專利名稱：一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)，具體說就是一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的并網(wǎng)式風光互補控制器存在如下問題(1)太陽能電池板大多采用固定式 的供電方式，太陽電池板不能實時跟蹤太陽光的入射角度，太陽能的利用率較低；(2)太陽 能電池板也有少量采用太陽能軌跡跟蹤方式，即根據(jù)太陽的運行軌跡方程計算出一年中每 天太陽的運行軌跡。該方法的缺點是在運行中控制系統(tǒng)和電機存在累計誤差、傳動系統(tǒng)的 機械形變，因此跟蹤效果不夠理想。(3)并網(wǎng)回饋方式大多以電網(wǎng)電壓作為回饋電流的給 定，電網(wǎng)電壓的飽和、畸變會造成回饋電流中包含大量的諧波成份，造成電網(wǎng)污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它是由蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元、并網(wǎng) 逆變單元和蓄電池組成的，蓄電池充電單元連接DC-DC升壓穩(wěn)壓單元，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元 連接并網(wǎng)逆變單元和蓄電池。本發(fā)明還有以下技術(shù)特征(1)所述的蓄電池充電單元包括風力發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元和卸荷電路，風力 發(fā)電單元連接太陽能發(fā)電單元，太陽能發(fā)電單元連接卸荷電路。(2)所述的風力發(fā)電單元包括風力機、永磁同步發(fā)電機和整流電路，風力機連接永 磁同步發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機連接整流電路。(3)所述的太陽能發(fā)電單元包括光電檢測單元、雙軸電機驅(qū)動單元、俯仰調(diào)整步進 電機、水平調(diào)整步進電機和太陽能電池板，光電檢測單元連接雙軸電機驅(qū)動單元，雙軸電機 驅(qū)動單元分別連接俯仰調(diào)整步進電機和水平調(diào)整步進電機，俯仰調(diào)整步進電機和水平調(diào)整 步進電機分別連接太陽能電池板。(4)所述的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元包括升壓電路、第一驅(qū)動電路、第一采樣電路和第 一數(shù)字信號處理電路，升壓電路連接第一驅(qū)動電路和第一采樣電路，第一驅(qū)動電路和第一 采樣電路分別連接第一數(shù)字信號處理電路。(5)所述的并網(wǎng)逆變單元包括三相逆變器、電抗器、第二采樣電路、第二驅(qū)動電路、 SG電路、低通濾波電路、過零比較器、三相同步變壓器和第二數(shù)字信號處理器，三相逆變器 連接電抗器和第二驅(qū)動電路，第二驅(qū)動電路連接SG電路，SG電路連接低通濾波電路和電抗 器，過零比較器連接三相同步變壓器和第二數(shù)字信號處理器，第二數(shù)字信號處理器連接第 二采樣電路和低通濾波電路。本發(fā)明一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置，利用太陽能和風能互補，使發(fā)電時間變 長，提高向電網(wǎng)注入的電流的連續(xù)性，有效的提高太陽能和風能利用效率；采用太陽能電池 板自動跟蹤系統(tǒng)，時刻校正太陽能電池板的水平角度和俯仰角度，使太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā) 電效率達到了最高；本發(fā)明采用PWM無級卸荷，在正常卸荷情況下，可以保證蓄電池電壓在浮充電壓附近，只是把多余的電能釋放到卸荷上，而且保證了最佳蓄電池充電特性，使得電 能得到充分利用，確保蓄電池壽命；逆變器的電流閉環(huán)采用模擬器件實現(xiàn)，提高系統(tǒng)的響應(yīng) 速度，保證逆變電流對電網(wǎng)電壓的跟蹤特性，提高功率因數(shù)。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明的太陽能單元結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明的光檢測傳感器的安裝圖；圖4為本發(fā)明的太陽能跟蹤單元主程序流程圖；圖5為本發(fā)明的光電檢測調(diào)整子程序流程圖；圖6為本發(fā)明的太陽能跟蹤單元CAP1中斷子程序流程圖；圖7為本發(fā)明的太陽能跟蹤單元定時器1下溢中斷子程序流程圖；圖8為本發(fā)明的頻率為800Hz時兩相正弦階梯波相電流給定波形圖；圖9本發(fā)明的頻率為800Hz時給定電流(A)與反饋電流⑶波形圖；圖10本發(fā)明的頻率為800Hz時兩相反饋電流波形圖；圖11為本發(fā)明的PWM無級卸荷電路原理圖；圖12為本發(fā)明的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元電路原理圖；圖13本發(fā)明的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元主電路原理圖；圖14為本發(fā)明