專利名稱：集成化交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，尤其是一種集成化的交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)都是非集成化的(太陽能組件和逆變器分開設(shè)計(jì))。其中，普通太陽能光伏系統(tǒng)都是由許多緊密相連的太陽能電池板組成；這些電池板先分組串聯(lián)，再將不同的串聯(lián)電池組并聯(lián)起來形成電池陣列；然后由太陽能電池板陣列產(chǎn)生的直流電會流到位于電池板側(cè)旁的逆變器。逆變器有兩個基本功能一方面是為完成DC/AC轉(zhuǎn)換的電流連接到電網(wǎng)，另一方面是找出最佳的操作點(diǎn)以優(yōu)化太陽能光伏系統(tǒng)的效率。然而，對于特定的太陽光輻射、溫度及電池類型，太陽能光伏系統(tǒng)都相應(yīng)有唯一的最佳電壓及電流，從而使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生最大的能量。如果光伏系統(tǒng)在非最佳電壓及電流水平下運(yùn)行， 系統(tǒng)的效率就非常低，白白浪費(fèi)采集太陽能的良機(jī)。如上所述，在現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)中，太陽能電池板是由多個串聯(lián)組并聯(lián)后形成的。這就像節(jié)日燈飾一樣，假如串聯(lián)中的任何某個電池發(fā)生故障，就會導(dǎo)致整個電池組失效。此夕卜，局部陰影或碎沙礫等遮蔽到光伏系統(tǒng)的這些情況也時有發(fā)生。為了解決上述問題，目前太陽能電池板都集成了旁路二極管，從而使電流可以繞過被遮蔽的失效電池板部份。啟動二極管后，它們可將電流重新路由，即改道繞過失效電池串上。這樣一來，不僅浪費(fèi)了受遮蔽電池板的供電潛能，而且會降低整個電池組的總電壓?；谶x取電池板最佳操作點(diǎn)的原則，逆變器必須決定是應(yīng)該優(yōu)化受影響電池串的電壓，還是應(yīng)該優(yōu)化其他沒受影響電池組所產(chǎn)生的能量。在大多數(shù)的情況下，逆變器都會選擇優(yōu)化沒有影響的電池組，并相應(yīng)地降低受影響電池組所產(chǎn)生的能量，甚至是完全關(guān)閉受影響電池組。所導(dǎo)致的結(jié)果是，太陽能光伏系統(tǒng)只要出現(xiàn)10%的遮蔽，便會使太陽能發(fā)電量下降一半。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是現(xiàn)行的光伏系統(tǒng)并不能與極度敏感的太陽能電池架構(gòu)相匹配。因此，對于作為未來主要能源之一的太陽能，我們需要采用更高智能的技術(shù)和產(chǎn)品來開發(fā)太陽能。

實(shí)用新型內(nèi)容現(xiàn)有的非集成化的交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，多數(shù)太陽能逆變器只能從太陽能電池板的某個最佳位置對電池板的整體效率進(jìn)行優(yōu)化，嚴(yán)重制約了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率。因此，我們提出一種集成化交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，該智能高效并網(wǎng)一體化太陽能組件的太陽能并網(wǎng)逆變器小型化集成、安裝在太陽能組件上，可以與太陽能組件技術(shù)參數(shù)精密匹配的、符合于太陽能組件輸出功率最大化。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種集成化交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，太陽能并網(wǎng)逆變器是集成安裝在太陽能組件上的，且在太陽能組件的每個電池串單元連接一個對應(yīng)的MPPT控制單元(MPPT的英文全稱為“Maximum Power Point Tracking”,即最大功率點(diǎn)跟蹤太陽能控制器),其中該太陽能并網(wǎng)逆變器是由前級的DC/DC變換器和后級的DC/AC逆變器組成；其中，DC/DC變換器由推挽逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電感級聯(lián)構(gòu)成，DC/AC逆變器是采用全橋式結(jié)構(gòu)的逆變電路。進(jìn)一步的，所述的DC/DC變換器是由集成電路SG3525為核心的控制電路進(jìn)行控制。進(jìn)一步的，所述的DC/AC逆變器是由集成電路TMS320F240為核心的控制電路進(jìn)行控制。本實(shí)用新型采用如上技術(shù)方案，將太陽能并網(wǎng)逆變器小型化集成、安裝在太陽能組件上，可以與太陽能組件技術(shù)參數(shù)精密匹配的、符合于太陽能組件輸出功率最大化；具有 如下有益技術(shù)效果①一體化對太陽能模組和逆變器進(jìn)行精密匹配，簡化安裝，縮小體積，提高可靠性。②高效與集中MPPT控制系統(tǒng)方案相比較輸出功率提高20%以上，日發(fā)電量提高30-37%。③并網(wǎng)集成后的太陽能組件可直接并網(wǎng)，直接使用。④智能采用分散MPPT控制方案，可使每個太陽能組件智能化。

