一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器及其工作方法
【專利摘要】一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，包括含有外部電網(wǎng)，其特征在于它包括風(fēng)力發(fā)電機組、光伏陣列、控制單元、儲能單元和并網(wǎng)逆變器；其工作方法包括采集、處理、控制、輸出；其優(yōu)越性在于：①控制算法先進，控制精度和穩(wěn)定性好；②高速運算，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制；③配合DSP，PLL能夠解決零點漂移、部件飽和、需要初始校準等問題；④PLL的上限工作頻率得到提高，PLL技術(shù)更加靈活。
【專利說明】一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器及其工作方法(-)【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明用于風(fēng)光儲互補系統(tǒng)的控制領(lǐng)域，尤其是一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器及其工作方法。
(二)【背景技術(shù)】:
[0002]由于人類社會的發(fā)展和科技的進步，人類日常生活對能源的需求也隨之越來越多，傳統(tǒng)化石能源像煤炭、石油和天然氣隨時會有枯竭的可能。與此同時，這些化石燃料在處理和使用的過程中會對環(huán)境造成嚴重的污染。在這種情況下，新能源以其清潔、無污染、可再生等優(yōu)勢成為了世界各國的追求。風(fēng)能和太陽能是目前眾多可再生能源中，應(yīng)用潛力最大、最具開發(fā)價值的兩種。但是，風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由一個共同的缺陷，就是由于資源的波動性和間歇性造成的發(fā)電量的不穩(wěn)定及其與用電量的不平衡，受天氣等因素影響很大。由于風(fēng)能和太陽能資源的間歇性特點，用來發(fā)電具有較好的互補性，同時再配備一定的儲能裝置來穩(wěn)定供電。因此，風(fēng)光儲互補發(fā)電已成為分布式發(fā)電的一種重要方式。
[0003]并網(wǎng)逆變器是風(fēng)光儲互補發(fā)電系統(tǒng)中重要的部分，它將系統(tǒng)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，同時還要保持轉(zhuǎn)換后的交流電的電壓相位與頻率與電網(wǎng)的交流電電壓相位和頻率一致，以滿足為各種交流用電裝置、設(shè)備供電及并網(wǎng)發(fā)電的需要，這就要求并網(wǎng)逆變器中包含同步鎖相功能，以保證風(fēng)光儲互補發(fā)電的并網(wǎng)運行性能。
[0004]鎖相環(huán)技術(shù)(PhaseLockedLoop，PLL)是并網(wǎng)系統(tǒng)一項關(guān)鍵的技術(shù)，在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，需要實時檢測電網(wǎng)電壓的相位和頻率以控制并網(wǎng)逆變器，使其輸出電流與電網(wǎng)電壓相位及頻率保持同步。假如PLL電路并不可靠，那么在并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)并網(wǎng)工作的切換過程中會產(chǎn)生逆變器與電網(wǎng)之間的環(huán)流，這樣會對設(shè)備造成沖擊，從而縮短設(shè)備使用壽命，嚴重時還會造成設(shè)備的損壞，帶來嚴重的影響。因此，研究一種可靠的PLL技術(shù)以提高風(fēng)光儲互補發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行性能已經(jīng)變得至關(guān)重要。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器及其工作方法，它針對現(xiàn)有的風(fēng)光儲互補發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器PLL技術(shù)的不足，可以克服上述風(fēng)光儲互補發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時相位、頻率不同步的問題，具有靈活性好，可靠性高且適用范圍廣的風(fēng)光儲互補發(fā)電的并網(wǎng)逆變器。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，包括含有外部電網(wǎng)，其特征在于它包括風(fēng)力發(fā)電機組、光伏陣列、控制單元、儲能單元和并網(wǎng)逆變器；其中，所述風(fēng)力發(fā)電機組與控制單元呈單向連接，其輸出端與控制單元的輸入端鏈接；所述光伏陣列與控制單元呈單向連接，其輸出端與控制單元的輸入端鏈接；所述儲能單元與控制單元呈雙向連接；所述控制單元與并網(wǎng)逆變器呈單向連接，其輸出端與并網(wǎng)逆變器的輸入端連接；所述并網(wǎng)逆變器的輸出 端與外部電網(wǎng)連接。
