專利名稱：一種并網風光互補控制逆變裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電子技術，具體說就是一種并網風光互補控制逆變裝置。
背景技術：
傳統(tǒng)的并網式風光互補控制器存在如下問題(1)太陽能電池板大多采用固定式 的供電方式，太陽電池板不能實時跟蹤太陽光的入射角度，太陽能的利用率較低；(2)太陽 能電池板也有少量采用太陽能軌跡跟蹤方式，即根據太陽的運行軌跡方程計算出一年中每 天太陽的運行軌跡。該方法的缺點是在運行中控制系統(tǒng)和電機存在累計誤差、傳動系統(tǒng)的 機械形變，因此跟蹤效果不夠理想。(3)并網回饋方式大多以電網電壓作為回饋電流的給 定，電網電壓的飽和、畸變會造成回饋電流中包含大量的諧波成份，造成電網污染。

發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種并網風光互補控制逆變裝置。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的它是由蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元、 并網逆變單元和蓄電池組成的，蓄電池充電單元連接DC-DC升壓穩(wěn)壓單元，DC-DC升壓穩(wěn)壓 單元連接并網逆變單元和蓄電池。本實用新型還有以下技術特征(1)所述的蓄電池充電單元包括風力發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元和卸荷電路，風力 發(fā)電單元連接太陽能發(fā)電單元，太陽能發(fā)電單元連接卸荷電路。(2)所述的風力發(fā)電單元包括風力機、永磁同步發(fā)電機和整流電路，風力機連接永 磁同步發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機連接整流電路。(3)所述的太陽能發(fā)電單元包括光電檢測單元、雙軸電機驅動單元、俯仰調整步進 電機、水平調整步進電機和太陽能電池板，光電檢測單元連接雙軸電機驅動單元，雙軸電機 驅動單元分別連接俯仰調整步進電機和水平調整步進電機，俯仰調整步進電機和水平調整 步進電機分別連接太陽能電池板。(4)所述的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元包括升壓電路、第一驅動電路、第一采樣電路和第 一數字信號處理電路，升壓電路連接第一驅動電路和第一采樣電路，第一驅動電路和第一 采樣電路分別連接第一數字信號處理電路。(5)所述的并網逆變單元包括三相逆變器、電抗器、第二采樣電路、第二驅動電路、 SG電路、低通濾波電路、過零比較器、三相同步變壓器和第二數字信號處理器，三相逆變器 連接電抗器和第二驅動電路，第二驅動電路連接SG電路，SG電路連接低通濾波電路和電抗 器，過零比較器連接三相同步變壓器和第二數字信號處理器，第二數字信號處理器連接第 二采樣電路和低通濾波電路。本實用新型一種并網風光互補控制逆變裝置，利用太陽能和風能互補，使發(fā)電時 間變長，提高向電網注入的電流的連續(xù)性，有效的提高太陽能和風能利用效率；采用太陽能 電池板自動跟蹤系統(tǒng)，時刻校正太陽能電池板的水平角度和俯仰角度，使太陽能發(fā)電系統(tǒng) 的發(fā)電效率達到了最高；本實用新型采用PWM無級卸荷，在正常卸荷情況下，可以保證蓄電池電壓在浮充電壓附近，只是把多余的電能釋放到卸荷上，而且保證了最佳蓄電池充電特 性，使得電能得到充分利用，確保蓄電池壽命；逆變器的電流閉環(huán)采用模擬器件實現(xiàn)，提高 系統(tǒng)的響應速度，保證逆變電流對電網電壓的跟蹤特性，提高功率因數。

圖1為本實用新型的系統(tǒng)框圖；圖2為本實用新型的太陽能單元結構框圖；圖3為本實用新型的光檢測傳感器的安裝圖；圖4為本實用新型的太陽能跟蹤單元主程序流程圖；圖5為本實用新型的光電檢測調整子程序流程圖；圖6為本實用新型的太陽能跟蹤單元CAPl中斷子程序流程圖；圖7為本實用新型的太陽能跟蹤單元定時器1下溢中斷子程序流程圖；圖8為本實用新型的頻率為800Hz時兩相正弦階梯波相電流給定波形圖；圖9本實用新型的頻率為800Hz時給定電流㈧與反饋電流⑶波形圖；圖10本實用新型的頻率為800Hz時兩相反饋電流波形圖；圖11為本實用新型的PWM無級卸荷電路原理圖；圖12為本實用新型的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元電路原理圖；圖13本實用新型的