專利名稱：一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及太陽能光伏并網(wǎng)逆變器。
背景技術(shù)：
能源是國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活所必需的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是推動社會、經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平提高的動力。今天，能源問題已經(jīng)上升到了一個國家的具有戰(zhàn)略意義的研究重點。隨著全球工業(yè)化的全面發(fā)展，各個國家各個行業(yè)對能源的需求急劇擴大，能源需求的多少己經(jīng)成為衡量一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況的標準。針對以上情況，開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為人類社會必須采取的措施。根據(jù)目前的實際進展和未來的發(fā)展速度，專家們預(yù)測，到2050 年，可再生能源占總一次能源的比例約為，其中太陽能在一次能源中的比例約為13%— 15%，到2100年，可再生能源將占86%，太陽能占67%，其中太陽能發(fā)電占64%。可再生能源主要有水能、太陽能、風能、地熱能、生物質(zhì)能等能源形式，其最大的特點是具有自我恢復(fù)能力，人們在使用過程中，再生能源可以從自然界中源源不斷地得到補充，它是取之不盡，用之不竭的能源。水能是目前應(yīng)用最廣泛的可再生能源，但是它受地理條件、天氣氣候的影響很大，利用范圍有限。經(jīng)過學者的研究與論證，人們普遍認為太陽能和風能是解決能源危機和環(huán)境污染的最有效和可行的能源類型，是21世紀最重要的能源類型。尤其是太陽能及其光伏發(fā)電的應(yīng)用，以其獨特的優(yōu)點越來越受到人們的關(guān)注(1)太陽能取之不盡，用之不竭，可再生；(2)太陽能應(yīng)用地域廣泛；(3)太陽能清潔，無污染；(4)太陽能發(fā)電沒有運動部件，不易損壞，維護簡單。因此，太陽能光伏發(fā)電迅速的成為世界范圍內(nèi)普遍認可的有效利用的新能源的最具有發(fā)展前景的方式之一，也是未來重要的補充發(fā)電方式之一，并最終有可能由補充能源的角色向替代能源過渡。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列所發(fā)的電能為直流電能，然而許多負載需要交流電能如變壓器和電動機等。直流供電系統(tǒng)有很大的局限性，不便于變換電壓，負載應(yīng)用范圍也有限。除特殊用電負荷外，均需要使用逆變器將直流電變換為交流電。逆變器的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為“逆向”的整流過程，因此稱為“逆變”。逆變器性能的改進對于提高系統(tǒng)的效率、可靠性，提高系統(tǒng)的壽命、降低成本至關(guān)重要。光伏逆變器按照有無隔離分為隔離式和非隔離式兩類，其中隔離式并網(wǎng)逆變器又分為工頻變壓器隔離方式和高頻變壓器隔離方式。工頻變壓器隔離型為單級結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，電氣隔離，無直流分量，但其體積大，較為笨重，且工頻變壓器成本高，損耗大。高頻隔離型并網(wǎng)逆變器體積小，重量輕，效率高，具有電氣隔離；同時具有高頻干擾，技術(shù)難度大，高頻變壓器損耗等缺點。