用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置及方法与流程

文档序号:12689258阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置,其特征在于:包括微处理器单元、全桥高频阵列单元、复合缓冲保护单元、功率变频单元、MOSFET/IGBT驱动单元、电压检测单元、电流检测单元、无线通讯单元、LC滤波器和上位机;

所述的微处理器单元用于处理电流检测单元和电压检测单元采集到的电流和电压信息,进而驱动MOSFET/IGBT驱动单元控制MOSFET和IGBT器件的通断,同时将采集到的电流电压信息传输到上位机,PC端记录电压和电流信息,为拓宽分布式电源并网的电压输入范围和输出功率等级分类提供保障;所述微处理器单元包括主控芯片、第一缓冲芯片和第二缓冲芯片;所述MOSFET/IGBT驱动单元通过第一缓冲芯片与主控芯片连接,所述电流检测单元和电压检测单元均通过第二缓冲芯片与主控芯片连接,所述无线通讯单元直接与所述主控芯片连接;

所述全桥高频阵列单元包括五个结构相同的全桥高频稳压电路,设于两根直流母线上,用于拓宽分布式电源并网的电压输入范围;所述的全桥高频阵列单元包括三个输入端和一个输出端,所述的高频阵列单元的第一输入端通过电流检测单元和电压检测单元连接作为分布式并网电源的储能变换电池,所述全桥高频阵列单元的第二输入端连接所述MOSFET/IGBT驱动单元输出端,所述全桥高频阵列单元的第三输入端连接微处理器单元的第二输出端,所述全桥高频阵列单元的输出端连接复合缓冲单元的第一输入端;

所述复合缓冲保护单元包括两个结构相同的第一复合缓冲电路和第二复合缓冲电路,分别设于两根母线I和II上,用于抑制IGBT器件通断时母线上尖峰电压;所述复合缓冲保护单元包括两个输入端和两个输出端,所述复合缓冲保护单元的第一输入端连接高频阵列单元的输出端,所述复合缓冲保护单元的第二输入端连接所述MOSFET/IGBT驱动单元的输出端,所述复合缓冲保护单元的第一输出端连接电流检测单元的输入端,所述复合缓冲保护单元的第二输出端连接功率变频单元的第一输入端;

所述功率变频单元用于将母线侧直流电压转变为电网侧交流电压,包括6个结构相同的子单元,各子单元的电路结构均与所述第一或第二复合缓冲电路的电路结构相同;

所述MOSFET/IGBT驱动单元包括驱动芯片及外围保护电路,用于将微处理器单元输出信号进行升压处理,进而达到控制MOSFET和IGBT器件栅极所需电压;

所述电压检测单元用于检测复合缓冲保护单元、高频阵列单元第一输入端和功率变频单元三路输出端的电压,包括两组电路结构相同的电压检测电路;

所述电流检测单元用于检测变换装置中待检测点的电流是否超出或低于预设电流阈值范围,包括桥臂直通电流检测单元、母线电流检测单元和负载电流检测单元,所述桥臂直通故障电流检测单元的检测电路为分散过流保护电路,用于检测复合缓冲单元和功率变频单元中待检测点的桥臂直通电流是否超过预设电流值,所述母线电流检测单元和负载电流检测单元的检测保护电路均为集中过流保护电路,所述母线电流检测单元用于检测直流母线待检测点的电流是否超过预设电流阈值范围,且在两根母线上分别设有一个母线电流检测单元,所述负载电流检测单元用于检测负载连接线上待检测点的电流是否超过预设电流阈值范围;

所述无线通讯单元用于将微处理单元的信号无线传输给上位机;

所述LC滤波器用于滤除功率变频单元产生的谐波,包括三组LC滤波电路,所述三组LC滤波电路的输入端分别连接所述功率变频单元的三路输出端,所述三组LC滤波电路的输出端分别连接电网的三相线;

