專利名稱：基于直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，特別是一種基于直流變 換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其工作方法。
(二)
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能作為一種重要的可再生能源，其資源豐富清潔，是人類可持 續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略中的一個(gè)重要組成部分，近年來(lái)發(fā)展迅速。太陽(yáng)能利用 的三個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是太陽(yáng)能從補(bǔ)充能源向替代能源的地位轉(zhuǎn)變、太陽(yáng)能 發(fā)電從無(wú)電地區(qū)向有電地區(qū)發(fā)展、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)從離網(wǎng)的獨(dú)立光伏系 統(tǒng)向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展。
但目前仍有許多因素制約著戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在我國(guó)的推廣，其中 之一即是光伏系統(tǒng)成本；戶用光伏系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池陣列和必要的 電力電子變換設(shè)備兩部分構(gòu)成。由于并網(wǎng)逆變器必須要有隔離變壓器對(duì) 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)之間進(jìn)行電隔離，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)造價(jià)升高，限制了 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的推廣。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及 其工作方法，結(jié)合該系統(tǒng)的直流變換器高升壓變比、高效率的特點(diǎn)、數(shù) 字信號(hào)處理器的高速處理能力、快速準(zhǔn)確的電壓、電流檢測(cè)技術(shù)和簡(jiǎn)潔 有效的控制算法，可完成最大功率跟蹤(MPPT)和并網(wǎng)兩項(xiàng)功能，大大 地提高了太陽(yáng)能電池陣列對(duì)太陽(yáng)能的利用效率，并從最大程度上提高光 伏陣列輸出電能的質(zhì)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而提高了整個(gè)光伏系統(tǒng)的 性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案 一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)， 其特征在于它是由直流變換器、并網(wǎng)逆變器、隔離變壓器及控制電路所 組成；所說(shuō)的直流變換器的輸入端分別連接太陽(yáng)能電池陣列的兩端，其 輸出端連接并網(wǎng)逆變器的輸入端；所說(shuō)的并網(wǎng)逆變器的輸出端與隔離變 壓器的輸入端連接，隔離變壓器的輸出端與電網(wǎng)連接；所說(shuō)的以數(shù)字信 號(hào)處理器為控制核心的控制電路的輸入端連接直流變換器和逆變器的信號(hào)輸出端，輸出端則連接直流變換器和并網(wǎng)逆變器的信號(hào)輸入端。
上述所說(shuō)的直流變換器外部硬件設(shè)備包括高增益B00St變換電路、 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、電壓傳感器、電流傳感器以及輔助電路；其中，用于
采集太陽(yáng)能電池陣列的輸出電流的電流傳感器，其輸入端連接太陽(yáng)能電
池陣列輸出端的正極，輸出端連接高增益Boost變換電路輸入端的正極， 采集的信號(hào)通過直流變換器的信號(hào)輸出口輸出連接到控制電路；用于采 集太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓的電壓傳感器，其輸入端連接太陽(yáng)能電池 陣列輸出端的正極，輸出端連接太陽(yáng)能電池陣列輸出端的負(fù)極，采集的 信號(hào)通過直流變換器的信號(hào)輸出口輸出連接到控制電路；用于將太陽(yáng)能 電池陣列輸出的電壓較低的、不穩(wěn)定的電能變換為電壓較高的、穩(wěn)定的 電能的高增益Boost變換電路，其輸出端通過直流母線連接并網(wǎng)逆變器 的輸入端；用于將控制電路發(fā)出的能量較低的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為能量較高 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，其輸入端通過直流變換器的信號(hào)輸入口 與控制電路連接，輸出端連接用于控制高增益Boost變換電路的工作的 高增益Boost變換電路中開關(guān)器件的控制端；所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路中， 數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)Gdrive經(jīng)HCPL-316J型驅(qū)動(dòng)芯片輸 出連接到高增益Boost變換電路的開關(guān)器件MOSFET的柵極G，柵極G和 源極S間并聯(lián)兩個(gè)用于保證MOSFET不會(huì)因?yàn)闁艠OG和源極S間過壓而損 壞的對(duì)接的15V穩(wěn)壓管；用于檢測(cè)MOSFET的導(dǎo)通壓降的MOSFET—C與 MOSFET的漏極C相連；
