专利名称：基于dsp的太阳能光伏并网逆变器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于太阳能并网发电技术领域，特别是一种用于太阳能并网发电的逆变器，具体地说，涉及一种基于DSP的太阳能光伏并网逆变器。
背景技术：
经济飞速发展使开发利用绿色新能源成为各国政府的当务之急。太阳能是对环境无污染的可再生能源，在此背景下，太阳能光伏发电作为一项新兴能源产业迅速发展起来。将太阳能电池发出的电并入电网，既能缓解高峰用电时期的用电紧张状况，又可省去储电费用。而将太阳能电池发电与电网连接的关键部件是光伏逆变器，其主要功能是将太阳能电池发出的直流电转换成和电网同频同相的交流电，可以说光伏逆变器的性能 (效率、可靠性、安全性、可检测性和环境适应性等)决定了整个并网发电系统的性能。然而，当前太阳能光伏并网逆变器效率偏低、可靠性差、稳定性不强、最大功率点跟踪不足以及缺乏用户用电管理功能，这些都不能满足现有太阳能光伏发电产业发展的需要。
发明内容本实用新型之目的是针对现有太阳能光伏并网逆变器效率低、可靠性差、输出电压不稳定等问题，提供一种效率高、可靠性强、有较强的适应性，并有对用户用电进行管理功能的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器。本实用新型具有以下优点1、具有较高效率功率因素为1，能最大限度的利用太阳能电池，从而提高太阳能光伏并网整个系统的效率，降低了成本。2、具有较高的可靠性具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等，不需要有人值守和维护，特别适用于各种偏远地区。3、直流输入电压有较宽的适应范围由于电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，这就要求逆变器必须在较宽的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。4、具有用户电力管理功能能够判断当前光伏电能是否向电网供电，用户是否向电网取电等情况，进而关闭/开启相应开关。本实用新型实现上述优点的技术方案是基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，包括最大功率点跟踪MPPT模块、电压电流变换模块、DSP控制模块、用户电力管理模块和人机交互模块。其中最大功率点跟踪MPPT模块内含前级电压匹配子模块。电压电流变换模块包括DC/DC升压电路、DC/AC逆变电路和驱动电路；太阳能阵列电池的直流电流通过DC/DC升压电路后变成较高的直流电流，再经过DC/AC逆变电路将其转换成220V交流电送入电网。 DC/AC逆变采用无差拍SVPWM算法调制，易数字化，减小装置体积，可改进电源动态性能，提高直流电压利用率。用户电力管理模块包含电网检测电路和采样电路。DSP控制模块是整个逆变器的核心，它根据采样太阳能电池阵列的电压电流通过算法来进行最大功率点的跟踪，同时通过实施检测用户当前用电功率，与当前光伏发电功率相比较，若发电量大于用电量，则将多余电能送入电网；若发电量小于用电量，则缺口部分电力从电网取得，以此来进行电力管理。同时该逆变器还具有同步锁相的功能。所述的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，其特征在于所述的最大功率点跟踪 MPPT模块最大功率的控制的实现方法采用“电压扰动法”并对其的改进。电压扰动法的原理是通过将本次光伏方阵的输出功率与上次的相比较，来确定是增加还是减小太阳能电池阵列工作电压。所述的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，其特征在于电压电流变换模块中的 DC/DC升压电路，采用BOOST方式；DC/AC电路采用三相桥式逆变电路，功率器件使用集成了驱动和保护电路的IPM模块，开关频率为10 kHz。为了防止电能从电网流入太阳能光伏阵列，在直流侧加了防反二极管；逆变器的输出端使用了 LC滤波电路滤除高频分量，在逆变器的输入端和输出端都安装了接触器，实现逆变器的可靠隔离和保护。逆变器采用大电容解耦，在解耦电容的两端加装了功率电阻，来实现放电，以保证维护人员的人身安全。 逆变电路采用电压型单相桥式逆变电路。所述的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，其特征在于所述的DSP控制模块可以有效的防孤岛效应。所述的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，其特征在于所述的用户电力管理模块是通过测量当前用户总电流确定用户当前用电量，与光伏系统发电量进行比较，来决定电力管理模块工作方式。所述的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，其特征在于所述的锁相功能是基于 DSP的数字锁相，使逆变器输出的电流与电网电压相位及频率保持同步。
