专利名称：一种适用于分布式发电的高电能质量光伏逆变器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高电能质量三相光伏并网发电装置，特别涉及一种适用于大型分布式发电的三相光伏逆变器。
背景技术：
随着工业的发展，能源危机及环境污染愈发严重，越来越多的国家开始意识到对可再生能源进行开发利用才是应对能源危机的必由之路。太阳能发电被认为是当今世界上最有发展前景的新能源技术，各发达国家纷纷投入巨额资金开发研究，并大力拓展市场应用。光伏逆变器是太阳能发电的重要组成部分，比如大型并网光伏电站中大量使用三相逆变器，因此三相并网系统的性能优劣决定了整个电站能否稳定、安全运行。由于阳光照射时间限制，光伏并网发电装置只在白天工作，晚上要切离电网，影响了设备利用率，频繁投切时会对电网稳定造成影响，经济不明显等。工业电网中非线性负载严重影响了工业用电的质量；另一方面用户对用电质量要求越来越高，对电能质量进行治理势在必行，传统的治理方式是无源滤波器及有源滤波器等。有源电力滤波器是通过向电网注入一定补偿电流来抵消负载所产生的谐波电流的主动式滤波装置，其应用可克服LC无源滤波器等传统的谐波抑制方法的缺点，既可补偿非线性负荷产生的高次谐波，又能自动适应电网阻抗和频率的快速变化，并且具有高可控性和快速响应性。有源滤波器拓扑结构上主要包括三相桥式逆变器、直流侧电容、输出滤波电抗器等。光伏逆变器包括三相桥式逆变器、直流侧电容、输出滤波电抗器、BOOST升压电路、光伏板等。从拓扑结构上分析两者，其前级主要部分基本相同。现有的光伏逆变器，只能实现并网发电，而太阳光只在白天照射，在晚上的时间光伏逆变器只能处于离网的状态，这样存在着大量的容量资源的浪费。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适用于分布式发电的高电能质量光伏逆变器，节省资源，充分利用将光伏逆变装备的容量及能力，在实现并网发电的同时，实现无功补偿、滤除电网谐波电流。为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是:一种适用于分布式发电的高电能质量光伏逆变器，包括光伏阵列、三相逆变器、输出滤波器、并网电阻、控制模块，所述光伏阵列通过直流侧电容与所述三相逆变器连接，所述三相逆变器依次通过输出滤波器、断路器接入电网，所述并网电阻并联在所述输出滤波器两端；所述三相逆变器与所述控制模块连接；所述控制模块包括控制芯片、IGBT驱动保护模块、电压保护电路、电流保护电路、采样信号调理电路、过零检测电路；所述过零检测电路输入端接入电网，所述过零检测电路输出端接入控制芯片；所述采样信号调理电路输入端与所述三相逆变器输出端连接，所述采样信号调理电路输出端通过电流互感器、A/D转换芯片接入控制芯片；所述电流保护电路和所述电压保护电路输入端分别输入三相逆变器的输出电流和直流侧电容的电压，所述电压保护电路和所述电流保护电路输出端通过继电器与所述断路器连接；所述控制芯片通过IGBT驱动保护模块与所述三相逆变器连接。本实用新型的工作原理是:为了实现并网、无功及谐波补偿功能，要通过求取逆变器的开关模式来实现并网有功电流、无功电流、谐波电流的跟踪。检测负载侧电流，通过ip_iq算法检测出谐波指令信号；直流侧稳定PI调节器生成稳定直流侧电压的调节信号；光伏阵列最大功率跟踪控制保证光伏阵列工作在最大功率点，并生成光伏并网有功信号。三者叠加生成复合控制电流指令，通过电流内环控制逆变器输出电流跟踪指令信号，即在并网的同时发出谐波及容性无功补偿电网。与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为:本实用新型充分利用了光伏逆变器的容量，在并网发电的同时进行谐波治理及无功功率补偿；保障了逆变器安全可靠的运行；当逆变器过电流，直流侧过压时，借助于电压保护电路和电流保护电路，装置可以迅速脱离整个滤波系统，确保了系统及操作人员的安全性，具有很好的实用价值。