的自舉驅(qū)動電路原理圖；圖15為本發(fā)明的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元輸出電壓采樣電路圖；圖16為本發(fā)明的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元程序流程圖；圖17為本發(fā)明的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元輸出電壓AD采樣中斷服務(wù)子程序；圖18為本發(fā)明的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元PI子程序；圖19為本發(fā)明的并網(wǎng)逆變電路圖；圖20為本發(fā)明的并網(wǎng)逆變主電路圖；圖21為發(fā)明的蓄電池電壓采樣電路；圖22為本發(fā)明的并網(wǎng)同步信號獲取電路；圖23為本發(fā)明的并網(wǎng)逆變控制信號的產(chǎn)生、放大、隔離驅(qū)動電路圖；圖24為本發(fā)明的正弦波標幺值生成原理圖；圖25為本發(fā)明的正弦波細分示意圖；圖26為本發(fā)明的并網(wǎng)三相電流閉環(huán)示意圖；圖27為本發(fā)明的并網(wǎng)逆變電路程序流程圖；圖28為本發(fā)明的并網(wǎng)逆變DSP3 CAP1中斷服務(wù)子程序流程圖；圖29為本發(fā)明的并網(wǎng)逆變DSP3 T1軟件定時器中斷服務(wù)子程序流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1 結(jié)合圖1，本發(fā)明一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置，它是由蓄電池充電 單元(1)、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)、并網(wǎng)逆變單元(3)和蓄電池(4)組成的，蓄電池充電單元(1)連接DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)連接并網(wǎng)逆變單元(3)和蓄 電池(4)。本發(fā)明還有以下技術(shù)特征所述的蓄電池充電單元⑴包括風力發(fā)電單元(8)、太陽能發(fā)電單元(9)和卸荷 電路(15)，風力發(fā)電單元⑶連接太陽能發(fā)電單元(9)，太陽能發(fā)電單元(9)連接卸荷電路 (15)。所述的風力發(fā)電單元⑶包括風力機(5)、永磁同步發(fā)電機(6)和整流電路(7)， 風力機(5)連接永磁同步發(fā)電機(6)，永磁同步發(fā)電機(6)連接整流電路(7)。所述的太陽能發(fā)電單元(9)包括光電檢測單元(10)、雙軸電機驅(qū)動單元(11)、俯 仰調(diào)整步進電機(12)、水平調(diào)整步進電機(13)和太陽能電池板(14)，光電檢測單元(10) 連接雙軸電機驅(qū)動單元(11)、雙軸電機驅(qū)動單元(11)分別連接俯仰調(diào)整步進電機(12)和 水平調(diào)整步進電機(13)，俯仰調(diào)整步進電機(12)和水平調(diào)整步進電機(13)分別連接太陽 能電池板(14)。所述的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)包括升壓電路(16)、第一驅(qū)動電路(17)、第一采 樣電路(18)和第一數(shù)字信號處理電路(19)，升壓電路(16)連接第一驅(qū)動電路(17)和第一 采樣電路(18)，第一驅(qū)動電路(17)和第一采樣電路(18)分別連接第一數(shù)字信號處理電路 (19)。所述的并網(wǎng)逆變單元(3)包括三相逆變器(20)、電抗器(21)、第二采樣電路(22)、 第二驅(qū)動電路(23)、SG電路(24)、低通濾波電路(25)、過零比較器(26)、三相同步變壓 器(27)和第二數(shù)字信號處理器(28)，三相逆變器(20)連接電抗器(21)和第二驅(qū)動電路 (23)，第二驅(qū)動電路(23)連接SG電路(24)，SG電路(24)連接低通濾波電路(25)和電抗 器(21)，過零比較器(26)連接三相同步變壓器(27)和第二數(shù)字信號處理器(28)，第二數(shù) 字信號處理器(28)連接第二采樣電路(22)和低通濾波電路(25)。實施例2:結(jié)合圖1、圖2、圖11、圖12、圖20、圖23，本發(fā)明一種并網(wǎng)風光互補控 制逆變裝置，具有以下特征太陽能跟蹤控制裝置實現(xiàn)對太陽入射角的跟蹤，使太陽能電池 板保持最大功率發(fā)電狀態(tài)；風力發(fā)電機輸出的變壓變頻交流電經(jīng)整流后與太陽能電池板發(fā) 出的直流電一起給蓄電池供電，為防止蓄電池過充，采用PWM無級卸荷的工作方式實現(xiàn)了 對蓄電池的過充保護；采用高頻變壓器實現(xiàn)DC-DC變換，低壓側(cè)采用單相全橋工作方式實 現(xiàn)DC-AC變換，AC-DC變換采用高頻變壓器，采用輸出電壓閉環(huán)控制方式，從而得到一個穩(wěn) 定的、高于電網(wǎng)電壓峰值的直流電壓；應(yīng)用軟件鎖相技術(shù)，采用DSP(數(shù)字信號處理器)對 電網(wǎng)電壓的過零點進行同步采樣，然后將計算得到的周期值進行均分，并以電網(wǎng)電壓過零 點作為同步，采用查表(正弦表，為標么值)方式輸出三相SPWM波，經(jīng)過濾波處理后得到三 相正弦波輸出作為并網(wǎng)回饋電流的給定信號，通過硬件電流閉環(huán)控制實現(xiàn)并網(wǎng)回饋電流與 電網(wǎng)電壓同頻、同相。