[0007]所述并網(wǎng)逆變器由逆變電路和鎖相環(huán)控制電路組成；其中，所述逆變電路的輸入端接收來自控制單元的直流電壓Ud。、直流電流Id。，其輸出端與外部電網(wǎng)相連；所述鎖相環(huán)控制電路的輸入端分別與控制單元的輸出端和逆變電路的輸入端相連并接收來自控制單元的直流電壓、直流電流信號，其輸入端分別與外部電網(wǎng)和逆變電路的輸出端相連并接收外部電網(wǎng)的電網(wǎng)電壓和逆變電路輸出的并網(wǎng)電流ia。。
[0008]所述逆變電路由四個絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT) Ql、Q2、Q3、Q4、電感 L 和電容 C 組成；其中所述 Ql、Q2、Q3、Q4 構(gòu)成 H 橋逆變電路，其輸出端分別與電感L串聯(lián)、與電容C并聯(lián)，并與鎖相環(huán)控制電路的輸出端相連。
[0009]所述鎖相環(huán)控制電路由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓檢測電路1、電壓檢測電路2、過零相位檢測電路1、過零相位檢測電路2和DSP組成；其中，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端與逆變電路的輸出端相連并接收逆變電路輸出的并網(wǎng)電流ia。，其輸出端與電壓檢測電路I相連；所述電壓檢測電路I的輸入端與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連，其輸出端與過零相位檢測電路I的輸入端相連；所述過零相位檢測電路I的輸入端與電壓檢測電路I的輸出端相連，其輸出端與DSP的輸入端相連；所述電壓檢測電路2的輸入端與外部電網(wǎng)相連并接收外部電網(wǎng)的電網(wǎng)電壓，其輸出端與電壓檢測電路2相連；所述過零相位檢測電路2的輸入端與電壓檢測電路2的輸出端相連，其輸出端與DSP的輸入端相連。
[0010]所述DSP是美國TI公司的TMS320LF2407DSP芯片，內(nèi)含10位單極性A/D轉(zhuǎn)換模塊，總共16個通道，6路脈寬調(diào)制PWM輸出，3路捕獲單元CAP，可提供看門狗電路、SP1、SCI和CAN多種控制；且包括PWMl驅(qū)動單元、PWM2驅(qū)動單元、PWM3驅(qū)動單元、PWM4驅(qū)動單元、CAPl接口、CAP2接口、ADCl接口和ADC2接口；其中，所述CAPl接口的輸入端接收過零相位檢測電路I發(fā)出的檢測信號；所述CAP2接口的輸入端接收過零相位檢測電路2發(fā)出的檢測信號；所述ADCl接口的輸入端采集控制單元發(fā)出的直流電壓信號；所述ADC2接口的輸入端采集控制單元發(fā)出的直流電流信號；所述PWMl驅(qū)動單元、PWM2驅(qū)動單元、PWM3驅(qū)動單元、PWM4驅(qū)動單元的輸出端連接逆變電路的輸入端。
[0011]所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路由電阻R1、電阻R2、精密電阻R3、電容C和運算放大器LM324組成；其中運算放大器LM324的正輸入端經(jīng)電阻Rl與輸入電流相連，且經(jīng)電容C接地，負輸入端與其輸出端相連構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)，其輸出端與電阻R2相連；輸入電流經(jīng)精密電阻R3接地。
