CN202333835U

CN202333835U - 一种高频光伏并网发电系统

Info

Publication number: CN202333835U
Application number: CN2011204624877U
Authority: CN
Inventors: 罗安; 张庆海; 陈燕东; 谢三军; 徐欣慰; 沈瑶
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-11-18

Abstract

本实用新型公开了一种高频光伏并网发电系统，包括光伏阵列模块、IPM模块、IPM驱动电路、控制系统、滤波电路、保护电路、死区生成电路、继电器驱动电路，采用光伏输出电压作为供电电源，采用液晶触屏显示系统运行数据与运行状态，并控制开关机，本实用新型的发电系统并网电流畸变率低、系统的稳定性与安全性较高、系统工作噪声较低，对于今后太阳能的进一步开发利用具有很大的工程应用价值。

Description

一种高频光伏并网发电系统

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术与电力系统，具体是一种高频光伏并网发电系统。

背景技术

随着全球能源危机和环境污染的日益严重，太阳能的开发和利用受到世界各国的普遍关注。太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术，各发达国家投入巨额资金开发研究，并大力拓展市场应用。

光伏发电在能源中的替代功能愈来愈强大，主要表现在并网发电的应用比例快速增加。目前光伏并网发电占世界光伏发电市场份额的80％以上，成为光伏发电的主导市场。光伏并网发电是大规模发展光伏电力的必然之路。

光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频、同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的一个系统。按是否允许光伏发电系统的功率馈入电网，光伏发电系统的并网模式可分为直接并网模式和带功率流向检测的并网模式。直接并网模式为国际上普遍采用的并网方式。

并网系统的核心是并网逆变器，根据直流侧电源性质的不同可以分为：电压型逆变器和电流型逆变器。常用的电压型逆变电路有：半桥逆变电路、全桥逆变电路、多电平逆变电路等。并网逆变器直流侧需要足够高的直流侧电压，因而需要Boost升压电路进行DC/DC变换。目前国内光伏并网逆变器在技术方面存在效率较低、可靠性低、不适合室外使用的缺点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高频光伏并网发电系统，实现最大功率跟踪控制、过/欠电压或者过/欠电流等故障诊断、触摸液晶屏数据实时更新显示。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种高频光伏并网发电系统，包括IPM模块、IPM驱动电路、控制系统、LC滤波电路、保护电路、死区生成电路、继电器驱动电路，IPM模块由DC/DC升压电路和DC/AC逆变器连接构成，DC/DC升压电路与光伏阵列模块连接，DC/AC逆变器与滤波电路连接，IPM驱动电路与DC/DC升压电路、DC/AC逆变器连接，死区生成电路与IPM驱动电路、控制系统连接，保护电路与控制系统、DC/AC逆变器连接，控制系统与IPM模块并联，继电器驱动电路与控制系统连接，滤波电路接入电网；所述控制系统包括DSP处理器、触摸液晶显示屏、LED指示灯、直流侧电压检测电路、交流电流检测电路、光伏电流检测电路、光伏电压检测电路、交流电压检测电路、过零捕获电路、A/D转换器、故障检测电路，触摸液晶显示屏、LED指示灯、过零捕获电路、A/D转换器、故障检测电路、IPM驱动电路、继电器驱动电路与DSP处理器连接，直流侧电压检测电路、交流电流检测电路、光伏电流检测电路、光伏电压检测电路、交流电压检测电路与A/D转换器连接，直流侧电压检测电路、交流电流检测电路与故障检测电路连接，交流电压检测电路与过零捕获电路连接。

所述DSP处理器型号为TMS320F2812。

所述IPM模块型号为PM50B5LA060。

所述光伏电流检测电路采用LA25-NP电流传感器。

所述IPM驱动电路采用TLP521-1光耦芯片和HCPL-0466光耦芯片，TLP521-1光耦芯片、HCPL-0466光耦芯片与IPM模块信号进线接口连接。

所述保护电路包括直流侧电压保护电路，直流侧电压保护电路采用LM393双电压比较器集成电路和TLP-521芯片，LM393双电压比较器集成电路与TLP-521芯片串联。

所述滤波电路为LC滤波电路。

所述直流侧电压检测电路包括两个运算放大器、光耦芯片，第一个运算放大器、光耦芯片、第二个运算放大器依次连接；所述第一个运算放大器为LM258放大器，第二个放大器为LM324放大器，所述光耦芯片为HCNR201模拟光隔芯片。