如圖1所示，本發(fā)明以三片DSP(DSP1、DSP2、DSP3)TMS320LF2407A為 核心控制芯片，主要由三部分構(gòu)成，即蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元和并網(wǎng)逆變單 元。(1)蓄電池充電單元以DSP1為核心控制單元，由太陽能發(fā)電、風力發(fā)電和PWM無級卸 荷三部分組成，其中太陽能發(fā)電單元包括太陽光入射角光檢測環(huán)節(jié)和雙軸太陽能板跟蹤裝 置兩部分，目的是實現(xiàn)太陽能的最大功率輸出；風力發(fā)電單元是將風力發(fā)電機輸出的變壓 變頻交流電變?yōu)橹绷麟?，與太陽能的輸出一起為蓄電池充電；PWM無級卸荷控制單元是對 蓄電池電壓進行檢測控制，以防止蓄電池過充電；(2)DC-DC升壓穩(wěn)壓單元由高頻變壓器和DSP2TMS320LF2407A為核心構(gòu)成，包括低壓側(cè)全橋功率拓撲、高頻變壓器、輸出濾波、電壓電 流檢測，同時采用DSP2 TMS320LF2407A對高壓側(cè)輸出電壓進行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)DC-DC 升壓穩(wěn)壓，目標是得到一個高于電網(wǎng)交流電壓峰值的直流電壓；(3)并網(wǎng)逆變單元以DSP3 為核心控制單元，包括電網(wǎng)電壓的同步檢測、軟件鎖相、SPWM生成及濾波、功率因數(shù)為-1的 硬件電流閉環(huán)控制。
本發(fā)明包括蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元和并網(wǎng)逆變單元。圖2為太 陽能跟蹤裝置結(jié)構(gòu)框圖，由太陽能檢測電路、雙軸驅(qū)動控制器、雙軸混合式步進電機組成， 可以檢測太陽入射光的方位角，通過控制雙軸混合式步進電機的旋轉(zhuǎn)，使太陽能電池板實 時正對太陽的方向，從而實現(xiàn)最大限度地利用太陽光。圖3為光電檢測安裝傳感器位置 圖，使用6個光電池作為太陽光的入射角和光強檢測元件，并把檢測到電壓值送入DSPl TMS320LF2407A 的 A/D 轉(zhuǎn)換口 ADINC4 9?？刂破饔?TI 公司生產(chǎn)的 DSPl TMS320LF2407A 實現(xiàn)，其高速的數(shù)據(jù)處理能力(如40MHz的處理速度)和豐富外的設(shè)資源(如雙6路PWM輸 出、16路A/D轉(zhuǎn)換通道)為雙軸太陽能跟蹤裝置的實現(xiàn)提供了物質(zhì)保證。功率驅(qū)動單元由 IR公司生產(chǎn)的、基于自舉技術(shù)的IR2130實現(xiàn)，該驅(qū)動芯片內(nèi)部具有3個獨立的高端和低端 輸出通道，可同時控制6個功率開關(guān)管的導通和關(guān)斷。IR2130內(nèi)部具有過流、過欠壓保護、 封鎖輸出和故障指示功能，可方便地實現(xiàn)功率開關(guān)器件的保護。所述的雙軸跟蹤電動機由 兩臺價格低廉、適于定位控制三相混合式步進電動機構(gòu)成，同時采用正弦波細分技術(shù)實現(xiàn) 了伺服電機的精確定位。PWM無級卸荷方式，如圖11所示，當蓄電池電壓過高時，控制系統(tǒng)必須將風力發(fā)電 機和太陽能電池板發(fā)出的多余能量通過卸荷電阻釋放掉。普通的控制方式是采用全電阻 卸荷方式，此時蓄電池一般還沒有充滿，但能量卻全部消耗在卸荷上，從而造成了能量的浪 費。有的則采用分級卸荷，級數(shù)越多，控制效果越好，但一般只能做到五六級左右，所以效果 仍然不夠理想。本發(fā)明采用的控制方式是PWM(脈寬調(diào)制)方式進行無級卸荷，即可以達到 上千級的卸荷。所以，在正常卸荷情況下，可確保蓄電池電壓始終穩(wěn)定在浮充電壓點。當蓄 電池電壓大于設(shè)定值時，PWM輸出的占空比增大，相當于在蓄電池兩端并聯(lián)負載變大，風力 發(fā)電機和太陽能電池板輸出的多余電能消耗在卸荷電阻上，從而保證了蓄電池最佳的充電 特性，并確保了蓄電池的使用壽命。本發(fā)明采用欠壓保護控制，通過DSPl的A/D 口 ADINC10 采集蓄電池電壓，由模擬量變?yōu)閿?shù)字量進入DSP1，當采集的電池電壓小于欠壓設(shè)定值時，輸 出停機IOPDO至DSP2、3的Ι0ΡΑ0，使升壓穩(wěn)壓及逆變單元停止工作。如圖12所示，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元由高頻變壓器和DSP2為核心構(gòu)成，包括低壓側(cè) 全橋功率拓撲、高頻變壓器、輸出濾波、電壓電流檢測，同時采用DSP實現(xiàn)輸出高壓側(cè)電壓 閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)DC-DC升壓穩(wěn)壓控制，該環(huán)節(jié)的目標是得到一個高于電網(wǎng)交流電壓峰 值的直流電壓，由于電網(wǎng)線電壓為380V，因此設(shè)定的DC-DC變換的直流輸出電壓為650V。 