發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本實用新型提出一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，高頻隔離型并網(wǎng)逆變器體積小，重量輕，效率高，具有電氣隔離；針對一般的高頻隔離型逆變器的軟開關(guān)電壓輸入范圍較小的缺點，本實用新型提出可根據(jù)輸入電壓的范圍調(diào)整變壓器匝數(shù)比的高頻隔離型逆變器，高頻隔離型變壓器原邊分出四個不同匝數(shù)的輸入端，用兩個繼電器控制變壓器的原邊的任何兩根輸入線與全橋電路的接通，從而改變了變壓器的匝數(shù)比，實現(xiàn)寬范圍的電壓輸入，提高了效率和減少了損耗。本實用新型所采用的技術(shù)方案是一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器， 由主電路、DSP控制電路、ARM控制電路、輔助開關(guān)電源構(gòu)成；主電路分別與DSP控制電路、 輔助開關(guān)電源連接，DSP控制電路與ARM控制電路通過SPI接口連接；其中——主電路由順次連接的EMI濾波模塊、移相軟開關(guān)高頻隔離模塊、高低頻全橋逆變模塊、輸出濾波模塊構(gòu)成；移相軟開關(guān)高頻隔離模塊由順次連接的高頻全橋移相模塊、繼電器、高頻變壓器、 整流濾波模塊構(gòu)成；——DSP控制電路由DSP控制器、光伏采樣模塊、并網(wǎng)采樣模塊、保護模塊構(gòu)成；DSP控制器的接口分配如下A/D接口分別與光伏采樣模塊、并網(wǎng)采樣模塊連接；ePWM模塊輸出信號分別驅(qū)動高頻全橋移相模塊、高低頻全橋逆變模塊；GPIO采集保護模塊信號，給繼電器發(fā)送信號；ECAP與并網(wǎng)采樣模塊連接；—ARM控制電路由ARM控制器、IXD顯示模塊、通訊模塊、存儲模塊、以太網(wǎng)模塊構(gòu)成；ARM控制器的接口分配如下SCI模塊與通訊模塊連接；Ethernet模塊與以太網(wǎng)模塊連接；I2C與存儲模塊連接；GPIO與LCD顯示模塊連接；——輔助開關(guān)電源由固定頻率電流模式控制器和多繞組的變壓器構(gòu)成。所述的高頻全橋移相模塊是由MOSFET作為開關(guān)元件。所述的高低頻控制全橋逆變模塊兩上橋臂采用IGBT作為開關(guān)元件；兩下橋臂采用MOSFET作為開關(guān)元件。所述的高低頻控制全橋逆變模塊是的IGBT采用50kHz的SPWM信號進行控制， MOSFET采用20Hz的SPWM信號進行控制。所述的光伏采樣模塊包括光伏電池電流采樣模塊、光伏電池電壓采樣模塊。光伏采樣模塊采集光伏電池輸出的電流和電壓信號送到DSP的A/D接口 光伏電池電流采樣模塊由電流互感器檢測輸出電流，得到采樣信號，經(jīng)過濾波、運放、光藕隔離、分壓和限壓后送到DSP控制器的A/D轉(zhuǎn)換通道；光伏電池電壓采樣模塊對高頻全橋移相模塊的輸入端電壓進行取樣，信號經(jīng)過濾波、運放、光藕隔離、分壓和限壓送給DSP控制器AD轉(zhuǎn)換通道。[0034]所述的并網(wǎng)采樣模塊包括并網(wǎng)電流采樣反饋模塊、并網(wǎng)電壓采樣檢測反饋模塊、 并網(wǎng)頻率采樣檢測模塊。并網(wǎng)電流采樣反饋模塊采集電網(wǎng)的電流信號送到DSP的A/D接口由霍爾電流傳感器檢測交流電流，經(jīng)過濾波、分壓、電平偏移、運放和限壓后送到DSP控制器的A/D轉(zhuǎn)換通道；并網(wǎng)電壓采樣檢測反饋模塊采集電網(wǎng)的電壓信號送到DSP的A/D接口 由霍爾電壓傳感器檢測交流電壓，檢測得到的電壓信號一方面由濾波、分壓、電平偏移、運放和限壓后送到DSP控制器的A/D轉(zhuǎn)換通道，另一方面經(jīng)過過零比較器和施密特觸發(fā)器74HC14進入 DSP控制器的A/D中斷通道，對電壓過零點進行檢測，加上軟件鎖相環(huán)控制，可實現(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出的交流電與電網(wǎng)電同頻同相。并網(wǎng)頻率采樣檢測模塊采集電網(wǎng)的頻率信號送到DSP的ECAP接口。所述的保護模塊包括驅(qū)動保護模塊、過壓欠壓保護模塊、過熱保護模塊、孤島效應(yīng)保護模塊、過流保護模塊。