CN102710164A

CN102710164A - 光伏逆变器

Info

Publication number: CN102710164A
Application number: CN2012101739986A
Authority: CN
Inventors: 唐頔; 朱晓锦; 邵勇; 姜恩宇; 赵方平
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明涉及一种光伏逆变器，它的电路主要包括升压电路，逆变电路，滤波电路和控制电路四部分。其中升压电路与逆变电路连接，逆变电路和滤波电路连接，控制电路对整个逆变过程进行控制。升压电路采用常用的BOOST升压电路。逆变电路采用IGBT全控器件，全桥电压型逆变结构，通过控制IGBT的通断，可准确的将直流电转换为交流电。滤波电路采用LC低通滤波器电路。升压电路和逆变电路在控制电路的控制下协调运作。采用高性能的DSP芯片TMS320LF2406作为控制电路的核心，可以快速准确的对逆变过程实施控制和监测。本设计工作效率高、可靠性强、稳定性好。同时具有最大功率点跟踪和反孤岛效应等功能。

Description

光伏逆变器

技术领域

本发明属于光伏发电领域，具体涉及一种能将太阳能转换为电能的太阳能电池或其他***的直流电转换成交流电的光伏逆变器。

背景技术

在跨入21世纪以来，人类正面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已经成为了全球热点问题。而能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染，温室效应等都与化石燃料有关。目前的环境问题，很大程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造成的，人类要解决这些能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。

理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提供了一种光伏逆变器，能够将太阳能吸收转化成电能，由直流电转换为交流电，以供家庭电器或者并网使用。

一种户用光伏并网逆变器，实现上述目的的技术方案是：包括控制板，底板，底座，其特征在于：所述底板安装在底座上，控制板安装在底板上；所述控制板以DSP芯片为核心，通过采集的电压电流信号与芯片内部的比较单元处理，计算后输出控制信号，通过数据线传到底板，经过光耦隔离后，产生控制IGBT开通或关断的PWM控制信号，底座为一个散热器，在逆变器工作时起到保护作用。整个逆变器的电路包括升压电路、逆变电路、滤波电路和控制电路，升压电路与逆变电路连接，逆变电路和滤波电路连接，控制电路对整个***电路进行控制。升压电路采用BOOST升压电路结构，所述逆变电路采用全桥电压型逆变结构。控制电路实现对BOOST升压电路和逆变电路的控制。升压电路和逆变电路在控制电路的控制下协调运作。本发明采用了高性能的DSP数字信号处理芯片TMS320LF2406进行监控，能够快速、准确的对整机运行实施控制和监测，RS485通讯和人机交互界面也提高了整机的拓展性和实用性。

所述升压电路采用了BOOST电路结构，通过控制功率开关器件的导通关断占空比即可将光伏阵列输出电压提升至150V~550V左右。此外，经过对光伏阵列输出电压、电流的检测和DSP的最大功率跟踪控制可实现在不同的外界温度和日照条件下，最大可能的捕获光伏阵列的输出功率。

所述逆变电路为电压源输入型的全桥逆变电路，该结构具有逆变算法灵活，输出电能质量高的优点。四个开关器件分别反并联一个续流二极管，形成双桥臂的逆变***。

所述滤波电路包括电感和滤波电容，它们的输出端与电网连接，输入端和逆变器连接。滤波电路的作用是减少逆变器输出电流，提高逆变器的输出电能质量。

所述控制电路采用了高性能的DSP数字信号处理芯片TMS320LF2406进行***控制和监测。

本发明采用上述技术方案后，逆变器整机能够实现光伏阵列的最大功率跟踪，为电网提供谐波少，高质量的电能。整机运行稳定、可靠，整体效率高。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：

1)、 IGBT 短路保护与欠驱动反馈补偿实现大功率的IGBT 异常状态保护，IGBT 驱动与保护的光纤编解码技术提高***在大电流下的抗干扰能力；利用无感母线排和高寿命薄膜电容的集成结构减少di/dt 和du/dt 的冲击，实现大功率逆变器的高可靠、低损耗与长寿命。

