專利名稱：一種高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)，具體是一種高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
技術(shù)背景[0002]隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，太陽能的開發(fā)和利用受到世界各國的普遍關(guān)注。太陽能光伏發(fā)電是新能源和可再生能源的重要組成部分，被認(rèn)為是當(dāng)前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，各發(fā)達(dá)國家投入巨額資金開發(fā)研究，并大力拓展市場應(yīng)用。[0003]光伏發(fā)電在能源中的替代功能愈來愈強(qiáng)大，主要表現(xiàn)在并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用比例快速增加。目前光伏并網(wǎng)發(fā)電占世界光伏發(fā)電市場份額的80%以上，成為光伏發(fā)電的主導(dǎo)市場。 光伏并網(wǎng)發(fā)電是大規(guī)模發(fā)展光伏電力的必然之路。[0004]光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電，并且實(shí)現(xiàn)既向負(fù)載供電，又向電網(wǎng)發(fā)電的一個(gè)系統(tǒng)。按是否允許光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率饋入電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)模式可分為直接并網(wǎng)模式和帶功率流向檢測的并網(wǎng)模式。直接并網(wǎng)模式為國際上普遍采用的并網(wǎng)方式。[0005]并網(wǎng)系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器。常用的電壓型逆變電路有半橋逆變電路、全橋逆變電路、多電平逆變電路等。并網(wǎng)逆變器直流側(cè)需要足夠高的直流側(cè)電壓，因而需要Boost升壓電路進(jìn)行DC/ DC變換。目前國內(nèi)光伏并網(wǎng)逆變器在技術(shù)方面存在效率較低、可靠性低、不適合室外使用的缺點(diǎn)。實(shí)用新型內(nèi)容[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制、過/欠電壓或者過/欠電流等故障診斷、觸摸液晶屏數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新顯示。[0007]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括IPM模塊、IPM驅(qū)動(dòng)電路、控制系統(tǒng)、LC濾波電路、保護(hù)電路、死區(qū)生成電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，IPM模塊由DC/DC升壓電路和DC/AC逆變器連接構(gòu)成，DC/DC升壓電路與光伏陣列模塊連接，DC/AC逆變器與濾波電路連接，IPM驅(qū)動(dòng)電路與DC/DC升壓電路、DC/AC逆變器連接，死區(qū)生成電路與IPM驅(qū)動(dòng)電路、控制系統(tǒng)連接，保護(hù)電路與控制系統(tǒng)、DC/AC逆變器連接，控制系統(tǒng)與IPM模塊并聯(lián)，繼電器驅(qū)動(dòng)電路與控制系統(tǒng)連接，濾波電路接入電網(wǎng)；所述控制系統(tǒng)包括DSP處理器、觸摸液晶顯示屏、LED指示燈、直流側(cè)電壓檢測電路、交流電流檢測電路、光伏電流檢測電路、光伏電壓檢測電路、交流電壓檢測電路、過零捕獲電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、故障檢測電路，觸摸液晶顯示屏、LED指示燈、過零捕獲電路、A/D轉(zhuǎn)換器、故障檢測電路、IPM驅(qū)動(dòng)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路與DSP處理器連接，直流側(cè)電壓檢測電路、交流電流檢測電路、光伏電流檢測電路、光伏電壓檢測電路、交流電壓檢測電路與A/D轉(zhuǎn)換器連接，直流側(cè)電壓檢測電路、交流電流檢測電路與故障檢測電路連接，交流電壓檢測電路與過零捕獲電路連接。[0008]所述DSP處理器型號(hào)為TMS320F2812。[0009]所述IPM模塊型號(hào)為PM50B5LA060。[0010]所述光伏電流檢測電路采用LA25-NP電流傳感器。[0011]所述IPM驅(qū)動(dòng)電路采用TLP521-1光耦芯片和HCPL-0466光耦芯片，TLP521-1光耦芯片、HCPL-0466光耦芯片與IPM模塊信號(hào)進(jìn)線接口連接。