并網(wǎng)控制器的核心控制單元采用TI公司生產(chǎn)的DSP2 TMS320LF2407A實現(xiàn)，其高速的數(shù)據(jù) 處理能力(如40MHz的處理速度)和豐富外設(shè)資源(如雙6路PWM輸出、16路A/D轉(zhuǎn)換通 道)為并網(wǎng)式逆變器的實現(xiàn)提供了物質(zhì)保證。并網(wǎng)控制器應(yīng)用軟件鎖相技術(shù)，采用DSP3 TMS320LF2407A對電網(wǎng)電壓的過零點進行同步采樣，然后將計算得到的周期值均分為1024 份，以均分后的值為定時器Tl的周期設(shè)定值，并以電網(wǎng)電壓過零點作為同步信號，啟動定 時器1周期中斷，采用查表(正弦表，為標么值)方式獲得正弦波標么值，該值與蓄電池采樣電壓相乘生成三相SPWM波，經(jīng)過低通濾波處理后實現(xiàn)三相正弦波輸出。軟件鎖相技術(shù)避 免了由于電網(wǎng)電壓飽和而造成回饋電流畸變、THDi偏大的問題。并網(wǎng)控制器采用三相正弦波輸出作為電流回饋的給定信號，通過硬件電流閉環(huán)控 制實現(xiàn)回饋電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相。輸出電流回饋控制的硬件電路如圖20所示，以 SG3525為核心控制器件，將電流給定與回饋電流進行電流環(huán)PI調(diào)節(jié)，其輸出的PWM占空比 控制逆變器功率開關(guān)管的通斷，從而確保了回饋電流與電網(wǎng)電壓的快速跟蹤特性。圖23所 示，并網(wǎng)控制器采用隔離型功率驅(qū)動芯片TLP250實現(xiàn)，該芯片可以驅(qū)動50A/1200V IGBT功 率開關(guān)管。
實施例3 結(jié)合圖1、圖2、圖12、圖19、圖22、圖24，本發(fā)明采用風光互補的方式， 確保了不同時段發(fā)電量的互補；充電單元采用DSPl為核心控制芯片，為了提高太陽能的利 用率，采用太陽能光電檢測方式和雙軸跟蹤技術(shù)，實時追蹤太陽光的入射角度，保證太陽能 電池板與太陽光的入射光線垂直，從而實現(xiàn)了太陽能發(fā)電裝置最大效率的利用；DC-DC升 壓穩(wěn)壓單元采用DC-AC-AC-DC的變換模式，低壓側(cè)采用單相全橋工作方式實現(xiàn)DC-AC變換， AC-AC變換采用高頻變壓器，AC-DC變換采用整流和低通濾波實現(xiàn)，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元由 高頻變壓器和DSP2為核心器件構(gòu)成，采用光耦TLP521對輸出的直流電壓進行檢測，由DSP2 進行直流母線電壓的A/D轉(zhuǎn)換、電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)，其輸出具有一定占空比的PWM信號作為低 壓側(cè)全橋功率開關(guān)管的控制信號，實現(xiàn)了 DC-DC升壓穩(wěn)壓控制，從而得到一個高于電網(wǎng)電 壓峰值的、穩(wěn)定的直流電壓；并網(wǎng)式逆變器由DSP3和硬件電流閉環(huán)控制電路為核心構(gòu)成， 采用混合控制方式，其中DSP3實現(xiàn)電網(wǎng)電壓檢測、軟件鎖相處理、與電網(wǎng)電壓同步的SPWM 波生成等功能，硬件電流閉環(huán)控制電路以SG3525為核心，將經(jīng)過濾波處理后得到的三相正 弦波輸出作為電流回饋的給定信號，通過硬件電流閉環(huán)控制實現(xiàn)回饋電流與電網(wǎng)電壓同 頻、同相。本發(fā)明主要由三部分構(gòu)成，即蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元和并網(wǎng)逆變單兀。1)蓄電池充電單元如圖1所示，蓄電池充電單元包括太陽能充電、風力發(fā)電和PWM無級卸荷三部分組 成，太陽能充電單元包括太陽光檢測環(huán)節(jié)和雙軸太陽能板跟蹤裝置兩部分，目的是實現(xiàn)太 陽能的最大功率輸出，而PWM無級卸荷控制單元是對蓄電池電壓進行檢測，以防止蓄電池 過充電。如圖2所示，太陽能充電單元采用DSPl TMS320LF2407A為核心控制芯片實現(xiàn)，主 要包括(1)光電檢測傳感器；(2)雙軸驅(qū)動單元。光電檢測傳感器由六個光電池組成，由 DSPl的A/D 口進行光電池電壓檢測。實現(xiàn)方法如下所述把光線在電池板上的入射角從俯 仰和水平兩個角度分解，共劃分為四個象限。以四個光電池檢測太陽光線的俯仰和水平角 度的偏差，且不計角度的大小，只區(qū)別俯仰或水平的傾斜方向。當光線在某一個角度不垂直 于太陽能電池板時，DSPl會即時檢測到這一偏差，發(fā)出控制指令驅(qū)動相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)動，以減 小這一偏差，實現(xiàn)了對太陽光線的實時跟蹤。在電池板的朝陽面和被陽面分別安裝一個光 電池用以檢測光線強弱，在黑天或光強太弱時停止跟蹤。如圖2所示，雙軸驅(qū)動控制器以TMS320LF2407A為核心處理器，采用三相正弦波細 分驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)雙軸混合式步進電機的精確定位。