2)、低压输入(Vdc<40V)、大升压比(1:8)、高效变换(>98.5%)、低纹波的DC/DC 电路设计技术突破光伏发电***在BIPV 场合应用的世界性难题，提高***的安全性。

3)、利用DSP 嵌入式***+FPGA 协处理技术构建开发出32 位高精度三重化SVPWM 空间矢量计算、并网低谐波控制与重复控制、高精度快速MPPT 跟踪等核心算法的硬件化协处理技术，实现了数控***实时性、高可靠性的重大突破，达到国际先进水平。

4)、 M 序列无功扰动主动检测+被动检出算法，结合IGBT 关断与开关分断的二级***保护制策略，使***在900ms 内完成孤岛检测和保护响应，切断电网与光伏发电***的连接，有效解决反孤岛控制在工程应用中盲区大、响应速度慢等瓶颈技术难题，性能高于UL1741、DIN0126 等技术要求，达到反孤岛控制的世界先进水平。

5)、分布式光伏并网***的镇定控制技术与分散自律调节技术，解决共直流母线电压波动或振荡，以及逆变输出电流谐波含量增大等技术难题，实现直流母线分布式接入***高稳定性的运行控制。

附图说明

图1为本发明的光伏逆变器的外形结构图

图2为本发明的光伏逆变器的电路***框图

图3为本发明的光伏逆变器的***组成结构框图

图4 为本发明的光伏逆变器的升压电路原理图

图5为本发明的光伏逆变器的电路图

图6为光伏逆变器的控制电路结构框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

结构如图1所示；光伏并网逆变器由控制板（1），底板（2），底座（3）三大部分组成，底座（1）安装在底座（3）上，控制板（1）安装在底板（2）上，在底板（2）上有直流输入接头（4）和交流输出接头（5），并有光耦隔离（6）。逆变器的电路如图2、3所示，包括升压电路（1’）、逆变电路（2’）、滤波电路（3’）和控制电路（4’），升压电路（1’）与逆变电路（2’）连接，逆变电路（2’）和滤波电路（3’）连接，控制电路（4’）对整个***电路进行控制。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特征指出如下：

所述控制板（1）以DSP芯片为核心，通过采集的电压电流信号与芯片内部的比较单元处理，计算后输出控制信号，通过数据线传输到底板（2），经过光耦隔离后，产生控制IGBT开通或关断的PWM控制信号。能够快速、准确的对整机运行实施控制和监测，将输入的直流信号逆变成交流信号，RS485通讯和人机交互界面也提高了整机的拓展性和实用性。底座为一个散热器（4），在逆变器工作时起到保护作用。

所述升压电路（1’）采用了BOOST升压电路，升压部分的原理图如图3所示。当开关器件V处于通态时，开通时间为t_on。电源E向电感L充电，充电电流基本恒定（i₁），同时电容C上的电压向负载R供电，电容C很大，可基本保持输出电压U_o为恒定值。当V处于断态时，关断时间t_off 。电源E和电感L共同向电容C充电，并向负载提供能量。根据在一个周期T里电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即E*i1*t_on=(U_o-E)* i₁*t_off，化简后可得U_o=(T/ t_off)*E。由此可知，我们可以通过控制功率开关器件的导通关断占空比即可将光伏阵列输出电压提升至可逆变的150V~550V电压左右。此外，经过对光伏阵列输出电压、电流的检测和DSP的最大功率跟踪控制可实现在不同的外界温度和日照条件下，最大可能的捕获光伏阵列的输出功率。

