一种太阳能自动并网逆变器及其控制方法与流程

本发明属于太阳能并网技术领域，具体涉及一种太阳能自动并网逆变器及其控制方法。

背景技术：

随着社会的快速发展，能源紧张和各种污染成了人类亟待解决的问题，为了解决能源紧张问题，人们开发出了太阳能等，电力电子技术的快速发展，太阳能并网逆变系统的出现，解决了能源的采集和并网运输问题，同时也带来了一些其他问题：如太阳能并网逆变系统的高频干扰污染电网的问题、孤岛效应引起的系统稳定问题和控制系统复杂、成本高，不支持热插拔，不适合小型的、分散的能源采集与并网。比如家用的楼顶太阳能发电系统中能量回馈并网。现有的太阳能自动并网逆变器中，中小型逆变器还是空白，而大型的逆变器系统结构复杂，不支持热插拔，且成本高。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的太阳能自动并网逆变器及其控制方法解决了现有的太阳能逆变器结构复杂、不支持热插拔成本高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种太阳能自动并网逆变器，包括mcu控制器、太阳能发电板、蓄电池组、自动并网逆变电路和逆变隔离防倒灌电路；

所述mcu控制器分别与太阳能发电板和自动并网逆变电路连接；

所述太阳能发电板分别与蓄电池组和自动并网逆变电路连接，所述自动并网逆变电路通过逆变隔离防倒灌电路与城市电网连接；

所述自动并网逆变电路包括自动同步并网全桥逆变驱动芯片、市电同步驱动dc/ac子电路、失载过冲保护子电路和市电采样子电路；

所述自动同步并网全桥逆变驱动芯片分别与市电同步驱动dc/ac子电路、失载过充保护子电路、市电采样子电路和mcu控制器连接。

进一步地，所述太阳能自动并网逆变器还包括与mcu控制器连接的电流泵电路，所述电流泵电路包括霍尔电流传感器、dac子电路、变压器、整流器和驱动ic；

所述变压器的原边绕组与驱动ic连接，所述变压器的副边绕组与整流器的输入端连接，所述整流器的输出端与市电同步驱动dc/ac子电路连接；

所述mcu控制器通过霍尔电流传感器与太阳能发电板连接，所述霍尔电流传感器还与驱动ic的电流控制端口连接，所述太阳能发电板还与变压器的原边绕组连接；

所述驱动ic的电流控制端口通过dac子电路与mcu控制器连接，所述驱动ic的电压控制端口与mcu控制器连接。

进一步地，所述自动同步并网全桥逆变驱动芯片包括供电网络、桥式隔离驱动网络、波形整形驱动网络和隔离控制网络；

所述桥式隔离驱动网络和波形整形驱动网络连接，所述供电网络分别与桥式隔离驱动网络、波形整形驱动网络和隔离控制网络连接，所述桥式隔离驱动网络还与隔离控制网络连接；

所述桥式隔离驱动网络包括光耦u1、光耦u2、光耦u3和光耦u4；

所述光耦u1的发光二极管、光耦u2的发光二极管、光耦u3的发光二极管和光耦u4的发光二极管通过桥式连接法连接；

所述光耦u1的发光二极管的正极、光耦u3的发光二极管的正极、光耦u2的发光二极管的负极和光耦u4的发光二极管的负极均与隔离控制网络连接；

所述隔离控制网络包括光耦u5；

所述光耦u5的三极管的集电极分别与光耦u2的发光二极管的负极和光耦u4的发光二极管的负极连接；

所述光耦u5的发光二极管的负极接地，光耦u5的发光二极管的正极分别与电阻r72的一端和二极管d16的正极连接，所述电阻r72的另一端分别与运算放大器ic11的输出端和电阻r73的一端连接，所述电阻r73的另一端与供电网络连接；

所述运算放大器ic11的电源输入端与电阻r64的一端连接，所述电阻r64的另一端分别与电阻r70一端和精密稳压器ic10的负极连接，所述电阻r70的另一端分别与电阻r71和运算放大器ic11的同相输入端连接，所述电阻r71的另一端分别与运算放大器ic11的接地端和精密稳压器ic10的正极连接并接地，所述精密稳压器ic10的负极与其控制端连接；