所述过零捕获电路包括π型滤波电路、反并联二极管电路、LM393双电压比较器集成电路，π型滤波电路、反并联二极管电路、LM393双电压比较器集成电路依次连接。

所述死区生成电路包括74LS08集成电路和LL4148二极管，74LS08集成电路与一个电阻组成回路，LL4148与电容连接，电容接地，LL4148与电阻并联。

光伏阵列模块、IPM模块和LC滤波电路依次连接构成本实用新型发电系统的主电路。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的发电系统可以可靠地向电网输送有功功率，并且并网电流畸变率低，能够实现最大功率跟踪控制、过/欠电压或者过/欠电流等故障诊断、触摸液晶屏数据实时更新显示等。

附图说明

图1是本实用新型一实施例高频光伏并网发电系统结构框图；

图2是本实用新型一实施例高频光伏并网发电系统控制系统结构框图；

图3是本实用新型一实施例主电路原理图；

图4是本实用新型一实施例直流侧电压检测电路原理图；

图5是本实用新型一实施例光伏电流检测电路原理图；

图6是本实用新型一实施例过零捕获电路原理图；

图7是本实用新型一实施例死区生成电路原理图；

图8是本实用新型一实施例IPM模块驱动电路原理图；

图9是本实用新型一实施例直流侧电压保护电路原理图；

其中：

1：光伏阵列；2：光伏空开；3：滤波线圈；4：压敏电阻；5：聚丙烯电容；6：触发板；7：无感电容；8：电流传感器；9：继电器；10：电压传感器；11：EMI滤波器；12：并网开关；13：电网；14：LC滤波电路。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型一实施例包括光伏阵列模块、IPM模块、控制系统、LC滤波电路、死区生成电路、IPM驱动电路、保护电路、继电器驱动电路，其中，保护电路包含直流侧电压保护电路和交流电流保护电路两部分。数字信号处理器DSP配置了独立的硬件运算结构，提供了完善的软件算法，CPU采用多处理单元、哈佛结构、流水线操作以及快速的指令周期，DSP拥有良好的仿真开发环境，软件操作灵活，更加强调了对数据的实时处理和快速计算。整个控制系统如图所示，除了主处理器模块，还包含有A/D采样模块、过零电路、数据存储器扩展模块、触摸屏液晶显示模块、PWM脉冲触发模块、JTAG调试模块，为了提高A/D转换精度，本实用新型选用片外A/D芯片AD7656，它具有6路独立ADC通道，双极性模拟量输入范围±10V。

如图3所示，是光伏并网发电系统主电路原理图，Boost电路储能电感取值为2mH，允许通过的最大电流为10A，此电感时应工作在连续导通的状态；直流侧电容选择的参数设计为450V，3000uF，实际中可用三个450V，1000uF的电容并联代替；输出滤波器采用的是二阶低通LC滤波器，电感L的大小决定了输出电流的纹波大小，又因本实用新型中逆变器采用的是SPWM调制，L取值为5mH；L和C的谐振频率决定了C的取值，C取值为3.3uF。实际中使用两个相同大小的电感组成对称的LC电路，所以每个电感取值为2.5mH。缓冲电阻工作在初始时的反向整流状态，其额定功率为10W。系统中用到5个电压/电流传感器(附图3中画出三个)，构成光伏电压、光伏电流、直流侧电压、并网电压、并网电流的采样调理电路，将数据输入到DSP芯片中进行采样。附图3中CT1和CT2分别是测量光伏电流和并网电流的电流传感器，PT1为测量电网电压的电压传感器。

如图4所示，是直流侧电压检测电路原理图。光伏电压和直流侧电压的检测通过电阻分压和模拟光电隔离实现，这样既降低了成本，又可以减少硬件体积。采用模拟光隔芯片HCNR201的直流电压检测电路原理图如图所示，运算放大器A1选用LM258，放大器A2选用LM324，两个运算芯片使用相互隔离的15V电源和地。根据HCNR201的工作原理，选用合适的R1和R2阻值，即可使VOUT/VIN的值基本为一定值，即直流电压检测电路有较好的线性度。

如图5所示，是光伏电流检测电路原理图。测量光伏电流所用的传感器为多量程电流传感器LA25-NP，电流在原边回路和副边回路之间是绝缘的，可用于测量直流、交流、脉冲和混合性电流。本实用新型中并网电流的检测调理所用的电流传感器仍为LA25-NP，传感器接法相同，检测原理类似。

如图6所示，是过零捕获电路原理图。过零捕获电路是为检测电网电压过零点而设计，目的是产生与电网电压同步的方波信号。检测到的电网电压交流信号首先经过一级电压跟随提高输入阻抗，π型滤波电路滤除干扰毛刺，反并联二极管组成钳位电路将电压钳位在-0.7V～+0.7V之间，最后经过LM393同零电位比较后得到电压过零方波信号CAP。该信号由DSP的CAP单元捕获，在下降沿触发CAP中断请求，中断程序中校正输出指令电流使之与电网电压同步。