主要包括以下幾部分(1)相繞組電流檢測及處理環(huán)節(jié)相繞組電流檢測采用電流霍爾傳感器，電流采樣信號經(jīng)過精密全波整流、 低通濾波處理、電壓鉗位處理后送入DSPl的A/D轉(zhuǎn)換口。(2)功率驅(qū)動電路采用IR公司生 產(chǎn)的、基于自舉技術(shù)的IR2130實現(xiàn)，系統(tǒng)共包含兩個三相橋式逆變電路。(3)方向指令和步 進脈沖光電檢測單元產(chǎn)生方向指令和步進脈沖，并送入步進電機驅(qū)動器，控制步進電機運 行，其中步進脈沖發(fā)生器采用NE555構(gòu)成，產(chǎn)生頻率為800Hz的方波信號。(4)系統(tǒng)故障檢 測及保護系統(tǒng)具有完備的故障檢測和保護功能，由IR2130實現(xiàn)過流、過壓、過熱等故障檢 測，同時將故障信號送入DSPl的PDPINTA/PDPINTB引腳，此時DSPl自動將PWM輸出引腳置 為高阻態(tài)，逆變器停止工作。同時，立即切斷雙軸驅(qū)動系統(tǒng)的直流供電電壓，以此保護功率 開關(guān)器件不受損壞。蓄電池保護電路包括過壓保護、欠壓保護等。所述的過壓保護是指檢測蓄電池的 端電壓，當其大于上限值時啟用PWM無級卸荷，保護控制裝置的安全。所述的欠壓保護是 指當蓄電池的端電壓ADINC10低于一個下限值的時候，DSPl輸出停機IOPDO至DSP2、3的 IOPAO JiDC-DC升壓穩(wěn)壓單元及并網(wǎng)回饋逆變單元停止工作。2) DC-DC升壓穩(wěn)壓單元DC-DC變換采用DC-AC-AC-DC的變換模式，低壓側(cè)采用單相全橋工作方式實現(xiàn) DC-AC變換，AC-AC變換采用高頻變壓器，AC-DC變換采用整流和低通濾波實現(xiàn)。如圖12所 示，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元由高頻變壓器和DSP2 TMS320LF2407A為核心器件構(gòu)成，采用光耦 對輸出的直流電壓進行檢測，由DSP2進行直流母線電壓的A/D轉(zhuǎn)換、電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)，其輸 出作為低壓側(cè)全橋功率拓撲結(jié)構(gòu)功率開關(guān)管的控制信號，實現(xiàn)了 DC-DC升壓穩(wěn)壓控制，從 而得到一個高于電網(wǎng)電壓峰值的、穩(wěn)定的直流電壓。3)并網(wǎng)逆變單元如圖19所示，并網(wǎng)逆變器由DSP3 TMS320LF2407A和硬件電流閉環(huán)控制電路為核 心構(gòu)成，采用混合控制方式，其中DSP3TMS320LF2407A實現(xiàn)電網(wǎng)電壓和蓄電池電壓檢測、軟 件鎖相處理、與電網(wǎng)電壓同步的SPWM波生成等功能，硬件電流閉環(huán)控制電路以SG3525為核 心，將經(jīng)過濾波處理后得到的三相正弦波輸出作為電流回饋的給定信號，通過硬件電流閉 環(huán)控制實現(xiàn)回饋電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相。如圖22所示，電網(wǎng)電壓同步信號的獲取是利用三相同步降壓變壓器從電網(wǎng)中獲 得一個幅值較小的正弦信號，采用過零比較電路得到一個與電網(wǎng)電壓同步的方波信號，通 過DSP捕獲該方波的上升沿即可得到電網(wǎng)電壓的同步信號。DSP TMS320LF2407A采用軟件鎖相技術(shù)，對電網(wǎng)電壓的過零點進行同步采樣，然后 將計算得到的周期值均分為1024份，并以電網(wǎng)電壓過零點作為同步信號、以周期值均分后 的值為新的定時器周期值啟動軟件定時器周期中斷，待周期中斷時進入定時器中斷處理子 程序，在中斷服務(wù)子程序中進行增1計數(shù)和查表(正弦表，為標么值)將查表得到的正弦 波標幺值與蓄電池采樣電壓值相乘，從而得到以電網(wǎng)電壓為同步的SPWM信號輸出，將該信 號進行濾波處理后得到三相正弦波電流給定。硬件電流閉環(huán)控制電路以SG3525為核心， 蓄電池電壓與標準正弦波相乘作為并網(wǎng)電流的給定，與反饋的實際并網(wǎng)電流通過模擬器件 SG3525進行PI調(diào)節(jié)輸出SPWM信號，通過TLP250驅(qū)動單元控制逆變電路IGBT的通斷，從而 實現(xiàn)回饋電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相，正弦波生成原理圖如圖24所示。
實施例4:結(jié)合圖1—圖7、圖9、圖10、圖12、圖14、圖22、圖23，本發(fā)明并網(wǎng)風光互補控制逆變器，系統(tǒng)由以05 05 1、05 2、05 3)為核心的控制單元組成(圖1)，風力發(fā)電 機輸出的變壓、變頻交流電經(jīng)整流后與太陽能發(fā)電單元發(fā)出的直流電一起給蓄電池供電， 再由DC-DC進行升壓穩(wěn)壓處理后得到一個穩(wěn)定的、高于電網(wǎng)電壓峰值的直流電壓。再經(jīng)過 三相逆變器，向電網(wǎng)注入與電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電流。1)蓄電池充電單元蓄電池充電單元包括太陽能充電、風力發(fā)電和PWM無級卸荷三部分組成，太陽能 充電單元包括太陽光檢測環(huán)節(jié)和雙軸太陽能板跟蹤裝置兩部分，目的是實現(xiàn)太陽能的最大 功率輸出，而PWM無級卸荷控制單元是對蓄電池電壓進行檢測，以防止蓄電池過充電。太陽能電池板采用自動跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終與太陽光線垂直，使太陽 能電池板可以實現(xiàn)最大功率輸出。太陽能跟蹤單元的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由光電檢測元 件、以DSPl TMS320LF2407A為核心的步進電機細分驅(qū)動器和兩臺三相混合式步進電機組 成。