图1为本实用新型一实施例拓扑结构图；图2为本实用新型一实施例控制芯片外围电路图；图3为本实用新型一实施例过零检测电路原理图；图4为本实用新型一实施例采样信号调理电路原理图；图5为本实用新型 一实施例过压保护电路原理图；图6为本实用新型一实施例过流保护电路原理图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型一实施例包括光伏阵列、三相逆变器、输出滤波器、并网电阻、控制模块，所述光伏阵列通过直流侧电容与所述三相逆变器连接，所述三相逆变器依次通过输出滤波器、断路器接入电网，所述并网电阻并联在所述输出滤波器两端；所述三相逆变器与所述控制模块连接；所述控制模块包括控制芯片、IGBT驱动保护模块、电压保护电路、电流保护电路、采样信号调理电路、过零检测电路；所述过零检测电路输入端接入电网，所述过零检测电路输出端接入控制芯片；所述采样信号调理电路输入端与所述三相逆变器输出端连接，所述采样信号调理电路输出端通过电流互感器、A/D转换芯片接入控制芯片；所述电流保护电路和所述电压保护电路输入端分别输入三相逆变器的输出电流和直流侧电容的电压，所述电压保护电路和所述电流保护电路输出端通过继电器与所述断路器连接；所述控制芯片通过IGBT驱动保护模块与所述三相逆变器连接。图1中CT为电流传感器，PT为电压传感器。三相逆变器由三组IGBT模块并联构成，所述IGBT的型号为英飞凌FF450R17ME3。FF450R17ME3为一个双管半桥模块，内部自带温敏电阻。它的上下桥臂由两个IGBT组成，均带有反并联的续流二极管。模块中IGBT的集射极之间的耐压值为1700V，集电极最大允许的过流值达到450A且短时允许的过流值更高达900A。反并联的续流二极管具有同样的耐压值以及过流的能力。该模块的反并联续流二极管的饱和压降较小，正常工作运行时功率损耗很低、发热量也较小。由于IGBT模块的开通与关断受驱动信号控制，因此为了保障IGBT模块的安全、可靠运行应满足以下条件:(I)驱动功率和电压的大小符合要求；(2) PWM信号有一定的死区时间；(3)具有完善的故障保护和箝位保护功能。基于上述三方面的考虑，我们最终选择驱动板2SP0115T作为FF450R17ME3模块的驱动器。逆变器输出的电压中，通常还存在开关频率附近的高频毛刺信号。若不进行处理就接入到配电网中，将会对电网造成谐波污染。故通常采用输出滤波器滤除高频毛刺信号。目前，较为常见的输出滤波器型式有L、LC、LCL和LCR型。对输出滤波器进行选取应考虑输出能力、使逆变器有较好的动态响应、使输出高频毛刺尽量少等。考虑以上几点，采用L型滤波器，取值为0.5mH。并网电阻的作用是防止并网瞬间的过电流，装置选择4Ω/150(Μ。
电容主要是为直流侧提供一个稳定的直流电压。从理论上讲电容值较大时对直流侧电压的稳定越有利。但是电容值越大一方面增加了成本，另一方面会增大控制系统的惯性环节，对系统的实时控制不利。选取直流侧电容的参数为10000#，耐压值900V。然而由于工艺水平的限值，单个电解电容的耐压值只有450V，故最终选择使用4个10000 βΡ电解电容，采用两并两串的联结方式。如图2所示为本实用新型采用控制芯片。由于需要控制逆变器实时检测谐波及无功，并发出相应电流补偿电网，所以对控制系统的设计十分重要，它直接决定了其工作性能。由于对实时性要求很高，在工程应用中常采用DSP控制器作为其控制系统。DSP数字信号处理器具有独立的硬件结构、完善的控制算法、良好的开发环境而得到广泛的应用。系统采用美国TI公司生产的SEED-DPS2812M控制器。该控制器是根据用户需求进行研发的低成本、32位定点DSP。其CPU的主频高达150ΜΗΖ，具有非常强大的信号处理以及控制性能，中断响应的速度很快，能够及时的对外部的异步事件进行处理。DPS2812M控制器的片上资源相当丰富，其主处理器通过对大量资源进行整合，使得只需很少的外围接口电路就可以满足控制系统的硬件设计要求。其特有的事件管理模块EV方便生成IGBT控制所需的脉宽调制信号。片上的两个串口 SCI方便用户进行人机交互操作系统的设计。此外，片上还有高速FLASH、双口 RAM以及静态RAM，方便用户的调试以及程序的加密，保护设计人员的合法权益。此外，为了使其适用于控制系统，我们在此基础上扩展了过零检测电路模块、采样信号调理电路模块。如图3为本装置采用的过零检测电路，主要包括采样信号滤波、相位校正和输入信号限幅三个环节。所述过零检测电路包括依次连接的滤波模块、移相模块、电压箝位电路和比较器，滤波模块和移相模块均采用LM324AD芯片。