上述所說(shuō)的并網(wǎng)逆變器外部硬件設(shè)備包括并網(wǎng)逆變器主電路、光 耦隔離電路、兩個(gè)電壓傳感器、電流傳感器以及輔助電路；其中，用于 將直流變換器輸出的電壓較高的、穩(wěn)定的直流電逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)要求的 工頻交流電的并網(wǎng)逆變器主電路，其輸入端通過直流母線連接直流變換 器的輸出端，輸出端連接隔離變壓器的輸入端；用于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器主 電路和控制電路之間的信號(hào)隔離的光耦隔離電路的輸入端通過并網(wǎng)逆變 器的信號(hào)，其輸入端與控制電路連接，輸出端連接并網(wǎng)逆變器主電路各 個(gè)開關(guān)管的控制極；兩個(gè)電壓傳感器包括一個(gè)用于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電 路輸入端的電壓的電壓傳感器和一個(gè)用于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電路的輸出 電壓的電壓傳感器，其中用于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電路輸入端的電壓的電 壓傳感器的輸入端連接并網(wǎng)逆變器主電路輸入端的正極，輸出端連接并 網(wǎng)逆變器主電路輸入端的負(fù)極，另一個(gè)用于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電路的輸
7出電壓的電壓傳感器的輸入端連接并網(wǎng)逆變器主電路輸出端的正極，輸
出端連接并網(wǎng)逆變器主電路輸出端的負(fù)極；用于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電路
的輸出電流的電流傳感器的輸入端連接并網(wǎng)逆變器主電路輸出端的正 極，輸出端連接隔離變壓器輸入端的正極極。
上述所說(shuō)的控制電路外部硬件設(shè)備包括數(shù)字信號(hào)處理器芯片、信 號(hào)調(diào)理電路和輔助電路；所說(shuō)的能夠在整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中起控制核心
作用的數(shù)字信號(hào)處理器芯片，用于處理傳感器采集到的信號(hào)，通過所設(shè)
定的算法生成控制信號(hào)，完成整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制；其中，用 于對(duì)來(lái)自直流變換器和并網(wǎng)逆變器的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行濾波、放大并 使送入數(shù)字信號(hào)處理器芯片的信號(hào)能更精確地轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并提高后續(xù) 運(yùn)算的精度的信號(hào)調(diào)理電路，其輸入端分別連接直流變換器和并網(wǎng)逆變 器的信號(hào)輸出端，輸出端連接數(shù)字信號(hào)處理器芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。
上述所說(shuō)的信號(hào)調(diào)理電路包括二階低通濾波電路、分壓電路和鉗位 電路；所說(shuō)的用于濾出傳感器信號(hào)的高頻雜波的二階低通濾波電路是由 集成運(yùn)放U1、電容C1和C2、電阻R1、 R2、 R3和R4組成；其中Rl和 R2串聯(lián)后接U1的同相輸入端，Cl接同相輸入端和GND， C2的一端接R1 和R2交點(diǎn)，另一端接U1的輸出端；R3的一端接GND，另一端接U1的反 相輸入端；R4的一端接U1的反相輸入端，另一端接U1的輸出端，上端 信號(hào)從標(biāo)號(hào)signal 1—l輸入，從U1的輸出端輸出；所說(shuō)的分壓電路是由 R5、 R6構(gòu)成，其中R5 —端與Ul輸出端相連接，另一端與R6串聯(lián)，R6 另一端接地，R5與R6的交點(diǎn)與信號(hào)調(diào)理電路的輸出端signal1—2相連 接，上端信號(hào)在經(jīng)過分壓電路之后生成滿足數(shù)字信號(hào)處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換 要求的0—3V的低頻信號(hào)；所說(shuō)的用于防止輸入信號(hào)高于3V或低于OV 的跳變損壞數(shù)字信號(hào)處理芯片的鉗位電路是由集成運(yùn)放U2、 二極管Dl、 穩(wěn)壓管Zl、電阻R7和R8組成；其中，R7的一端接+15V電壓，另一端 接U2的同相輸入端；R8的一端接U2的同相鄉(xiāng)輸入端，另一端接GND; U2的反相輸入端連接U2的輸出端；Dl的陽(yáng)極接分壓電路的輸出端，陰 極接U2的輸出端；Z1的陽(yáng)極接GND，陰極接分壓電路的輸出端；信號(hào)調(diào) 理電路的輸出端signall一2連接數(shù)字信號(hào)處理器芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口 。
上述所說(shuō)的一種基于直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作方法， 其特征在于它涉及MPPT模塊和逆變模塊，所說(shuō)的MPPT模塊由數(shù)據(jù)處理 和MPPT算法兩個(gè)部分組成，所說(shuō)的逆變模塊由數(shù)據(jù)處理、并網(wǎng)算法和SP麗算法三個(gè)部分組成，整個(gè)流程是由以下工作步驟構(gòu)成
(1) 信號(hào)采集通過電壓傳感器、電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器及必要的濾波算法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池陣列輸出電壓和電流信號(hào)、 直流母線電壓信號(hào)和并網(wǎng)逆變器輸出電壓和電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和處理， 并將所得的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)字信號(hào)處理器；