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元主電路原理圖；圖14為本實用新型的自舉驅動電路原理圖；圖15為本實用新型的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元輸出電壓采樣電路圖；圖16為本實用新型的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元程序流程圖；圖17為本實用新型的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元輸出電壓AD采樣中斷服務子程序；圖18為本實用新型的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元PI子程序；圖19為本實用新型的并網逆變電路圖；圖20為本實用新型的并網逆變主電路圖；圖21為實用新型的蓄電池電壓采樣電路；圖22為本實用新型的并網同步信號獲取電路；圖23為本實用新型的并網逆變控制信號的產生、放大、隔離驅動電路圖；圖24為本實用新型的正弦波標幺值生成原理圖；圖25為本實用新型的正弦波細分示意圖；圖26為本實用新型的并網三相電流閉環(huán)示意圖；圖27為本實用新型的并網逆變電路程序流程圖；圖28為本實用新型的并網逆變DSP3CAP1中斷服務子程序流程圖；圖29為本實用新型的并網逆變DSP3T1軟件定時器中斷服務子程序流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖舉例對本實用新型作進一步說明。實施例1 結合圖1，本實用新型一種并網風光互補控制逆變裝置，它是由蓄電池 充電單元(1)、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)、并網逆變單元(3)和蓄電池(4)組成的，蓄電池充電單元(1)連接DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)連接并網逆變單元(3) 和蓄電池(4)。本實用新型還有以下技術特征所述的蓄電池充電單元⑴包括風力發(fā)電單元(8)、太陽能發(fā)電單元(9)和卸荷 電路(15)，風力發(fā)電單元⑶連接太陽能發(fā)電單元(9)，太陽能發(fā)電單元(9)連接卸荷電路 (15)。所述的風力發(fā)電單元⑶包括風力機(5)、永磁同步發(fā)電機(6)和整流電路(7)， 風力機(5)連接永磁同步發(fā)電機(6)，永磁同步發(fā)電機(6)連接整流電路(7)。所述的太陽能發(fā)電單元(9)包括光電檢測單元(10)、雙軸電機驅動單元(11)、俯 仰調整步進電機(12)、水平調整步進電機(13)和太陽能電池板(14)，光電檢測單元(10) 連接雙軸電機驅動單元(11)、雙軸電機驅動單元(11)分別連接俯仰調整步進電機(12)和 水平調整步進電機(13)，俯仰調整步進電機(12)和水平調整步進電機(13)分別連接太陽 能電池板(14)。所述的DC-DC升壓穩(wěn)壓單元(2)包括升壓電路(16)、第一驅動電路(17)、第一采 樣電路(18)和第一數字信號處理電路(19)，升壓電路(16)連接第一驅動電路(17)和第一 采樣電路(18)，第一驅動電路(17)和第一采樣電路(18)分別連接第一數字信號處理電路 (19)。所述的并網逆變單元(3)包括三相逆變器(20)、電抗器(21)、第二采樣電路(22)、 第二驅動電路(23)、SG電路(24)、低通濾波電路(25)、過零比較器(26)、三相同步變壓 器(27)和第二數字信號處理器(28)，三相逆變器(20)連接電抗器(21)和第二驅動電路 (23)，第二驅動電路(23)連接SG電路(24)，SG電路(24)連接低通濾波電路(25)和電抗 器(21)，過零比較器(26)連接三相同步變壓器(27)和第二數字信號處理器(28)，第二數 字信號處理器(28)連接第二采樣電路(22)和低通濾波電路(25)。實施例2 結合圖1、圖2、圖11、圖12、圖20、圖23，本實用新型一種并網風光互補 控制逆變裝置，具有以下特征太陽能跟蹤控制裝置實現(xiàn)對太陽入射角的跟蹤，使太陽能電 池板保持最大功率發(fā)電狀態(tài)；風力發(fā)電機輸出的變壓變頻交流電經整流后與太陽能電池板 發(fā)出的直流電一起給蓄電池供電，為防止蓄電池過充，采用PWM無級卸荷的工作方式實現(xiàn) 了對蓄電池的過充保護；采用高頻變壓器實現(xiàn)DC-DC變換，低壓側采用單相全橋工作方式 實現(xiàn)DC-AC變換，AC-DC變換采用高頻變壓器，采用輸出電壓閉環(huán)控制方式，從而得到一個 穩(wěn)定的、高于電網電壓峰值的直流電壓；應用軟件鎖相技術，采用DSP (數字信號處理器)對 電網電壓的過零點進行同步采樣，然后將計算得到的周期值進行均分，并以電網電壓過零 點作為同步，采用查表(正弦表，為標么值)方式輸出三相SPWM波，經過濾波處理后得到三 相正弦波輸出作為并網回饋電流的給定信號，通過硬件電流閉環(huán)控制實現(xiàn)并網回饋電流與 電網電壓同頻、同相。