CN101083399A

CN101083399A - 基于z源功率变换的光伏并网逆变装置

Info

Publication number: CN101083399A
Application number: CNA2007100230060A
Authority: CN
Inventors: 郑建勇; 梅军; 张先飞; 袁玲; 盛立健; 于明辉; 刘顺炮
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2007-12-05

Abstract

本发明公开了一种基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置，包括：功率变换主回路、DSP测控系统及IGBT驱动模块，DSP测控系统用于对电压、电流信号进行采样，运算得到脉冲宽度可调的PWM信号序列，再由IGBT驱动模块转换成可直接驱动IGBT信号，功率变换主回路包括太阳能电池阵列、Z源阻抗网络、逆变网络及滤波电抗器，太阳能电池阵列的两输出端分别与Z源阻抗网络的两输入端连接，Z源阻抗网络的两输出端分别与逆变网络的两输入端连接，逆变网络的一个输出端与滤波电抗器的一端连接，滤波电抗器的一端用于连接电网的一端，逆变网络的另一个输出端直接用于连接电网的另一端，上述IGBT驱动模块转换的直接驱动IGBT信号用于实现逆变网络的导通和关断。

Description

基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置

技术领域

本发明属于逆变并网技术，涉及一种分布式新能源并网供电的功率变换与测量控制系统，尤其涉及一种基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置。

背景技术

经济社会的发展使得人们对能源需求不断上涨，传统的以石油等不可再生能源为主的能源利用结构，已不能满足社会经济持续发展的需要；另一方面，传统能源使用存在着严重的环境污染问题。与传统能源形成鲜明对比的以太阳能为代表的可再生能源发电有清洁无污染，取之不尽的特点。因此，充分利用可再生能源发电，改善能源利用结构，是实现经济可持续发展和改善环境的重要前提。鉴于此，世界各国已陆续投入巨大的人力物力对可再生能源利用中的相关技术进行研究。

并网逆变器是将变化的太阳能转换为相对稳定的交流电并入电网供负载使用的功率变换装置。应用在太阳能并网发电的逆变器需要实现以下功能：1、输出低失真度的正弦波形，与电网同步可并入电网的电能。2、使太阳能电池阵列始终工作在最大功率输出状态，具有最大功率跟踪输出的功能，3、在目前太阳能电池发电成本较高的情况下，合理设计系统，提高系统工作可靠性，提高功率变换效率。

常规的桥式逆变电路使用中存在着以下缺点：一方面通桥式逆变电路属于降压(Buck)型变换电路。在光伏并网系统中，因为光伏阵列输出电压较低，而同时又有获得较高输出电压的需要的时候，通常会采用变压器或者增加一级Boost的方法，但此类方法都存在装置体积增大，变换效率低的缺点。

另一方面，常规逆变器使用中是不允许同一桥臂上下两开关管同时导通这一直通状态的存在，直通时会将输入电源误短路，进而会对电源、器件造成损坏。通常，可以通过设置死区的方法来避免上下桥臂同时导通。该方法带来的缺点是输出电流谐波增大。同时，实际使用中仍存在因为各种复杂的电磁干扰而导致上下直通的情况，从而损毁器件，影响装置整体的使用寿命。

发明内容

本发明提供一种能够提高系统变换效率，改善器件工作环境，提高系统使用寿命的基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置。

本发明采用如下技术方案：

一种基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置，包括：功率变换主回路、DSP测控系统及IGBT驱动模块，DSP测控系统用于对电压、电流信号进行采样，运算得到脉冲宽度可调的PWM信号序列，再由IGBT驱动模块转换成可直接驱动IGBT信号，功率变换主回路包括太阳能电池阵列、Z源阻抗网络、逆变网络及滤波电抗器，太阳能电池阵列的两输出端分别与Z源阻抗网络的两输入端连接，Z源阻抗网络的两输出端分别与逆变网络的两输入端连接，逆变网络的一个输出端与滤波电抗器的一端连接，滤波电抗器的一端用于连接电网的一端，逆变网络的另一个输出端直接用于连接电网的另一端，上述IGBT驱动模块转换的直接驱动IGBT信号用于实现逆变网络的导通和关断。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)该装置利用了TMS320F2812芯片强大的数据处理能力，配以高速的A/D采样芯片AD7656和霍尔传感器，可以对基于Z源功率变换器的光伏并网逆变装置主电路中的交流信号进行实时采集和处理。