圖I是本實(shí)用新型的太陽能并網(wǎng)逆變器的電路連接框圖。圖2a是現(xiàn)有的非一體化結(jié)構(gòu)方案的太陽能組件未發(fā)生故障前的示意圖。圖2b是現(xiàn)有的非一體化結(jié)構(gòu)方案的太陽能組件發(fā)生故障后的示意圖。圖3a是本實(shí)用新型的集成化結(jié)構(gòu)方案的太陽能組件未發(fā)生故障前的示意圖。圖3b是本實(shí)用新型的集成化結(jié)構(gòu)方案的太陽能組件發(fā)生故障后的示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。一種集成化交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，太陽能并網(wǎng)逆變器是集成安裝在太陽能組件上的，且在太陽能組件的每個電池串單元連接一個對應(yīng)的MPPT控制單元。參閱圖I所示，該太陽能并網(wǎng)逆變器是由前級的DC/DC變換器和后級的DC/AC逆變器組成；其中，DC/DC變換器由推挽逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電感級聯(lián)構(gòu)成，DC/AC逆變器是采用全橋式結(jié)構(gòu)的逆變電路。在該系統(tǒng)中，太陽能組件輸出的額定電壓為62V的直流電，通過DC/DC變換器被轉(zhuǎn)換為400V直流電，接著經(jīng)過DC/AC逆變后就得到220V/50HZ的交流電，保證并網(wǎng)逆變器輸出的220V/50HZ正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同步。DC/DC變換器的逆變電路可選擇的型式有半橋式、全橋式、推挽式?？紤]到輸入電壓較低，如采用半橋式則開關(guān)管電流變大，而采用全橋式則控制復(fù)雜、開關(guān)管功耗增大，因此這里采用推挽式電路。DC/DC變換器由推挽逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電感構(gòu)成，它將太陽能電池板輸出的62V的直流電壓轉(zhuǎn)換成400V的直流電壓。DC/AC逆變器的主電路采用全橋式結(jié)構(gòu)，由4個MOS管(該管內(nèi)部寄生了反并聯(lián)的二極管)構(gòu)成，它將400V的直流電轉(zhuǎn)換成為220V/50HZ的工頻交流電。DC/DC變換器的控制電路是以集成電路SG3525為核心，由SG3525輸出的兩路50kHz的驅(qū)動信號，經(jīng)門極驅(qū)動電路加在推挽電路開關(guān)管Ql和Q2的門極上。為保持DC/DC變換器輸出電壓的穩(wěn)定，將檢測到的輸出電壓與指令電壓進(jìn)行比較，該誤差電壓經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后控制SG3525輸出驅(qū)動信號的占空比。該控制電路還具有限制輸出過流過壓的保護(hù)功能。當(dāng)檢測到DC/DC變換器輸出電流過大時，SG3525將減小門極脈沖的寬度，降低輸出電壓，進(jìn)而降低了輸出電流。當(dāng)輸出電壓過高時，會停止DC/DC變換器的工作。由于推挽式電路容易因直流偏磁導(dǎo)致變壓器飽和，因此，推挽式電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何防止變壓器的磁飽和。在本電路中，除了注意電路的對稱性之外,還設(shè)計(jì)了磁飽和檢測電路,當(dāng)流經(jīng)推挽電路的兩個支路電流失衡時，就會啟動SG3525的軟啟動功能，使DC/DC變換器重新啟動，變壓器得以復(fù)位。DC/AC逆變器控制電路的核心控制芯片采用了 TI公司的TMS320F240。盡管單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的脈寬調(diào)制，但是DSP實(shí)時處理能力更強(qiáng)大，因此可以保證系統(tǒng)有更·高的開關(guān)工作頻率。在靜態(tài)情況下，當(dāng)并網(wǎng)逆變器與太陽能電池相連時，并網(wǎng)逆變器可等效為太陽能電池的負(fù)載電阻。當(dāng)光強(qiáng)λ和溫度T變化時，太陽能電池輸出的端電壓將會隨之發(fā)生變化。為了有效地利用太陽能，應(yīng)使太陽能電池的輸出始終處于適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)。因此，控制方案要求當(dāng)太陽能電池的電壓升高時，可以增大它的輸出功率；反之就降低它的輸出功率。DSP的控制方案是參考電壓和太陽能電池的實(shí)際電壓相比較后，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，將得到的電流指令(直流量)IREF與ROM里的正弦表值相乘，就得到交變的輸出電流指令iref，再將它與實(shí)際的輸出電流值比較后，其誤差經(jīng)過比例(P)環(huán)節(jié)，將所得到的指令取反，與采集到的交流側(cè)電壓Us相加后，所得到的波形再與三角波比較，就產(chǎn)生4路PWM調(diào)制信號(三角波的頻率為20kHz)。將同步變壓器副邊的同步信號，濾波、整流，就可以得到比較穩(wěn)定的直流電，將其送到DSP的A/D轉(zhuǎn)換口。由于最后得到的直流電壓與電網(wǎng)電壓有一個比較穩(wěn)定的關(guān)系，因此，就比較容易換算Us的值了。由于涉及到共地的問題，因此，采用了運(yùn)算放大器的全波精密整流電路。并網(wǎng)時要求逆變器輸出的正弦波電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相。首先，將電網(wǎng)電壓信號經(jīng)過濾波整形為同步方波信號，再將其輸入到TMS320F240的外部中斷口 XINT1，目的是為了捕捉電網(wǎng)電壓的過零信號。電網(wǎng)電壓正弦波，經(jīng)過整形后就得到了方波。當(dāng)DSP檢測到過零信號的上跳沿時，便觸發(fā)同步中斷，以此時間點(diǎn)作為基準(zhǔn)給定正弦波信號時間起點(diǎn)，也就是正弦表指針復(fù)位到零；每當(dāng)Tl下溢中斷(PWM實(shí)時控制)時，正弦表指針便加1，并從正弦表中取值。