如圖1所示，本實用新型以三片DSP(DSP1、DSP2、DSP3)TMS320LF2407A 為核心控制芯片，主要由三部分構成，即蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元和并網逆變 單元。(1)蓄電池充電單元以DSPl為核心控制單元，由太陽能發(fā)電、風力發(fā)電和PWM無級卸 荷三部分組成，其中太陽能發(fā)電單元包括太陽光入射角光檢測環(huán)節(jié)和雙軸太陽能板跟蹤裝 置兩部分，目的是實現(xiàn)太陽能的最大功率輸出；風力發(fā)電單元是將風力發(fā)電機輸出的變壓 變頻交流電變?yōu)橹绷麟?，與太陽能的輸出一起為蓄電池充電；PWM無級卸荷控制單元是對 蓄電池電壓進行檢測控制，以防止蓄電池過充電；(2)DC-DC升壓穩(wěn)壓單元由高頻變壓器和DSP2TMS320LF2407A為核心構成，包括低壓側全橋功率拓撲、高頻變壓器、輸出濾波、電壓電 流檢測，同時采用DSP2TMS320LF2407A對高壓側輸出電壓進行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)DC-DC升 壓穩(wěn)壓，目標是得到一個高于電網交流電壓峰值的直流電壓；(3)并網逆變單元以DSP3為 核心控制單元，包括電網電壓的同步檢測、軟件鎖相、SPWM生成及濾波、功率因數為-1的硬 件電流閉環(huán)控制。本實用新型包括蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元和并網逆變單元。圖2 為太陽能跟蹤裝置結構框圖，由太陽能檢測電路、雙軸驅動控制器、雙軸混合式步進電機 組成，可以檢測太陽入射光的方位角，通過控制雙軸混合式步進電機的旋轉，使太陽能電 池板實時正對太陽的方向，從而實現(xiàn)最大限度地利用太陽光。圖3為光電檢測安裝傳感 器位置圖，使用6個光電池作為太陽光的入射角和光強檢測元件，并把檢測到電壓值送入 DSP1TMS320LF2407A 的 A/D 轉換 口 ADINC4 9?？刂破饔?TI 公司生產的 DSP1TMS320LF2407A 實現(xiàn)，其高速的數據處理能力(如40MHz的處理速度)和豐富外的設資源(如雙6路PWM輸 出、16路A/D轉換通道)為雙軸太陽能跟蹤裝置的實現(xiàn)提供了物質保證。功率驅動單元由 IR公司生產的、基于自舉技術的IR2130實現(xiàn)，該驅動芯片內部具有3個獨立的高端和低端 輸出通道，可同時控制6個功率開關管的導通和關斷。IR2130內部具有過流、過欠壓保護、 封鎖輸出和故障指示功能，可方便地實現(xiàn)功率開關器件的保護。所述的雙軸跟蹤電動機由 兩臺價格低廉、適于定位控制三相混合式步進電動機構成，同時采用正弦波細分技術實現(xiàn) 了伺服電機的精確定位。PWM無級卸荷方式，如圖11所示，當蓄電池電壓過高時，控制系統(tǒng)必須將風力發(fā)電 機和太陽能電池板發(fā)出的多余能量通過卸荷電阻釋放掉。普通的控制方式是采用全電阻 卸荷方式，此時蓄電池一般還沒有充滿，但能量卻全部消耗在卸荷上，從而造成了能量的浪 費。有的則采用分級卸荷，級數越多，控制效果越好，但一般只能做到五六級左右，所以效果 仍然不夠理想。本實用新型采用的控制方式是PWM(脈寬調制)方式進行無級卸荷，即可以 達到上千級的卸荷。所以，在正常卸荷情況下，可確保蓄電池電壓始終穩(wěn)定在浮充電壓點。 當蓄電池電壓大于設定值時，PWM輸出的占空比增大，相當于在蓄電池兩端并聯(lián)負載變大， 風力發(fā)電機和太陽能電池板輸出的多余電能消耗在卸荷電阻上，從而保證了蓄電池最佳的 充電特性，并確保了蓄電池的使用壽命。本實用新型采用欠壓保護控制，通過DSPl的A/D 口 ADINC10采集蓄電池電壓，由模擬量變?yōu)閿底至窟M入DSP1，當采集的電池電壓小于欠壓 設定值時，輸出停機IOPDO至DSP2、3的Ι0ΡΑ0，使升壓穩(wěn)壓及逆變單元停止工作。