本實用新型屬于光伏發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，傳統(tǒng)能源在為我們帶來優(yōu)質(zhì)生活的同時，也越來越嚴(yán)重地危害著我們的生存環(huán)境，越來越多的國家開始關(guān)注清潔能源的利用。傳統(tǒng)能源將逐漸被可再生清潔能源所替代。人類對能源需求量不斷增長，太陽能發(fā)電因其環(huán)保經(jīng)濟(jì)的特點受到各國的關(guān)注和青睞。

近幾年，光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，有著無污染，無噪音，取之不盡、用之不竭等優(yōu)點，因而越來越受大家的關(guān)注。在中、小型并網(wǎng)電源中，光伏發(fā)電已得到廣泛的應(yīng)用并形成了固定產(chǎn)業(yè)。同時，隨著光伏電池成本的降低以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電技術(shù)將得到進(jìn)一步推廣。

光伏發(fā)電分為并網(wǎng)光伏發(fā)電及離網(wǎng)光伏發(fā)電，并網(wǎng)光伏發(fā)電因其投資低、靈活性高而受到廣泛關(guān)注。光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)通過光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置，對光伏電池進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換同時以微網(wǎng)形式接入電網(wǎng)，已成為各國實現(xiàn)大規(guī)模光伏發(fā)電的重要技術(shù)基礎(chǔ)和主要研究方向。

光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置除在法規(guī)和政策上需得到進(jìn)一步完善以外，能否在接入電網(wǎng)后安全高效穩(wěn)定的運行是當(dāng)前迫切需要解決的重大問題，這也是光伏并網(wǎng)發(fā)電能否實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。同時由于光伏電池采用的是半導(dǎo)體硅材料制造而成，其轉(zhuǎn)換效率一般為14％-17％，最高商業(yè)轉(zhuǎn)換效率才至22％，提高轉(zhuǎn)換效率也是當(dāng)前迫切需要解決的重大問題。

實用新型

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對以上問題，本實用新型提出一種光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述設(shè)計目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案是：一種光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置，包括光伏電池、全橋逆變電路、采樣調(diào)理電路、單片機(jī)、驅(qū)動電路、濾波電路、工頻變壓器和負(fù)載；驅(qū)動電路的前級還設(shè)置有整形電路和光耦隔離電路。光伏電池經(jīng)全橋逆變電路，將直流電逆變成交流電；交流電經(jīng)濾波電路和工頻變壓器輸出給負(fù)載供電；采樣調(diào)理電路采樣光伏電池和負(fù)載上的信號，輸出至單片機(jī)；單片機(jī)進(jìn)行運算，輸出信號控制驅(qū)動電路；驅(qū)動電路用于驅(qū)動全橋逆變電路。

全橋逆變電路包括第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管；濾波電路包括第一電感和第一電容；工頻變壓器包括工頻隔離變壓器；負(fù)載為第一電阻。

驅(qū)動電路包括第一芯片和第二芯片；整形電路包括第三芯片和第四芯片；光耦隔離電路包括第五芯片和第六芯片；第一芯片和第二芯片為柵極驅(qū)動控制專用集成電路芯片IR21094；第三芯片和第四芯片為同相緩沖器CD4010：第五芯片和第六芯片為光耦隔離芯片TLP521。

采樣調(diào)理電路包括電壓采樣電路、電流采樣電路、頻率捕獲電路和信號調(diào)理電路；壓采樣電路包括第七芯片、第二電阻、第三電阻和第二電容，第七芯片為電壓傳感器VSM025A；電流采樣電路包括第八芯片、第四電阻和第三電容，第八芯片為霍爾電流傳感器CSM005A；頻率捕獲電路包括第五電阻、第六電阻、第四電容、第五二極管、第六二極管和過零比較器；信號調(diào)理電路包括第一級運算放大器和第二級運算放大器。

有益效果：本實用新型針對光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置進(jìn)行相關(guān)研究，考慮裝置效率和安全穩(wěn)定性，實現(xiàn)裝置優(yōu)化設(shè)計，確保并網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