[0012]所述保護(hù)電路包括直流側(cè)電壓保護(hù)電路，直流側(cè)電壓保護(hù)電路采用LM393雙電壓比較器集成電路和TLP-521芯片，LM393雙電壓比較器集成電路與TLP-521芯片串聯(lián)。[0013]所述濾波電路為LC濾波電路。[0014]所述直流側(cè)電壓檢測電路包括兩個(gè)運(yùn)算放大器、光耦芯片，第一個(gè)運(yùn)算放大器、光耦芯片、第二個(gè)運(yùn)算放大器依次連接；所述第一個(gè)運(yùn)算放大器為LM258放大器，第二個(gè)放大器為LM3M放大器，所述光耦芯片為HCNR201模擬光隔芯片。[0015]所述過零捕獲電路包括π型濾波電路、反并聯(lián)二極管電路、LM393雙電壓比較器集成電路，η型濾波電路、反并聯(lián)二極管電路、LM393雙電壓比較器集成電路依次連接。[0016]所述死區(qū)生成電路包括74LS08集成電路和LL4148 二極管，74LS08集成電路與一個(gè)電阻組成回路，LL4148與電容連接，電容接地，LL4148與電阻并聯(lián)。[0017]光伏陣列模塊、IPM模塊和LC濾波電路依次連接構(gòu)成本實(shí)用新型發(fā)電系統(tǒng)的主電路。[0018]本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型的發(fā)電系統(tǒng)可以可靠地向電網(wǎng)輸送有功功率，并且并網(wǎng)電流畸變率低，能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤控制、過/欠電壓或者過/欠電流等故障診斷、觸摸液晶屏數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新顯示等。
[0019]圖1是本實(shí)用新型一實(shí)施例高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；[0020]圖2是本實(shí)用新型一實(shí)施例高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；[0021]圖3是本實(shí)用新型一實(shí)施例主電路原理圖；[0022]圖4是本實(shí)用新型一實(shí)施例直流側(cè)電壓檢測電路原理圖；[0023]圖5是本實(shí)用新型一實(shí)施例光伏電流檢測電路原理圖；[0024]圖6是本實(shí)用新型一實(shí)施例過零捕獲電路原理圖；[0025]圖7是本實(shí)用新型一實(shí)施例死區(qū)生成電路原理圖；[0026]圖8是本實(shí)用新型一實(shí)施例IPM模塊驅(qū)動(dòng)電路原理圖；[0027]圖9是本實(shí)用新型一實(shí)施例直流側(cè)電壓保護(hù)電路原理圖；[0028]其中[0029]1 光伏陣列；2 光伏空開；3 濾波線圈；4 壓敏電阻；5 聚丙烯電容；6 觸發(fā)板； 7 無感電容；8 電流傳感器；9 繼電器；10 電壓傳感器；11 =EMI濾波器；12 并網(wǎng)開關(guān)； 13 電網(wǎng)；14 :LC濾波電路。
具體實(shí)施方式
[0030]如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型一實(shí)施例包括光伏陣列模塊、IPM模塊、控制系統(tǒng)、LC濾波電路、死區(qū)生成電路、IPM驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，其中，保護(hù)電路包含直流側(cè)電壓保護(hù)電路和交流電流保護(hù)電路兩部分。數(shù)字信號(hào)處理器DSP配置了獨(dú)立的硬件運(yùn)算結(jié)構(gòu)，提供了完善的軟件算法，CPU采用多處理單元、哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作以及快速的指令周期，DSP擁有良好的仿真開發(fā)環(huán)境，軟件操作靈活，更加強(qiáng)調(diào)了對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和快速計(jì)算。整個(gè)控制系統(tǒng)如圖所示，除了主處理器模塊，還包含有A/D采樣模塊、過零電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊、觸摸屏液晶顯示模塊、PWM脈沖觸發(fā)模塊、JTAG調(diào)試模塊，為了提高A/D轉(zhuǎn)換精度，本實(shí)用新型選用片外A/D芯片AD7656，它具有6路獨(dú)立ADC通道，雙極性模擬量輸入范圍士 10V。[0031]如圖3所示，是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電路原理圖，Boost電路儲(chǔ)能電感取值為2mH， 允許通過的最大電流為10A，此電感時(shí)應(yīng)工作在連續(xù)導(dǎo)通的狀態(tài)；直流側(cè)電容選擇的參數(shù)設(shè)計(jì)為450V，3000uF，實(shí)際中可用三個(gè)450V，IOOOuF的電容并聯(lián)代替；輸出濾波器采用的是二階低通LC濾波器，電感L的大小決定了輸出電流的紋波大小，又因本實(shí)用新型中逆變器采用的是SPWM調(diào)制，L取值為5mH ；L和C的諧振頻率決定了 C的取值，C取值為3. 