所述上位机为手机和电脑PC,用于实时监测装置的电压、电流和功率信息,同时能通过发送指令控制IGBT器件的通断。

2.根据权利要求1所述的用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置,其特征在于:所述全桥高频稳压电路包括高压母线滤波电容、第一MOSFET器件、第二MOSFET器件、第三MOSFET器件、第四MOSFET器件、高频全桥升压变压器、第一选择开关器、第一反向二极管、第二反向二极管、第三反向二极管和第四反向二极管;所述高压母线滤波电容的两端作为所述高频阵列单元的第一输入端,连接作为分布式发电系统的储能装置,同时连接电压检测单元的输入端;所述第一MOSFET器件和第二MOSFET器件的漏极同时连接高压母线滤波电容的一端,所述第一MOSFET器件的源极同时连接高频全桥升压变压器的异名输入端和第第四MOSFET器件的漏极,所述第二MOSFET器件的源极同时连接高频全桥升压变压器的同名输入端和第三MOSFET器件的漏极,所述第三MOSFET器件和第四MOSFET器件的源极同时连接高压母线滤波电容的另一端;所述第一MOSFET器件、第二MOSFET器件、第三MOSFET器件和第四MOSFET器件的栅极作为高频阵列单元的第二输入端,连接MOSFET/IGBT驱动单元的输出端;所述高频全桥升压变压器的同名输出端同时连接第三反向二极管的阴极和第四反向二极管的阳极,所述高频全桥升压变压器的异名输出端连接第一选择开关器的第一输入端;所述第一选择开关器的信号引脚2作为高频阵列单元的第三输入端,连接微处理器单元的第二输出端;所述第一选择开关器的输出端同时连接第一反向二极管的阳极和第二反向二极管的阴极;所述的第一反向二极管的阴极和第四反向二极管的阴极连接,作为该全桥高频稳压电路的第一输出端,所述第二反向二极管的阳极和第三反向二极管的阳极连接,作为该全桥高频稳压电路的第二输出端;五个结构相同的全桥高频稳压电路通过前一个全桥高频稳压电路的第二输出端与相邻的下一个全桥高频稳压电路的第一输出端相连接的方式进行串联,前一个全桥高频稳压电路的第一选择开关器的串联转接端1与下一个全桥高频稳压电路中高频全桥升压变压器的同名输出端连接;第一个全桥高频稳压电路的第一输出端和第五个全桥高频稳压电路的第二输出端共同作为全桥高频阵列单元的一对输出端,连接复合缓冲单元的第一输入端。

3.根据权利要求2所述的用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置,其特征在于:所述第一复合缓冲电路包括第一IGBT器件、第一电阻、第六电容、第一电感、第二十一反向二极管、第二十二反向二极管;所述第一电感的一端作为所述复合缓冲保护单元的第一输入端,连接全桥高频阵列单元的输出端,同时连接第二十一反向二极管的阴极,所述第一电感的另一端连接第一IGBT器件的集电极、第一电阻的一端、第二十一反向二极管的阳极和第二十二反向二极管的阳极,所述第一IGBT器件的发射极连接第二十二反向二极管的阴极、第一电阻的另一端、第六电容的正极、功率变频单元的第一输入端,所述第六电容的负极作为复合缓冲保护单元的第二输出端,连接第一IGBT器件的发射极和功率变频单元的第一输入端,第一IGBT器件的门极作为复合缓冲保护单元的第二输入端,连接MOSFET/IGBT驱动单元的输出端;所述的第一IGBT器件的集电极作为复合缓冲单元的第一输出端,连接电流检测单元的输入端、高频阵列单元的输出端。

4.根据权利要求3所述的用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置,其特征在于:所述功率变频单元还包括第八电容;各子单元的IGBT器件的门极均作为功率变频单元的第二输入端,连接IGBT驱动单元的输出端;各子单元中的电感的一端分别作为相应子单元的输入端;各子单元中的IGBT器件的发射极分别作为相应子单元的输出端;所述6个结构相同的子单元中的第一子单元、第三子单元、第五子单元的输入端连接于一点,作为功率变频单元的第一输入端的正极,连接与母线I相连的第一复合缓冲电路的第二输出端;所述6个结构相同的子单元中的第二子单元、第四子单元、第六子单元的输出端连接于一点,作为功率变频单元的第一输入端的负极,连接与母线II相连的第二复合缓冲电路的第二输出端;所述第八电容连接于第一子单元的输入端与第二子单元的输出端之间;所述6个结构相同的子单元中的第一子单元、第三子单元、第五子单元的输出端分别对应连接第二子单元、第四子单元、第六子单元的输入端,并分别作为功率变频单元的三路输出端。