(2) MPPT模塊數(shù)據(jù)處理對(duì)傳感器檢測(cè)到的光伏組件的輸出電壓、電
流信號(hào)作相應(yīng)處理，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存；
(3) 運(yùn)用MPPT算法對(duì)經(jīng)過處理的實(shí)時(shí)采集的電壓信號(hào)和電流信號(hào)與 前一周期采集的數(shù)據(jù)比較，計(jì)算出dV、 dl、及dl/dV的值，結(jié)合MPPT 算法中的電導(dǎo)增量法，計(jì)算得到目前光伏陣列的工作點(diǎn)與最大功率跟蹤 點(diǎn)的相對(duì)位置和距離，進(jìn)而輸出P麗脈沖，控制直流變換器的工作狀態(tài)， 完成對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤；
(4) 逆變模塊數(shù)據(jù)處理對(duì)傳感器檢測(cè)到的并網(wǎng)逆變器的輸出電壓、 輸出電流及直流母線電壓的信號(hào)作相應(yīng)處理，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存；
(5) 運(yùn)用并網(wǎng)算法對(duì)經(jīng)過處理的實(shí)時(shí)采集的并網(wǎng)逆變器的輸出電壓 信號(hào)和電流信號(hào)與前一周期釆集的數(shù)據(jù)比較，計(jì)算與電網(wǎng)信號(hào)的誤差， 進(jìn)而得出新的調(diào)制波參數(shù)；
(6) 運(yùn)用SPWM算法依據(jù)并網(wǎng)算法所得出的調(diào)制波的參數(shù)生成新的調(diào) 制波，與載波比較產(chǎn)生并網(wǎng)逆變器的控制脈沖，完成對(duì)并網(wǎng)逆變器的實(shí) 時(shí)控制。
上述所說(shuō)的步驟(3)的具體實(shí)施步驟為
① 首先，判斷dV是否為0，如果電壓、電流沒有變化，則不需要調(diào) 整；如果dV為0，而dl不為0，則依據(jù)dl的正負(fù)對(duì)參考電壓進(jìn)行如下 調(diào)整dl大于0時(shí)，增大參考電壓；反之，減小參考電壓；如果dV不
為0，則依據(jù)(dl/dV+I/V)的正負(fù)對(duì)參考電壓進(jìn)行如下調(diào)整(dl/dV+I/V)
大于0時(shí)，增大參考電壓；反之，減小參考電壓；
② 其次，參考電壓的調(diào)節(jié)通過適度調(diào)節(jié)P麗的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)字
信號(hào)處理器輸出的PWM脈沖經(jīng)過調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)電路加到Boost變換器的控 制開關(guān)絕緣柵雙極型晶體管；由于多支路、兩極式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的直流 母線電壓由后極的并網(wǎng)逆變器控制穩(wěn)定在400V，因此通過適當(dāng)控制絕緣 柵雙極型晶體管的通斷，即可調(diào)節(jié)Boost變換器的放大倍數(shù)，使光伏陣 列兩端電壓動(dòng)態(tài)地工作在光伏陣列的最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列
9最大功率點(diǎn)的跟蹤。
本發(fā)明的工作原理為通過電壓傳感器、電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電 路、A/D轉(zhuǎn)換器及必要的濾波算法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池陣列輸出電壓和電 流信號(hào)、直流母線電壓信號(hào)和并網(wǎng)逆變器輸出電壓和電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采 集和處理，并將所得的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)字信號(hào)處理器，同時(shí)記錄在相應(yīng)的數(shù)
據(jù)庫(kù)中；數(shù)字信號(hào)處理器通過分析所接收數(shù)據(jù)， 一方面計(jì)算太陽(yáng)能電池 陣列的輸出電壓和電流的導(dǎo)數(shù)dV、 dl及dl/dV;通過運(yùn)用電導(dǎo)增量法，
結(jié)合光伏電池的輸出特性，可得到光伏陣列目前的工作點(diǎn)與最大功率跟
蹤點(diǎn)的相對(duì)位置和距離，進(jìn)而完成MPPT的控制；另一方面，將采集的并
網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流信號(hào)與前一周期采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算
與電網(wǎng)信號(hào)的誤差，進(jìn)而得出新的調(diào)制波參數(shù)；SP麗算法模塊依據(jù)并網(wǎng) 算法所得出的調(diào)制波的參數(shù)生成新的調(diào)制波，與載波比較產(chǎn)生并網(wǎng)逆變 器的控制脈沖，從而完成對(duì)并網(wǎng)逆變器的實(shí)時(shí)控制。
隔離變壓器用于實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的隔離，防止光伏并 網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能有直流分量送入電網(wǎng)。