3uF0實(shí)際中使用兩個(gè)相同大小的電感組成對稱的LC電路，所以每個(gè)電感取值為2. 5mH。緩沖電阻工作在初始時(shí)的反向整流狀態(tài)，其額定功率為10W。系統(tǒng)中用到5個(gè)電壓/電流傳感器(附圖3中畫出三個(gè))，構(gòu)成光伏電壓、光伏電流、直流側(cè)電壓、并網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流的采樣調(diào)理電路，將數(shù)據(jù)輸入到DSP芯片中進(jìn)行采樣。附圖3中CTl和CT2分別是測量光伏電流和并網(wǎng)電流的電流傳感器，PTl為測量電網(wǎng)電壓的電壓傳感器。[0032]如圖4所示，是直流側(cè)電壓檢測電路原理圖。光伏電壓和直流側(cè)電壓的檢測通過電阻分壓和模擬光電隔離實(shí)現(xiàn)，這樣既降低了成本，又可以減少硬件體積。采用模擬光隔芯片HCNR201的直流電壓檢測電路原理圖如圖所示，運(yùn)算放大器Al選用LM258，放大器A2選用LM324，兩個(gè)運(yùn)算芯片使用相互隔離的15V電源和地。根據(jù)HCNR201的工作原理，選用合適的Rl和R2阻值，即可使V0UT/VIN的值基本為一定值，即直流電壓檢測電路有較好的線性度。[0033]如圖5所示，是光伏電流檢測電路原理圖。測量光伏電流所用的傳感器為多量程電流傳感器LA25-NP，電流在原邊回路和副邊回路之間是絕緣的，可用于測量直流、交流、脈沖和混合性電流。本實(shí)用新型中并網(wǎng)電流的檢測調(diào)理所用的電流傳感器仍為LA25-NP，傳感器接法相同，檢測原理類似。[0034]如圖6所示，是過零捕獲電路原理圖。過零捕獲電路是為檢測電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)而設(shè)計(jì)，目的是產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同步的方波信號(hào)。檢測到的電網(wǎng)電壓交流信號(hào)首先經(jīng)過一級(jí)電壓跟隨提高輸入阻抗，η型濾波電路濾除干擾毛刺，反并聯(lián)二極管組成鉗位電路將電壓鉗位在-0. 7V +0. 7V之間，最后經(jīng)過LM393同零電位比較后得到電壓過零方波信號(hào)CAP。 該信號(hào)由DSP的CAP單元捕獲，在下降沿觸發(fā)CAP中斷請求，中斷程序中校正輸出指令電流使之與電網(wǎng)電壓同步。[0035]如圖7所示，是死區(qū)生成電路圖。由于IPM模塊禁止同橋臂功率管同時(shí)導(dǎo)通，且要求阻礙同橋臂同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間(即死區(qū)時(shí)間)大于等于2us。TMS320F2812可以通過軟件設(shè)置死區(qū)時(shí)間，但為了提高系統(tǒng)的安全性，設(shè)計(jì)了硬件死區(qū)生成電路，其死區(qū)時(shí)間是電容兩端電壓從OV到0. 86V的充電時(shí)間，即是一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)。[0036]如圖8所示，是IPM模塊驅(qū)動(dòng)電路圖。驅(qū)動(dòng)電路起到將控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)電4/4頁平和功率放大的作用。DSP芯片輸出兩路信號(hào)，其高電平為3. 3V。一路信號(hào)經(jīng)反相器和死區(qū)電路得到驅(qū)動(dòng)IPM模塊橋臂上下兩個(gè)IGBT的信號(hào)，另一路信號(hào)也經(jīng)反相器和死區(qū)電路得到驅(qū)動(dòng)IPM模塊另一橋臂上下兩個(gè)IGBT的信號(hào)。此時(shí)轉(zhuǎn)變輸出信號(hào)高電平為5V，但仍與 IPM模塊15V驅(qū)動(dòng)電平不兼容，選用光耦芯片HCPL-0466隔離開，如圖所示。 如圖9所示，是直流側(cè)電壓保護(hù)電路原理圖。圖中，輸入端UAD輸入的是直流電壓檢測電路調(diào)理之后的信號(hào)，與直流電壓保護(hù)整定值比較后，經(jīng)光電耦合器TLP521實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換輸入DSP。
