專利名稱：一種適用于分布式發(fā)電的高電能質(zhì)量光伏逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種高電能質(zhì)量三相光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置，特別涉及一種適用于大型分布式發(fā)電的三相光伏逆變器。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的發(fā)展，能源危機(jī)及環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，越來越多的國家開始意識到對可再生能源進(jìn)行開發(fā)利用才是應(yīng)對能源危機(jī)的必由之路。太陽能發(fā)電被認(rèn)為是當(dāng)今世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各發(fā)達(dá)國家紛紛投入巨額資金開發(fā)研究，并大力拓展市場應(yīng)用。光伏逆變器是太陽能發(fā)電的重要組成部分，比如大型并網(wǎng)光伏電站中大量使用三相逆變器，因此三相并網(wǎng)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣決定了整個電站能否穩(wěn)定、安全運(yùn)行。由于陽光照射時間限制，光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置只在白天工作，晚上要切離電網(wǎng)，影響了設(shè)備利用率，頻繁投切時會對電網(wǎng)穩(wěn)定造成影響，經(jīng)濟(jì)不明顯等。工業(yè)電網(wǎng)中非線性負(fù)載嚴(yán)重影響了工業(yè)用電的質(zhì)量；另一方面用戶對用電質(zhì)量要求越來越高，對電能質(zhì)量進(jìn)行治理勢在必行，傳統(tǒng)的治理方式是無源濾波器及有源濾波器等。有源電力濾波器是通過向電網(wǎng)注入一定補(bǔ)償電流來抵消負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流的主動式濾波裝置，其應(yīng)用可克服LC無源濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制方法的缺點(diǎn)，既可補(bǔ)償非線性負(fù)荷產(chǎn)生的高次諧波，又能自動適應(yīng)電網(wǎng)阻抗和頻率的快速變化，并且具有高可控性和快速響應(yīng)性。有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上主要包括三相橋式逆變器、直流側(cè)電容、輸出濾波電抗器等。光伏逆變器包括三相橋式逆變器、直流側(cè)電容、輸出濾波電抗器、BOOST升壓電路、光伏板等。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分析兩者，其前級主要部分基本相同?，F(xiàn)有的光伏逆變器，只能實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，而太陽光只在白天照射，在晚上的時間光伏逆變器只能處于離網(wǎng)的狀態(tài)，這樣存在著大量的容量資源的浪費(fèi)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種適用于分布式發(fā)電的高電能質(zhì)量光伏逆變器，節(jié)省資源，充分利用將光伏逆變裝備的容量及能力，在實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的同時，實現(xiàn)無功補(bǔ)償、濾除電網(wǎng)諧波電流。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案是:一種適用于分布式發(fā)電的高電能質(zhì)量光伏逆變器，包括光伏陣列、三相逆變器、輸出濾波器、并網(wǎng)電阻、控制模塊，所述光伏陣列通過直流側(cè)電容與所述三相逆變器連接，所述三相逆變器依次通過輸出濾波器、斷路器接入電網(wǎng)，所述并網(wǎng)電阻并聯(lián)在所述輸出濾波器兩端；所述三相逆變器與所述控制模塊連接；所述控制模塊包括控制芯片、IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊、電壓保護(hù)電路、電流保護(hù)電路、采樣信號調(diào)理電路、過零檢測電路；所述過零檢測電路輸入端接入電網(wǎng)，所述過零檢測電路輸出端接入控制芯片；所述采樣信號調(diào)理電路輸入端與所述三相逆變器輸出端連接，所述采樣信號調(diào)理電路輸出端通過電流互感器、A/D轉(zhuǎn)換芯片接入控制芯片；所述電流保護(hù)電路和所述電壓保護(hù)電路輸入端分別輸入三相逆變器的輸出電流和直流側(cè)電容的電壓，所述電壓保護(hù)電路和所述電流保護(hù)電路輸出端通過繼電器與所述斷路器連接；所述控制芯片通過IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊與所述三相逆變器連接。