所述运算放大器ic11的反相输入端分别与供电网络，所述电阻r73的另一端和电阻r74的一端连接，电阻r74的另一端与供电网络连接；

所述运算放大器的ic11的电源输入端还与供电网络连接；

所述波形整形驱动网络包括三极管q8、三极管q9、三极管q10和三极管q11；

所述三极管q8的集电极与光耦u1的三极管的集电极连接，所述三极管q8的基极与二极管d12的正极连接，所述二极管d12的负极与光耦u1的三极管的发射极连接，三极管q8的发射极还通过电阻r28与其基极连接；

所述三极管q9的集电极与光耦u2的三极管的集电极连接，所述三极管q9的基极与二极管d13的正极连接，所述二极管d13的负极与光耦u2的三极管的发射极连接，三极管q9的发射极还通过电阻r31与其基极连接；

所述三极管q10的集电极与光耦u3的三极管的集电极连接，所述三极管q10的基极与二极管d14的正极连接，所述二极管d14的负极与光耦u3的三极管的发射极连接，三极管q10的发射极还通过电阻r36与其基极连接；

所述三极管q11的集电极与光耦u4的三极管的集电极连接，所述三极管q11的基极与二极管d15的正极连接，所述二极管d15的负极与光耦u4的三极管的发射极连接，三极管q11的还发射极通过电阻r60与其基极连接；

所述三极管q8的集电极、三极管q9的集电极、三极管q10的集电极和三极管q11的集电极均与供电网络连接；

供电网络包括主供电单元和自举供电单元；

所述主供电单元包括电容c17，所述电容c17的正极外接18v电源，且与自举供电网络和电阻r74的另一端连接，所述电容c17的与电阻r26的一端连接并接地，所述电阻r26的另一端与电阻r27的一端连接并接地，所述电阻r27的另一端与运算放大器的反相输入端连接；

所述自举供电单元包括二极管d1和二极管d2，所述二极管d1的正极分别与电容c17的正极和二极管d2的正极连接，二极管d1的负极与电容c15的正极连接，二极管d2的负极与电容c25的正极连接；

所述电容c17的正极还分别与三极管q9的集电极、三极管q11的集电极和运算放大器ic11的电源输入端连接；

所述二极管d1的负极还与三极管q8的集电极连接；

所述二极管d2的负极还与三极管q10的集电极连接；

所述光耦u2的发光二极管的正极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+端口；

所述光耦u3的发光二极管的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in-端口；

所述光耦u5的发光二极管的正极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的衡隔离控制端ir端口；

所述二极管d16的正极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的使能控制端en端口；

所述光耦u3的发光二极管的正极作为自动同步全桥逆变驱动芯片的s1端；

所述光耦u5的三极管的集电极作为自动同步全桥逆变驱动芯片的s2端；

所述电容c15的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的左桥臂mos管中心点输出端o1端口；

所述电容c25的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的右桥臂mos管中心点输出端o2端口；

所述电容c17的正极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的vcc端口；

所述电容c17的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的gnd端口；

所述二极管d1的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的vcc1端口；

所述二极管d2的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的vcc2端口；

所述电阻r28与三极管q8发射极连接的一端作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的左桥臂上管驱动门极输出端口ho1端口；

所述电阻r36与三极管q10发射极连接的一端作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的右桥臂上管驱动门极输出端口ho2端口；

所述电阻r31与三级管q9发射极连接的一端作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片左桥臂下管驱动门极输出端口l1端口；

所述电阻r60与三级管q11发射极连接的一端作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片右桥臂下管驱动门极输出端口l2端口。

进一步地，所述自动同步并网全桥逆变驱动芯片的s1端口和s2端口之间外接一个死区控制电阻；

所述市电采样子电路与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+端口和in-端口连接；

所述失载过充保护子电路与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in-端口连接；

所述市电同步驱动dc/ac子电路与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的ho1、o1、l1、ho2、o2、l2端口连接；