如圖12所示，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元由高頻變壓器和DSP2為核心構成，包括低壓側 全橋功率拓撲、高頻變壓器、輸出濾波、電壓電流檢測，同時采用DSP實現(xiàn)輸出高壓側電壓 閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)DC-DC升壓穩(wěn)壓控制，該環(huán)節(jié)的目標是得到一個高于電網交流電壓峰 值的直流電壓，由于電網線電壓為380V，因此設定的DC-DC變換的直流輸出電壓為650V。 并網控制器的核心控制單元采用TI公司生產的DSP2TMS320LF2407A實現(xiàn)，其高速的數 據處理能力(如40MHz的處理速度)和豐富外設資源(如雙6路PWM輸出、16路A/D轉 換通道)為并網式逆變器的實現(xiàn)提供了物質保證。并網控制器應用軟件鎖相技術，采用 DSP3TMS320LF2407A對電網電壓的過零點進行同步采樣，然后將計算得到的周期值均分為 1024份，以均分后的值為定時器Tl的周期設定值，并以電網電壓過零點作為同步信號，啟 動定時器1周期中斷，采用查表(正弦表，為標么值)方式獲得正弦波標么值，該值與蓄電池采樣電壓相乘生成三相SPWM波，經過低通濾波處理后實現(xiàn)三相正弦波輸出。軟件鎖相技 術避免了由于電網電壓飽和而造成回饋電流畸變、THDi偏大的問題。并網控制器采用三相正弦波輸出作為電流回饋的給定信號，通過硬件電流閉環(huán)控 制實現(xiàn)回饋電流與電網電壓同頻、同相。輸出電流回饋控制的硬件電路如圖20所示，以 SG3525為核心控制器件，將電流給定與回饋電流進行電流環(huán)PI調節(jié)，其輸出的PWM占空比 控制逆變器功率開關管的通斷，從而確保了回饋電流與電網電壓的快速跟蹤特性。圖23所 示，并網控制器采用隔離型功率驅動芯片TLP250實現(xiàn)，該芯片可以驅動50A/1200VIGBT功 率開關管。實施例3 結合圖1、圖2、圖12、圖19、圖22、圖24，本實用新型采用風光互補的方 式，確保了不同時段發(fā)電量的互補；充電單元采用DSPl為核心控制芯片，為了提高太陽能 的利用率，采用太陽能光電檢測方式和雙軸跟蹤技術，實時追蹤太陽光的入射角度，保證太 陽能電池板與太陽光的入射光線垂直，從而實現(xiàn)了太陽能發(fā)電裝置最大效率的利用；DC-DC 升壓穩(wěn)壓單元采用DC-AC-AC-DC的變換模式，低壓側采用單相全橋工作方式實現(xiàn)DC-AC變 換，AC-AC變換采用高頻變壓器，AC-DC變換采用整流和低通濾波實現(xiàn)，DC-DC升壓穩(wěn)壓單 元由高頻變壓器和DSP2為核心器件構成，采用光耦TLP521對輸出的直流電壓進行檢測， 由DSP2進行直流母線電壓的A/D轉換、電壓環(huán)PI調節(jié)，其輸出具有一定占空比的PWM信號 作為低壓側全橋功率開關管的控制信號，實現(xiàn)了 DC-DC升壓穩(wěn)壓控制，從而得到一個高于 電網電壓峰值的、穩(wěn)定的直流電壓；并網式逆變器由DSP3和硬件電流閉環(huán)控制電路為核心 構成，采用混合控制方式，其中DSP3實現(xiàn)電網電壓檢測、軟件鎖相處理、與電網電壓同步的 SPWM波生成等功能，硬件電流閉環(huán)控制電路以SG3525為核心，將經過濾波處理后得到的三 相正弦波輸出作為電流回饋的給定信號，通過硬件電流閉環(huán)控制實現(xiàn)回饋電流與電網電壓 同頻、同相。本實用新型主要由三部分構成，即蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元和并網逆 變單元。1)蓄電池充電單元如圖1所示，蓄電池充電單元包括太陽能充電、風力發(fā)電和PWM無級卸荷三部分組 成，太陽能充電單元包括太陽光檢測環(huán)節(jié)和雙軸太陽能板跟蹤裝置兩部分，目的是實現(xiàn)太 陽能的最大功率輸出，而PWM無級卸荷控制單元是對蓄電池電壓進行檢測，以防止蓄電池 過充電。如圖2所示，太陽能充電單元采用DSP1TMS320LF2407A為核心控制芯片實現(xiàn)，主要 包括(1)光電檢測傳感器；(2)雙軸驅動單元。光電檢測傳感器由六個光電池組成，由DSPl 的A/D 口進行光電池電壓檢測。實現(xiàn)方法如下所述把光線在電池板上的入射角從俯仰和 水平兩個角度分解，共劃分為四個象限。以四個光電池檢測太陽光線的俯仰和水平角度的 偏差，且不計角度的大小，只區(qū)別俯仰或水平的傾斜方向。