附圖說明

圖1是光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置組成示意圖；

圖2是主電路與控制電路的電路圖；

圖3是采樣調(diào)理電路的電路圖；

圖4是并網(wǎng)發(fā)電裝置等效電路圖；

圖5是光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖6(a)是PI反饋控制系統(tǒng)擾動階躍響應(yīng)圖；圖6(b)是復(fù)合校正控制系統(tǒng)擾動階躍響應(yīng)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示是本實用新型所述的光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置組成示意圖，光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置包括光伏電池1、全橋逆變電路2、采樣調(diào)理電路3、單片機(jī)4、驅(qū)動電路5、濾波電路6、工頻變壓器7和負(fù)載8。

光伏電池1經(jīng)全橋逆變電路2，將光伏電池直流電壓逆變成高頻矩陣脈沖式交流電壓。相比于傳統(tǒng)的半橋逆變電路，全橋逆變電路具有直流電壓利用率高、輸出諧波含量小等特點，控制方式靈活，開關(guān)管所受電壓電流應(yīng)力小，便于實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)。為降低功率開關(guān)管開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率，裝置采用混合單極性逆變調(diào)制技術(shù)。

濾波電路6用于濾除全橋輸出中的諧波分量，輸出正弦交流電。濾波電路采用低通LC濾波，考慮輸出波形失真度及系統(tǒng)無功損耗，優(yōu)化設(shè)計濾波器濾波時間常數(shù)。

采用帶中心抽頭的工頻隔離變壓器實現(xiàn)裝置與電網(wǎng)的連接，工頻變壓器7輸出高壓側(cè)接入電網(wǎng)，輸出低壓側(cè)作為輸出并網(wǎng)電流反饋信號，實時反饋并網(wǎng)電流頻率及相位信息。

采樣調(diào)理電路3采集電網(wǎng)電壓正弦參考信號及輸出并網(wǎng)電流信號。采樣調(diào)理電路3同時采集光伏電池輸出電壓U_d及輸出電流I_a，實時檢測光伏電池輸出功率，采用滯環(huán)比較的思想實現(xiàn)光伏電池最大功率跟蹤，確保光伏電池實時工作于最大功率點，提高光伏電池輸出功率。采樣調(diào)理電路3將采樣信號調(diào)理至單片機(jī)的電平幅值范圍內(nèi)。

單片機(jī)4負(fù)責(zé)采集信號的運算處理，通過內(nèi)部EV模塊產(chǎn)生HPWM控制信號通過驅(qū)動電路5靈活控制功率開關(guān)管。

如圖2所示是主電路與控制電路的電路圖。全橋逆變電路2包括四個功率開關(guān)管，第一功率開關(guān)管M1、第二功率開關(guān)管M2、第三功率開關(guān)管M3和第四功率開關(guān)管M4。為保證開關(guān)管不被擊穿并留有一定裕量，開關(guān)管選擇IRF540。由于無功功率回饋到輸入側(cè)，功率場效應(yīng)管體二極管性能變差，全橋逆變電路的功率開關(guān)管管反并四個二極管，第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3和第四二極管D4，選用肖特基二極管為SB560，耐壓60V、壓降0.67V、額定電流5A。

為保證并入電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，降低裝置輸出波形失真度，在逆變器輸出端接入低通LC濾波器，濾除逆變器全橋輸出中高頻諧波分量。濾波電路6包括第一電感L1和第一電容C1。工頻變壓器7包括工頻隔離變壓器T1，變壓器包括輸入側(cè)、輸出高壓側(cè)和輸出低壓側(cè)。負(fù)載8為第一電阻R1。

驅(qū)動電路5包括第一芯片P1和第二芯片P2。驅(qū)動電路采用柵極驅(qū)動控制專用集成電路芯片IR21094。IR21094芯片由兩個獨立的高端和低端輸出通道產(chǎn)生互補的邏輯信號，可驅(qū)動同橋臂的兩個功率開關(guān)管，內(nèi)部自舉工作，高邊輸出與輸入同相，低邊輸出死區(qū)時間調(diào)整后與輸入反向。驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的HPWM脈沖放大到足以驅(qū)動功率管，所以單從原理上來說，驅(qū)動電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大器。同時驅(qū)動電路還需要實現(xiàn)控制電路與主電路之間的隔離。一般采用光電耦合器來實現(xiàn)隔離。由于光耦的壓擺率較低，驅(qū)動電路與隔離電路中間還要設(shè)置整形電路。