驅(qū)動保護模塊有兩組，一組由IR2113S與外圍電路構(gòu)成的高頻驅(qū)動單元驅(qū)動高頻全橋移相模塊的M0SFET，另一組由IR2113S與外圍電路構(gòu)成的高頻驅(qū)動單元驅(qū)動高低頻全橋移相模塊的MOSFET和IGBT。過壓欠壓模塊由分壓電路，比較電路，光耦構(gòu)成，分別對高頻全橋移相模塊的輸入端電壓和高低鋪全橋逆變模塊的輸入端電壓進行檢測。當光伏電池的電壓過大或過小時， 比較器電平產(chǎn)生跳變，關(guān)斷開關(guān)管驅(qū)動保護模塊的^S2113S，停止輸出PWM信號，從而達到保護開關(guān)管的作用；當高低頻全橋逆變模塊的輸入端電壓過高或過低，比較器電平產(chǎn)生跳變，關(guān)斷驅(qū)動保護模塊的^S2113S，停止輸出SPWM信號，從而達到保護IGBT的作用。過熱保護模塊由熱敏元件、分壓電路、比較電路、光耦構(gòu)成，分別對高頻全橋移相模塊和高低頻全橋逆變模塊的開關(guān)元件的工作溫度進行檢測；當開關(guān)器件溫度過高，由熱敏元件產(chǎn)生的電壓信號通過與設(shè)定的電壓值進行比較后使比較器輸出電平產(chǎn)生跳變，經(jīng)光耦隔離后向DSP的GPIO接口發(fā)送中斷信號到驅(qū)動保護模塊的頂21135，停止輸出驅(qū)動信號， 從而達到保護開關(guān)器件的作用。孤島效應(yīng)保護模塊對電網(wǎng)的孤島效應(yīng)進行檢測。過流保護模塊由分壓電路、電壓跟隨電路、比較電路構(gòu)成，對高低頻全橋逆變模塊中流過IGBT和MOSFET的電流進行檢測。當流過IGBT和MOSFET的電流過高時，比較器電平產(chǎn)生跳變，經(jīng)光耦隔離后向DSP的GPIO接口發(fā)送中斷信號到驅(qū)動保護模塊的頂21135，停止輸出SPWM，從而達到保護開關(guān)器件的作用。所述的ARM控制電路的通訊模塊包括藍牙模塊、RS232模塊和RS485模塊。藍牙通訊用于所研制的光伏并網(wǎng)逆變器與外部PC設(shè)備的無線通訊；RS232模塊用于近距離數(shù)據(jù)讀取；RS485通訊，用于遠距離數(shù)據(jù)讀取。所述的ARM控制電路的儲存模塊包括512K EEPROM模塊和RTC模塊。511 EEPROM 模塊用于保存光伏并網(wǎng)逆變器的發(fā)電歷史記錄及運行狀態(tài)，RTC模塊為光伏并網(wǎng)逆變器提供時間基準。所述的孤島效應(yīng)保護模塊采用周期擾動帶正反饋有源頻率漂移法實現(xiàn)并網(wǎng)的孤島檢測保護。周期擾動帶正反饋有源頻率漂移法的基本思想是通過給控制信號一個周期性的擾動，來檢測逆變輸出電流頻率的變化。在正常情況下，因電網(wǎng)巨大的平衡作用，擾動對輸出電流頻率的影響不大，但當發(fā)生孤島時，系統(tǒng)可以檢測到這個變化，并增加擾動量使電流頻率進一步偏離，直到這個偏離超出并網(wǎng)條件?？刂齐娐芳皶r關(guān)閉連接逆變器輸出端的功率繼電器，從而切斷了電流輸出。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果(1)本實用新型實現(xiàn)了全數(shù)字化的光伏逆變控制，通過DSP TMS320F2808直接產(chǎn)生PWM和SPWM信號，通過軟件實現(xiàn)最大功率點跟蹤及孤島效應(yīng)檢測處理，使光伏逆變器具有更好的一致性；ARM芯片LM3S8962控制通訊顯示模塊，使系統(tǒng)具有良好的人機顯示界面， 