如圖3所示，在太陽能電池板的朝陽面和被陽面出各安裝一只光電池，系統(tǒng)實時 根據(jù)光電池反饋的電壓值判斷當前的光照強度，決定是否繼續(xù)跟蹤，流程如圖4所示。把入 射光線在與太陽能電池板平行的平面進行四象限分解，分為俯仰和水平兩個方向，然后分 別利用一對光電池在俯仰和水平方向進行光照強度檢測。4只光電池安裝在一個不透光的 遮光板下面，光電池1、3檢測俯仰方向的光線入射方向偏差，光電池2、4檢測水平方向光線 入射角度。四個光電池對稱地放在遮光板四周，每個光電池均有一半被遮光板遮住。當太 陽光線與遮光板垂直時，兩只光電池感光量相等，輸出電壓相等。當太陽光線角度略有偏移 時，遮光板在同一方向的兩個光電池上產(chǎn)生的陰影面積就會發(fā)生變化，兩只光電池的感光 量不相等，輸出電壓也不再相等，光線偏向于輸出電壓較大的光電池一側(cè)。如圖2所示，檢 測電路輸出的電壓送入DSP的A/D 口，DSP檢測結(jié)果判斷出太陽光線偏向于同一對光電池 中反饋電壓高的一側(cè)，DSP根據(jù)相應(yīng)的電壓信號開啟對應(yīng)的捕獲中斷并同時給出步進電機 轉(zhuǎn)動的方向信號，使步進電機驅(qū)動單元開始運行，控制太陽能電池板轉(zhuǎn)動，使之逐漸與太陽 光線垂直，軟件流程如圖5所示。其中，當俯仰方向的兩個光傳感器產(chǎn)生偏差信號時DSP啟 動CAPl中斷，水平方向的兩個光傳感器產(chǎn)生偏差信號時啟動CAP4中斷。當DSP響應(yīng)捕獲 中斷后，就根據(jù)捕獲到的步進脈沖查詢正弦階梯波電流給定值，從而啟動電機驅(qū)動程序，步 進電機就按照給定的方向并以正弦波細分控制方式轉(zhuǎn)動。另外，在太陽能電池板的朝陽面 和被陽面分別安裝了檢測光照強度的光電池，DSP根據(jù)采樣光電池的電壓值判斷當前光照 強度，如果小于設(shè)定的光照強度，比如晚上或者陰云密布時，則系統(tǒng)停止跟蹤。傳統(tǒng)整步運行步進電機存在低頻振蕩、噪聲、失步以及高頻輸出轉(zhuǎn)矩小等缺點，本 專利采用正弦波細分技術(shù)，取得了良好的控制效果。對于三相混合式步進電機，如果給其三 相繞組分別通以幅值相等且空間上相差120度的正弦階梯波電流，則合成的電流矢量在空 間做幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運動，電機轉(zhuǎn)子就跟隨這一矢量做步進旋轉(zhuǎn)。在控制過程中引入電流 反饋，反饋電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與在正弦表中查得的給定電流值做PI調(diào)節(jié)，將得到的值寫入 比較控制寄存器CMPR，通過控制輸出PWM的占空比控制電機運行，其中EVA和EVB分別在捕 獲中斷1和捕獲中斷4中查詢正弦階梯波電流給定值。DSP的EVA產(chǎn)生PWMl PWM6，EVB 產(chǎn)生PWM7 PWM12，分別驅(qū)動俯仰和水平調(diào)整步進電機。捕獲中斷1和定時器1下溢中斷子 程序分別如圖6和圖7所示，以三相混合式步進電動機110BYG350A為對象進行實驗研究，其轉(zhuǎn)子齒數(shù)50、額定電流2. 4A。電流霍爾傳感器采用宇波電流霍爾傳感器CHB-25NP，變比 為1000 1。試驗中蓄電池電壓24V，頻率800Hz、細分數(shù)為6的實測波形圖。圖8為A、B 兩相正弦階梯波相電流給定波形圖，圖9為給定電流與反饋電流波形，圖10為兩相反饋電 流波形圖。PWM無級卸荷電路本系統(tǒng)加入了 PWM無級卸荷電路，如圖11所示，當蓄電池電壓 大于設(shè)定值時，比較器輸出為高電平，蓄電池電壓低于設(shè)定值時，比較器輸出為低電平，將 比較器的輸出通過IR2110驅(qū)動，控制開關(guān)管的導通與關(guān)斷，將電壓過高時多余的電能加到 卸荷電阻上，就可以防止蓄電池的電壓過高。本系統(tǒng)采用硬件保護措施，可以防止在芯片出 現(xiàn)故障時仍然可以有效地保護蓄電池和控制裝置。 2) DC-DC升壓穩(wěn)壓單元DC-DC變換采用DC-AC-AC-DC的變換模式，低壓側(cè)采用單相全橋工作方式實現(xiàn) DC-AC變換，AC-AC變換采用高頻變壓器，AC-DC變換采用整流和低通濾波實現(xiàn)。如圖12所 示，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元由高頻變壓器和以DSP為核心器件構(gòu)成，采用光耦TLP521 (通過調(diào) 整R34，使其工作于線性工作區(qū))對輸出的直流電壓進行檢測，由DSP進行直流母線電壓的 A/D轉(zhuǎn)換、電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)，其輸出作為低壓側(cè)全橋功率拓撲結(jié)構(gòu)功率開關(guān)管VTl VT4的 控制信號，實現(xiàn)了 DC-DC升壓穩(wěn)壓控制，從而得到一個高于電網(wǎng)電壓峰值的、穩(wěn)定的直流電 壓，本文設(shè)定為650V。