驅(qū)動電路5的前級還設(shè)置有整形電路9和光耦隔離電路10。整形電路9包括第三芯片P3和第四芯片P4，采用同相緩沖器CD4010控制信號整形。光耦隔離電路10包括第五芯片P5和第六芯片P6，采用光耦芯片TLP521進(jìn)行隔離，具有電氣隔離的功能，內(nèi)部還帶有圖騰柱驅(qū)動電路，最小峰值驅(qū)動電流達(dá)2A，能夠直接實現(xiàn)隔離驅(qū)動。光耦隔離電路10前級連接控制電路，控制電路即單片機(jī)4。

如圖3所示是采樣調(diào)理電路3的電路圖。為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對系統(tǒng)各部分運行參數(shù)進(jìn)行全面的檢測，對各種信號進(jìn)行及時的采樣。光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的運行信號包括逆變器輸出電壓相位、輸出電壓頻率、輸出電感電流以及光伏電池直流輸入電壓、電流等。采樣、調(diào)理電路必須對這些信號進(jìn)行有效的預(yù)處理，使之符合數(shù)字控制部分的輸入幅值要求，以方便數(shù)字控制部分根據(jù)相應(yīng)的反饋信號，采用合適的算法實現(xiàn)有效的閉環(huán)控制。

采樣調(diào)理電路3包括電壓采樣電路11、電流采樣電路12、頻率捕獲電路13和信號調(diào)理電路14。

電壓信號采樣對電壓量的采樣選用電壓傳感器VSM025A，其原邊與副邊相互隔離，額定測量電壓為500V，原邊額定電流為10mA，原、副邊轉(zhuǎn)換率為2500：1000，具有出色的精度和線性度、抗外界干擾能力強(qiáng)、溫漂低、共模抑制比強(qiáng)、反應(yīng)時間快、頻帶寬等特點，適用于逆變電源系統(tǒng)。電壓采樣電路11包括第七芯片P7、第二電阻R2、第三電阻R3和第二電容C2。

電流信號采樣對電流量的采樣選用霍爾電流傳感器CSM005A，是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理的新一代電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。額定測量電流達(dá)5A，原、副邊匝數(shù)比為5∶1000，具有高精度、高線性度、低溫漂、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用于逆變器系統(tǒng)中。電流采樣電路12包括第八芯片P8、第四電阻R4和第三電容C3。

根據(jù)指標(biāo)要求，輸出交流電壓信號必須與模擬基準(zhǔn)正弦信號同頻，因此需要采樣輸出電壓的頻率，以便有效地控制輸出電壓頻率。信號通過一級的過零比較器，得到相應(yīng)的頻率捕獲信號，并將信號送入單片機(jī)的捕獲引腳。頻率捕獲電路13包括第五電阻R5、第六電阻R6、第四電容C4、第五二極管D5、第六二極管D6和過零比較器A1。

逆變器的數(shù)字控制部分內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器允許輸入電壓范圍是0～3V，因此必須要選取合適的測量電阻，采樣信號才能輸入到處理器的A/D采樣單元。信號調(diào)理電路14，輸出電壓經(jīng)過電壓采樣后，輸出幅值范圍為-15V～+15V，經(jīng)第一級運算放大器A2，信號幅值范圍縮小10倍，變?yōu)?1.5～+1.5V；再經(jīng)第二級運算放大器A3的加法運算，使信號整體抬升1.5V，幅值范圍變?yōu)?～3V，進(jìn)入單片機(jī)的A/D采樣引腳。輸入電壓的調(diào)理電路以及輸出電感電流的調(diào)理電路與之類似。

并網(wǎng)發(fā)電裝置等效電路圖如圖4所示，M1、M2、M3及M4為功率開關(guān)管。HPWM調(diào)制方式工作過程為：在輸出電壓的正半周期內(nèi)，M2功率開關(guān)管與M4功率開關(guān)管工作于低頻狀態(tài)，兩者控制波形互補，M4導(dǎo)通，M2關(guān)斷。同時M1功率開關(guān)管與M3功率開關(guān)管工作于高頻狀態(tài)，兩管所在橋臂受高頻脈寬調(diào)制，互補通斷。在輸出電壓負(fù)半周期內(nèi)，兩橋臂工作狀態(tài)互換，M1與M3低頻互補，M3導(dǎo)通，M1關(guān)斷，M2與M4所在橋臂實現(xiàn)高頻脈寬調(diào)制，互補通斷。兩橋臂工作狀態(tài)均衡，逆變器輸出電壓正負(fù)半周相對稱。