所述mcu控制器与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+端口和in-端口连接。

进一步地，所述逆变隔离防倒灌电路包括变压器t2；

所述变压器t2的原边绕组的两端与城市电网连接；

所述变压器t2的第一副边绕组的两端与市电同步驱动dc/ac子电路连接；

所述变压器t2的第二副边绕组的两端与市电采样子电路连接；

所述变压器t2的第三副边绕组的两端与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的vcc端口连接。

进一步地，所述mcu控制器主控芯片型号为stm32f051k88u6或eg8010；

所述驱动ic的型号为tl494。

一种太阳能自动并网逆变器的控制方法，包括以下步骤：

s1、通过mcu控制器选择太阳能自动并网逆变器的工作模式；

若选择逆变输出模式，则进入步骤s2；

若选择自动并网模式，则进入步骤s3；

s2、通过mcu控制器输出pwm仿正弦波信号加至自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+和in-端口，进而驱动市电同步驱动dc/ac电路工作，并进入步骤s4；

s3、通过市电采样子电路的采样信号驱动市电同步驱动dc/ac电路工作，并进入步骤s4；

s4、通过mcu控制器产生的pwm数字脉冲信号通过dac子电路将pwm数字脉冲信号转换成模拟电压信号，进而控制电流泵电路中的实际工作电流；

s5、通过霍尔电流传感器采样电流泵电路的实际工作电流，并将采样得到的电流信号分为两路信号，其中一路信号反馈至mcu控制器作为mcu输出pwm数字脉冲信号的调整参考，另一路信号反馈至驱动ic进而控制电流泵电路的输出；

s6、通过电流泵电路输出的电流直接加在市电同步驱动dc/ac驱动子电路上，并经过逆变隔离防倒灌电路反馈至城市电网，实现太阳能自动并网。

进一步地，所述步骤s3具体为：将市电采样子电路的采样信号传输至自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+和in-端口，采样信号经过自动同步并网全桥逆变驱动芯片的光耦隔离、互锁和整形后驱动市电同步驱动dc/ac驱动子电路工作。

本发明的有益效果为：本发明提供的太阳能自动并网逆变器及其控制方法采用新型的自动同步并网全桥逆变驱动芯片，支持热插拔、适合小型的、分散的能源采集与并网。

附图说明

图1为本发明中太阳能自动并网逆变器结构图。

图2为本发明中电流泵电路结构图。

图3为本发明中自动同步并网全桥逆变驱动芯片电路原理图。

图4为本发明中太阳能自动并网逆变器的控制方法流程图。

图5为本发明中两种电流泵结构图。

图6为本发明中不包括电流泵电路的太阳能自动并网逆变器结构图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种太阳能自动并网逆变器，包括mcu控制器、太阳能发电板、蓄电池组、自动并网逆变电路和逆变隔离防倒灌电路；

mcu控制器分别与太阳能发电板和自动并网逆变电路连接；

太阳能发电板分别与蓄电池组和自动并网逆变电路连接，自动并网逆变电路通过逆变隔离防倒灌电路与城市电网连接；

自动并网逆变电路包括自动同步并网全桥逆变驱动芯片、市电同步驱动dc/ac子电路、失载过冲保护子电路和市电采样子电路；

自动同步并网全桥逆变驱动芯片分别与市电同步驱动dc/ac子电路、失载过充保护子电路、市电采样子电路和mcu控制器连接。

如图2所示，太阳能自动并网逆变器还包括与mcu控制器连接的电流泵电路，电流泵电路包括霍尔电流传感器、dac子电路、变压器、整流器和驱动ic；

变压器的原边绕组与驱动ic连接，变压器的副边绕组与整流器的输入端连接，整流器的输出端与市电同步驱动dc/ac子电路连接；

mcu控制器通过霍尔电流传感器与太阳能发电板连接，霍尔电流传感器还与驱动ic的电流控制端口连接，太阳能发电板还与变压器的原边绕组连接；

驱动ic的电流控制端口通过dac子电路与mcu控制器连接，驱动ic的电压控制端口与mcu控制器连接。

如图3所示，自动同步并网全桥逆变驱动芯片包括供电网络、桥式隔离驱动网络、波形整形驱动网络和隔离控制网络；

桥式隔离驱动网络和波形整形驱动网络依次连接，供电网络分别与桥式隔离驱动网络、波形整形驱动网络和隔离控制网络连接，桥式隔离驱动网络还与隔离控制网络连接；

桥式隔离驱动网络包括光耦u1、光耦u2、光耦u3和光耦u4；

光耦u1的发光二极管、光耦u2的发光二极管、光耦u3的发光二极管和光耦u4的发光二极管通过桥式连接法连接；

光耦u1的发光二极管的正极、光耦u3的发光二极管的正极、光耦u2的发光二极管的负极和光耦u4的发光二极管的负极均与隔离控制网络连接；

隔离控制网络包括光耦u5；

光耦u5的三极管的集电极分别与光耦u2的发光二极管的负极和光耦u4的发光二极管的负极连接；

光耦u5的发光二极管的负极接地，光耦u5的发光二极管的正极分别与电阻r72的一端和二极管d16的正极连接，电阻r72的另一端分别与运算放大器ic11的输出端和电阻r73的一端连接，所述电阻r73的另一端与供电网络连接；

