CN205232057U - 单相两级式光伏逆变装置 - Google Patents

单相两级式光伏逆变装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种能宽范围输入、能实现电气隔离且设计制作简单的单相两级式光伏逆变装置。本实用新型提供的单相两级式光伏逆变装置的主电路模块包括T型滤波器、工频隔离变压器，T型滤波器和工频隔离变压器结合而成的单相两级式光伏逆变拓扑结构为单相两级式光伏逆变装置的主拓扑结构。本实用新型的单相两级式光伏逆变装置具有可实现光伏阵列电压的宽范围输入，也能实现前后级的功率解耦，控制简单且相互独立，增强了系统稳定性。本实用新型所涉及的单相两级式光伏逆变装置克服了无变压器型没有电气隔离的缺点，保证了电气安全，并相对于高频变压器隔离型设计与制作简单；能尽可能地减少开关频率引起的高频电流谐波。

Description

单相两级式光伏逆变装置
技术领域
本实用新型涉及一种将光能转化为可并入电网的电能的装置，具体涉及一种单相两级式光伏逆变装置。
背景技术
随着人类对能源和环境问题的不断认识，以及对新能源的需求日益迫切，光伏并网发电技术的研究也成为当今研究的热点之一。
单级式光伏逆变装置，虽然转换效率高，但很难实现光伏阵列电压的宽范围输入，并且它也需要较高的光伏阵列输出才能实现逆变并网。两级式光伏并网逆变装置，较之单级式光伏逆变装置，虽然克服了以上两个问题，但为了实现电气隔离，通常需要加入高频变压器。虽然高频变压器体积小价格低，但是它的设计制作复杂，对参数选择要求高，输出畸变率大，而且高频电磁干扰严重。
针对两级式光伏并网逆变装置，虽然LC滤波器可以有效衰减输出电压的高频成分，进而获得理想的输出电压波形，但是当逆变装置处于并网工作模式时，LC滤波器的滤波电容只作为本地负载，无滤波作用，相当于只有单电感滤波，不能衰减开关频率引起的高频电流谐波。
此外，光伏并网逆变装置输出的并网电流波形会由一些非线性因素造成严重畸变，其中电网电压的周期性扰动便是一个重要因素，所以单纯采用电流PI控制不能削弱电网电压的周期性扰动造成的并网电流畸变。随着光伏技术的发展，使得系统宽输入、稳定、安全、控制简单成为研究光伏核心目标之一。
实用新型内容
本实用新型是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种能宽范围输入、能实现电气隔离且设计制作简单的单相两级式光伏逆变装置。
本实用新型提供了一种单相两级式光伏逆变装置，具有这样的特征，包括：主电路模块，用于将太阳能转换成合适电压的工频交流电，并将工频交流电进行滤波；采样电路模块，用于采集并传递主电路模块中的电流与电压信息；驱动电路模块，用于驱动主电路模块；控制单元模块，包括定点DSP芯片，用于接收主电路模块中的电流与电压信息，并根据主电路模块中的电流与电压信息控制驱动电路模块；以及电源模块，用于给主电路模块、驱动电路模块供电。其中，主电路模块包括T型滤波器、工频隔离变压器，T型滤波器和工频隔离变压器结合而成的单相两级式光伏逆变拓扑结构为单相两级式光伏逆变装置的主拓扑结构。
在本实用新型提供的单相两级式光伏逆变装置中，还可以具有这样的特征：其中，主电路模块还包括光伏阵列、滤波电容、Boost升压模块、直流母线电容、H桥逆变结构，光伏阵列、滤波电容、Boost升压结构、直流母线电容、H桥逆变结构以及T型滤波器并联设置。
在本实用新型提供的单相两级式光伏逆变装置中，还可以具有这样的特征：其中，驱动电路模块包括PWM波驱动电路以及SPWM波驱动电路，PWM波驱动电路用于驱动Boost升压模块，SPWM波驱动电路用于驱动H桥逆变模块。
在本实用新型提供的单相两级式光伏逆变装置中，还可以具有这样的特征：其中，采样电路包含：光伏输出电压采样电路、光伏输出电流采样电路、直流母线电压采样电路、电网电压采样电路、逆变装置输出电流采样电路。
在本实用新型提供的单相两级式光伏逆变装置中，还可以具有这样的特征：其中，逆变装置输出电流采样电路的采样点选在H桥逆变结构和T型滤波器之间。
在本实用新型提供的单相两级式光伏逆变装置中，还可以具有这样的特征：其中，控制单元模块选择变步长扰动法以实现MPPT，并向后级DC/AC模块输送功率。
在本实用新型提供的单相两级式光伏逆变装置中，还可以具有这样的特征：其中，定点DSP芯片包括最大功率跟踪单元、电压环控制单元以及电流环控制单元，定点DSP芯片型号为TMS320F2812。
实用新型的作用和效果