控制系统运行时，需要获取时序的基准点，这个基准点通常选择电网A相电压正向过零点。准确、实时的捕获过零点对DSP控制器的控制效果有很大影响。因此，过零检测电路的设计相当重要。电网A相电压信号经变送器T后变成3V左右的电压信号，采用电压跟随和有源滤波电路滤除采样信号中的毛刺信号。为了补偿滤波环节造成的相位延迟，对滤波后的信号进行了相角补偿，通过调节可调电阻的阻值，可以使补偿相角在超前0°~90°范围内可调。反并联二极管D1、D2构成电压箝位电路，用于保护比较器LM393。由于LM393A采用3.3V的电源供电，故可以将LM393A输出的过零方波信号直接接至DSP芯片。如图4所示，为本实用新型采用的采样信号调理电路。A/D采样信号的输入范围为-KT+10V，而DSP控制板上传感器输出信号的最大值只有2V左右。为了取得较好的采样效果同时滤除采样信号中的毛刺信号，需要对A/D采样信号的输入信号进行调理。采样电阻将传感器输出的电流信号转换成一个电压信号。采用RC低通滤波器滤除采样信号中的毛刺信号后，经电平转换电路变为-KT+10V范围内的信号，再接至DSP控制器的A/D采样芯片。LM324输入端并联的二极管主要用于对采样信号限幅，保护运算放大器。如图5所示为本实用新型采用的过压保护电路。将直流侧电压采样值与保护设定值进行比较，输出接保护继电器。当直流侧电压采样值大于保护设定值时保护继电器动作，装置跳闸，保障设备安全。如图6所示，为本实用新型采用的过流保护电路。将逆变器输出电流的采样值经取样电阻后转换成电压信号，采用RC低通滤波器滤除采样信号中的毛刺信号后，再通过峰值检波电路获得输出电流的最大峰值，然后与保护设定值进行比较，输出接保护继电器。当逆变器输出电流的采样值·大于保护设定值时保护继电器动作，装置跳闸。
权利要求1.一种适用于分布式发电的高电能质量光伏逆变器，包括光伏阵列、三相逆变器、输出滤波器、并网电阻、控制模块，其特征在于，所述光伏阵列通过直流侧电容与所述三相逆变器连接，所述三相逆变器依次通过输出滤波器、断路器接入电网，所述并网电阻并联在所述输出滤波器两端；所述三相逆变器与所述控制模块连接；所述控制模块包括控制芯片、IGBT驱动保护模块、电压保护电路、电流保护电路、采样信号调理电路、过零检测电路；所述过零检测电路输入端接入电网，所述过零检测电路输出端接入控制芯片；所述采样信号调理电路输入端与所述三相逆变器输出端连接，所述采样信号调理电路输出端通过电流互感器、A/D转换芯片接入控制芯片；所述电流保护电路和所述电压保护电路输入端分别输入三相逆变器的输出电流和直流侧电容的电压，所述电压保护电路和所述电流保护电路输出端通过继电器与所述断路器连接；所述控制芯片通过IGBT驱动保护模块与所述三相逆变器连接。
2.根据权利要求1所述的适用于分布式发电的高电能质量光伏逆变器，其特征在于，所述过零检测电路包括依次连接的滤波模块、移相模块、电压箝位电路和比较器，所述滤波模块和移相模块均采用LM324AD芯片，所述电压箝位电路有两个反并联二极管组成。
3.根据权利要求1所述的适用于分布式发电的高电能质量光伏逆变器，其特征在于，所述控制芯片型号为TMS320LF2812。
4.根据权利要求1所述的适用于分布式发电的高电能质量光伏逆变器，其特征在于，所述三 相逆变器包括三组并联的IGBT模块，所述IGBT模块型号为FF450R17ME3。
专利摘要本实用新型公开了一种适用于分布式发电的高电能质量光伏逆变器,包括光伏阵列、三相逆变器、输出滤波器、并网电阻、控制模块，所述控制模块包括控制芯片、IGBT驱动保护模块，电压保护电路、电流保护电路、采样信号调理电路、过零检测电路。本实用新型充分利用了光伏逆变器的容量，在并网发电的同时进行谐波治理及无功功率补偿；保障了逆变器安全可靠的运行；当逆变器过电流，直流侧过压时，借助于电压保护电路和电流保护电路，装置可以迅速脱离整个滤波系统，确保了系统及操作人员的安全性，具有很好的实用价值。
文档编号H02J3/01GK203103986SQ20132011039
公开日2013年7月31日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者罗安, 谢宁, 徐欣慰, 成佳富, 郭佳才, 田园, 徐千鸣 申请人:湖南大学