运算放大器ic11的电源输入端与电阻r64的一端连接，电阻r64的另一端分别与电阻r70一端和精密稳压器ic10的负极连接，电阻r70的另一端分别于电阻r71和运算放大器ic11的同相输入端连接，电阻r71的另一端分别与运算放大器ic11的接地端和精密稳压器ic10的正极连接并接地，精密稳压器ic10的负极与其控制端连接；

运算放大器ic11的反相输入端分别与供电网络、电阻r73的另一端和电阻r74的一端连接，电阻r74的另一端与供电网络连接；

运算放大器的ic11的电源输入端还与供电网络连接；

波形整形驱动网络包括三极管q8、三极管q9、三极管q10和三极管q11；

三极管q8的集电极与光耦u1的三极管的集电极连接，三极管q8的基极与二极管d12的正极连接，二极管d12的负极与光耦u1的三极管的发射极连接，三极管q8的发射极还通过电阻r28与其基极连接；

三极管q9的集电极与光耦u2的三极管的集电极连接，三极管q9的基极与二极管d13的正极连接，二极管d13的负极与光耦u2的三极管的发射极连接，三极管q9的发射极还通过电阻r31与其基极连接；

三极管q10的集电极与光耦u3的三极管的集电极连接，三极管q10的基极与二极管d14的正极连接，二极管d14的负极与光耦u3的三极管的发射极连接，三极管q10的发射极还通过电阻r36与其基极连接；

三极管q11的集电极与光耦u4的三极管的集电极连接，三极管q11的基极与二极管d15的正极连接，二极管d15的负极与光耦u4的三极管的发射极连接，三极管q11的还发射极通过电阻r60与其基极连接；

三极管q8的集电极、三极管q9的集电极、三极管q10的集电极和三极管q11的集电极均与供电网络连接；

供电网络包括主供电单元和自举供电单元；

主供电单元包括电容c17，电容c17的正极外接18v电源，且与自举供电网络和电阻r74的另一端连接，电容c17的与电阻r26的一端连接并接地，电阻r26的另一端与电阻r27的一端连接并接地，电阻r27的另一端与运算放大器的反相输入端连接；

自举供电单元包括二极管d1和二极管d2，二极管d1的正极分别与电容c17的正极和二极管d2的正极连接，二极管d1的负极与电容c15的正极连接，二极管d2的负极与电容c25的正极连接；

电容c17的正极还分别与三极管q9的集电极、三极管q11的集电极和运算放大器ic11的电源输入端连接；

二极管d1的负极还与三极管q8的集电极连接；

二极管d2的负极还与三极管q10的集电极连接；

光耦u2的发光二极管的正极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+端口；

光耦u3的发光二极管的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in-端口；

光耦u5的发光二极管的正极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的衡隔离控制端ir端口；

二极管d16的正极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的使能控制端en端口；

光耦u3的发光二极管的正极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的s1端；

光耦u5的三极管的集电极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的s2端；

电容c15的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的左桥臂mos管中心点输出端o1端口；

电容c25的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的右桥臂mos管中心点输出端o2端口；

电容c17的正极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的vcc端口；

电容c17的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的gnd端口；

二极管d1的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的vcc1端口；

二极管d2的负极作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的vcc2端口。

电阻r28与三极管q8发射极连接的一端作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的左桥臂上管驱动门极输出端口ho1端口；

电阻r36与三极管q10发射极连接的一端作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片的右桥臂上管驱动门极输出端口ho2端口；

电阻r31与三级管q9发射极连接的一端作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片左桥臂下管驱动门极输出端口l1端口；