本實用新型的工作原理是:為了實現(xiàn)并網(wǎng)、無功及諧波補(bǔ)償功能，要通過求取逆變器的開關(guān)模式來實現(xiàn)并網(wǎng)有功電流、無功電流、諧波電流的跟蹤。檢測負(fù)載側(cè)電流，通過ip_iq算法檢測出諧波指令信號；直流側(cè)穩(wěn)定PI調(diào)節(jié)器生成穩(wěn)定直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)信號；光伏陣列最大功率跟蹤控制保證光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)，并生成光伏并網(wǎng)有功信號。三者疊加生成復(fù)合控制電流指令，通過電流內(nèi)環(huán)控制逆變器輸出電流跟蹤指令信號，即在并網(wǎng)的同時發(fā)出諧波及容性無功補(bǔ)償電網(wǎng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型所具有的有益效果為:本實用新型充分利用了光伏逆變器的容量，在并網(wǎng)發(fā)電的同時進(jìn)行諧波治理及無功功率補(bǔ)償；保障了逆變器安全可靠的運(yùn)行；當(dāng)逆變器過電流，直流側(cè)過壓時，借助于電壓保護(hù)電路和電流保護(hù)電路，裝置可以迅速脫離整個濾波系統(tǒng)，確保了系統(tǒng)及操作人員的安全性，具有很好的實用價值。

圖1為本實用新型一實施例拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2為本實用新型一實施例控制芯片外圍電路圖；圖3為本實用新型一實施例過零檢測電路原理圖；圖4為本實用新型一實施例采樣信號調(diào)理電路原理圖；圖5為本實用新型 一實施例過壓保護(hù)電路原理圖；圖6為本實用新型一實施例過流保護(hù)電路原理圖。
具體實施方式
如圖1和圖2所示，本實用新型一實施例包括光伏陣列、三相逆變器、輸出濾波器、并網(wǎng)電阻、控制模塊，所述光伏陣列通過直流側(cè)電容與所述三相逆變器連接，所述三相逆變器依次通過輸出濾波器、斷路器接入電網(wǎng)，所述并網(wǎng)電阻并聯(lián)在所述輸出濾波器兩端；所述三相逆變器與所述控制模塊連接；所述控制模塊包括控制芯片、IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊、電壓保護(hù)電路、電流保護(hù)電路、采樣信號調(diào)理電路、過零檢測電路；所述過零檢測電路輸入端接入電網(wǎng)，所述過零檢測電路輸出端接入控制芯片；所述采樣信號調(diào)理電路輸入端與所述三相逆變器輸出端連接，所述采樣信號調(diào)理電路輸出端通過電流互感器、A/D轉(zhuǎn)換芯片接入控制芯片；所述電流保護(hù)電路和所述電壓保護(hù)電路輸入端分別輸入三相逆變器的輸出電流和直流側(cè)電容的電壓，所述電壓保護(hù)電路和所述電流保護(hù)電路輸出端通過繼電器與所述斷路器連接；所述控制芯片通過IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊與所述三相逆變器連接。圖1中CT為電流傳感器，PT為電壓傳感器。三相逆變器由三組IGBT模塊并聯(lián)構(gòu)成，所述IGBT的型號為英飛凌FF450R17ME3。FF450R17ME3為一個雙管半橋模塊，內(nèi)部自帶溫敏電阻。它的上下橋臂由兩個IGBT組成，均帶有反并聯(lián)的續(xù)流二極管。模塊中IGBT的集射極之間的耐壓值為1700V，集電極最大允許的過流值達(dá)到450A且短時允許的過流值更高達(dá)900A。反并聯(lián)的續(xù)流二極管具有同樣的耐壓值以及過流的能力。該模塊的反并聯(lián)續(xù)流二極管的飽和壓降較小，正常工作運(yùn)行時功率損耗很低、發(fā)熱量也較小。由于IGBT模塊的開通與關(guān)斷受驅(qū)動信號控制，因此為了保障IGBT模塊的安全、可靠運(yùn)行應(yīng)滿足以下條件:(I)驅(qū)動功率和電壓的大小符合要求；(2) PWM信號有一定的死區(qū)時間；(3)具有完善的故障保護(hù)和箝位保護(hù)功能?；谏鲜鋈矫娴目紤]，我們最終選擇驅(qū)動板2SP0115T作為FF450R17ME3模塊的驅(qū)動器。逆變器輸出的電壓中，通常還存在開關(guān)頻率附近的高頻毛刺信號。若不進(jìn)行處理就接入到配電網(wǎng)中，將會對電網(wǎng)造成諧波污染。故通常采用輸出濾波器濾除高頻毛刺信號。目前，較為常見的輸出濾波器型式有L、LC、LCL和LCR型。對輸出濾波器進(jìn)行選取應(yīng)考慮輸出能力、使逆變器有較好的動態(tài)響應(yīng)、使輸出高頻毛刺盡量少等。考慮以上幾點(diǎn)，采用L型濾波器，取值為0.5mH。并網(wǎng)電阻的作用是防止并網(wǎng)瞬間的過電流，裝置選擇4Ω/150(Μ。