DC-DC升壓穩(wěn)壓電路如圖12所示。本發(fā)明采用高頻變壓器的供電方式，高頻變壓器與常規(guī)工頻變壓器相比大大減小 了變壓器的體積，同時由于變壓器能夠雙向勵磁，因此利用率較高。本發(fā)明中的輸出部分 使用全波整流、低通濾波方式，由于采用高頻能量傳輸方式，也大大減小了濾波器的體積。 具體做法是采用單閉環(huán)控制策略，高壓直流輸出電壓的設(shè)定值為高于電網(wǎng)交流峰值的一個 值，直流輸出電壓的實測值Vt經(jīng)A/D采樣后與給定值進行電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)的結(jié) 果送給比較控制寄存器CMPR0，生成PWMO、PWMl輸出，經(jīng)功率驅(qū)動芯片IR2110驅(qū)動全橋功 率開關(guān)器件VTl VT4，電路如圖14所示。A/D轉(zhuǎn)換和電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)在DSP2 TMS320LF2407A中實現(xiàn)，采樣電路如圖15所示。 直流輸出電壓通過光耦TLP521檢測、RC(R32、C9)低通、二極管限幅后送至DSP2的A/D轉(zhuǎn) 換口，輸出電流經(jīng)通過采樣電阻在R35得到，經(jīng)R36、C7濾波、二極管限幅后送至DSP2的A/ D轉(zhuǎn)換口用以實現(xiàn)DC-DC升壓穩(wěn)壓變換時的過載保護。3)并網(wǎng)逆變單元并網(wǎng)逆變器由DSP3和硬件電流閉環(huán)控制電路SG3525為核心構(gòu)成，采用混合控制 方式，其中DSP3實現(xiàn)電網(wǎng)電壓檢測、軟件鎖相處理、與電網(wǎng)電壓同步的SPWM波生成等功能， 硬件電流閉環(huán)控制電路以SG3525為核心，將經(jīng)過濾波處理后得到的三相正弦波輸出作為 電流回饋的給定信號，通過硬件電流閉環(huán)控制實現(xiàn)回饋電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相。電網(wǎng)電壓同步信號的獲取是利用三相同步變壓器從電網(wǎng)中獲得一個幅值較小的 正弦信號，經(jīng)過零比較得到一個與電網(wǎng)電壓同步的方波信號，通過DSP可以捕獲該方波的 上升沿即得到電網(wǎng)電壓的同步信號，三相同步信號的處理方式相同，以下以A相為例，說明 同步信號的獲取。如圖22所示，采用三相同步變壓器獲得一個小幅值的A相電壓信號，經(jīng) 過零比較得到一個與電網(wǎng)電壓同步的方波信號，將該方波信號送至DSP的捕獲口 CAP0，在捕獲到方波信號的邊沿時進入CAP中斷處理子程序，從而實現(xiàn)了電網(wǎng)的同步跟蹤。軟件鎖相處理，是CAP中斷處理子程序中對方波周期進行計算，并將其均分為1024，并以電網(wǎng)電壓過零點作為同步信號、以周期值均分后的值為新的定時器周期值啟動 軟件定時器周期中斷，待周期中斷時進入定時器中斷處理子程序，在中斷服務(wù)子程序中進 行計數(shù)和查表(正弦表，為標么值)處理，從而得到以電網(wǎng)電壓為同步信號的SPWM信號輸 出。B相和C相信號分別由A相延遲和超前120°獲得。由于每一個周期都捕獲一個上升 沿，使得每個周期都對電流的相位做一次校正，避免了相位誤差的積累。硬件電流閉環(huán)控制，由DSP3 (TMS320LF2407A)采樣蓄電池電壓Vxu與經(jīng)過電網(wǎng)電 壓同步處理的三相正弦波標么值相乘得到三相SPWM輸出的占空比，經(jīng)過低通處理后得到 三相正弦波電流給定。如圖23所示，利用電流霍爾傳感器取樣并網(wǎng)電流信號用SG3525進 行電流給定和電流反饋的閉環(huán)控制，將SG3525的輸出經(jīng)TLP250驅(qū)動三相逆變器的上下橋 臂。電流環(huán)閉環(huán)控制利用模擬器件實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并保證了逆變電流對電網(wǎng) 電壓的跟蹤特性，減少了諧波污染，提高了功率因數(shù)。4)系統(tǒng)保護過溫保護任何電子元件以及功率器件都有一個工作范圍，溫度過高會影響系統(tǒng) 的正常運行，本系統(tǒng)通過溫度開關(guān)控制，當溫度達到溫度開關(guān)的動作點時，溫度開關(guān)閉合， 風扇開始工作，當溫度降下來時，溫度開關(guān)斷開，風扇停止工作。欠壓保護本發(fā)明具有欠壓保護的功能，欠壓保護的目的是為了避免蓄電池出現(xiàn) 過放電，否則容易損壞蓄電池，并且可能導致太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的步進電機無法正常工 作。欠壓保護的實現(xiàn)是通過DSP檢測蓄電池電壓來判斷是否欠壓，當電池欠壓時系統(tǒng)停止工作。
權(quán)利要求