(2)该装置采用改进后的M57962AL驱动电路对IGBT进行驱动、改善过流保护的起控点，能够实现更加可靠、稳定的驱动。

(3)基于Z源功率变换的主电路变换结构在满足了将太阳能电池升压的需求的同时，避免了传统的采用变压器或者一级BOOST环节所带来的变换效率低下，装置体积大的缺点，从而使本发明具有变换效率高、装置体积小的优点。

(4)基于Z源功率变换的结构，通过同一逆变电路上下桥臂两功率管直接导通这一状态获得了升压的作用。同时该方法由于允许上下桥臂直接导通，避免了常规逆变器的死区设置，有效改善了电能变换质量，并提高了器件工作了可靠性，以及器件的使用寿命。

(5)软件算法采用功率外环。电压外环及电流内环的三个闭环联合控制的结构，有效满足了基于Z源功率变换太阳能并网逆变器的太阳能电池板最大功率跟踪需要，输出电网同步电流需要以及提升太阳能电池电压以供逆变需要的三方面要求。

附图说明

图1是本发明的框图。

图2是本发明功率变换主回路的电路原理图。

图3是本发明IGBT驱动模块框图。

图4是本发明IGBT驱动模块的子驱动模块原理图。

图5是本发明DSP测控系统的原理图。

图6是本发明DSP电路原理图。

图7是本发明DSP测控软件控制算法流程图。

具体实施方式

参照图1，一种基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置，包括：功率变换主回路1、DSP测控系统2及IGBT驱动模块，DSP测控系统2用于对电压、电流信号进行采样，运算得到脉冲宽度可调的PWM信号序列，再由IGBT驱动模块转换成可直接驱动IGBT信号，功率变换主回路1包括太阳能电池阵列11、Z源阻抗网络12、逆变网络13及滤波电抗器14，太阳能电池阵列11的两输出端分别与Z源阻抗网络12的两输入端连接，Z源阻抗网络12的两输出端分别与逆变网络13的两输入端连接，逆变网络13的一个输出端与滤波电抗器14的一端连接，滤波电抗器14的一端用于连接电网5的一端，逆变网络13的另一个输出端直接用于连接电网5的另一端，上述IGBT驱动模块转换的直接驱动IGBT信号用于实现逆变网络13的导通和关断。

参照图2，上述的基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置，Z源阻抗网络12包含二极管D1，第一、第二电感L1、L2和第一、第二电容器C1、C2，第一电感L1的1端、2端分别与第一电容器C1的1端、第二电容器C2的1端连接，第二电感L2的1端，2端分别与第一电容器C1的2端、第二电容器C2的2端连接，第一电感L1的1端还与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极、第二电感L2的1端分别作为Z源阻抗网络12的两个输入端，第一电感L1的2端及第二电感L2的2端分别作为Z源阻抗网络12的Z源阻抗网络12的两输出端。Z源允许逆变器运行在一个新的状态即直通状态，此时同一桥臂的两个开关设备同时导通在直流侧形成短路状态。在直通状态过程中能量有电感传输到电容上，因此增加了逆变器的电压提升能力。因为电容可能被充电至比输入电压还要高，需要在Z源前加入一个二极管D1防止电流反向。

逆变网络13采用单相全桥型逆变器由四个可控开关型器件IGBT组成，采用三菱公司的CT60AM-18F.此时逆变器可以工作在开路、正常导通和直通三种状态。配合由适当大小的电感电容组成的Z源阻抗网络以及由DSP计算控制产生的直通时间就可以得到所需的电压提升率。这里选取L1＝L2＝330uH，C1＝C2＝470uF。逆变器输出端加入的电抗用于平滑输出电流，得到与电网同步的正弦电流输出。