图1是本实用新型提供的模块框图；图2是本实用新型提供的详细点的整体框架图；图3是本实用新型提供的MPPT控制流程；图4是本实用新型提供的逆变电路原理图；图5是本实用新型提供的电网电压频率和相位的检测框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型基于DSP的太阳能光伏并网逆变器进行详细的说明。DSP (digital signal processor)是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。[0023]MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”(Maximum Power Point Tracking，简称 MPPT)所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。MPPT控制系统是一种通节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统。最大功率点主要受环境温度和太阳光强的影响。在太阳光强不变的情况下，随着温度的升高，光伏电池的开路电压降低，最大输出功率随之降低。当温度不变，太阳光强增加时，光伏电池的开路电压基本不变。短路电流大幅增加，最大输出功率大幅增加。由于光伏电池系统受到光强、温度、太阳光入射角等多种因素的影响，其输出电压Wk输出电流Λ和内阻R也处于不停变化之中。只有使用 DC / DC变换器实现负载的动态变化，才能保证光伏电池始终输出最大功率。太阳能逆变器最基础的模块就是电压电流变换模块。对太阳电池阵列的端电压和端电流进行采样，然后传送给DC/DC升压电路，以得到更高更稳定的直流电压UA，同时经 DC/DC转换后的电压UA再经过DC/AC逆变电路得到所需的交流电并入到电网。本实用新型中DC/DC升压电路采取的是BOOST升压方式，DC/AC逆变电路采用的是单相桥式逆变电路。DC/AC逆变采用无差拍SVPWM算法调制，SVPWM与无差拍控制技术应用于逆变电源跟踪控制中，既易于数字化，减小装置体积，又可改进电源的动态性能，优化开关次数，降低开关损耗，提高直流电压利用率。在调制过程中要考虑到死区问题，采取相应机制加以解决，增强逆变器的可靠性。光伏电池是一个非线性电源，其输出电压和电流不仅受光强及温度的影响，而且也由负载的性质和状况决定，在光伏电池的伏安曲线中，光伏电池的输出特性与负载特性曲线的交点即为光伏电池的工作点。如果工作点处于最大功率点处，系统就处于匹配状态， 光伏电池所产生的电能被充分利用，反之，它所产生的电能就没有被充分利用。本实用新型的最大功率点跟踪MPPT模块就是设计的对太阳能最大功率的控制方法，为“电压扰动法” 并对其进行改进。电压扰动法的原理是通过将本次光伏方阵的输出功率与上次的相比较， 来确定是增加还是减小光伏电池工作电压。如果功率增加，则光伏电池电压维持原来的电压扰动方向；如果功率降低，则光伏电池电压向相反方向扰动。通过反复的扰动、观察与比较，使光伏电池输出功率到达最大功率点处，实现MPPT。通过改变降压斩波电路的占空比 D来调节光伏电池输出电压。由D=Uo/Uin可知，由于不能人为控制Uo的大小，要使Uin向着理想的方向变化则需要向相反的方向调节D。比如，假设增大Uin的时候可以增大功率输出，只有减小D才可以实现增大Uin。而占空比D的变化又是通过改变PWM的值得到的。MPPT控制流程如图3所示。带有防孤岛效应的DSP控制模块为该实用新型的主模块，其电路如图4所示。所谓孤岛现象是指当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系统(如光伏发电、风力发电、燃料电池等)未能即时检测出停电状态而将自身切离网络，而形成由分布式电站并网发电系统和周围负载著称的一个自给供电的孤岛。孤岛一旦产生将会危及电网输电线路上的维修人员的安全；影响配电系统上的保护开关的动作程序，冲击电网保护装置；影响传输电能的质量，电力孤岛区域的供电电压与频率将不稳定； 当电网供电恢复后会造成相位不同步；单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电。因此对于一个并网系统必须能够进行反孤岛效应检测。孤岛检测的方法主要分两种被动方式检测和主动方式检测。孤岛形成瞬间DG输出的各项参数通常会出现尖峰，被动方式主要利用这个瞬间波动，通过计算总谐波畸变率(THD)或者是电压不平衡度(VU)来检测孤岛的形成。主动方法是在逆变器输出中，人为引入一小的电压或频率扰动，孤岛条件下，这类扰动会引起电压或频率的不稳定，然后由频率保护电路来检测保护电路来检测出孤岛现象的产生，从而最终导致逆变器断开。这类方法的缺陷在于一方面在区域电网重负荷的情况下，容易误动作。另一方面，当大量DG接入系统时，这些人为引入的正反馈将会给公网的电能质量带来比较大的影响。