并具有RS232、RS485、藍牙、以太網(wǎng)等多種通訊功能；(2)本實用新型采用高頻移相軟開關(guān)全橋電路，在實現(xiàn)光伏直流電與電網(wǎng)交流電隔離的同時大大縮減硬件的體積及重量，并實現(xiàn)了寬范圍的直流電壓輸入；采用SPWM高低頻控制全橋逆變實現(xiàn)DC/AC的交流電輸出，逆變電路結(jié)合IGBT于MOSFET的各自優(yōu)點，讓系統(tǒng)功率損耗進一步降低；這種兩級變換結(jié)構(gòu)變換結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器具有較高的運行效率，代表著光伏逆變器領(lǐng)域中前沿技術(shù)；(3)本實用新型在DC-AC逆變引入波形反饋，不僅極大地降低諧波，改善功率因數(shù)，而且可以滿足實時性要求，提高系統(tǒng)動態(tài)性能；(4)本實用新型采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)同步，提出根據(jù)電流參考值、輸出電流反饋， 電網(wǎng)電壓等參數(shù)控制并網(wǎng)電流的算法，較傳統(tǒng)檢測電網(wǎng)電壓過零點同步技術(shù)精度高，抗干擾能力強而且無滯后現(xiàn)象，增強了系統(tǒng)的可靠性；(5)本實用新型的驅(qū)動電路設(shè)計中提出了一種新穎的設(shè)計方案在實現(xiàn)對控制信號放大和隔離，同時具備對IGBT工作狀態(tài)的實時監(jiān)控和故障處理功能。實驗結(jié)果表明，在完成對控制信號隔離放大的同時當IGBT門極驅(qū)動信號紊亂或發(fā)生IGBT過流時驅(qū)動電路能夠有效地切斷控制信號，保護系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖1是本實用新型實施例的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實用新型實施例的光伏并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是本實用新型實施例的光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)主程序流程框圖；圖4是本實用新型實施例的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例子，對本實用新型做進一步的詳細說明。但是本實用新型的實施方法和要求保護的范圍并不局限于此。如圖1所示為移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)框圖。一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，由主電路、DSP控制電路、ARM控制電路、輔助開關(guān)電源電路連接構(gòu)成。主電路由依次連接的EMI濾波模塊、驅(qū)動保護模塊、移相軟開關(guān)高頻隔離模塊(包括高頻全橋移相模塊、繼電器、高頻變壓器、整流濾波模塊)、高低頻全橋逆變模塊、輸出濾波模塊、孤島效應(yīng)保護模塊組成；DSP控制電路包括TMS320F2808數(shù)字信號處理器、光伏電池電流采樣模塊、光伏電池電壓采樣模塊、過壓欠壓保護模塊、過熱保護模塊、過流保護模塊、并網(wǎng)電流采樣反饋模塊、并網(wǎng)電壓采樣檢測模塊以及并網(wǎng)頻率采樣檢測模塊；ARM控制電路包括LM3S8962處理器，I2C通訊模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、SPI通訊模塊、SCI通訊模塊、 LCD顯示模塊；輔助開關(guān)電源模塊為系統(tǒng)各芯片提供穩(wěn)定的士 15V及5V直流電壓。如圖1所示的光伏電池電流采樣模塊和光伏電池電壓采樣模塊，由電流互感器檢測輸出電流，得到采樣信號，通過運放和兩個光耦構(gòu)成閉合反饋電路實現(xiàn)信號的線性隔離、 再經(jīng)分壓調(diào)理成(T3V送到DSP控制器AD轉(zhuǎn)換通道。直流電壓采樣電路直接與光伏電池相連，其調(diào)理電路原理同電流采樣調(diào)理電路。如圖1所示的過壓欠壓檢測保護模塊，該模塊在高頻全橋移相模塊輸入電壓波動時關(guān)斷SPWM信號輸出的作用。