權(quán)利要求1.一種高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏陣列模塊、IPM模塊、IPM驅(qū)動(dòng)電路、控制系統(tǒng)、濾波電路、保護(hù)電路、死區(qū)生成電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，IPM模塊由DC/DC升壓電路和DC/AC逆變器連接構(gòu)成，其特征在于，DC/DC升壓電路與光伏陣列模塊連接，DC/AC逆變器與濾波電路連接，IPM驅(qū)動(dòng)電路與DC/DC升壓電路、DC/AC逆變器連接，死區(qū)生成電路與IPM驅(qū)動(dòng)電路、控制系統(tǒng)連接，保護(hù)電路與控制系統(tǒng)、DC/AC逆變器連接，控制系統(tǒng)與IPM模塊并聯(lián)，繼電器驅(qū)動(dòng)電路與控制系統(tǒng)連接，濾波電路接入電網(wǎng)；所述控制系統(tǒng)包括DSP處理器、觸摸液晶顯示屏、LED指示燈、直流側(cè)電壓檢測電路、交流電流檢測電路、光伏電流檢測電路、光伏電壓檢測電路、交流電壓檢測電路、過零捕獲電路、A/D轉(zhuǎn)換器、故障檢測電路，LED指示燈、過零捕獲電路、A/D轉(zhuǎn)換器、故障檢測電路、IPM驅(qū)動(dòng)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路與DSP處理器連接，觸摸液晶顯示屏與DSP處理器雙向連接，直流側(cè)電壓檢測電路、交流電流檢測電路、光伏電流檢測電路、光伏電壓檢測電路、交流電壓檢測電路與A/D轉(zhuǎn)換器連接，直流側(cè)電壓檢測電路、交流電流檢測電路與故障檢測電路連接，交流電壓檢測電路與過零捕獲電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述DSP處理器型號(hào)為TMS320F2812。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述IPM模塊型號(hào)為PM50B5LA060。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述光伏電流檢測電路采用LA25-NP電流傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述IPM驅(qū)動(dòng)電路采用TLP521-1光耦芯片和HCPL-0466光耦芯片，TLP521-1光耦芯片、HCPL-0466光耦芯片與IPM模塊信號(hào)進(jìn)線接口連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述保護(hù)電路包括直流側(cè)電壓保護(hù)電路，直流側(cè)電壓保護(hù)電路采用LM393雙電壓比較器集成電路和TLP-521芯片，LM393雙電壓比較器集成電路與TLP-521芯片串聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述濾波電路為LC濾波電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述直流側(cè)電壓檢測電路包括兩個(gè)運(yùn)算放大器、光耦芯片，第一個(gè)運(yùn)算放大器、光耦芯片、第二個(gè)運(yùn)算放大器依次連接；所述第一個(gè)運(yùn)算放大器為LM258放大器，第二個(gè)放大器為LM3M放大器，所述光耦芯片為HCNR201模擬光隔芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述過零捕獲電路包括η型濾波電路、反并聯(lián)二極管電路、LM393雙電壓比較器集成電路，π型濾波電路、反并聯(lián)二極管電路、LM393雙電壓比較器集成電路依次連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述死區(qū)生成電路包括74LS08集成電路和LL4148 二極管，74LS08集成電路與一個(gè)電阻組成回路，LL4148與電容連接，電容接地，LL4148與電阻并聯(lián)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高頻光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏陣列模塊、IPM模塊、IPM驅(qū)動(dòng)電路、控制系統(tǒng)、濾波電路、保護(hù)電路、死區(qū)生成電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，采用光伏輸出電壓作為供電電源，采用液晶觸屏顯示系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與運(yùn)行狀態(tài)，并控制開關(guān)機(jī)，本實(shí)用新型的發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電流畸變率低、系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性較高、系統(tǒng)工作噪聲較低，對于今后太陽能的進(jìn)一步開發(fā)利用具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H02N6/00GK202333835SQ20112046248
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者張慶海, 徐欣慰, 沈瑤, 羅安, 謝三軍, 陳燕東 申請人:湖南大學(xué)