直流變換器的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路中，在檢測(cè)電路工作時(shí)，用于檢測(cè) M0SFET的導(dǎo)通壓降的M0SFET一C將檢測(cè)到的M0SFET的D S極兩端的壓 降與驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置的7V電平比較，當(dāng)超過7V時(shí)，Ul輸出低電平關(guān)斷 M0SFET，同時(shí)一個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)信號(hào)通過片內(nèi)光耦反饋給信號(hào)輸入側(cè)，輸入 側(cè)通過引腳FAULT-和RESET-向控制芯片發(fā)出反饋信號(hào)，以便于采取相應(yīng) 的解決措施，從而實(shí)現(xiàn)HCPL-316J的過流保護(hù)功能。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于①技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度不大，能顯著降低各個(gè)用戶 的光伏系統(tǒng)的成本，具有很大的推廣潛力；②多支路、兩極式光伏系統(tǒng) 的最大功率跟蹤控制系統(tǒng)安裝靈活、維修方便、能夠最大限度地利用太 陽(yáng)輻射能量、有效克服支路間功率失配帶來(lái)的系統(tǒng)整體效率低下，并可 最大限度減少單支路故障的影響，具有極好的應(yīng)用前景；③電壓、電流 檢測(cè)精度高，控制算法先進(jìn)，控制芯片運(yùn)算速度快，系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的 跟蹤精度和穩(wěn)定性；④Boost變換器只用于升壓變換和MPPT控制，直流 母線電壓的控制由逆變器來(lái)完成，降低了系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)的難度；(D并網(wǎng) 逆變器具有穩(wěn)定直流母線電壓的功能，有利于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定；⑥新型 直流變換器具有較高的升壓變比和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，總體上具有較高的效 率，提升了整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的性能；⑦硬件裝置與數(shù)字信號(hào)處理器軟件編程相結(jié)合，硬件裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)，軟件編 程算法簡(jiǎn)潔、易懂。
(四)


附圖1為本發(fā)明所涉一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 的總體結(jié)構(gòu)框圖。
附圖2為本發(fā)明所涉一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)的直流變換器部分結(jié)構(gòu)框圖。
附圖3為本發(fā)明所涉一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 的驅(qū)動(dòng)電路部分結(jié)構(gòu)框圖。
附圖4為本發(fā)明所涉一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器部分結(jié)構(gòu)框圖。
附圖5為本發(fā)明所涉一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路部分結(jié)構(gòu)框圖。
附圖6為本發(fā)明所涉一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)的控制軟件流程圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例 一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(見附圖1)， 其特征在于它是由直流變換器、并網(wǎng)逆變器、隔離變壓器及控制電路所 組成；所說(shuō)的直流變換器的輸入端分別連接太陽(yáng)能電池陣列的兩端，其 輸出端連接并網(wǎng)逆變器的輸入端；所說(shuō)的并網(wǎng)逆變器的輸出端與隔離變 壓器的輸入端連接，隔離變壓器的輸出端與電網(wǎng)連接；所說(shuō)的以數(shù)字信 號(hào)處理器為控制核心的控制電路的輸入端連接直流變換器和逆變器的信 號(hào)輸出端，輸出端則連接直流變換器和并網(wǎng)逆變器的信號(hào)輸入端。
上述所說(shuō)的直流變換器(見附圖1、 2、 3)外部硬件設(shè)備包括高 增益Boost變換電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、電壓傳感器、電流傳感器以及 輔助電路；其中，用于釆集太陽(yáng)能電池陣列的輸出電流的電流傳感器， 其輸入端連接太陽(yáng)能電池陣列輸出端的正極，輸出端連接高增益Boost 變換電路輸入端的正極，采集的信號(hào)通過直流變換器的信號(hào)輸出口輸出 連接到控制電路；用于采集太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓的電壓傳感器， 其輸入端連接太陽(yáng)能電池陣列輸出端的正極，輸出端連接太陽(yáng)能電池陣 列輸出端的負(fù)極，采集的信號(hào)通過直流變換器的信號(hào)輸出口輸出連接到 控制電路；用于將太陽(yáng)能電池陣列輸出的電壓較低的、不穩(wěn)定的電能變換為電壓較高的、穩(wěn)定的電能的高增益Boost變換電路，其輸出端通過 直流母線連接并網(wǎng)逆變器的輸入端；用于將控制電路發(fā)出的能量較低的 控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為能量較高的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，其輸入端通過 直流變換器的信號(hào)輸入口與控制電路連接，輸出端連接用于控制高增益 Boost變換電路的工作的高增益Boost變換電路中開關(guān)器件的控制端； 所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路中，數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生的P麗控制信號(hào)Gdrive 經(jīng)HCPL-316J型驅(qū)動(dòng)芯片輸出連接到高增益Boost變換電路的開關(guān)器件 MOSFET的柵極G，柵極G和源極S間并聯(lián)兩個(gè)用于保證M0SFET不會(huì)因?yàn)?柵極G和源極S間過壓而損壞的對(duì)接的15V穩(wěn)壓管；用于檢測(cè)MOSFET的 導(dǎo)通壓降的M0SFET_C與MOSFET的漏極C相連；