[0012]所述電網(wǎng)電壓檢測電路I與電網(wǎng)電壓檢測電路2由兩個運算放大器LM324、變壓器、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R6、電阻R7、儀表放大器INA128、二極管VDl和二極管VD2組成；其中第一個運算放大器LM324的正輸入端經(jīng)電阻Rl與R2并聯(lián)，再通過變壓器與輸入電壓相連，負輸入端與其輸出端相連構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)，其輸出端經(jīng)電阻R3與第二個運算放大器LM324的負輸入端相連；第二個運算放大器的負輸入端與其輸出端相連構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)，正輸入端經(jīng)電阻R4接地，其輸出端與儀表放大器INA128的端口 2相連；儀表放大器INA128的端口 3直接接地，其輸出端經(jīng)電阻R6、電容C接地；電阻R7與電阻R6相連；二極管VDl與VD2串聯(lián)接地。
[0013]所述過零相位檢測電路I與過零相位檢測電路2由運算放大器LM324、光電藕合器TLP521、電容C、電阻R1、電阻R2、電阻R3、二極管VDl和二極管VD2組成；其中，運算放大器LM324的負輸入端與電阻Rl相連，并經(jīng)電容C、二極管VDl、二極管VD2反向并聯(lián)電路與正輸入端相連，其輸出端經(jīng)電阻R2與光電藕合器TLP521的輸入端相連；光電藕合器TLP521的輸出端直接接地，其另一輸出端經(jīng)電阻R3接地并與DSP的CAPl接口、CAP2接口相連。
[0014]一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器的工作方法，其特征在于包括以下步驟:
[0015]( I)將電網(wǎng)電壓進行采樣，經(jīng)電壓檢測電路和過零相位檢測電路，將信號送至DSP的CAP2接口 ；
[0016]( 2 )將并網(wǎng)電流進行采樣，經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓檢測電路和過零相位檢測電路，將信號送至DSP的CAPl接口；
[0017](3) DSP的ADCl接口、ADC2接口分別接收直流電壓信號、直流電流信號；
[0018](4) DSP將步驟(1)、步驟(2)與步驟(3)所接收的數(shù)據(jù)進行鎖相處理；
[0019](5)DSP接收數(shù)據(jù)并處理后發(fā)出信號，輸出信號通過PWM驅(qū)動產(chǎn)生所需要的PWM控制信號送至逆變電路，驅(qū)動IGBTQl~Q4 ；
[0020](6)重復(fù)步驟(1)~步驟(5)電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)的電流的頻率、相位一致。
[0021]所述步驟(4)中的鎖相處理是將電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流進行頻率、相位比較，并進行鎖相控制，包括以下步驟(見圖6):
[0022]①輸入信號Vi通過鑒相器與反饋信號V。進行比較計算相位差，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為電壓信號Ve ;
[0023]②將步驟①中電壓信號Ve中高頻分量及其他噪聲信號濾除，產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓控制信號Vc ；
[0024]③接收來自步驟②中的控制信號V。，進行頻率和相位的修正，并將輸出信號作為反饋信號V。反饋到鑒相器；
[0025]④重復(fù)步驟①~步驟③直到輸入信號與輸出信號的頻率相位一致。
[0026]本發(fā)明的工作原理:
[0027]本發(fā)明涉及的一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器的工作原理是:鎖相環(huán)是指能夠自動追蹤輸入信號頻率與相位的閉環(huán)控制系統(tǒng)。它能使輸出的相位和參考相位之間的插減小的最小。
[0028]當PLL穩(wěn)定工作時，有以下等式成立:
[0029]Vc=kd( O1-Oo)
[0030]Vc=(co「coo)/kv
[0031]式中，Θ ^ Θ。分別為ΧρΧ。的相位；ωρ ω。分別為XpX。的角速度，ω =2 Jif0其數(shù)學(xué)關(guān)系如下:
[0032]Θ 廠 Θ。= / ( ω J- ω o) dt+k
[0033]當PLL處于鎖定狀態(tài)時，H)呈線性，LF的輸出電壓正比于相位誤差，濾去相位誤差電壓V后，PLL的數(shù)學(xué)模型見圖7，圖中θ” Θ。為輸入、輸出頻率。
[0034]圖中F(S)為LF的傳遞函數(shù)，環(huán)路類型由傳遞函數(shù)中純積分s項的次數(shù)決定，PLL至少為一階系統(tǒng)，因為VCO中固有一個純積分S。如果LF含有一個純積分，則PLL環(huán)路將是二階系統(tǒng)，由高增益有源濾波器組成的PLL可近似為一個二階系統(tǒng)，而采用無源濾波器則可近似為一階系統(tǒng)。
