一種單相光伏并網(wǎng)逆變器控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種單相光伏并網(wǎng)逆變器控制裝置，用于將PV發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為和 電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電，從而既可向負(fù)載供電，又向電網(wǎng)發(fā)電的一個(gè)系統(tǒng)裝置。特別 適用于太陽能比較充足的地方，尤其對(duì)于家庭式住宅而言，配備光伏發(fā)電系統(tǒng)，可緩和白天 電力緊張的局面，而且能提高電網(wǎng)功率因素和降低線路損耗。
【背景技術(shù)】
[0002] 在當(dāng)今的世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局下，人類對(duì)能源的需求在不斷增長，能源的可持續(xù)發(fā) 展越來越得到人們的重視，太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其它新能源相比利 用最大，是最理想的可再生能源。逆變技術(shù)作為開發(fā)新能源的關(guān)鍵技術(shù)，它將太陽能電池的 電能變換成交流電能進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電。并網(wǎng)逆變器裝置作為太陽能電池與電網(wǎng)的接口裝置， 在新能源的開發(fā)和利用中有著至關(guān)重要的作用，利用光伏發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡 單，體積小且輕;2、容易安裝運(yùn)輸，建設(shè)周期短;3、維護(hù)簡單，使用方便;4、清潔、安全、無噪 聲;5、可靠性高，壽命長，并且應(yīng)用范圍廣。
[0003] 目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器的輸出可W控制為電壓源或者電流源。若控制 并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出為一個(gè)交流電壓源，則太陽能并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上就是兩個(gè)交流電壓源 的并聯(lián)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，則必須同時(shí)嚴(yán)格控制并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓的幅值和相位， 由于輸出電壓幅值不易精確控制，并且鎖相回路的響應(yīng)速度較慢等原因，運(yùn)種并網(wǎng)系統(tǒng)和 電網(wǎng)之間可能會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)生故障，因此，電壓型的電流源系 統(tǒng)是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)常常設(shè)計(jì)的必然選擇，運(yùn)樣并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上就是一個(gè)交流電流源 和電壓源的并聯(lián)。逆變器的輸出電壓幅值自動(dòng)被巧位為電網(wǎng)電壓，通過采用鎖相控制技術(shù) 實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的相位同步，保證系統(tǒng)輸出的功率因數(shù)為1。實(shí)際系統(tǒng)中，還可W 通過調(diào)整并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流的大小及相位來控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。
[0004] 目前最大功率點(diǎn)跟蹤電路的控制方法有許多種，常見的有固定電壓法、擾動(dòng)觀察 法、增加電導(dǎo)法等。此外，研究人員還將模糊控制、滑?？刂频瓤刂品椒☉?yīng)用于最大功率點(diǎn) 跟蹤控制并取得了一定的研究成果。但上述方法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏器件最大輸出功率的跟蹤 調(diào)節(jié)，但都存在如下的缺陷：
[0005] (1)跟蹤時(shí)間很短，跟蹤不穩(wěn)定，不能滿足運(yùn)行復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)性要求；
[0006] (2)在該裝置在陽光不強(qiáng)或者夜間不能發(fā)電的情況下自損耗大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有逆變器裝置的跟蹤時(shí)間比較短，跟蹤不是很穩(wěn) 定，不能滿足運(yùn)行復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)性要求和自損耗大的缺點(diǎn)，本裝置提供一種高轉(zhuǎn)換 效率，高可靠性，智能化的數(shù)字控制裝置。
[000引為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種單相光伏并網(wǎng)逆變器 裝置，包括：
[0009] 與電流信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片和電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片均相接的輸入信號(hào)接口電路， 用于將電壓傳感器檢測到的交、直流輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~3.3V的方波信號(hào)，和用于將 電流傳感器檢測到的交、直流輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~3.3V的電壓信號(hào)；