當電壓高于設(shè)定值或低于設(shè)定值時，兩個比較器比較結(jié)果做相“與”運算，結(jié)果為低電平“0”，光耦導通，輸出端電位被拉低，即DSP的I/O 口電平被拉低，DSP產(chǎn)生中斷，關(guān)斷PWM信號及SPWM信號輸出，并進行故障處理。如圖1所示的過壓欠壓檢測保護模塊，由分壓電路和比較電路組成，主要對高低頻全橋逆變模塊的輸入端電壓進行檢測，當高低頻全橋逆變模塊的輸入端電壓過高或過低，比較器輸出端電平產(chǎn)生跳變?yōu)榈碗娖?，關(guān)斷IGBT驅(qū)動保護模塊的^S2113輸出SPWM， 從而達到保護IGBT的作用。如圖1所示的過熱保護模塊由熱敏元件、分壓電路、比較電路、光耦組成，主要對系統(tǒng)開關(guān)器件的工作溫度進行檢測。當開關(guān)器件溫度過高，由熱敏元件產(chǎn)生的電壓信號通過與設(shè)定的電壓值進行比較后使比較器輸出電平產(chǎn)生跳變，經(jīng)光耦隔離后向DSP的GPIO 口發(fā)送中斷信號，由DSP發(fā)送關(guān)斷信號到驅(qū)動保護模塊的^2113S，停止輸出驅(qū)動信號，從而達到保護開關(guān)器件的作用。如圖1所示的過流保護模塊由分壓電路、電壓跟隨電路、比較電路組成，主要對高低頻全橋逆變模塊中流過IGBT的電流進行檢測當流過IGBT的電流過高，比較器電平產(chǎn)生跳變輸出低電平，同樣關(guān)斷IGBT驅(qū)動保護模塊的輸出SPWM，從而達到保護IGBT 的作用。如圖1所示的并網(wǎng)電流采樣反饋模塊主要起到電流的采樣反饋作用，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。電流采樣反饋電路中，在電源輸出端采用了電流霍爾傳感器HY 25-P，通過采用適當?shù)碾娮柙?，使得當交流電流?6々^^變化時，得到的電壓信號變化范圍是-1.5^1.5￥。 經(jīng)過電壓偏移電路調(diào)整為0-3V，再經(jīng)限壓后得到信號⑶RRENT-FBK送給DSP，由DSP進行運笪。如圖1所示的并網(wǎng)電壓采樣檢測模塊以及并網(wǎng)頻率采樣檢測模塊，采用霍爾電壓傳感器檢測電壓，通過采用適當?shù)碾娮柙?，使得當交流電流?311A111A變化時，得到的電壓信號變化范圍是-1. 5V^1. 5V。經(jīng)過電壓偏移電路調(diào)理為0-3V，再經(jīng)限壓后得到信號 V0LTAGE-FBK送給DSP，由DSP進行運算，同時將得到的電壓信號通過過零電壓比較器，將正弦波交流信號變?yōu)榉讲ń涣餍盘枺?jīng)過施密特觸發(fā)器消除電壓信號在零電位處抖動的影響，防止了誤觸發(fā)，從而為DSP提高可靠的時序同步信號。如圖2所示為本實用新型兩級高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖。圖中所
示的電路依次為①-高頻全橋
移相電路，⑦一繼電器、高頻變壓器，Φ -整流濾波電路， —高低頻全橋逆變電路，⑤
一輸出濾波電路。前級移相軟開關(guān)高頻隔離電路由依次連接的高頻全橋移相電路、繼電器、高頻變壓器、整流濾波電路組成。根據(jù)檢測到的光伏電池輸入電壓值，控制兩個繼電器的吸合、釋放當輸入直流電壓為150疒220V時，繼電器A、B吸合；220疒270V時，繼電器A吸合， B釋放；270疒;MOV時，繼電器A釋放，B吸合；340疒400V時，繼電器A、B釋放。通過以上措施改變高頻變壓器原邊和副邊的匝數(shù)比，使得在不同的直流電壓輸入范圍下，全橋移相電路始終能進行高效的軟開關(guān)控制，大大降低了開關(guān)器件的功率損耗；由DSP軟件直接產(chǎn)生的IOOKHz PWM信號驅(qū)動高頻全橋移相模塊，將輸入的直流電壓變?yōu)楦哳l方波電壓，經(jīng)高頻變壓器隔離，整流濾波模塊后變?yōu)?00V的高壓直流電。同時，通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的占空比來進行最大功率點跟蹤(MPPT)控制。