上述所說(shuō)的并網(wǎng)逆變器(見附圖1、 4)外部硬件設(shè)備包括并網(wǎng)逆 變器主電路、光耦隔離電路、兩個(gè)電壓傳感器、電流傳感器以及輔助電 路；其中，用于將直流變換器輸出的電壓較高的、穩(wěn)定的直流電逆變?yōu)?符合電網(wǎng)要求的工頻交流電的并網(wǎng)逆變器主電路，其輸入端通過直流母 線連接直流變換器的輸出端，輸出端連接隔離變壓器的輸入端；用于實(shí) 現(xiàn)并網(wǎng)逆變器主電路和控制電路之間的信號(hào)隔離的光耦隔離電路的輸入 端通過并網(wǎng)逆變器的信號(hào)，其輸入端與控制電路連接，輸出端連接并網(wǎng) 逆變器主電路各個(gè)開關(guān)管的控制極；兩個(gè)電壓傳感器包括一個(gè)用于測(cè)量 并網(wǎng)逆變器主電路輸入端的電壓的電壓傳感器和一個(gè)用于測(cè)量并網(wǎng)逆變 器主電路的輸出電壓的電壓傳感器，其中用于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電路輸 入端的電壓的電壓傳感器的輸入端連接并網(wǎng)逆變器主電路輸入端的正 極，輸出端連接并網(wǎng)逆變器主電路輸入端的負(fù)極，另一個(gè)用于測(cè)量并網(wǎng) 逆變器主電路的輸出電壓的電壓傳感器的輸入端連接并網(wǎng)逆變器主電路 輸出端的正極，輸出端連接并網(wǎng)逆變器主電路輸出端的負(fù)極；用于測(cè)量 并網(wǎng)逆變器主電路的輸出電流的電流傳感器的輸入端連接并網(wǎng)逆變器主 電路輸出端的正極，輸出端連接隔離變壓器輸入端的正極極。
上述所說(shuō)的控制電路(見附圖1、 5)外部硬件設(shè)備包括數(shù)字信號(hào) 處理器芯片、信號(hào)調(diào)理電路和輔助電路；所說(shuō)的能夠在整個(gè)光伏并網(wǎng)系 統(tǒng)中起控制核心作用的數(shù)字信號(hào)處理器芯片，用于處理傳感器采集到的 信號(hào)，通過所設(shè)定的算法生成控制信號(hào)，完成整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的 控制；其中，用于對(duì)來(lái)自直流變換器和并網(wǎng)逆變器的電壓和電流信號(hào)進(jìn) 行濾波、放大并使送入數(shù)字信號(hào)處理器芯片的信號(hào)能更精確地轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并提高后續(xù)運(yùn)算的精度的信號(hào)調(diào)理電路，其輸入端分別連接直流變 換器和并網(wǎng)逆變器的信號(hào)輸出端，輸出端連接數(shù)字信號(hào)處理器芯片的模 數(shù)轉(zhuǎn)換接口。
上述所說(shuō)的信號(hào)調(diào)理電路(見附圖5)包括二階低通濾波電路、分 壓電路和鉗位電路；所說(shuō)的用于濾出傳感器信號(hào)的高頻雜波的二階低通 濾波電路是由集成運(yùn)放U1、電容C1和C2、電阻R1、 R2、 R3和R4組成； 其中Rl和R2串聯(lián)后接Ul的同相輸入端，Cl接同相輸入端和GND， C2 的一端接R1和R2交點(diǎn)，另一端接U1的輸出端；R3的一端接GND，另一 端接U1的反相輸入端；R4的一端接U1的反相輸入端，另一端接U1的 輸出端，上端信號(hào)從標(biāo)號(hào)signal 1—l輸入，從U1的輸出端輸出；所說(shuō)的 分壓電路是由R5、 R6構(gòu)成，其中R5—端與U1輸出端相連接，另一端與 R6串聯(lián)，R6另一端接地，R5與R6的交點(diǎn)與信號(hào)調(diào)理電路的輸出端 Signall_2相連接，上端信號(hào)在經(jīng)過分壓電路之后生成滿足數(shù)字信號(hào)處 理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換要求的0—3V的低頻信號(hào)；所說(shuō)的用于防止輸入信號(hào)高 于3V或低于OV的跳變損壞數(shù)字信號(hào)處理芯片的鉗位電路是由集成運(yùn)放 U2、 二極管D1、穩(wěn)壓管Z1、電阻R7和R8組成；其中，R7的一端接+15V 電壓，另一端接U2的同相輸入端；R8的一端接U2的同相鄉(xiāng)輸入端，另 一端接GND; U2的反相輸入端連接U2的輸出端；Dl的陽(yáng)極接分壓電路 的輸出端，陰極接U2的輸出端；Z1的陽(yáng)極接GND，陰極接分壓電路的輸 出端；信號(hào)調(diào)理電路的輸出端signall一2連接數(shù)字信號(hào)處理器芯片的模 數(shù)轉(zhuǎn)換接口。
上述所說(shuō)的一種基于直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作方法， 其特征在于它涉及MPPT模塊和逆變模塊，所說(shuō)的MPPT模塊由數(shù)據(jù)處理 和MPPT算法兩個(gè)部分組成，所說(shuō)的逆變模塊由數(shù)據(jù)處理、并網(wǎng)算法和 SPWM算法三個(gè)部分組成(見附圖6)，整個(gè)流程是由以下工作步驟構(gòu)成
(1) 信號(hào)采集通過電壓傳感器、電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器及必要的濾波算法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池陣列輸出電壓和電流信號(hào)、 直流母線電壓信號(hào)和并網(wǎng)逆變器輸出電壓和電流信號(hào)的實(shí)時(shí)釆集和處理， 并將所得的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)字信號(hào)處理器；'