电阻r60与三级管q11发射极连接的一端作为自动同步并网全桥逆变驱动芯片右桥臂下管驱动门极输出端口l2端口。

其中，自动同步并网全桥逆变驱动芯片的s1端口和s2端口之间外接一个死区控制电阻；

市电采样子电路与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+端口和in-端口连接；

失载过充保护子电路与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in-端口连接；

市电同步驱动dc/ac子电路与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的ho1、o1、l1、ho2、o2、l2端口连接；

mcu控制器与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+端口和in-端口连接。

图1中逆变隔离防倒灌电路包括变压器t2；

变压器t2的原边绕组的两端与城市电网连接；

变压器t2的第一副边绕组的两端与市电同步驱动dc/ac子电路连接；

变压器t2的第二副边绕组的两端与市电采样子电路连接；

变压器t2的第三副边绕组的两端与自动同步并网全桥逆变驱动芯片的vcc端口连接。

在本发明的一个实施例中，mcu控制器主控芯片型号为stm32f051k88u6或eg8010，驱动ic的型号为tl494。

如图4所示，本发明还提供了一种太阳能自动并网逆变器的控制方法，包括以下步骤：

s1、通过mcu控制器选择太阳能自动并网逆变器的工作模式；

若选择逆变输出模式，则进入步骤s2；

若选择自动并网模式，则进入步骤s3；

其中，太阳能自动并网逆变器利用电网的吞吐能力，不与蓄电池并网运行，直接将太阳能发电板所发电能注入电网；也可以加蓄电池，在有太阳时，通过充放电控制电路优先将蓄电池充满，或没太阳时错开用电量高峰时段储存电能；加油蓄电池组的太阳能自动并网逆变器，在市电停电时自动进入到逆变输出模式，离网工作，也可在有市电时手动选择离网工作，进入步骤s2；

s2、通过mcu控制器输出pwm仿正弦波信号加至自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+和in-端口，进而驱动市电同步驱动dc/ac电路工作，并进入步骤s4；

s3、通过市电采样子电路的采样信号驱动市电同步驱动dc/ac电路工作，并进入步骤s4；

上述步骤s3具体为：将市电采样子电路的采样信号传输至自动同步并网全桥逆变驱动芯片的in+和in-端口，采样信号经过自动同步并网全桥逆变驱动芯片的光耦隔离、互锁和整形后驱动市电同步驱动dc/ac驱动子电路工作。

同时，变压器t2的反馈绕组将市电和逆变电压相加并反馈至自动同步并网全桥逆变驱动芯片的ir端，防止失载过冲。

s4、通过mcu控制器产生的pwm数字脉冲信号通过dac子电路将pwm数字脉冲信号转换成模拟电压信号，进而控制电流泵电路中的实际工作电流；

s5、通过霍尔电流传感器采样电流泵电路的实际工作电流，并将采样得到的电流信号分为两路信号，其中一路信号反馈至mcu控制器作为mcu输出pwm数字脉冲信号的调整参考，另一路信号反馈至驱动ic进而控制电流泵的输出；

s6、通过电流泵输出的电流直接加在市电同步驱动dc/ac驱动子电路上，并经过逆变隔离防倒灌电路反馈至城市电网，实现太阳能自动并网；

在本发明中，通过最大功率点跟踪技术在蓄电池组充满电后将太阳能发电板所发的电能全部注入城市电网中；此时，不用蓄电池组也可以并网发电。

在本发明的一个实施例中提供了如图5所示的两种电流泵的结构，本发明中的电流泵采用霍尔传感器和8位adc和dac数字化采样控制，精度高、稳定可靠，不受电网电压影响，能精准控制注入城市电网中的电流，效率高。

在本发明的一个实施例中，还提供了一种如图6所示的太阳能自动并网逆变器结构，该结构中不包括电流泵电路，该结构的逆变器电路结构简单适合低成本的应用。

本发明的有益效果为：本发明提供的太阳能自动并网逆变器及其控制方法采用新型的自动同步并网全桥逆变驱动芯片，支持热插拔、适合小型的、分散的能源采集与并网。本发明中的太阳能自动并网逆变器利用电网的吞吐能力，不用与蓄电池并网运行，直接将太阳能发电板所发电能注入电网；也可以加蓄电池，在有太阳时，通过充放电控制电路优先将蓄电池充满，或没太阳时错开用电量高峰时段储存电能，提高电网的吞吐能力(还可以赚取电费差价)，零存整取，满足家用电器连续工作的时间很短，但功率比较大的特性，发电抵消自家电费，不用申请国家电网回购，成本低，用户只要几年就能收回投资成本；特别是为太阳能电池厂商拓宽了更大的市场。