當光線在某一個角度不垂直于太 陽能電池板時，DSPl會即時檢測到這一偏差，發(fā)出控制指令驅動相應的電機轉動，以減小這 一偏差，實現(xiàn)了對太陽光線的實時跟蹤。在電池板的朝陽面和被陽面分別安裝一個光電池 用以檢測光線強弱，在黑天或光強太弱時停止跟蹤。如圖2所示，雙軸驅動控制器以TMS320LF2407A為核心處理器，采用三相正弦波細 分驅動技術實現(xiàn)雙軸混合式步進電機的精確定位。主要包括以下幾部分(1)相繞組電流檢測及處理環(huán)節(jié)相繞組電流檢測采用電流霍爾傳感器，電流采樣信號經過精密全波整流、 低通濾波處理、電壓鉗位處理后送入DSPl的A/D轉換口。(2)功率驅動電路采用IR公司生 產的、基于自舉技術的IR2130實現(xiàn)，系統(tǒng)共包含兩個三相橋式逆變電路。(3)方向指令和步 進脈沖光電檢測單元產生方向指令和步進脈沖，并送入步進電機驅動器，控制步進電機運 行，其中步進脈沖發(fā)生器采用NE555構成，產生頻率為800Hz的方波信號。(4)系統(tǒng)故障檢 測及保護系統(tǒng)具有完備的故障檢測和保護功能，由IR2130實現(xiàn)過流、過壓、過熱等故障檢 測，同時將故障信號送入DSPl的PDPINTA/PDPINTB引腳，此時DSPl自動將PWM輸出引腳置 為高阻態(tài)，逆變器停止工作。同時，立即切斷雙軸驅動系統(tǒng)的直流供電電壓，以此保護功率 開關器件不受損壞。蓄電池保護電路包括過壓保護、欠壓保護等。所述的過壓保護是指檢測蓄電池的 端電壓，當其大于上限值時啟用PWM無級卸荷，保護控制裝置的安全。所述的欠壓保護是 指當蓄電池的端電壓ADINC10低于一個下限值的時候，DSPl輸出停機IOPDO至DSP2、3的 IOPAO JiDC-DC升壓穩(wěn)壓單元及并網回饋逆變單元停止工作。2) DC-DC升壓穩(wěn)壓單元DC-DC變換采用DC-AC-AC-DC的變換模式，低壓側采用單相全橋工作方式實現(xiàn) DC-AC變換，AC-AC變換采用高頻變壓器，AC-DC變換采用整流和低通濾波實現(xiàn)。如圖12所 示，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元由高頻變壓器和DSP2TMS320LF2407A為核心器件構成，采用光耦對 輸出的直流電壓進行檢測，由DSP2進行直流母線電壓的A/D轉換、電壓環(huán)PI調節(jié)，其輸出 作為低壓側全橋功率拓撲結構功率開關管的控制信號，實現(xiàn)了 DC-DC升壓穩(wěn)壓控制，從而 得到一個高于電網電壓峰值的、穩(wěn)定的直流電壓。3)并網逆變單元如圖19所示，并網逆變器由DSP3TMS320LF2407A和硬件電流閉環(huán)控制電路為核心 構成，采用混合控制方式，其中DSP3TMS320LF2407A實現(xiàn)電網電壓和蓄電池電壓檢測、軟件 鎖相處理、與電網電壓同步的SPWM波生成等功能，硬件電流閉環(huán)控制電路以SG3525為核 心，將經過濾波處理后得到的三相正弦波輸出作為電流回饋的給定信號，通過硬件電流閉 環(huán)控制實現(xiàn)回饋電流與電網電壓同頻、同相。如圖22所示，電網電壓同步信號的獲取是利用三相同步降壓變壓器從電網中獲 得一個幅值較小的正弦信號，采用過零比較電路得到一個與電網電壓同步的方波信號，通 過DSP捕獲該方波的上升沿即可得到電網電壓的同步信號。DSP TMS320LF2407A采用軟件鎖相技術，對電網電壓的過零點進行同步采樣，然后 將計算得到的周期值均分為1024份，并以電網電壓過零點作為同步信號、以周期值均分后 的值為新的定時器周期值啟動軟件定時器周期中斷，待周期中斷時進入定時器中斷處理子 程序，在中斷服務子程序中進行增1計數和查表(正弦表，為標么值)將查表得到的正弦 波標么值與蓄電池采樣電壓值相乘，從而得到以電網電壓為同步的SPWM信號輸出，將該信 號進行濾波處理后得到三相正弦波電流給定。硬件電流閉環(huán)控制電路以SG3525為核心， 蓄電池電壓與標準正弦波相乘作為并網電流的給定，與反饋的實際并網電流通過模擬器件 SG3525進行PI調節(jié)輸出SPWM信號，通過TLP250驅動單元控制逆變電路IGBT的通斷，從而 實現(xiàn)回饋電流與電網電壓同頻、同相，正弦波生成原理圖如圖24所示。實施例4:結合圖1—圖7、圖9、圖10、圖12、圖14、圖22、圖23，本實用新型并網風光互補控制逆變器，系統(tǒng)由以DSP(DSP1、DSP2、DSP3)為核心的控制單元組成(圖1)，風 力發(fā)電機輸出的變壓、變頻交流電經整流后與太陽能發(fā)電單元發(fā)出的直流電一起給蓄電池 供電，再由DC-DC進行升壓穩(wěn)壓處理后得到一個穩(wěn)定的、高于電網電壓峰值的直流電壓。