根据本实用新型所涉及的单相两级式光伏逆变装置，因为T型滤波器和工频隔离变压器结合而成的单相两级式光伏逆变拓扑结构为单相两级式光伏逆变装置的主拓扑结构，所以，本实用新型的单相两级式光伏逆变装置具有可实现光伏阵列电压的宽范围输入，也能实现前后级的功率解耦，控制简单且相互独立，增强了系统稳定性。
此外，本实用新型所涉及的单相两级式光伏逆变装置克服了无变压器型没有电气隔离的缺点，保证了电气安全，并相对于高频变压器隔离型设计与制作简单；能尽可能地减少开关频率引起的高频电流谐波。
而且，本实用新型还采用定点DSP(TMS320F2812)芯片做控制单元模块，并采用变步长扰动观测法实现最大功率跟踪：采用电流PI和电网电压前馈相结合的SPWM电流瞬时值跟踪控制，响应速度快，有良好的动态性能，又能消除电网电压扰动对并网电流影响，实现高功率并网。
附图说明
图1是本实用新型的实施例中单相两级式光伏逆变装置的总系统示意图；
图2是本实用新型的实施例中控制单元模块的框图；以及
图3是本实用新型的实施例中控制单元模块的电流环控制单元的框图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本实用新型单相两级式光伏逆变装置作具体阐述。
图1是本实用新型的实施例中单相两级式光伏逆变装置100的总系统示意图。
如图1所示，本实施例中的单相两级式光伏逆变装置100包括：主电路模块1、采样电路模块2、驱动电路模块3、控制单元模块4以及电源模块。
主电路模块1，其中包括光伏阵列11、滤波电容12、Boost升压电路结构13、直流母线电容14、单相H桥逆变电路结构15、T型滤波器16、工频隔离变压器17。光伏阵列11、滤波电容12、Boost升压结构13、直流母线电容14、H桥逆变结构15以及T型滤波器16并联设置。
主电路部分1中的光伏阵列11设置在Boost升压电路结构13输入端，在太阳光下，光伏阵列11将太阳能转化成直流形式的电能。
滤波电容12，对光伏阵列11转化得到的直流电进行滤波，输出滤波直流电。
Boost升压电路结构13，用于将滤波电容12输出的滤波直流电进行升压，使得输出的电压满足逆变要求。
直流母线电容14，用于稳定夹在Boost升压电路结构13与单相H桥逆变电路结构15的直流电压。
单相H桥逆变电路结构15，它是由4个相同的MOSFET构成，它的作用是将直流母线电容14过来的直流电压逆变成工频交流电压。
T型滤波器16，它的作用是将H桥逆变电路结构15输出的交流电进行滤波，最主要能减少开关频率引起的高频电流谐波。
工频隔离变压器17，将电网和电路实现电气隔离。
T型滤波器16和工频隔离变压器17结合而成的单相两级式光伏逆变拓扑结构为单相两级式光伏逆变装置100的主拓扑结构。
采样电路模块2包含光伏输出电压采样电路21、光伏输出电流采样电路22、直流母线电压采样电路23、电网电压采样电路24、逆变器输出电流采样电路25。采样电路模块2可采集并传递主电路模块中的电流与电压信息。
采样电路模块2依次采集光伏输出电压Upv、光伏输出电流Ipv、直流母线电压Ud、电网电压Us、逆变器输出电流i等数据，并将上述数据传递给控制单元模块4。
驱动电路模块3包括PWM波驱动电路31以及SPWM波驱动电路32，PWM波驱动电路31用于驱动Boost升压模块13的开关管To，SPWM波驱动电路32用于驱动H桥逆变模块15的4个开关管。
控制单元模块4为定点DSP芯片(型号为TMS320F2812)，用于接收采样电路模块2采集并传输的电流与电压信息，并根据主电路模块中的电流与电压信息输出PWM波以及SPWM波，PWM和SPWM波经过驱动电路模块3去驱动主电路模块1中的开关管。
电源模块未在图1中标注，用于给主电路模块1中的开关管、驱动电路中的相关芯片、采样电路的相关芯片、定点DSP芯片供电。
图2是本实施例中控制单元模块4的框图。
如图2所示，控制单元模块4包括最大功率跟踪单元41、电压环控制单元42以及电流环控制单元43。控制单元模块4处理主电路模块1中的电流以及电压的数据，并根据数据发送相应的指令。最大功率跟踪单元41接到指令后输出PWM波，经过PWM驱动电路后用于对前级Boost升压电路结构13开关管的控制；电压环控制单元42和电流环控制单元43接到指令后共同作用输出SPWM波，经过SPWM驱动电路后用于对H桥逆变电路结构15的开关管的控制。
最大功率跟踪单元41中的MPPT411基于光伏阵列11输出特性采用变步长扰动观测法。最大功率跟踪单元41根据光伏阵列输出电压反馈值Upv以及光伏阵列输出电流反馈值Ipv通过MPPT411、PWM调制412输出PWM波。最大功率跟踪单元41实现最大功率跟踪。