電容主要是為直流側(cè)提供一個穩(wěn)定的直流電壓。從理論上講電容值較大時對直流側(cè)電壓的穩(wěn)定越有利。但是電容值越大一方面增加了成本，另一方面會增大控制系統(tǒng)的慣性環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)的實時控制不利。選取直流側(cè)電容的參數(shù)為10000#，耐壓值900V。然而由于工藝水平的限值，單個電解電容的耐壓值只有450V，故最終選擇使用4個10000 βΡ電解電容，采用兩并兩串的聯(lián)結(jié)方式。如圖2所示為本實用新型采用控制芯片。由于需要控制逆變器實時檢測諧波及無功，并發(fā)出相應(yīng)電流補(bǔ)償電網(wǎng)，所以對控制系統(tǒng)的設(shè)計十分重要，它直接決定了其工作性能。由于對實時性要求很高，在工程應(yīng)用中常采用DSP控制器作為其控制系統(tǒng)。DSP數(shù)字信號處理器具有獨(dú)立的硬件結(jié)構(gòu)、完善的控制算法、良好的開發(fā)環(huán)境而得到廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)采用美國TI公司生產(chǎn)的SEED-DPS2812M控制器。該控制器是根據(jù)用戶需求進(jìn)行研發(fā)的低成本、32位定點(diǎn)DSP。其CPU的主頻高達(dá)150ΜΗΖ，具有非常強(qiáng)大的信號處理以及控制性能，中斷響應(yīng)的速度很快，能夠及時的對外部的異步事件進(jìn)行處理。DPS2812M控制器的片上資源相當(dāng)豐富，其主處理器通過對大量資源進(jìn)行整合，使得只需很少的外圍接口電路就可以滿足控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計要求。其特有的事件管理模塊EV方便生成IGBT控制所需的脈寬調(diào)制信號。片上的兩個串口 SCI方便用戶進(jìn)行人機(jī)交互操作系統(tǒng)的設(shè)計。此外，片上還有高速FLASH、雙口 RAM以及靜態(tài)RAM，方便用戶的調(diào)試以及程序的加密，保護(hù)設(shè)計人員的合法權(quán)益。此外，為了使其適用于控制系統(tǒng)，我們在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了過零檢測電路模塊、采樣信號調(diào)理電路模塊。如圖3為本裝置采用的過零檢測電路，主要包括采樣信號濾波、相位校正和輸入信號限幅三個環(huán)節(jié)。所述過零檢測電路包括依次連接的濾波模塊、移相模塊、電壓箝位電路和比較器，濾波模塊和移相模塊均采用LM324AD芯片。控制系統(tǒng)運(yùn)行時，需要獲取時序的基準(zhǔn)點(diǎn)，這個基準(zhǔn)點(diǎn)通常選擇電網(wǎng)A相電壓正向過零點(diǎn)。準(zhǔn)確、實時的捕獲過零點(diǎn)對DSP控制器的控制效果有很大影響。因此，過零檢測電路的設(shè)計相當(dāng)重要。電網(wǎng)A相電壓信號經(jīng)變送器T后變成3V左右的電壓信號，采用電壓跟隨和有源濾波電路濾除采樣信號中的毛刺信號。為了補(bǔ)償濾波環(huán)節(jié)造成的相位延遲，對濾波后的信號進(jìn)行了相角補(bǔ)償，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值，可以使補(bǔ)償相角在超前0°~90°范圍內(nèi)可調(diào)。反并聯(lián)二極管D1、D2構(gòu)成電壓箝位電路，用于保護(hù)比較器LM393。由于LM393A采用3.3V的電源供電，故可以將LM393A輸出的過零方波信號直接接至DSP芯片。如圖4所示，為本實用新型采用的采樣信號調(diào)理電路。A/D采樣信號的輸入范圍為-KT+10V，而DSP控制板上傳感器輸出信號的最大值只有2V左右。為了取得較好的采樣效果同時濾除采樣信號中的毛刺信號，需要對A/D采樣信號的輸入信號進(jìn)行調(diào)理。