参照图5，所述的基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置，DSP测控系统2包括电压采样模块211、电流采样模块212、AD转换模块22及DSP控制模块23，DSP控制模块23用于控制电压采样模块211及电流采样模块212的采样，电压采样模块211及电流采样模块212分别用于采集光伏电池板电压Vpv、电网电压Vgrid、并联电容电压Vc及光伏电池电流Ipv、电网电流Igrid，由电压采样模块211及电流采样模块212采样得到的信号经AD转换模块22进行AD转换后，提供给DSP控制模块23，由DSP控制模块23运算得到脉冲宽度可调的PWM信号序列。在该测控装置中电压传感器采用南京中旭电子科技有限公司的HNV025A霍尔电压传感器。该传感器适用于测量电压10～500V，副边额定输出电流为25mA，这样通过测量该传感器电阻Rm上的电压Vpv、Vgrid、Vc就可以通过乘以转换系数得到原边上的电压。

该测控装置中电流传感器采用南京中旭电子科技有限公司的HNC03SY霍尔电流传感器。该传感器原边额定测量电流为3A(AC/DC)副边输出额定电压为4V(AC/DC)。这样通过测量该传感器的测量端电压Ipv、Igrid就可以得出原边上的电流的值。

数据采集系统包括3个霍尔电压传感器HNV025A和2个霍尔电流传感器HNC03SY，3个霍尔电压传感器分别采集光伏电池板电压Vpv，电网电压Vgrid和并联电容电压Vc，2个霍尔电流传感器分别采集光伏电池电流Ipv和电网电流Igrid。

采样电路中A/D转换芯片采用美国AD公司的AD7656，该芯片一种高速16位模数转换器，其采样速率为250kS/s，具有极低功耗的特点，输入范围为-5V～+5V，可以满足装置的需要。从电压、电流传感器的副边的测量信号经过RC低通滤波后接到AD7656的AIN1～AIN5通道，并进行转换，结果输出到DSP控制单元。

该模块主要实现交流采样，故将5路交流信号经过传感器，接至AD7656的输入端，AD7656的输出端接至DSP。实现光伏电池板电压Vpv，电网电压Vgrid和并联电容电压Vc，光伏电池电流Ipv和电网电流Igrid的采样和AD转换工作。

在该测控装置中，DSP控制部分是核心电路，要实现对装置的监控、驱动等功能必须要通过DSP芯片才能实现。TMS320F2812该芯片具有如下特点：(1)高主频，即150MHz的主频(2)低功耗，1.8V和3.3V供电。(3)128K内部FLASH，18K内部SARAM，可外扩1M存储器。存储器是统一编址的，其寻址空间达4M。(4)中断资源丰富，可支持45个外设级中断和3个外部中断。提取中断向量和保存现场只需9个时钟周期，响应迅速。(5)拥有双事件管理器EVA和EVB，控制更加灵活这些都使得F2812芯片能够快速的实现数据处理，使得这种芯片特别适合功率器件的控制。

DSP芯片固化了整个系统软件控制部分的程序，它的功能包括：控制AD7656芯片对电信号进行采样，转换；处理经过转换后的数字信号，通过控制程序，运算得到合适的脉冲宽度可调的PWM信号；将PWM脉冲送至IGBT驱动模块，驱动主功率变换回路中的IGBT不断的断开闭合，按照预定的PWM脉冲模式工作。最终实现太阳能输出的电能到可并网的电能输出的功率变换要求。

测控系统与功率主回路、IGBT驱动模块连接：将功率主回路中光伏电池工作电压采集端，光伏电池工作电流采集端，Z源阻抗网络中电容电压采集端，电网电压采集端，并网电流采集端，分别与上述霍尔传感器的采集端连接。DSP控制板的PWM1～PWM4端分别与驱动模块中相应的PWM1～PWM4端相连接。

上述软件控制系统是指导整个系统运行的核心，控制系统以DSP所能理解的语言，被描述成相关程序固化到DSP芯片当中，负责控制DSP的运行。

控制系统由三个闭环控制系统构成，一层是最大功率跟踪控制，负责跟踪太阳能电池板的最大功率输出；其次一层是电压层，提供升压作用，可将Z源阻抗网络内电容电压至参考电压；电流控制层，负责控制电流输出正弦化，并与电网保持同步输出。三环控制使得基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置能正常工作，并同时满足三方面的需要：最大功率跟踪的需要；将太阳能电池板输出电压升压，并达到并网所需电压的需要；以及输出与电网始终保持同步的正弦电流。