再 經過三相逆變器，向電網注入與電網電壓同頻、同相的交流電流。1)蓄電池充電單元蓄電池充電單元包括太陽能充電、風力發(fā)電和PWM無級卸荷三部分組成，太陽能 充電單元包括太陽光檢測環(huán)節(jié)和雙軸太陽能板跟蹤裝置兩部分，目的是實現(xiàn)太陽能的最大 功率輸出，而PWM無級卸荷控制單元是對蓄電池電壓進行檢測，以防止蓄電池過充電。太陽能電池板采用自動跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終與太陽光線垂直，使太陽 能電池板可以實現(xiàn)最大功率輸出。太陽能跟蹤單元的總體結構如圖2所示，由光電檢測 元件、以DSP1TMS320LF2407A為核心的步進電機細分驅動器和兩臺三相混合式步進電機組 成。如圖3所示，在太陽能電池板的朝陽面和被陽面出各安裝一只光電池，系統(tǒng)實時 根據光電池反饋的電壓值判斷當前的光照強度，決定是否繼續(xù)跟蹤，流程如圖4所示。把入 射光線在與太陽能電池板平行的平面進行四象限分解，分為俯仰和水平兩個方向，然后分 別利用一對光電池在俯仰和水平方向進行光照強度檢測。4只光電池安裝在一個不透光的 遮光板下面，光電池1、3檢測俯仰方向的光線入射方向偏差，光電池2、4檢測水平方向光線 入射角度。四個光電池對稱地放在遮光板四周，每個光電池均有一半被遮光板遮住。當太 陽光線與遮光板垂直時，兩只光電池感光量相等，輸出電壓相等。當太陽光線角度略有偏移 時，遮光板在同一方向的兩個光電池上產生的陰影面積就會發(fā)生變化，兩只光電池的感光 量不相等，輸出電壓也不再相等，光線偏向于輸出電壓較大的光電池一側。如圖2所示，檢 測電路輸出的電壓送入DSP的A/D 口，DSP檢測結果判斷出太陽光線偏向于同一對光電池 中反饋電壓高的一側，DSP根據相應的電壓信號開啟對應的捕獲中斷并同時給出步進電機 轉動的方向信號，使步進電機驅動單元開始運行，控制太陽能電池板轉動，使之逐漸與太陽 光線垂直，軟件流程如圖5所示。其中，當俯仰方向的兩個光傳感器產生偏差信號時DSP啟 動CAPl中斷，水平方向的兩個光傳感器產生偏差信號時啟動CAP4中斷。當DSP響應捕獲 中斷后，就根據捕獲到的步進脈沖查詢正弦階梯波電流給定值，從而啟動電機驅動程序，步 進電機就按照給定的方向并以正弦波細分控制方式轉動。另外，在太陽能電池板的朝陽面 和被陽面分別安裝了檢測光照強度的光電池，DSP根據采樣光電池的電壓值判斷當前光照 強度，如果小于設定的光照強度，比如晚上或者陰云密布時，則系統(tǒng)停止跟蹤。傳統(tǒng)整步運行步進電機存在低頻振蕩、噪聲、失步以及高頻輸出轉矩小等缺點，本 專利采用正弦波細分技術，取得了良好的控制效果。對于三相混合式步進電機，如果給其三 相繞組分別通以幅值相等且空間上相差120度的正弦階梯波電流，則合成的電流矢量在空 間做幅值恒定的旋轉運動，電機轉子就跟隨這一矢量做步進旋轉。在控制過程中引入電流 反饋，反饋電流經A/D轉換后與在正弦表中查得的給定電流值做PI調節(jié)，將得到的值寫入 比較控制寄存器CMPR，通過控制輸出PWM的占空比控制電機運行，其中EVA和EVB分別在捕 獲中斷1和捕獲中斷4中查詢正弦階梯波電流給定值。DSP的EVA產生PWMl PWM6，EVB 產生PWM7 PWM12，分別驅動俯仰和水平調整步進電機。捕獲中斷1和定時器1下溢中斷子 程序分別如圖6和圖7所示，以三相混合式步進電動機110BYG350A為對象進行實驗研究，其轉子齒數50、額定電流2. 4A。電流霍爾傳感器采用宇波電流霍爾傳感器CHB-25NP，變比 為1000 1。試驗中蓄電池電壓24V，頻率800Hz、細分數為6的實測波形圖。圖8為A、B 兩相正弦階梯波相電流給定波形圖，圖9為給定電流與反饋電流波形，圖10為兩相反饋電 流波形圖。PWM無級卸荷電路本系統(tǒng)加入了 PWM無級卸荷電路，如圖11所示，當蓄電池電壓 大于設定值時，比較器輸出為高電平，蓄電池電壓低于設定值時，比較器輸出為低電平，將 比較器的輸出通過IR2110驅動，控制開關管的導通與關斷，將電壓過高時多余的電能加到 卸荷電阻上，就可以防止蓄電池的電壓過高。本系統(tǒng)采用硬件保護措施，可以防止在芯片出 現(xiàn)故障時仍然可以有效地保護蓄電池和控制裝置。2) DC-DC升壓穩(wěn)壓單元DC-DC變換采用DC-AC-AC-DC的變換模式，低壓側采用單相全橋工作方式實現(xiàn) DC-AC變換，AC-AC變換采用高頻變壓器，AC-DC變換采用整流和低通濾波實現(xiàn)。