如图7所示，是死区生成电路图。由于IPM模块禁止同桥臂功率管同时导通，且要求阻碍同桥臂同时导通的时间(即死区时间)大于等于2us。TMS320F2812可以通过软件设置死区时间，但为了提高系统的安全性，设计了硬件死区生成电路，其死区时间是电容两端电压从0V到0.86V的充电时间，即是一阶电路的零状态响应。

如图8所示，是IPM模块驱动电路图。驱动电路起到将控制器产生的PWM信号电平和功率放大的作用。DSP芯片输出两路信号，其高电平为3.3V。一路信号经反相器和死区电路得到驱动IPM模块桥臂上下两个IGBT的信号，另一路信号也经反相器和死区电路得到驱动IPM模块另一桥臂上下两个IGBT的信号。此时转变输出信号高电平为5V，但仍与IPM模块15V驱动电平不兼容，选用光耦芯片HCPL-0466隔离开，如图所示。

如图9所示，是直流侧电压保护电路原理图。图中，输入端UAD输入的是直流电压检测电路调理之后的信号，与直流电压保护整定值比较后，经光电耦合器TLP521实现电平转换输入DSP。

Claims

1.一种高频光伏并网发电系统，包括光伏阵列模块、IPM模块、IPM驱动电路、控制系统、滤波电路、保护电路、死区生成电路、继电器驱动电路，IPM模块由DC/DC升压电路和DC/AC逆变器连接构成，其特征在于，DC/DC升压电路与光伏阵列模块连接，DC/AC逆变器与滤波电路连接，IPM驱动电路与DC/DC升压电路、DC/AC逆变器连接，死区生成电路与IPM驱动电路、控制系统连接，保护电路与控制系统、DC/AC逆变器连接，控制系统与IPM模块并联，继电器驱动电路与控制系统连接，滤波电路接入电网；所述控制系统包括DSP处理器、触摸液晶显示屏、LED指示灯、直流侧电压检测电路、交流电流检测电路、光伏电流检测电路、光伏电压检测电路、交流电压检测电路、过零捕获电路、A/D转换器、故障检测电路，LED指示灯、过零捕获电路、A/D转换器、故障检测电路、IPM驱动电路、继电器驱动电路与DSP处理器连接，触摸液晶显示屏与DSP处理器双向连接，直流侧电压检测电路、交流电流检测电路、光伏电流检测电路、光伏电压检测电路、交流电压检测电路与A/D转换器连接，直流侧电压检测电路、交流电流检测电路与故障检测电路连接，交流电压检测电路与过零捕获电路连接。

2.根据权利要求1所述的高频光伏并网发电系统，其特征在于，所述DSP处理器型号为TMS320F2812。

3.根据权利要求1所述的高频光伏并网发电系统，其特征在于，所述IPM模块型号为PM50B5LA060。

4.根据权利要求1所述的高频光伏并网发电系统，其特征在于，所述光伏电流检测电路采用LA25-NP电流传感器。

5.根据权利要求1所述的高频光伏并网发电系统，其特征在于，所述IPM驱动电路采用TLP521-1光耦芯片和HCPL-0466光耦芯片，TLP521-1光耦芯片、HCPL-0466光耦芯片与IPM模块信号进线接口连接。

6.根据权利要求1所述的高频光伏并网发电系统，其特征在于，所述保护电路包括直流侧电压保护电路，直流侧电压保护电路采用LM393双电压比较器集成电路和TLP-521芯片，LM393双电压比较器集成电路与TLP-521芯片串联。

7.根据权利要求1所述的高频光伏并网发电系统，其特征在于，所述滤波电路为LC滤波电路。

8.根据权利要求1所述的高频光伏并网发电系统，其特征在于，所述直流侧电压检测电路包括两个运算放大器、光耦芯片，第一个运算放大器、光耦芯片、第二个运算放大器依次连接；所述第一个运算放大器为LM258放大器，第二个放大器为LM324放大器，所述光耦芯片为HCNR201模拟光隔芯片。

9.根据权利要求1所述的高频光伏并网发电系统，其特征在于，所述过零捕获电路包括π型滤波电路、反并联二极管电路、LM393双电压比较器集成电路，π型滤波电路、反并联二极管电路、LM393双电压比较器集成电路依次连接。

10.根据权利要求1所述的高频光伏并网发电系统，其特征在于，所述死区生成电路包括74LS08集成电路和LL4148二极管，74LS08集成电路与一个电阻组成回路，LL4148与电容连接，电容接地，LL4148与电阻并联。