[0035]對常用無源濾波器，PLL閉環(huán)傳遞函數(shù)為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，包括含有外部電網(wǎng)，其特征在于它包括風(fēng)力發(fā)電機組、光伏陣列、控制單元、儲能單元和并網(wǎng)逆變器；其中，所述風(fēng)力發(fā)電機組與控制單元呈單向連接，其輸出端與控制單元的輸入端鏈接；所述光伏陣列與控制單元呈單向連接，其輸出端與控制單元的輸入端鏈接；所述儲能單元與控制單元呈雙向連接；所述控制單元與并網(wǎng)逆變器呈單向連接，其輸出端與并網(wǎng)逆變器的輸入端連接；所述并網(wǎng)逆變器的輸出端與外部電網(wǎng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述并網(wǎng)逆變器由逆變電路和鎖相環(huán)控制電路組成；其中，所述逆變電路的輸入端接收來自控制單元的直流電壓Ud。、直流電流Id。，其輸出端與外部電網(wǎng)相連；所述鎖相環(huán)控制電路的輸入端分別與控制單元的輸出端和逆變電路的輸入端相連并接收來自控制單元的直流電壓、直流電流信號，其輸入端分別與外部電網(wǎng)和逆變電路的輸出端相連并接收外部電網(wǎng)的電網(wǎng)電壓和逆變電路輸出的并網(wǎng)電流ia。。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述逆變電路由四個絕緣柵雙極型晶體管Q1、Q2、Q3、Q4、電感L和電容C組成；其中所述Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成H橋逆變電路，其輸出端分別與電感L串聯(lián)、 與電容C并聯(lián)，并與鎖相環(huán)控制電路的輸出端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述鎖相環(huán)控制電路由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓檢測電路1、電壓檢測電路2、過零相位檢測電路1、過零相位檢測電路2和DSP組成；其中，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端與逆變電路的輸出端相連并接收逆變電路輸出的并網(wǎng)電流ia。，其輸出端與電壓檢測電路I相連；所述電壓檢測電路I的輸入端與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連，其輸出端與過零相位檢測電路I的輸入端相連；所述過零相位檢測電路I的輸入端與電壓檢測電路I的輸出端相連，其輸出端與DSP的輸入端相連；所述電壓檢測電路2的輸入端與外部電網(wǎng)相連并接收外部電網(wǎng)的電網(wǎng)電壓，其輸出端與電壓檢測電路2相連；所述過零相位檢測電路2的輸入端與電壓檢測電路2的輸出端相連，其輸出端與DSP的輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述DSP是美國TI公司的TMS320LF2407DSP芯片，內(nèi)含10位單極性A/D轉(zhuǎn)換模塊，總共16個通道，6路脈寬調(diào)制PWM輸出，3路捕獲單元CAP，可提供看門狗電路、SP1、SCI和CAN多種控制；且包括PWMl驅(qū)動單元、PWM2驅(qū)動單元、PWM3驅(qū)動單元、PWM4驅(qū)動單元、CAPl接口、CAP2接口、ADCl接口和ADC2接口；其中，所述CAPl接口的輸入端接收過零相位檢測電路I發(fā)出的檢測信號；所述CAP2接口的輸入端接收過零相位檢測電路2發(fā)出的檢測信號；所述ADCl接口的輸入端采集控制單元發(fā)出的直流電壓信號；所述ADC2接口的輸入端采集控制單元發(fā)出的直流電流信號；所述PWMl驅(qū)動單元、PWM2驅(qū)動單元、PWM3驅(qū)動單元、PWM4驅(qū)動單元的輸出端連接逆變電路的輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路由電阻R1、電阻R2、精密電阻R3、電容C和運算放大器LM324組成；其中運算放大器LM324的正輸入端經(jīng)電阻Rl與輸入電流相連，且經(jīng)電容C接地，負輸入端與其輸出端相連構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)，其輸出端與電阻R2相連；輸入電流經(jīng)精密電阻R3接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