPT控制环，根据太阳辐照强度、温度等环境变化来调节光伏阵列运行点以使阵列输出最大功率。内部为三相桥式逆变单元13输出电流控制环，该环由PI控制器构成。首先，DSP控制模块21利用采样到的三相电网电压ea、eb、ec经过基于同步旋转坐标变换的软件锁相环算法算出三相电网电压的相位角和频率。然后DSP控制模块21再将采样到的三相逆变输出电流ia、ib、ic经过同步旋转坐标系d、q变换，得到直流电流反馈信号id、iq(分别对应有功电流反馈量和无功电流反馈量)，id、iq与指令电流比较后经过PI控制器调节生成三相桥式逆变单元13控制指令。由于并网逆变器需要控制为单位功率因数运行，因此，让iq尽量趋近于0，消除电流中的无功分量，而有功电流的指令由MPPT控制器给出，让id去跟踪最大功率跟踪输出的指令信号。DSP控制模块21参照控制指令通过控制算法生成SVPWM脉冲调制波以驱动三相逆变桥4。
考虑到目前应用光伏并网发电的地方多存在电压畸变严重、三相不平衡的情况，本实用新型所述全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器利用基于旋转坐标变换的软件锁相环算法可有效跟踪三相电网电压正序分量的相位变化，使系统可靠并网运行；另外本实用新型采用SVPWM脉冲生成技术，可提高光伏阵列直流电压利用率，从而提高太阳能的转化效率；本实用新型所述全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器采用全数字控制系统，一致性好，效率高、可靠性高，并网电流谐波含量小，特别适用于电能质量较差地区的光伏并网发电。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，其特征在于，包括三相桥式逆变单元(13)、控制单元(12)、驱动单元(11)和信号采集单元(10)，所述三相桥式逆变单元(13)通过信号采集单元(10)与控制单元(12)、驱动单元(11)形成闭环控制系统，其中：
三相桥式逆变单元(13)的输入端与太阳能光伏阵列(1)的输出端相连，三相桥式逆变单元(13)的输出端通过三相工频变压器(6)及交流接触器(8)与三相电网(9)连接；
所述信号采集单元(10)采集三相电网(9)电压、三相桥式逆变单元(13)输出电流、太阳能光伏阵列(1)输出电流和输出电压，控制单元(12)对信号采集单元(10)采集的电流、电压信号进行高速采样和A/D转换，当控制单元(10)检测到太阳能光伏阵列(1)的输出电压达到设定启动电压，并且三相电网(9)电压的幅值和频率均在正常范围内时，控制单元(10)确定三相电网(9)电压的相位信息，再通过驱动单元(11)发送驱动信号调节三相桥式逆变单元(13)输出电压的幅值和相位使其和三相电网(9)电压的幅值和相位一致后，发出控制指令将交流接触器(8)闭合，开始并网。
2.如权利要求1所述的全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，其特征在于，所述三相桥式逆变单元(13)的输出端接三相工频变压器(6)的初级线圈，三相工频变压器(6)的次级线圈接电磁干扰滤波器(7)，电磁干扰滤波器(7)的输出经过三相交流接触器(8)并入三相电网(9)。
3.如权利要求1所述的全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，其特征在于，所述三相桥式逆变单元(13)包括防反二极管(2)、解耦电容(3)、三相逆变桥(4)和三相滤波电抗器(5)，所述太阳能光伏阵列(1)经过防反二极管(2)、解耦电容(3)后输入三相逆变桥(4)后经三相滤波电抗器(5)输出。
4.如权利要求3所述的全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，其特征 在于，所述三相逆变桥(4)包括三个两单元的IGBT模块。
5.如权利要求3所述的全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，其特征在于，所述控制单元(12)包括DSP控制模块(21)和CPLD保护模块(22)，DSP控制模块(21)采用SVPWM脉冲生成技术产生用于驱动三相逆变桥(4)的驱动信号，经CPLD保护模块(22)发送给驱动单元(11)，驱动单元(11)将CPLD保护模块(22)发送的信号经过缓冲、隔离、放大后驱动三相逆变桥(4)。
6.如权利要求5所述的全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，其特征在于，所述驱动单元(11)在检测到三相逆变桥(4)故障后，产生故障信号将其发送给CPLD保护模块(22)，CPLD保护模块(22)将所述故障信号发送给DSP控制模块(21)，DSP控制模块(21)收到所述故障信号后发出控制命令将交流接触器(8)断开。
7.如权利要求5所述的全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，其特征在于，当CPLD保护模块(22)检测到DSP控制模块(21)发出的驱动信号有误时，CPLD保护模块(22)一方面封锁所述驱动信号，另一方面发送故障信号给DSP控制模块(21)，DSP控制模块(21)收到所述故障信号后发出控制命令将交流接触器(8)断开。
8.如权利要求1所述的全数字控制三相太阳能光伏并网逆变器，其特征在于，所述控制单元(10)采用基于旋转坐标变换的锁相环算法得到三相电网(9)电压的相位和频率信息。 
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