如圖12所 示，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元由高頻變壓器和以DSP為核心器件構成，采用光耦TLP521 (通過調 整R34，使其工作于線性工作區(qū))對輸出的直流電壓進行檢測，由DSP進行直流母線電壓的 A/D轉換、電壓環(huán)PI調節(jié)，其輸出作為低壓側全橋功率拓撲結構功率開關管VTl VT4的 控制信號，實現(xiàn)了 DC-DC升壓穩(wěn)壓控制，從而得到一個高于電網電壓峰值的、穩(wěn)定的直流電 壓，本文設定為650V。DC-DC升壓穩(wěn)壓電路如圖12所示。本實用新型采用高頻變壓器的供電方式，高頻變壓器與常規(guī)工頻變壓器相比大大 減小了變壓器的體積，同時由于變壓器能夠雙向勵磁，因此利用率較高。本實用新型中的輸 出部分使用全波整流、低通濾波方式，由于采用高頻能量傳輸方式，也大大減小了濾波器的 體積。具體做法是采用單閉環(huán)控制策略，高壓直流輸出電壓的設定值為高于電網交流峰值 的一個值，直流輸出電壓的實測值Vt經A/D采樣后與給定值進行電壓外環(huán)PI調節(jié)，PI調 節(jié)的結果送給比較控制寄存器CMPRO，生成PWMO、PWMl輸出，經功率驅動芯片IR2110驅動 全橋功率開關器件VTl VT4，電路如圖14所示。A/D轉換和電壓環(huán)PI調節(jié)在DSP2TMS320LF2407A中實現(xiàn)，采樣電路如圖15所示。 直流輸出電壓通過光耦TLP521檢測、RC(R32、C9)低通、二極管限幅后送至DSP2的A/D轉 換口，輸出電流經通過采樣電阻在R35得到，經R36、C7濾波、二極管限幅后送至DSP2的A/ D轉換口用以實現(xiàn)DC-DC升壓穩(wěn)壓變換時的過載保護。3)并網逆變單元并網逆變器由DSP3和硬件電流閉環(huán)控制電路SG3525為核心構成，采用混合控制 方式，其中DSP3實現(xiàn)電網電壓檢測、軟件鎖相處理、與電網電壓同步的SPWM波生成等功能， 硬件電流閉環(huán)控制電路以SG3525為核心，將經過濾波處理后得到的三相正弦波輸出作為 電流回饋的給定信號，通過硬件電流閉環(huán)控制實現(xiàn)回饋電流與電網電壓同頻、同相。電網電壓同步信號的獲取是利用三相同步變壓器從電網中獲得一個幅值較小的 正弦信號，經過零比較得到一個與電網電壓同步的方波信號，通過DSP可以捕獲該方波的 上升沿即得到電網電壓的同步信號，三相同步信號的處理方式相同，以下以A相為例，說明 同步信號的獲取。如圖22所示，采用三相同步變壓器獲得一個小幅值的A相電壓信號，經 過零比較得到一個與電網電壓同步的方波信號，將該方波信號送至DSP的捕獲口 CAP0，在捕獲到方波信號的邊沿時進入CAP中斷處理子程序，從而實現(xiàn)了電網的同步跟蹤。軟件鎖相處理，是CAP中斷處理子程序中對方波周期進行計算，并將其均分為 1024，并以電網電壓過零點作為同步信號、以周期值均分后的值為新的定時器周期值啟動 軟件定時器周期中斷，待周期中斷時進入定時器中斷處理子程序，在中斷服務子程序中進 行計數和查表(正弦表，為標么值)處理，從而得到以電網電壓為同步信號的SPWM信號輸 出。B相和C相信號分別由A相延遲和超前120°獲得。由于每一個周期都捕獲一個上升 沿，使得每個周期都對電流的相位做一次校正，避免了相位誤差的積累。硬件電流閉環(huán)控制，由DSP3 (TMS320LF2407A)采樣蓄電池電壓Vxu與經過電網電 壓同步處理的三相正弦波標么值相乘得到三相SPWM輸出的占空比，經過低通處理后得到 三相正弦波電流給定。如圖23所示，利用電流霍爾傳感器取樣并網電流信號用SG3525進 行電流給定和電流反饋的閉環(huán)控制，將SG3525的輸出經TLP250驅動三相逆變器的上下橋 臂。電流環(huán)閉環(huán)控制利用模擬器件實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的響應速度，并保證了逆變電流對電網 電壓的跟蹤特性，減少了諧波污染，提高了功率因數。4)系統(tǒng)保護過溫保護任何電子元件以及功率器件都有一個工作范圍，溫度過高會影響系統(tǒng) 的正常運行，本系統(tǒng)通過溫度開關控制，當溫度達到溫度開關的動作點時，溫度開關閉合， 風扇開始工作，當溫度降下來時，溫度開關斷開，風扇停止工作。欠壓保護本實用新型具有欠壓保護的功能，欠壓保護的目的是為了避免蓄電池 出現(xiàn)過放電，否則容易損壞蓄電池，并且可能導致太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的步進電機無法正 常工作。欠壓保護的實現(xiàn)是通過DSP檢測蓄電池電壓來判斷是否欠壓，當電池欠壓時系統(tǒng)