后級高低頻全橋逆變模塊采用SPWM高低頻控制方式 兩上橋臂采用IGBT作為功率器件以50Hz的PWM信號進行控制；兩下橋臂采用MOSFET作為功率器件采用20kHz的PWM信號進行控制，結(jié)合LCL網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的輸出濾波電路，對前級移相軟開關(guān)高頻隔離電路提供的400V直流母線電壓逆變轉(zhuǎn)換成為220V交流電，同時對光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流進行控制以實現(xiàn)并網(wǎng)。該控制方式結(jié)合了 IGBT功耗小與MOSFET開關(guān)速度快的優(yōu)點，進一步降低了系統(tǒng)的功率損耗。如圖3所示為本實用新型光伏并網(wǎng)逆變器控制策略框圖。首先，系統(tǒng)采集光伏陣電池的輸出電壓和輸出電流/_，進行MPPT程序運算。一方面，得到高頻全橋移相電路的 PWM驅(qū)動信號；另一方面，可得太陽能板輸出功率Λ.λ。在并網(wǎng)逆變模塊，首先系統(tǒng)檢測電網(wǎng)電壓&&和頻率/"，用于給逆變信號提供時間基準，保證逆變信號與電網(wǎng)頻率相同。其次，通過與Ugrid進行除法運算得到并網(wǎng)電流的參考值Iref0最后，通過Ugrid、Iref、I0Ut進行對于逆變器開關(guān)管輸出信號的預(yù)測算法控制，得到控制高低頻全橋逆變電路的SPWM驅(qū)動信號， 實現(xiàn)逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓的相位一致。至此，光伏逆變器就能以追蹤到的最大功率輸出產(chǎn)生與電網(wǎng)實時同頻同相的正弦交流電，給電網(wǎng)輸送電能。如圖4所示為本實用新型的主程序流程框圖。開機運行后，系統(tǒng)參數(shù)初始化，在外部中斷服務(wù)程序中添加過流保護子程序；檢測電網(wǎng)電壓及頻率在設(shè)定的時間內(nèi)是否穩(wěn)定在允許范圍之內(nèi)，不正常則返回，繼續(xù)檢測；若正常，則檢測光伏電池輸出電壓是否在 150Vdc^400Vdc內(nèi)，不正常則返回繼續(xù)檢測；如果光伏電池輸出電壓在允許范圍之內(nèi)，則在電壓捕獲中斷服務(wù)子程序中添加高頻全橋移相電路輸入電壓(即光伏電池輸出電壓)過壓欠壓保護程序；根據(jù)輸入電壓判斷相應(yīng)繼電器吸合、釋放；移相電路開始工作，通過PI控制將移相輸出電壓穩(wěn)定在400V左右；在電壓捕獲中斷服務(wù)子程序中增加高低頻全橋逆變電路輸入電壓過壓欠壓保護子程序；在電壓捕獲中斷服務(wù)子程序中增加輸出電流直流分量保護子程序，孤島效應(yīng)保護子程序，控制孤島效應(yīng)模塊中的并網(wǎng)繼電器吸合，延時約^鐘后逆變器開始工作；最后增加高頻全橋移相電路移相角從而加大功率輸出，逆變器開始正常工作。在逆變器運行過程中，若DSP收到各保護模塊發(fā)送來的中斷信號，則進入中斷程序調(diào)用相應(yīng)的保護子程序，斷開并網(wǎng)繼電器，同時，停止輸出所有驅(qū)動信號；逆變器在此狀態(tài)下等待3分鐘后重新啟動。本實用新型實現(xiàn)了全自動的數(shù)字化控制。本實施例首次采用高速的嵌入式數(shù)字信號處理器DSP TMS320F2808和具有Cortex_M3內(nèi)核的LM3S8962處理器的雙核控制系統(tǒng)，充分利用DSP芯片在嵌入式控制方面的優(yōu)越性能，采用模塊化、可移植的設(shè)計方法，通過軟件編程實現(xiàn)最大功率點跟蹤，鎖相環(huán)功能，高頻全橋移相模塊模塊的PWM信號和高低頻全橋逆變模塊的SPWM信號都直接由DSP通過編程方式輸出，最終實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的全自動數(shù)字化控制，使得光伏系統(tǒng)具有更好的一致性、動態(tài)響應(yīng)性能和可擴展性；ARM芯片LM3S8962 控制通訊顯示模塊，實時顯示系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)及故障信號，使系統(tǒng)具有良好的人機顯示界面， 并具有RS232、RS485、藍牙、以太網(wǎng)等多種通訊功能。