5.根据权利要求4所述的用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置,其特征在于:所述MOSFET/IGBT驱动单元的外围电路包括第一二极管、第九电容、第十电容、限流电阻、缓冲电阻、反馈电阻、晶体管和光耦;驱动芯片的6脚连接第一二极管的阳极,第一二极管的阴极连接被驱动IGBT器件的集电极和MOSFET器件的漏极,驱动芯片的2脚同时连接15V电源、第九电容正极和反馈电阻的一端,驱动芯片的3脚同时连接第十电容的正极和缓冲电阻的一端;缓冲电阻的另一端作为IGBT驱动单元的输出端,连接被驱动IGBT器件的门极和MOSFET器件的栅极;第九电容和第十电容的负极同时连接被驱动IGBT器件的发射极、MOSFET器件的源极和驱动芯片的1脚,驱动芯片的15脚连接限流电阻的一端,限流电阻的另一端连接15V电源,驱动芯片的14脚连接晶体管的集电极,晶体管的发射极与光耦的1脚相连,晶体管的栅极连接微处理器单元的第一缓冲芯片,驱动芯片的5脚与光耦的4脚相连,光耦的3脚连接反馈电阻的另一端,光耦的2引脚连接微处理器单元。

6.根据权利要求1所述的用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置,其特征在于:所述电压检测单元包括铁芯及信号处理电路,其中铁芯分隔口处设有一个霍尔元件,用于将铁芯的磁通信号转换成电信号,信号处理电路包括运放芯片、第一三极管、第二三极管、测量电阻;运放芯片的同向输入端连接霍尔元件的一端,运放芯片的反相输入端连接霍尔元件的另一端,运放芯片的电源正极同时连接电源+VCC和第一三极管的集电极,运放芯片的4脚同时连接电源-VCC和第二三极管的发射极,运放芯片的5脚同时连接第一三极管的基极和第二三极管的基极,第一三极管的发射极同时连接铁芯副边线圈的一端和第二三极管的集电极,铁芯副边线圈的另一端通过测量电阻接地。

7.根据权利要求5所述的用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置,其特征在于:所述分散过流保护电路用于检测复合缓冲单元和功率变频单元中的IGBT器件构成的桥臂直通电流,包括第一电压比较器、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻、第二二极管和第三二极管和第一可调电位器;所述第一电压比较器的同向输入端连接第四电阻的一端和第二二极管的阳极,第二二极管的阴极作为分散过流保护电路的输入端,连接功率变频单元中各IGBT器件的集电极;第三电阻的一端连接+15V直流电源,另一端连接第四电阻的另一端和第一可调电位器的一个固定端;第一可调电位器的另一个固定端接地,第一可调电位器的滑动端与第五电阻的一端相连,第五电阻的另一端连接第一电压比较器的反向输入端;第一电压比较器的电源正极连接15V直流电源、第六电阻的一端、MOSFET/IGBT驱动单元的驱动芯片的引脚2;第一电压比较器的电源负极接地,第一电压比较器的信号输出端与第六电阻的另一端和第三二极管的阴极相连,第三二极管的阳极作为分散过流保护电路的输出端,连接MOSFET/IGBT驱动单元的驱动芯片的引脚6,第一电压比较器的信号输出端连接微处理器单元的第二缓冲芯片。

8.根据权利要求5所述的用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置,其特征在于:所述集中过流保护电路包括霍尔电流传感器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第二可调电位器、第十一电容、第十二电容和第二电压比较器;霍尔电流传感器安装于被检测点的连接线上,霍尔电流传感器的信号输出端与第二电压比较器的同向输入端相连;第七电阻与第十二电容并联然后一端接地,另一端连接第二电压比较器的同向输入端,进行信号滤波;第二可调电位器一个固定端接入15V电源,另一个固定端接地,滑动端与第二电压比较器的反向输入端相连,提供反馈电压;第八电阻一端接入5V电源作为上拉电阻,另一端连接第二电压比较器的信号输出端和第九电阻一端;第九电阻的另一端作为集中过流保护电路的一个输出端口,与微处理器单元的第二缓冲芯片连接,同时连接第十一电容的一端,第十一电容的另一端接地;第九电阻和第十一电容构成RC延迟电路。