本设计使用混合检测法，将主动方法和被动方法结合在一起先检测THD和VU，当发现可能的孤岛形成时映入扰动来确认。这样发挥了两种方法的优势，又将对电网的干扰变为最在光伏并网发电系统中，需要实时检测电网电压的相位和频率以控制并网逆变器，使其输出电流与电网电压相位及频率保持同步，即同步锁相。同步锁相是光伏并网系统一项关键的技术，其控制精确度直接影响到系统的并网运行件能。本设计采用了基于DSP 芯片来实现光伏并网系统数字锁相，如图5。该方法可有效消除模拟方法的缺点，同时具有控制灵活，装置升级方便，可在线修改与调试，可靠性高，维护便利等优点。数字锁相的目标是使输出电流与电网电压同频同相，也即让逆变电流去跟踪电网电压的变化。同步信号的检测分为电网电压与逆变输出电流的检测。电网电压先经过采样变压器采样，再把采样电压送到过零比较器进行过零检测，得到与电网电压同频同相的方波信号，然后进行光耦隔离，并限压滤去高频干扰，最后送给DSP的某一 CAP端口。逆变电流的检测与电网电压采样相同，逆变电流信号送给DSP的另一 CAP端口。DSP捕获单元的作用是捕获引脚上电平的变化，并记录电平发生变化的时刻。端口输入信号是方波信号，因此两个相邻上升沿之间的间隔恰好是一个周期，同时上升沿发生的时刻就是采样信号从负到正的过零点，从而实现对电网电压和输出电流频率和相位的检测。所述频率调整的过程是，当捕获到上升沿产生中断时，进入中断服务程序，先保护现场，再判断中断源是CAP_A还是CAP_B。若是CAP_B，则说明产生中断的时刻是电网电压的过零点。将捕获值存入相关寄存器，再减去上一次的捕获值，两者的差值正好是电网电压的周期。然后拿该周期与当前逆变电流周期作比较，倘若两者无差值，则返回；若有误差，则对周期寄存器作相应的调整。输出电流相位是通过调整产生SVPWM信号正弦波离散值中的第一个点发生的时刻而实现的，当捕获到电网电压的过零点时，立即调整相应比较寄存器中正弦波离散值的指针，并作一定的时间补偿。相位调整的过程是，将当前电网电压与逆变电流两者捕获的过零值作比较，得到相位差。若相位差小于等于允许值，则说明两者已同相；若相位差大于允许值，则作PI调节，然后再判正弦计数值有无大于限制值，若无，则直接把相邻两次的差值作为调整量；若大于限制值，则只凋整限制值，在下一中断时，再作进一步的调整。用户电力管理模块是通过电流检测电路测量出当前用户总电流，确定用户当前用电量，再与光伏系统的发电量进行比较，通过算法来实现电力管理模块工作方式。
权利要求1.基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，包括逆变器，其特征是该逆变器包括最大功率点跟踪MPPT模块、电压电流变换模块、DSP控制模块、用户电力管理模块和人机交互模块； 最大功率点跟踪MPPT模块在电压电流变换模块之前，电压电流变换模块之后是用户电力管理模块，这三个模块同时和DSP控制模块之间通信，人机交互模块只和DSP控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，其特征是所述的最大功率点跟踪MPPT模块内含前级电压匹配子模块。
3.根据权利要求1所述的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，其特征是所述的电压电流变换模块包括DC/DC升压电路、DC/AC逆变电路和驱动电路。
4.根据权利要求3所述的电压电流变换模块，其特征是所述的DC/AC逆变电路采用包含有功率器件的单相桥式逆变电路；所述的功率器件使用集成了驱动和保护电路的IPM 模块。
5.根据权利要求1所述的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，其特征是所述的用户电力管理模块包含电网检测电路和采样电路。
6.根据权利要求1所述的基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，其特征是所述的逆变器在直流侧设有防反二极管；输出端使用LC滤波电路滤除高频分量；输入端和输出端都安装接触器；逆变器采用大电容解耦，在解耦电容的两端加装功率电阻。
专利摘要本实用新型公开了基于DSP的太阳能光伏并网逆变器，该逆变器包括最大功率点跟踪MPPT模块、电压电流变换模块、DSP控制模块、用户电力管理模块和人机交互模块；能够进行最大功率点的跟踪，保证光能的充分利用，同时具有锁相功能，可以保证逆变器输出的电压电流和电网是一致的。除了具有效率高、可靠性高、对电网谐波污染小等优点外还具有用户电力管理功能。该逆变器最大限度的利用了太阳能电池阵列所产生的电能，从而大大降低了成本。
文档编号H02M7/48GK202159982SQ20112027309
公开日2012年3月7日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者张卫强, 胡建平, 蒋浩, 蒋金涛 申请人:宁波大学