本實用新型實現(xiàn)了精確化。本實施例充分利用了 DSP嵌入式微處理器的高速運算和數(shù)據(jù)處理能力。IOOMHz的時鐘頻率讓軟件系統(tǒng)的時鐘基準周期維持在10nS，12位的ADC 采樣模塊提供了較高的數(shù)據(jù)采集精度。對于逆變電流與電網(wǎng)電壓的測量可以實時計算其有效值，克服了傳統(tǒng)控制器用平均值代替有效值作為輸出反饋造成輸出精度低、動態(tài)響應(yīng)慢的缺點。最大功率點跟蹤的太陽能板電流電壓采集均結(jié)合了 ^R數(shù)字濾波和均值濾波等數(shù)字濾波方法，去除電路高頻干擾保證最大功率點跟蹤的精確控制。本實用新型具有高的可靠性和效率。一方面，本實例設(shè)計了一種兩級結(jié)構(gòu)的高頻隔離主電路，前級高頻全橋移相電路由IOOKHz的高頻PWM信號驅(qū)動，結(jié)合繼電器和高頻變壓器的獨特設(shè)計，使得移相電路在寬直流電壓輸入范圍內(nèi)仍然能實現(xiàn)高效的軟開關(guān)控制， 同時，通過高頻變壓器，實現(xiàn)了光伏電池直流電和電網(wǎng)交流電的完全隔離；后級逆變電路采用高低頻控制，充分利用了 IGBT和MOSFET各自的優(yōu)點，進一步降低系統(tǒng)的功率損耗，實現(xiàn)了系統(tǒng)運行的高效性。另一方面，本實施例設(shè)計過壓保護電路，光伏電池過壓欠壓保護電路，孤島效應(yīng)保護電路等一系列保護電路可對系統(tǒng)進行全方位監(jiān)控保護，有效地保證光伏逆變器的并網(wǎng)運行的安全性和可靠性。本實用新型具有智能化。本實施例通過對光伏當前輸出電壓與電流檢測，系統(tǒng)自動尋優(yōu)得到當前光伏電池最大輸出功率，實現(xiàn)在時刻變化外界環(huán)境下，使光伏電池維持在最大功率點處。在此說明書中，本實用新型已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本實用新型的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認為是說明性的而非限制性的。
權(quán)利要求1.一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，由主電路、DSP控制電路、ARM控制電路、輔助開關(guān)電源構(gòu)成；主電路分別與DSP控制電路、輔助開關(guān)電源連接，DSP控制電路與 ARM控制電路通過SPI接口連接；其特征在于——主電路由順次連接的EMI濾波模塊、移相軟開關(guān)高頻隔離模塊、高低頻全橋逆變模塊、輸出濾波模塊構(gòu)成；移相軟開關(guān)高頻隔離模塊由順次連接的高頻全橋移相模塊、繼電器、高頻變壓器、整流濾波模塊構(gòu)成；——DSP控制電路由DSP控制器、光伏采樣模塊、并網(wǎng)采樣模塊、保護模塊構(gòu)成；DSP控制器的接口分配如下A/D接口分別與光伏采樣模塊、并網(wǎng)采樣模塊連接；ePWM模塊輸出信號分別驅(qū)動高頻全橋移相模塊、高低頻全橋逆變模塊；GPIO采集保護模塊信號，給繼電器發(fā)送信號；ECAP與并網(wǎng)采樣模塊連接；——ARM控制電路由ARM控制器、IXD顯示模塊、通訊模塊、存儲模塊、以太網(wǎng)模塊構(gòu)成；ARM控制器的接口分配如下SCI模塊與通訊模塊連接；Ethernet模塊與以太網(wǎng)模塊連接；I2C與存儲模塊連接；GPIO與IXD顯示模塊連接；——輔助開關(guān)電源由固定頻率電流模式控制器和多繞組的變壓器構