停止工作。
權利要求一種并網風光互補控制逆變裝置，它是由蓄電池充電單元(1)、DC DC升壓穩(wěn)壓單元(2)、并網逆變單元(3)和蓄電池(4)組成的，其特征在于蓄電池充電單元(1)連接DC DC升壓穩(wěn)壓單元(2)，DC DC升壓穩(wěn)壓單元(2)連接并網逆變單元(3)和蓄電池(4)。
2.根據權利要求1所示的一種并網風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的蓄電 池充電單元⑴包括風力發(fā)電單元(8)、太陽能發(fā)電單元(9)和卸荷電路(15)，風力發(fā)電單 元(8)連接太陽能發(fā)電單元(9)，太陽能發(fā)電單元(9)連接卸荷電路(15)。
3.根據權利要求2所示的一種并網風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的風力 發(fā)電單元(8)包括風力機(5)、永磁同步發(fā)電機(6)和整流電路(7)，風力機(5)連接永磁 同步發(fā)電機(6)，永磁同步發(fā)電機(6)連接整流電路(7)。
4.根據權利要求2所示的一種并網風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的太陽 能發(fā)電單元(9)包括光電檢測單元(10)、雙軸電機驅動單元(11)、俯仰調整步進電機(12)、 水平調整步進電機(13)和太陽能電池板(14)，光電檢測單元(10)連接雙軸電機驅動單元 (11)、雙軸電機驅動單元(11)分別連接俯仰調整步進電機(12)和水平調整步進電機(13)， 俯仰調整步進電機(12)和水平調整步進電機(13)分別連接太陽能電池板(14)。
5.根據權利要求1所示的一種并網風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的DC-DC 升壓穩(wěn)壓單元(2)包括升壓電路(16)、第一驅動電路(17)、第一采樣電路(18)和第一數字 信號處理電路(19)，升壓電路(16)連接第一驅動電路(17)和第一采樣電路(18)，第一驅 動電路(17)和第一采樣電路(18)分別連接第一數字信號處理電路(19)。
6.根據權利要求1所示的一種并網風光互補控制逆變裝置，其特征在于所述的并網 逆變單元(3)包括三相逆變器(20)、電抗器(21)、第二采樣電路(22)、第二驅動電路(23)、 SG電路(24)、低通濾波電路(25)、過零比較器(26)、三相同步變壓器(27)和第二數字信號 處理器(28)，三相逆變器(20)連接電抗器(21)和第二驅動電路(23)，第二驅動電路(23) 連接SG電路(24)，SG電路(24)連接低通濾波電路(25)和電抗器(21)，過零比較器(26) 連接三相同步變壓器(27)和第二數字信號處理器(28)，第二數字信號處理器(28)連接第 二采樣電路(22)和低通濾波電路(25)。
專利摘要本實用新型的目的在于提供一種并網風光互補控制逆變裝置。它是由蓄電池充電單元、DC-DC升壓穩(wěn)壓單元、并網逆變單元和蓄電池組成的，蓄電池充電單元連接DC-DC升壓穩(wěn)壓單元，DC-DC升壓穩(wěn)壓單元連接并網逆變單元和蓄電池。本實用新型利用太陽能和風能互補，使發(fā)電時間變長，提高向電網注入的電流的連續(xù)性，有效的提高太陽能和風能利用效率；采用太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)，時刻校正太陽能電池板的水平角度和俯仰角度，使太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率達到了最高；本實用新型采用PWM無級卸荷，保證最佳蓄電池充電特性，逆變器的電流閉環(huán)采用模擬器件實現(xiàn)，提高系統(tǒng)的響應速度，保證逆變電流對電網電壓的跟蹤特性，提高功率因數。
文檔編號H02J3/28GK201690240SQ20102021704
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權日2010年6月7日
發(fā)明者劉京波, 宋博, 宋宏明, 楊玉環(huán), 王哲修, 王有琨, 王瑞, 簡優(yōu)宗, 賈新楠, 高晗瓔 申請人:哈爾濱卓爾科技有限公司