[0010] 電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片和電流信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片均通過電平轉(zhuǎn)換忍片1與FPGA模 塊相接，用于對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，得到數(shù)字化的電流和電壓信號(hào)；
[OOW DSP模塊與FPGA模塊相接，對(duì)FPGA模塊得到的電壓信號(hào)和FPGA模塊得到的電流信 號(hào)的采樣結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算處理，得到功率模塊所需的控制量；
[0012] 所述FPGA模塊用于控制電流和交流電壓信號(hào)的采樣;根據(jù)DSP給定的控制量從而 結(jié)合電流采樣的信號(hào)進(jìn)行Pmn周制；同步信號(hào)采用過零比較器檢測信號(hào)負(fù)向過零點(diǎn)，并向 DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，兩次中斷之間的時(shí)間就是信號(hào)的一個(gè)整周波從而確定系統(tǒng)的頻率， 從而對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行處理，保護(hù)功率模塊；
[0013] 功率模塊，根據(jù)FPGA模塊給定的控制量驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的全橋式換能電路，從而控制逆 變器輸出的電流跟隨DSP給定的控制量變化。
[0014] 在上述方案的基礎(chǔ)上并作為上述方案的優(yōu)選方案:所述的DSP模塊包括DSP忍片， 與該DSP忍片相接的外擴(kuò)Flash存儲(chǔ)器、外擴(kuò)RAM。
[0015] 在上述方案的基礎(chǔ)上并作為上述方案的優(yōu)選方案:所述的FPGA模塊包括配置忍片 W及與該配置忍片相接的FPGA忍片，且FPGA模塊與DSP模塊并行工作。
[0016] 在上述方案的基礎(chǔ)上并作為上述方案的優(yōu)選方案：由FPGA模塊完成S個(gè)通道6路 PWM信號(hào)的獨(dú)立調(diào)制。
[0017] 在上述方案的基礎(chǔ)上并作為上述方案的優(yōu)選方案:所述的電網(wǎng)的過流、過溫、過、 欠壓、過、欠頻等保護(hù)與全橋式換能電路上、下橋臂的防直通功能均由FPGA模塊來完成。
[0018] 本發(fā)明的原理:FPGA忍片根據(jù)設(shè)定的采樣電壓觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片對(duì)電壓信號(hào)和電 流信號(hào)進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入FPGA忍片中的RAM中。當(dāng)有交流電壓脈沖時(shí)，同步信號(hào)采用 過零比較器檢測信號(hào)負(fù)向過零點(diǎn)，并向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，兩次中斷之間的時(shí)間就是信 號(hào)的一個(gè)整周波從而確定系統(tǒng)的頻率，DSP從FPGA忍片中讀取交流電壓的頻率值，然后執(zhí)行 控制算法得到控制量，將控制量傳給FPGA，F(xiàn)PGA忍片根據(jù)DSP忍片給定的控制量結(jié)合電流信 號(hào)采樣值執(zhí)行功率模塊的控制算法，進(jìn)行6路PWM調(diào)制，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行防止全橋式換能電路 上、下橋臂直通處理。如果沒有過流、過壓、欠壓、過頻、欠頻、過溫等保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生，將PWM信 號(hào)照常輸出；當(dāng)檢測到過流、過壓、欠壓、過頻、欠頻、過溫等保護(hù)信號(hào)后將對(duì)應(yīng)通道的PWM 信號(hào)進(jìn)行封鎖。功率模塊首先通過高速光禪對(duì)FPGA模塊輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)弱電信號(hào)的 隔離，降低強(qiáng)電信號(hào)對(duì)控制器的干擾，隔離后的PWM信號(hào)經(jīng)IR2110驅(qū)動(dòng)全橋式換能電路四個(gè) 功率管IRF3710的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而在裝置中得到需要的控制電流，實(shí)現(xiàn)逆變器系統(tǒng)的主動(dòng) 控制。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明利用高性能的DSP忍片TMS320F28335 來構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)控制算法的執(zhí)行核屯、，選用FPGA忍片XC3S50來完成功率模塊的控制。與現(xiàn) 有逆變器普遍采用的模擬控制器和數(shù)字控制器相比具有W下特點(diǎn)：
[0020] (1)較傳統(tǒng)的W運(yùn)算放大器為核屯、的模擬控制器而言，本發(fā)明具有數(shù)字控制器的 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)試靈活、方便、體積小、重量輕、便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。較現(xiàn)有DSP為核屯、的數(shù)字 控制器而言，本數(shù)字控制器的數(shù)據(jù)處理能力顯著提高，能夠滿足復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)性要 求。