电压环控制单元42包含了电压环PI控制421。电压环控制单元42根据直流母线电压参考值Udref与直流母线电压反馈值Ud做差得到误差信号，该误差信号经过电压环PI控制421输出逆变器输出电流幅值参考值Iref，Iref与正弦信号sin(wt)(经过数字锁相环得到的)的乘积做为逆变器输出电流参考信号iref。电压环控制单元42实现直流母线电压Ud稳压。
电流环控制单元43包含了电流环PI控制431、电网电压前馈控制模块431以及三角载波432。电流环控制单元43根据逆变器输出电流参考信号iref与逆变器输出电流反馈值i做差得误差信号，该误差信号经过电流环PI控制431的输出量与电网电压的反馈值Us共同输入到电网电压前馈控制模块431，然后电网电压前馈控制模块431的输出量与三角载波432比较后输出SPWM波。电流环控制单元43实现并网电流，跟踪电网电流，实现高功率因数并网，并且削弱电网电压扰动造成的并网电流畸变。
图3是本实施例中控制单元模块的电流环控制单元43的框图。
如图3所示，电流环控制单元43包括PI调节环节GIC(s)、逆变环节GINV(s)、电网电压前馈环节Gn(s)以及滤波环节GT(s)。可依照现有的传递函数的推导进行相应的控制。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的单相两级式光伏逆变装置，因为T型滤波器和工频隔离变压器结合而成的单相两级式光伏逆变拓扑结构为单相两级式光伏逆变装置的主拓扑结构，所以，本实施例的单相两级式光伏逆变装置具有可实现光伏阵列电压的宽范围输入，也能实现前后级的功率解耦，控制简单且相互独立，增强了系统稳定性。
此外，本实施例所涉及的单相两级式光伏逆变装置克服了无变压器型没有电气隔离的缺点，保证了电气安全，并相对于高频变压器隔离型设计与制作简单；能尽可能地减少开关频率引起的高频电流谐波。
而且，本实施例还采用定点DSP(TMS320F2812)芯片做控制单元模块，并采用变步长扰动观测法实现最大功率跟踪：采用电流PI和电网电压前馈相结合的SPWM电流瞬时值跟踪控制，响应速度快，有良好的动态性能，又能消除电网电压扰动对并网电流影响，实现高功率并网。
以上实施例仅为本实用新型构思下的基本说明，不对本实用新型进行限制。而依据本实用新型的技术方案所作的任何等效变换，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种单相两级式光伏逆变装置，其特征在于，包括：
主电路模块，用于将太阳能转换成合适电压的工频交流电，并将所述工频交流电进行滤波；
采样电路模块，用于采集并传递所述主电路模块中的电流与电压信息；
驱动电路模块，用于驱动所述主电路模块；
控制单元模块，包括定点DSP芯片，用于接收所述主电路模块中的电流与电压信息，并根据所述主电路模块中的电流与电压信息控制所述驱动电路模块；以及
电源模块，用于给所述主电路模块、驱动电路模块供电，
其中，所述主电路模块包括T型滤波器、工频隔离变压器，所述T型滤波器和所述工频隔离变压器结合而成的单相两级式光伏逆变拓扑结构为所述单相两级式光伏逆变装置的主拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的单相两级式光伏逆变装置，其特征在于：
其中，所述主电路模块还包括光伏阵列、滤波电容、Boost升压模块、直流母线电容、H桥逆变结构，所述光伏阵列、滤波电容、Boost升压结构、直流母线电容、H桥逆变结构以及T型滤波器并联设置。
3.根据权利要求2所述的单相两级式光伏逆变装置，其特征在于：
其中，所述驱动电路模块包括PWM波驱动电路以及SPWM波驱动电路，所述PWM波驱动电路用于驱动Boost升压模块，所述SPWM波驱动电路用于驱动H桥逆变模块。
4.根据权利要求2所述的单相两级式光伏逆变装置，其特征在于：
其中，所述采样电路包含：光伏输出电压采样电路、光伏输出电流采样电路、直流母线电压采样电路、电网电压采样电路、逆变器输出电流采样电路。
5.根据权利要求4所述的单相两级式光伏逆变装置，其特征在于：
其中，所述逆变器输出电流采样电路的采样点选在所述H桥逆变结构和所述T型滤波器之间。
6.根据权利要求1所述的单相两级式光伏逆变装置，其特征在于：
其中，所述控制单元模块选择变步长扰动法以实现MPPT，并向后级DC/AC模块输送功率。
7.根据权利要求1所述的单相两级式光伏逆变装置，其特征在于：
其中，所述定点DSP芯片包括跟踪模块、电压环控制模块以及电流环控制模块。
8.根据权利要求1所述的单相两级式光伏逆变装置，其特征在于：
其中，所述定点DSP芯片型号为TMS320F2812。
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