述電網(wǎng)電壓檢測電路I與電網(wǎng)電壓檢測電路2由兩個運算放大器LM324、變壓器、電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R6、電阻R7、儀表放大器INAl28、二極管VDI和二極管VD2組成；其中第一個運算放大器LM324的正輸入端經(jīng)電阻Rl與R2并聯(lián)，再通過變壓器與輸入電壓相連，負輸入端與其輸出端相連構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)，其輸出端經(jīng)電阻R3與第二個運算放大器LM324的負輸入端相連；第二個運算放大器的負輸入端與其輸出端相連構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)，正輸入端經(jīng)電阻R4接地，其輸出端與儀表放大器INA128的端口 2相連；儀表放大器INA128的端口 3直接接地，其輸出端經(jīng)電阻R6、電容C接地；電阻R7與電阻R6相連；二極管VDl與VD2串聯(lián)接地。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器，其特征在于所述過零相位檢測電路I與過零相位檢測電路2由運算放大器LM324、光電藕合器TLP521、電容C、電阻Rl、電阻R2、電阻R3、二極管VDl和二極管VD2組成；其中，運算放大器LM324的負輸入端與電阻Rl相連，并經(jīng)電容C、二極管VDl、二極管VD2反向并聯(lián)電路與正輸入端相連，其輸出端經(jīng)電阻R2與光電藕合器TLP521的輸入端相連；光電藕合器TLP521的輸出端直接接地，其另一輸出端經(jīng)電阻R3接地并與DSP的CAPl接口、CAP2接口相連。
9.一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器的工作方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將電網(wǎng)電壓進行采樣，經(jīng)電壓檢測電路和過零相位檢測電路，將信號送至DSP的CAP2 接口 ； (2)將并網(wǎng)電流進行采樣，經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓檢測電路和過零相位檢測電路，將信號送至DSP的CAPl接口； (3)DSP的ADCl接口、ADC2接口分別接收直流電壓信號、直流電流信號； (4)DSP將步驟(1)、步驟(2)與步驟(3)所接收的數(shù)據(jù)進行鎖相處理； (5)DSP接收數(shù)據(jù)并處理后發(fā)出信號，輸出信號通過PWM驅(qū)動產(chǎn)生所需要的PWM控制信號送至逆變電路，驅(qū)動IGBTQl~Q4 ； (6)重復(fù)步驟(1)~步驟(5)電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)的電流的頻率、相位一致。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種基于數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的并網(wǎng)逆變器的工作方法，其特征在于所述步驟(4)中的鎖相處理是將電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流進行頻率、相位比較，并進行鎖相控制，包括以下步驟(見圖6): ①輸入信號Vi通過鑒相器與反饋信號V。進行比較計算相位差，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為電壓信號Ve ； ②將步驟①中電壓信號Ve中高頻分量及其他噪聲信號濾除，產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓控制信號Vc; ③接收來自步驟②中的控制信號V。，進行頻率和相位的修正，并將輸出信號作為反饋信號V。反饋到鑒相器； ④重復(fù)步驟①~步驟③直到輸入信號與輸出信號的頻率相位一致。
【文檔編號】H02M1/08GK103560545SQ201310576616
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】劉少宇, 馬幼捷, 蔡瑩雪, 周雪松, 高明杰, 高峰, 王銀明, 徐 明, 王平, 趙希輝, 鄭宇清 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲示范電站有限公司, 天津理工大學(xué)