(2) MPPT模塊數(shù)據(jù)處理對(duì)傳感器檢測(cè)到的光伏組件的輸出電壓、電
流信號(hào)作相應(yīng)處理，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存；
(3) 運(yùn)用MPPT算法對(duì)經(jīng)過處理的實(shí)時(shí)采集的電壓信號(hào)和電流信號(hào)與
13前一周期采集的數(shù)據(jù)比較，計(jì)算出dV、 dl、及dl/dV的值，結(jié)合MPPT 算法中的電導(dǎo)增量法，計(jì)算得到目前光伏陣列的工作點(diǎn)與最大功率跟蹤 點(diǎn)的相對(duì)位置和距離，進(jìn)而輸出P麗脈沖，控制直流變換器的工作狀態(tài)， 完成對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤；
(4) 逆變模塊數(shù)據(jù)處理對(duì)傳感器檢測(cè)到的并網(wǎng)逆變器的輸出電壓、 輸出電流及直流母線電壓的信號(hào)作相應(yīng)處理，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存；
(5) 運(yùn)用并網(wǎng)算法對(duì)經(jīng)過處理的實(shí)時(shí)采集的并網(wǎng)逆變器的輸出電壓 信號(hào)和電流信號(hào)與前一周期采集的數(shù)據(jù)比較，計(jì)算與電網(wǎng)信號(hào)的誤差， 進(jìn)而得出新的調(diào)制波參數(shù)；
(6) 運(yùn)用SPWM算法依據(jù)并網(wǎng)算法所得出的調(diào)制波的參數(shù)生成新的調(diào) 制波，與載波比較產(chǎn)生并網(wǎng)逆變器的控制脈沖，完成對(duì)并網(wǎng)逆變器的實(shí) 時(shí)控制。
上述所說(shuō)的步驟(3)的具體實(shí)施步驟為
① 首先，判斷dV是否為0，如果電壓、電流沒有變化，則不需要調(diào) 整；如果dV為0，而dl不為0，則依據(jù)dl的正負(fù)對(duì)參考電壓進(jìn)行如下 調(diào)整dl大于0時(shí)，增大參考電壓；反之，減小參考電壓；如果dV不 為0，則依據(jù)(dl/dV+I/V)的正負(fù)對(duì)參考電壓進(jìn)行如下調(diào)整(dl/dV+I/V) 大于0時(shí)，增大參考電壓；反之，減小參考電壓；
② 其次，參考電壓的調(diào)節(jié)通過適度調(diào)節(jié)P麗的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)字 信號(hào)處理器輸出的P麗脈沖經(jīng)過調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)電路加到Boost變換器的控 制開關(guān)絕緣柵雙極型晶體管；由于多支路、兩極式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的直流 母線電壓由后極的并網(wǎng)逆變器控制穩(wěn)定在400V，因此通過適當(dāng)控制絕緣 柵雙極型晶體管的通斷，即可調(diào)節(jié)Boost變換器的放大倍數(shù)，使光伏陣 列兩端電壓動(dòng)態(tài)地工作在光伏陣列的最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列 最大功率點(diǎn)的跟蹤。
權(quán)利要求
1、一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于它是由直流變換器、并網(wǎng)逆變器、隔離變壓器及控制電路所組成；所說(shuō)的直流變換器的輸入端分別連接太陽(yáng)能電池陣列的兩端，其輸出端連接并網(wǎng)逆變器的輸入端；所說(shuō)的并網(wǎng)逆變器的輸出端與隔離變壓器的輸入端連接，隔離變壓器的輸出端與電網(wǎng)連接；所說(shuō)的以數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心的控制電路的輸入端連接直流變換器和逆變器的信號(hào)輸出端，輸出端則連接直流變換器和并網(wǎng)逆變器的信號(hào)輸入端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā) 電系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的直流變換器外部硬件設(shè)備包括高增益 Boost變換電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、電壓傳感器、電流傳感器以及輔助 電路；其中，用于采集太陽(yáng)能電池陣列的輸出電流的電流傳感器，其 輸入端連接太陽(yáng)能電池陣列輸出端的正極，輸出端連接高增益Boost 變換電路輸入端的正極，采集的信號(hào)通過直流變換器的信號(hào)輸出口輸 出連接到控制電路；用于采集太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓的電壓傳感 器，其輸入端連接太陽(yáng)能電池陣列輸出端的正極，輸出端連接太陽(yáng)能 電池陣列輸出端的負(fù)極，采集的信號(hào)通過直流變換器的信號(hào)輸出口輸 出連接到控制電路；用于將太陽(yáng)能電池陣列輸出的電壓較低的、不穩(wěn) 定的電能變換為電壓較高的、穩(wěn)定的電能的高增益Boost變換電路， 其輸出端通過直流母線連接并網(wǎng)逆變器的輸入端；用于將控制電路發(fā) 出的能量較低的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為能量較高的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電 路，其輸入端通過直流變換器的信號(hào)輸入口與控制電路連接，輸出端 連接用于控制高增益Boost變換電路的工作的高增益Boost變換電路 中開關(guān)器件的控制端；所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路中，數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn) 