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述的高頻全橋移相模塊是由MOSFET作為開關(guān)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述的高低頻控制全橋逆變模塊兩上橋臂采用IGBT作為開關(guān)元件；兩下橋臂采用MOSFET作為開關(guān)元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述的高低頻控制全橋逆變模塊的IGBT采用50kHz的SPWM信號進行控制，MOSFET采用20Hz 的SPWM信號進行控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于 ——所述的光伏采樣模塊包括光伏電池電流采樣模塊、光伏電池電壓采樣模塊 光伏采樣模塊采集光伏電池輸出的電流和電壓信號送到DSP的A/D接口；——所述的并網(wǎng)采樣模塊包括并網(wǎng)電流采樣反饋模塊、并網(wǎng)電壓采樣檢測反饋模塊和并網(wǎng)頻率采樣檢測模塊并網(wǎng)電流采樣反饋模塊采集電網(wǎng)的電流信號送到DSP的A/D接口 ； 并網(wǎng)電壓采樣檢測反饋模塊采集電網(wǎng)的電壓信號送到DSP的A/D接口 ； 并網(wǎng)頻率采樣檢測模塊采集電網(wǎng)的頻率信號送到DSP的ECAP接口 ； ——所述的保護模塊包括驅(qū)動保護模塊、過壓欠壓保護模塊、過熱保護模塊、孤島效應(yīng)保護模塊和過流保護模塊驅(qū)動保護模塊有兩組，一組驅(qū)動高頻全橋移相模塊的M0SFET，另一組驅(qū)動高低頻全橋逆變模塊的MOSFET和IGBT ；過壓欠壓模塊由分壓電路，比較電路，光耦構(gòu)成，分別對高頻全橋移相模塊的輸入端電壓和高低頻全橋逆變模塊的輸入端電壓進行檢測；過熱保護模塊由熱敏元件、分壓電路、比較電路、光耦構(gòu)成，分別對高頻全橋移相模塊和高低頻全橋逆變模塊的開關(guān)元件的工作溫度進行檢測；孤島效應(yīng)保護模塊對電網(wǎng)的孤島效應(yīng)進行檢測；過流保護模塊由分壓電路、電壓跟隨電路、比較電路構(gòu)成，對高低頻全橋逆變模塊中流過IGBT和MOSFET的電流進行檢測。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于 ARM控制電路的通訊模塊包括藍牙模塊、RS232模塊和RS485模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于 ARM控制電路的儲存模塊包括EEPROM模塊和RTC模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述孤島效應(yīng)保護模塊采用周期擾動帶正反饋有源頻率漂移法實現(xiàn)并網(wǎng)的孤島檢測保護。
專利摘要本實用新型涉及一種移相軟開關(guān)高頻隔離型光伏逆變發(fā)電器，由主電路、DSP控制電路、ARM控制電路、輔助開關(guān)電源電路四大部分組成，本實用新型首次提出以高頻全橋移相電路結(jié)合高低頻全橋逆變電路為主電路結(jié)構(gòu)，以高速的嵌入式數(shù)字信號處理器DSPTMS320F2808為核心實現(xiàn)全數(shù)字化控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，可實現(xiàn)對太陽能電池板輸出功率的最大功率點追蹤和光伏直流電與電網(wǎng)交流電的隔離，軟件實現(xiàn)鎖相環(huán)控制，并且具有完善的并網(wǎng)及孤島保護功能，保證系統(tǒng)能夠安全可靠地運行。
文檔編號H02M7/5387GK202178719SQ20112033092
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者張思章, 張紅衛(wèi), 薛家祥, 鐘良文 申請人:華南理工大學