所述逆变电路（2’）为电压源输入型的全桥逆变电路，该结构具有逆变算法灵活，输出电能质量高的优点。如图4中所示，T1与D1反并联，T2与D2反并联，T3与D3反并联，T4与D4反并联，构成双桥臂逆变***。由控制电路提供PWM信号，控制T1~T4的开通或关断，T4保持开通，T2与T3均关断，此时控制T1开关进而控制电压脉冲宽度，根据冲量相等而形状不同的窄脉冲施加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，可以等效成正向的正弦信号；反之，保持T2导通，T1和T4关断，控制T3开关进而控制电压脉冲宽度，可以等效反向的正弦信号。如此交替导通两组IGBT，可以实现对直流信号的逆变。

所述滤波电路（3’）由电感和滤波电容组成，滤波电路（3’）的输出与电网相连，输入与之前的逆变电路（2’）相连，加入滤波电路是为了减少逆变器的输出电流，提高逆变器输出电能的质量。

控制电路（4’）实现对升压电路（1’）以及逆变电路（2’）进行控制。控制芯片采用TI公司的高性能数字信号处理芯片DSP，它可以对电路中的各参数进行检测，进而提供控制信号，对电路进行控制，主要包括控制升压电路中开关器件T0开通与关断的驱动信号和控制逆变电路中T1~T4的PWM信号。

图5为控制电路（4’）的电路结构图，以DSP芯片TMS320LF2406为核心，它具有丰富的存储空间和外设接口，可以满足本设计的需要。DSP芯片的ADC0~ADC15用来接收对直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压和交流侧电流的检测。DSP芯片的PWM1~PWM4输出控制逆变桥的四路PWM控制信号。

本发明的特点在于：

2)、低压输入(V_dc<40V)、大升压比(1:8)、高效变换(>98.5%)、低纹波的DC/DC 电路设计技术突破光伏发电***在BIPV 场合应用的世界性难题，提高***的安全性。

Claims

1.一种光伏逆变器，包括控制板（1），底板（2）和底座（3），其特征在于：所述底板（2）安装在底座（3）上，控制板（1）安装在底板（2）上；所述控制板（1）以DSP芯片为核心，通过数据线与底板（2）相连，经过光耦隔离后，产生PWM控制信号，底座（3）为一个散热器，在逆变器工作时起到保护作用，逆变器的电路包括升压电路（1’），逆变电路（2’），滤波电路(3’)和控制电路（4’），其中升压电路（1’）与逆变电路（2’）连接，逆变电路（2’）与滤波电路(3’)连接，控制电路（4’）连接逆变电路（2’）而通过控制开关器件的通断，对逆变的过程进行控制；输出的交流电供并网或者是家庭电器使用。

2.根据权利要求书1所述的光伏逆变器，其特征在于：控制板（1）以TMS320LF2406为核心芯片，包括串行通信接口模块，串行外设接口模块，CAN控制器模块，AD模块；控制板（1）通过对采样得到的输入电流、电压，输出电流、电压，在芯片内部的事件管理器中的比较环节处理后，向底板（2）提供控制信号。

3.根据权利要求书1所述的光伏逆变器，其特征在于：底板（2）包括辅助电源、光耦隔离（6）和强电部分，通过光耦隔离（6）实现用弱电控制强电，产生四路IGBT的PWM驱动信号。

4.根据权利要求书1所述的光伏逆变器，其特征在于：升压电路（1’）采用常用的BOOST升压电路，通过控制功率器件的开通和断开改变占空比，将电压升压至150V-550V；此外，通过对光伏组件的输出电压和电流的检测，DSP的最大功率跟踪技术，在不同温度和日照条件下，最大可能捕捉光伏组件的输出功率。

5.根据权利要求书1所述的光伏逆变器，其特征在于：逆变电路（2’）为电压型全桥逆变电路，使用的开关器件是IGBT。

6.根据权利要求书1所述的光伏逆变器，所述的滤波电路(3’)由电感和滤波电容组成，滤波电路(3’)的输出与电网相连，输入与之前的逆变电路(2’)相连。

7.根据权利要求书1所述的光伏逆变器，所述的控制电路(4’)以TI公司生产的DSP芯片TMS320LF2406为核心。