生的P碰控制信號(hào)Gdrive經(jīng)HCPL-316J型驅(qū)動(dòng)芯片輸出連接到高增益 Boost變換電路的開關(guān)器件MOSFET的柵極G，柵極G和源極S間并聯(lián) 兩個(gè)用于保證MOSFET不會(huì)因?yàn)闁艠OG和源極S間過壓而損壞的對(duì)接的 15V穩(wěn)壓管；用于檢測(cè)MOSFET的導(dǎo)通壓降的MOSFET—C與MOSFET的漏 極C相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā) 電系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的并網(wǎng)逆變器外部硬件設(shè)備包括并網(wǎng)逆變器主電路、光耦隔離電路、兩個(gè)電壓傳感器、電流傳感器以及輔助電 路；其中，用于將直流變換器輸出的電壓較高的、穩(wěn)定的直流電逆變 為符合電網(wǎng)要求的工頻交流電的并網(wǎng)逆變器主電路，其輸入端通過直 流母線連接直流變換器的輸出端，輸出端連接隔離變壓器的輸入端； 用于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器主電路和控制電路之間的信號(hào)隔離的光耦隔離電 路的輸入端通過并網(wǎng)逆變器的信號(hào)，其輸入端與控制電路連接，輸出 端連接并網(wǎng)逆變器主電路各個(gè)開關(guān)管的控制極；兩個(gè)電壓傳感器包括 一個(gè)用于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電路輸入端的電壓的電壓傳感器和一個(gè)用 于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電路的輸出電壓的電壓傳感器，其中用于測(cè)量并 網(wǎng)逆變器主電路輸入端的電壓的電壓傳感器的輸入端連接并網(wǎng)逆變器 主電路輸入端的正極，輸出端連接并網(wǎng)逆變器主電路輸入端的負(fù)極， 另一個(gè)用于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電路的輸出電壓的電壓傳感器的輸入端 連接并網(wǎng)逆變器主電路輸出端的正極，輸出端連接并網(wǎng)逆變器主電路 輸出端的負(fù)極；用于測(cè)量并網(wǎng)逆變器主電路的輸出電流的電流傳感器 的輸入端連接并網(wǎng)逆變器主電路輸出端的正極，輸出端連接隔離變壓 器輸入端的正極極。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā) 電系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的控制電路外部硬件設(shè)備包括數(shù)字信號(hào)處 理器芯片、信號(hào)調(diào)理電路和輔助電路；所說(shuō)的能夠在整個(gè)光伏并網(wǎng)系 統(tǒng)中起控制核心作用的數(shù)字信號(hào)處理器芯片，用于處理傳感器采集到 的信號(hào)，通過所設(shè)定的算法生成控制信號(hào)，完成整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)的控制；其中，用于對(duì)來(lái)自直流變換器和并網(wǎng)逆變器的電壓和電流 信號(hào)進(jìn)行濾波、放大并使送入數(shù)字信號(hào)處理器芯片的信號(hào)能更精確地 轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并提高后續(xù)運(yùn)算的精度的信號(hào)調(diào)理電路，其輸入端分別 連接直流變換器和并網(wǎng)逆變器的信號(hào)輸出端，輸出端連接數(shù)字信號(hào)處 理器芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā) 電系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的信號(hào)調(diào)理電路包括二階低通濾波電路、分 壓電路和鉗位電路；所說(shuō)的用于濾出傳感器信號(hào)的高頻雜波的二階低 通濾波電路是由集成運(yùn)放U1、電容C1和C2、電阻R1、 R2、 R3和R4 組成；其中Rl和R2串聯(lián)后接Ul的同相輸入端，Cl接同相輸入端和 GND， C2的一端接R1和R2交點(diǎn)，另一端接U1的輸出端；R3的一端接GND，另一端接U1的反相輸入端；R4的一端接U1的反相輸入端，另一 端接Ul的輸出端，上端信號(hào)從標(biāo)號(hào)signallj輸入，從Ul的輸出端 輸出；所說(shuō)的分壓電路是由R5、 R6構(gòu)成，其中R5—端與U1輸出端相 連接，另一端與R6串聯(lián)，R6另一端接地，R5與R6的交點(diǎn)與信號(hào)調(diào)理 電路的輸出端signall一2相連接，上端信號(hào)在經(jīng)過分壓電路之后生成 滿足數(shù)字信號(hào)處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換要求的0—3V的低頻信號(hào)；所說(shuō)的用 于防止輸入信號(hào)高于3V或低于0V的跳變損壞數(shù)字信號(hào)處理芯片的鉗 位電路是由集成運(yùn)放U2、 二極管D1、穩(wěn)壓管Z1、電阻R7和R8組成； 其中，R7的一端接+15V電壓，另一端接U2的同相輸入端；R8的一端 接U2的同相鄉(xiāng)輸入端，另一端接GND; U2的反相輸入端連接U2的輸 出端；Dl的陽(yáng)極接分壓電路的輸出端，陰極接U2的輸出端；Zl的陽(yáng) 極接GND，陰極接分壓電路的輸出端;信號(hào)調(diào)理電路的輸出端signa11—2 連接數(shù)字信號(hào)處理器芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口 。