采樣電阻將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成一個電壓信號。采用RC低通濾波器濾除采樣信號中的毛刺信號后，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路變?yōu)?KT+10V范圍內(nèi)的信號，再接至DSP控制器的A/D采樣芯片。LM324輸入端并聯(lián)的二極管主要用于對采樣信號限幅，保護(hù)運(yùn)算放大器。如圖5所示為本實用新型采用的過壓保護(hù)電路。將直流側(cè)電壓采樣值與保護(hù)設(shè)定值進(jìn)行比較，輸出接保護(hù)繼電器。當(dāng)直流側(cè)電壓采樣值大于保護(hù)設(shè)定值時保護(hù)繼電器動作，裝置跳閘，保障設(shè)備安全。如圖6所示，為本實用新型采用的過流保護(hù)電路。將逆變器輸出電流的采樣值經(jīng)取樣電阻后轉(zhuǎn)換成電壓信號，采用RC低通濾波器濾除采樣信號中的毛刺信號后，再通過峰值檢波電路獲得輸出電流的最大峰值，然后與保護(hù)設(shè)定值進(jìn)行比較，輸出接保護(hù)繼電器。當(dāng)逆變器輸出電流的采樣值·大于保護(hù)設(shè)定值時保護(hù)繼電器動作，裝置跳閘。
權(quán)利要求1.一種適用于分布式發(fā)電的高電能質(zhì)量光伏逆變器，包括光伏陣列、三相逆變器、輸出濾波器、并網(wǎng)電阻、控制模塊，其特征在于，所述光伏陣列通過直流側(cè)電容與所述三相逆變器連接，所述三相逆變器依次通過輸出濾波器、斷路器接入電網(wǎng)，所述并網(wǎng)電阻并聯(lián)在所述輸出濾波器兩端；所述三相逆變器與所述控制模塊連接；所述控制模塊包括控制芯片、IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊、電壓保護(hù)電路、電流保護(hù)電路、采樣信號調(diào)理電路、過零檢測電路；所述過零檢測電路輸入端接入電網(wǎng)，所述過零檢測電路輸出端接入控制芯片；所述采樣信號調(diào)理電路輸入端與所述三相逆變器輸出端連接，所述采樣信號調(diào)理電路輸出端通過電流互感器、A/D轉(zhuǎn)換芯片接入控制芯片；所述電流保護(hù)電路和所述電壓保護(hù)電路輸入端分別輸入三相逆變器的輸出電流和直流側(cè)電容的電壓，所述電壓保護(hù)電路和所述電流保護(hù)電路輸出端通過繼電器與所述斷路器連接；所述控制芯片通過IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊與所述三相逆變器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于分布式發(fā)電的高電能質(zhì)量光伏逆變器，其特征在于，所述過零檢測電路包括依次連接的濾波模塊、移相模塊、電壓箝位電路和比較器，所述濾波模塊和移相模塊均采用LM324AD芯片，所述電壓箝位電路有兩個反并聯(lián)二極管組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于分布式發(fā)電的高電能質(zhì)量光伏逆變器，其特征在于，所述控制芯片型號為TMS320LF2812。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于分布式發(fā)電的高電能質(zhì)量光伏逆變器，其特征在于，所述三 相逆變器包括三組并聯(lián)的IGBT模塊，所述IGBT模塊型號為FF450R17ME3。
專利摘要本實用新型公開了一種適用于分布式發(fā)電的高電能質(zhì)量光伏逆變器,包括光伏陣列、三相逆變器、輸出濾波器、并網(wǎng)電阻、控制模塊，所述控制模塊包括控制芯片、IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊，電壓保護(hù)電路、電流保護(hù)電路、采樣信號調(diào)理電路、過零檢測電路。本實用新型充分利用了光伏逆變器的容量，在并網(wǎng)發(fā)電的同時進(jìn)行諧波治理及無功功率補(bǔ)償；保障了逆變器安全可靠的運(yùn)行；當(dāng)逆變器過電流，直流側(cè)過壓時，借助于電壓保護(hù)電路和電流保護(hù)電路，裝置可以迅速脫離整個濾波系統(tǒng)，確保了系統(tǒng)及操作人員的安全性，具有很好的實用價值。
文檔編號H02J3/01GK203103986SQ20132011039
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者羅安, 謝寧, 徐欣慰, 成佳富, 郭佳才, 田園, 徐千鳴 申請人:湖南大學(xué)