一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置，它是由蓄電池充電單元(1)、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)、并網(wǎng)逆變單元(3)和蓄電池(4)組成的，其特征在于蓄電池充電單元(1)連接DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)連接并網(wǎng)逆變單元(3)和蓄電池(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的蓄電 池充電單元⑴包括風力發(fā)電單元(8)、太陽能發(fā)電單元(9)和卸荷電路(15)，風力發(fā)電單 元⑶連接太陽能發(fā)電單元(9)，太陽能發(fā)電單元(9)連接卸荷電路(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所示的一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的風力 發(fā)電單元(8)包括風力機(5)、永磁同步發(fā)電機(6)和整流電路(7)，風力機(5)連接永磁 同步發(fā)電機(6)，永磁同步發(fā)電機(6)連接整流電路(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所示的一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的太陽 能發(fā)電單元(9)包括光電檢測單元(10)、雙軸電機驅(qū)動單元(11)、俯仰調(diào)整步進電機(12)、 水平調(diào)整步進電機(13)和太陽能電池板(14)，光電檢測單元(10)連接雙軸電機驅(qū)動單元 (11)、雙軸電機驅(qū)動單元(11)分別連接俯仰調(diào)整步進電機(12)和水平調(diào)整步進電機(13)， 俯仰調(diào)整步進電機(12)和水平調(diào)整步進電機(13)分別連接太陽能電池板(14)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所示的一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的DC-DC 升壓穩(wěn)壓單元(2)包括升壓電路(16)、第一驅(qū)動電路(17)、第一采樣電路(18)和第一數(shù)字 信號處理電路(19)，升壓電路(16)連接第一驅(qū)動電路(17)和第一采樣電路(18)，第一驅(qū) 動電路(17)和第一采樣電路(18)分別連接第一數(shù)字信號處理電路(19)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所示的一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的并網(wǎng) 逆變單元(3)包括三相逆變器(20)、電抗器(21)、第二采樣電路(22)、第二驅(qū)動電路(23)、 SG電路(24)、低通濾波電路(25)、過零比較器(26)、三相同步變壓器(27)和第二數(shù)字信號 處理器(28)，三相逆變器(20)連接電抗器(21)和第二驅(qū)動電路(23)，第二驅(qū)動電路(23) 連接SG電路(24)，SG電路(24)連接低通濾波電路(25)和電抗器(21)，過零比較器(26) 連接三相同步變壓器(27)和第二數(shù)字信號處理器(28)，第二數(shù)字信號處理器(28)連接第 二采樣電路(22)和低通濾波電路(25)。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種并網(wǎng)風光互補控制逆變裝置。它是由蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元、并網(wǎng)逆變單元和蓄電池組成的，蓄電池充電單元連接DC-DC升壓穩(wěn)壓單元，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元連接并網(wǎng)逆變單元和蓄電池。本發(fā)明利用太陽能和風能互補，使發(fā)電時間變長，提高向電網(wǎng)注入的電流的連續(xù)性，有效的提高太陽能和風能利用效率；采用太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)，時刻校正太陽能電池板的水平角度和俯仰角度，使太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率達到了最高。本發(fā)明采用PWM無級卸荷，保證最佳蓄電池充電特性，逆變器的電流閉環(huán)采用模擬器件實現(xiàn)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，保證逆變電流對電網(wǎng)電壓的跟蹤特性，提高功率因數(shù)。
文檔編號G05D3/00GK101847878SQ20101019310
公開日2010年9月29日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者劉京波, 宋博, 宋宏明, 楊玉環(huán), 王哲修, 王有琨, 王瑞, 簡優(yōu)宗, 賈新楠, 高晗瓔 申請人:哈爾濱卓爾科技有限公司