6、 一種上述所說(shuō)的基于直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作方 法，其特征在于它涉及MPPT模塊和逆變模塊，所說(shuō)的MPPT模塊由數(shù) 據(jù)處理和MPPT算法兩個(gè)部分組成，所說(shuō)的逆變模塊由數(shù)據(jù)處理、并網(wǎng) 算法和SP麗算法三個(gè)部分組成，整個(gè)流程是由以下工作步驟構(gòu)成(1) 信號(hào)采集通過電壓傳感器、電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器及必要的濾波算法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池陣列輸出電壓和電流信 號(hào)、直流母線電壓信號(hào)和并網(wǎng)逆變器輸出電壓和電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采集 和處理，并將所得的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)字信號(hào)處理器；(2) MPPT模塊數(shù)據(jù)處理對(duì)傳感器檢測(cè)到的光伏組件的輸出電壓、 電流信號(hào)作相應(yīng)處理，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存；(3) 運(yùn)用MPPT算法對(duì)經(jīng)過處理的實(shí)時(shí)采集的電壓信號(hào)和電流信號(hào) 與前一周期采集的數(shù)據(jù)比較，計(jì)算出dV、 dl、及dl/dV的值，結(jié)合MPPT 算法中的電導(dǎo)增量法，計(jì)算得到目前光伏陣列的工作點(diǎn)與最大功率跟 蹤點(diǎn)的相對(duì)位置和距離，進(jìn)而輸出P麗脈沖，控制直流變換器的工作 狀態(tài)，完成對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤；(4) 逆變模塊數(shù)據(jù)處理對(duì)傳感器檢測(cè)到的并網(wǎng)逆變器的輸出電壓、 輸出電流及直流母線電壓的信號(hào)作相應(yīng)處理，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存；(5) 運(yùn)用并網(wǎng)算法對(duì)經(jīng)過處理的實(shí)時(shí)采集的并網(wǎng)逆變器的輸出電 壓信號(hào)和電流信號(hào)與前一周期采集的數(shù)據(jù)比較，計(jì)算與電網(wǎng)信號(hào)的誤差，進(jìn)而得出新的調(diào)制波參數(shù)；(6)運(yùn)用SP麗算法依據(jù)并網(wǎng)算法所得出的調(diào)制波的參數(shù)生成新的 調(diào)制波，與載波比較產(chǎn)生并網(wǎng)逆變器的控制脈沖，完成對(duì)并網(wǎng)逆變器 的實(shí)時(shí)控制。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所說(shuō)的一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā) 電系統(tǒng)的工作方法，其特征在于所說(shuō)的步驟(3)的具體實(shí)施步驟為-①首先，判斷dV是否為0，如果電壓、電流沒有變化，則不需要調(diào)整; 如果dV為0，而dl不為0，則依據(jù)dl的正負(fù)對(duì)參考電壓進(jìn)行如下調(diào)整dl大于0時(shí)，增大參考電壓；反之，減小參考電壓；如果dV不為0，則依據(jù)(dl/dV+I/V)的正負(fù)對(duì)參考電壓進(jìn)行如下調(diào)整(dl/dV+I/V)大于0時(shí)，增大參考電壓；反之，減小參考電壓；②其次，參考電壓的調(diào)節(jié)通過適度調(diào)節(jié)P麗的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理器輸出的P麗脈沖經(jīng)過調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)電路加到Boost變換器 的控制開關(guān)絕緣柵雙極型晶體管；由于多支路、兩極式光伏并網(wǎng)系統(tǒng) 的直流母線電壓由后極的并網(wǎng)逆變器控制穩(wěn)定在400V，因此通過適當(dāng) 控制絕緣柵雙極型晶體管的通斷，即可調(diào)節(jié)Boost變換器的放大倍數(shù)， 使光伏陣列兩端電壓動(dòng)態(tài)地工作在光伏陣列的最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)的跟蹤。
全文摘要
一種基于新型直流變換器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其工作方法，其特征在于它是由直流變換器、并網(wǎng)逆變器、隔離變壓器及控制電路所組成；工作方法包括①信號(hào)采集；②MPPT模塊數(shù)據(jù)處理；③運(yùn)用MPPT算法；④逆變模塊數(shù)據(jù)處理；⑤運(yùn)用并網(wǎng)算法；⑥運(yùn)用SPWM算法；本發(fā)明的優(yōu)越性在于技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度不大，能顯著降低成本；安裝靈活、維修方便；電壓、電流檢測(cè)精度高，控制算法先進(jìn)，控制芯片運(yùn)算速度快，系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的跟蹤精度和穩(wěn)定性；硬件裝置與數(shù)字信號(hào)處理器軟件編程相結(jié)合，硬件裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)，軟件編程算法簡(jiǎn)潔、易懂。
文檔編號(hào)G05F1/67GK101499666SQ20081015280
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2008年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月3日
發(fā)明者周雪松, 輝 王, 密 田, 郭潤(rùn)睿, 陳德樹, 馬幼捷 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)