9.根据权利要求1所述的用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置,其特征在于:该装置中各所述单元的供电部分均由具有多路电压输出(输出±15V、5V、3.3V电压)的开关电源提供。

10.一种用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换的方法,该方法通过权利要求1所述的用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置实现,其特征在于:该方法包括以下步骤:

步骤1、采用微处理器单元控制全桥高频阵列单元、复合缓冲保护单元、功率变频单元和MOSFET/IGBT驱动单元的内部元件,使整个电压输入变换装置处于运行状态,具体方法为:

步骤1.1、采用微处理器单元发出SPWM(即正弦脉宽调制)信号;

步骤1.2、通过MOSFET/IGBT驱动单元进行升压处理,将SPWM电压信号幅值升到15V;

步骤1.3、分别驱动全桥高频阵列单元的MOSFET器件、复合缓冲单元和功率变频单元的IGBT器件,使各MOSFET和IGBT器件交替导通,使用于分布式电源并网的宽范围电压输入变换装置处于正常运行状态;

步骤2、进行电流和电压的数据采集和记录,具体方法为:

步骤2.1、同时采用电压检测单元、电流检测单元中的分散过流保护电路、集中过流保护电路对全桥高频阵列单元前端的电压、复合缓冲保护单元和功率变频单元的电流和电压进行实时采集;

电压检测单元产生一路信号,送给微处理器单元,当电压出现波动超过第一预设输入电压范围时,促使MOSFET器件占空比的改变,改变全桥高频阵列单元的输出电压,避免由于输入电压的波动对输出电压的影响;

母线电流检测单元和负载电流检测单元中的集中过流保护电路产生的电平信号经过RC延迟电路的延迟送给MOSFET/IGBT驱动单元的驱动芯片和微处理器单元;

步骤2.2、微处理器单元采集记录各路电流和电压数据,实时构建待检测端电压与检测支路的关系曲线图;

步骤3、微处理器单元判断电流值是否超过第一预设电流阈值,待检测端的电压是否超过第一预设输入电压范围,若第一预设电流阈值和第一预设输入电压范围中任意一者被超过或两者同时超过,则说明系统出现故障,判断故障类别为电压故障或电流故障,执行步骤4,否则系统工作正常,返回执行步骤2;

步骤4、当出现电压故障时,微处理器单元产生控制信号并发送给全桥高频阵列单元相应MOSFET器件,根据电压变化范围,线性调节驱动MOSFET器件信号占空比,自适应改变全桥高频阵列单元的输出电压;当出现电流故障时,微处理器单元产生控制信号并发送至出现故障的相应单元中,对出现故障的单元的IGBT器件进行缓降栅压;微处理器单元同时记录下故障电流的位置,产生相应的编号,将故障记录经过无线通讯单元发送短信至手机,报告微处理器单元判断出的故障信息,并发出故障中级警报信号,将故障传输给电脑PC上位机;电脑PC上位机将现有故障和电脑数据库中所存储的故障进行对比,确定故障电流的类型和位置;

步骤5、微处理器对故障电流电压检测进一步判别,判断电流值是否超过第二预设电流阈值,待检测端电压是否超过第二预设电压阈值范围,其中第二预设电流阈值大于第一预设电流阈值,第二预设输入电压范围的端值大于第一预设输入电压范围,若第二预设电流阈值和第二预设输入电压范围中任意一者被超过或两者同时被超过,则认定对应位置发生严重欠压、短路或过流故障,执行步骤6,否则返回步骤2;

步骤6、微处理器单元发出控制信号,封锁输入信号,关断发生严重欠压、短路或过流故障的单元中的MOSFET或IGBT器件,将故障信息通过无线通讯单元连续不断的发送短信至用户手机,同时微处理器单元产生故障严重警报信号,将故障传输给电脑PC上位机。

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