[0021] (2)本發(fā)明所采用的電路結(jié)構(gòu)省去了現(xiàn)有數(shù)字控制裝置中的D/A環(huán)節(jié)W及模擬功 放中的HVM產(chǎn)生電路。用FPGA忍片作為功率模塊的HVM調(diào)制電路，使得功率模塊的S個(gè)通道 可W并行處理，大大減小了系統(tǒng)的延時(shí)，保證了數(shù)字控制裝置的系統(tǒng)延時(shí)，提高了系統(tǒng)高轉(zhuǎn) 速時(shí)的穩(wěn)定性。
[0022] (3)采用FPGA忍片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片的控制器，并且實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓頻率的邏輯。運(yùn) 種設(shè)計(jì)使得DSP忍片只用于運(yùn)算，F(xiàn)PGA忍片作為功率模塊的控制器，充分發(fā)揮了每個(gè)模塊的 優(yōu)點(diǎn)，使得系統(tǒng)的性能有了很大提高。
[0023] (4)DC/DC變換器采用了 boost變換器，boost變換器W電壓源的方式向負(fù)載放電， 實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓升高和跟蹤最大功率點(diǎn)的目的。boost變換器的結(jié)構(gòu)和控制較為簡單，具有較 高的效率，將光伏電池直接接到boost變換器的輸入端，就可W進(jìn)行光伏電池板的最大功率 跟蹤。在并網(wǎng)系統(tǒng)中，boost變換器做MPPT控制器是比較理想的選擇，它是升壓電路，運(yùn)樣光 伏電池電壓就可W低于電網(wǎng)側(cè)的峰值電壓，光伏組件的串聯(lián)受到電壓等級(jí)的限制，運(yùn)樣就 使boost變換器輸入端電壓配置更加靈活。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的所采用的電流型拓?fù)鋱D；
[0026] 圖3為本發(fā)明的所采用的工頻逆變的結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明的兩級(jí)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0028] 圖5為本發(fā)明的主回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0029] 圖6為本發(fā)明的并網(wǎng)控制策略設(shè)計(jì)框圖；
[0030] 圖7為本發(fā)明的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖；
[0031 ]圖8為本發(fā)明的過零點(diǎn)同步流程圖；
[0032] 圖9為本發(fā)明的MPPT的控制流程基本原理圖；
[0033] 圖10為本發(fā)明的DP化圖；
[0034] 圖11為本發(fā)明的FPGA忍片與其它器件信號(hào)連接的電路圖；
[0035] 圖12為本發(fā)明的DSP忍片與外擴(kuò)存儲(chǔ)忍片信號(hào)連接的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明的硬件模塊主要由接口電路15、電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片13、電 流信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片16、。?64模塊7、05?模塊8，^及功率模塊19等幾部分組成，其中接口電 路15包括電壓傳感器接口電路14、電流傳感器接口電路17 ;功率模塊19包括全橋式換能電 路2、脈沖驅(qū)動(dòng)電路3、高速光禪隔離電路4、過壓、欠壓保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生電路20、過頻、欠頻保護(hù) 信號(hào)產(chǎn)生電路21、幅值、相位檢測22、電壓傳感器23、過流保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生電路24、電流傳感器 25、過溫保護(hù)26; FPGA模塊7包括配置忍片5、FPGA忍片6; DSP模塊8包括DSP忍片9、外擴(kuò) FlashlO、外擴(kuò)RAMll。電壓傳感器接口電路14將電壓傳感器23檢測到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片12所要求的OV~3.3V范圍、電流傳感器接口電路17將電流傳感器25檢 測到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片16所要求的OV~3.3V范圍，F(xiàn)PGA忍片6控制 電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片13和電流信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片16分別對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行采 樣，采樣結(jié)果通過并行總線經(jīng)電平轉(zhuǎn)換忍片12進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后傳給FPGA忍片6，F(xiàn)PGA忍片6 通過電壓邏輯計(jì)算得到市網(wǎng)的電壓、頻率、幅值、相位，DSP忍片9從FPGA忍片6中讀取市網(wǎng)的 電壓、頻率、幅值、相位信號(hào)后，進(jìn)行運(yùn)算生成控制量并將其傳給FPGA忍片6，F(xiàn)PGA忍片6利用 模數(shù)轉(zhuǎn)換忍片16得到的電流信號(hào)按照功放控制算法進(jìn)行PWM信號(hào)的獨(dú)立調(diào)制，調(diào)制完成的 PWM經(jīng)電平轉(zhuǎn)換忍片18進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后經(jīng)過高速光禪隔離電路4、脈沖驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路3傳送 給全橋式換能電路2,生成電網(wǎng)1所需