考慮系統(tǒng)動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)特性，將電網(wǎng)電壓作為可量測擾動，采用擾動前饋補償控制與PI反饋控制相結(jié)合的復(fù)合校正控制方式，實現(xiàn)對系統(tǒng)中由主要擾動引起的誤差通過前饋控制進(jìn)行全補償，對系統(tǒng)中由次要擾動引起的誤差通過PI反饋控制予以抑制，在不提高系統(tǒng)開關(guān)增益前提下，補償各種擾動引起的誤差，保證系統(tǒng)在出現(xiàn)外部擾動情況下可在0.5s內(nèi)調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)，確保并網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

U_d為光伏電池輸出直流電壓，I_d為光伏電池輸出直流電流，L為濾波電感，R為電感和線路等效電阻，U_S為電網(wǎng)電壓，U_AB為逆變器輸出并網(wǎng)電壓。直流側(cè)電容C確保光伏電池的小信號擾動頻率遠(yuǎn)小于HPWM波調(diào)制波頻率。由等效電路示意圖可知，當(dāng)取輸出并網(wǎng)電流Is作為控制變量時有：

頻域上：

其中，H₃(S)為濾波器傳遞函數(shù)。設(shè)計采用HPWM調(diào)制方式控制功率開關(guān)管，由此可忽略功率開關(guān)管死區(qū)時間造成的非線性影響，逆變器環(huán)節(jié)可等效為一個比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)設(shè)為H₂(S)。

為提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，將U_S作為可量測擾動，采用擾動前饋補償控制和PI反饋控制相結(jié)合的復(fù)合校正控制方式，設(shè)計的光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

H₁(s)為PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，H_S(s)為前饋補償傳遞函數(shù)，i*為輸出電流設(shè)定值。

PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)在i*輸入下的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

當(dāng)系統(tǒng)不增設(shè)擾動前饋控制調(diào)節(jié)時，擾動信號U_s對輸出電流I_s的影響可表示為(由于外部擾動是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個重要因素，本文主要研究外部擾動U_S對系統(tǒng)輸出及穩(wěn)定性的影響，故以下分析均默認(rèn)i*＝0)：

其中，K_P為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，K_I為積分調(diào)節(jié)系數(shù)，K_HPWM為逆變器放大倍數(shù)，d為占空比。

擾動對系統(tǒng)輸出及穩(wěn)定性影響可由系統(tǒng)擾動誤差表示，不增設(shè)擾動前饋控制調(diào)節(jié)時的系統(tǒng)擾動誤差為：

當(dāng)系統(tǒng)加入擾動前饋控制調(diào)節(jié)后，擾動信號通過前饋補償環(huán)節(jié)H_S(s)對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生補償作用，抵消擾動通過濾波器對輸出產(chǎn)生的影響。前饋控制本質(zhì)是一種開環(huán)控制，增設(shè)前饋補償不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。此時系統(tǒng)擾動誤差為：

根據(jù)以上對光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置傳遞函數(shù)的建立以及在小信號下對系統(tǒng)擾動誤差的分析，利用MTALAB對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，分析比較PI反饋控制與復(fù)合校正控制對系統(tǒng)性能的影響。由于本設(shè)計主要研究外部擾動U_S對系統(tǒng)輸出及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，所以默認(rèn)有i*＝0，外部擾動U_S采用階躍函數(shù)。PI反饋控制系統(tǒng)與復(fù)合校正控制系統(tǒng)擾動階躍響應(yīng)如圖6所示，圖6(a)是PI反饋控制系統(tǒng)，圖6(b)是復(fù)合校正控制系統(tǒng)。

分析圖6可知，兩種控制系統(tǒng)均具有較快響應(yīng)速度，當(dāng)外部干擾發(fā)生變化時，其調(diào)節(jié)時間遠(yuǎn)小于0.5s。同時，相比于PI反饋控制系統(tǒng)，采用復(fù)合校正控制可有效補償擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響，提高系統(tǒng)控制精確度，系統(tǒng)超調(diào)量明顯減小。本設(shè)計最終可實現(xiàn)對由主要擾動U_S引起的誤差通過前饋控制進(jìn)行全補償，對系統(tǒng)中次要擾動引起的誤差通過PI反饋控制予以抑制，在不提高系統(tǒng)開關(guān)增益的前提下，補償各種擾動引起的誤差，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能好。