一個周期的單位正弦波數(shù)據(jù)被分成了 400個點(diǎn)采用表的形式存放在存儲器中。由于同步信號比較容易受到諧波和尖峰電壓的干擾，因此在進(jìn)入同步中斷后可以先做一個延時，判斷外部中斷腳XINTl是否仍然是高電平，如果是高電平，就執(zhí)行中斷程序，否則就從中斷程序跳出。IREF與正弦表中數(shù)據(jù)相乘后，便形成了幅值可調(diào)的正弦波的電流給定信號，然后，再實(shí)時比較電流給定值，經(jīng)過P環(huán)節(jié)后，所得信號反相后，與采集到的交流側(cè)電網(wǎng)電壓信號Us相加，所得波形與三角波比較，就產(chǎn)生了PWM波，控制橋臂的通斷?？傊?，輸出電流和電網(wǎng)電壓的同頻、同相的要求是通過電流跟蹤控制實(shí)現(xiàn)的。PWM波的產(chǎn)生是通過TMS320F240的全比較單元輸出的，頻率為20kHz。調(diào)制脈沖的產(chǎn)生是通過將電流指令值與實(shí)際電流值比較后，經(jīng)過P環(huán)節(jié)，所得到的波形與三角波(頻率為20kHz)比較后獲得的。因此MOS管Q3、Q4、Q5、Q6脈沖的產(chǎn)生時刻參照正弦波與三角波調(diào)制，兩者相交決定了 PWM的脈沖時刻。實(shí)際由采樣的波形(實(shí)際上是階梯波)與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。本系統(tǒng)是在三角波的底點(diǎn)位置對波形進(jìn)行采樣而形成的階梯波。此階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬在一個采樣周期內(nèi)的位置是對稱的。參閱圖2a、圖2b和圖3a、圖3b所示，我們可以看出采用現(xiàn)有技術(shù)的非一體化結(jié)構(gòu)方案，在故障前的輸出功率是2000瓦，故障后的輸出功率僅為1140瓦。而采用本實(shí)用新型的集成化結(jié)構(gòu)方案，在故障前的輸出功率是2000瓦,故障后的輸出功率還能達(dá)到1880瓦，相比于現(xiàn)有技術(shù)可以多發(fā)電740瓦。綜上，采用本實(shí)用新型的集成化交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，可以提高模組發(fā)電能力日發(fā)電量提高30-37%，挽回故障發(fā)電損失65% ;降低發(fā)電成本30% ;降低設(shè)備成本10% ；同時提高設(shè)備可靠性；也更加簡化了安裝、使用、維修操作。盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本實(shí)用新型，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)·上可以對本實(shí)用新型做出各種變化，均為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.集成化交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于太陽能并網(wǎng)逆變器是集成安裝在太陽能組件上的，且在太陽能組件的每個電池串單元連接一個對應(yīng)的MPPT控制單元，其中該太陽能并網(wǎng)逆變器是由前級的DC/DC變換器和后級的DC/AC逆變器組成；其中，DC/DC變換器由推挽逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電感級聯(lián)構(gòu)成，DC/AC逆變器是采用全橋式結(jié)構(gòu)的逆變電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成化交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的DC/DC變換器是由集成電路SG3525為核心的控制電路進(jìn)行控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成化交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的DC/AC逆變器是由集成電路TMS320F240為核心的控制電路進(jìn)行控制。
專利摘要本實(shí)用新型涉及交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，尤其是一種集成化的交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。一種集成化交流并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，太陽能并網(wǎng)逆變器是集成安裝在太陽能組件上的，且在太陽能組件的每個電池串單元連接一個對應(yīng)的MPPT控制單元；其中該太陽能并網(wǎng)逆變器是由前級的DC/DC變換器和后級的DC/AC逆變器組成；其中，DC/DC變換器由推挽逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電感級聯(lián)構(gòu)成，DC/AC逆變器是采用全橋式結(jié)構(gòu)的逆變電路。本實(shí)用新型將太陽能并網(wǎng)逆變器小型化集成、安裝在太陽能組件上，可以與太陽能組件技術(shù)參數(shù)精密匹配的、符合于太陽能組件輸出功率最大化。
文檔編號H02J3/38GK202712871SQ201220214560
公開日2013年1月30日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者黃浩, 馬德林 申請人:廈門鎂爾捷能源技術(shù)有限公司