在DSP平台上按照如上思想设计了基于TMS320F2812的软件控制算法，软件流程如下：

首先，系统完成2812启动所需的初始化过程，包括：1、系统初始化：系统时钟设置，禁止并清除所有CPU中断，初始化向量表到默认状态，初始化向量表。2、系统使能定时器1的下溢中断，用以驱动PWM输出，并设置好PWM脉冲周期，工作方式。3、重新分配中断向量，使能PIE组2的中断6(T1UFINT)，使能CPU INT2(T1UFINT)。4、使能全局中断和最高优先级实时调试事件管理器功能。5、初始化POWER调节模块，初始化VOLTAGE调节模块，初始化CURRENT调节模块。6、进入循环等待状态，等待中断。

中断发生，进入中断子程序进行处理：依次执行AD采样模块，最大功率跟踪POWER模块，升压调节VOLTAGE模块，锁相同步PLL模块，电流调节CURRENT模块，PWM脉冲发生模块。依次执行完上述模块后，刷新中断向量表，并恢复到主程序中，重新进入循环等待状态，等待下一次中断的发生。

DSP程序在定时器1的作用下不断的进入中断程序中进行处理，并最终保证了系统始终处在最大功率跟踪，与输出同步电流至电网的工作状态。

驱动板的功能主要包括：将DSP发出的控制信号，转换为可驱动功率主回路中的IGBT工作的电信号，确保IGBT按程序需要进行导通与关断的切换。参照图4，整个驱动模块板由四个独立的驱动子模块构成，图4为模块内各IGBT驱动详细电路。IGBT驱动采用M57962AL芯片设计。M57962AL是由日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路。M57962AL驱动模块为IGBT驱动电路的核心部分，主要功能如图1所示：接收控制电路发出的开通与关断IGBT信号，转换成相应的驱动电压来驱动IGBT的开通与关断。

在驱动模块内部装有25O0V高隔离电压的光电耦合器，过流保护电路和过流保护输出端子，具有封闭性短路保护功能。M57962AL是一种高速驱动电路，驱动信号延时TPLH和TPLH最大为1.5US。可以驱动600V/400V级的IGBT模块。

M57962AL各引脚功能如下：1端和2端：故障检测输入端；4端：接正电源VCC；5端：驱动信号输出端；6端：接负电源VEE；8端：故障信号输出；13端和14端：驱动信号输入端；9～12端为空端。

M57962AL外围应用电路如图所示。图2所示的实际应用电路具有IGBT过流过压保护功能。

当检测到输入1端的电压为7V时，模块判定为电路短路，立即通过光耦输出关断信号将入M57962AL的输入信号关断，从而使其5端输出低电平将IGBT的GD两端置于负向偏置，可靠关断。同时输出误差信号使故障输出端8端为低电平，从而驱动外接的保护电路工作。廷时2～3秒后，若检测到13端为高电平，则M57962AL恢复工作。稳压管DZ1用于防止D1击穿而损坏M57962AL，Rg为限流电阻，DZ2和DZ3起限幅作用，以确保IGBT可靠开通与关断，而不被误导通或击穿。

M57962AL工作程序：当电源接通后，首先自检，检测IGBT是否过载或短路。若过载或短路，IGBT的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，栅极关断电路动作，切断IGBT的栅极驱动信号，同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。IGBT正常时，输入信号经光电耦合接口电路，再经驱动级功率放大后驱动IGBT。

模块连接：分别将DSP的PWM1～PWM4端连接至IGBT驱动子模块1～IGBT驱动子模块4的PWM端，同时将IGBT驱动子模块1～IGBT驱动子模块4的S、G、D端与相应功率主回路中的对应IGBT的S、G、D端相连接。

Claims

1、一种基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置，包括：功率变换主回路(1)、DSP测控系统(2)及IGBT驱动模块，DSP测控系统(2)用于对电压、电流信号进行采样，运算得到脉冲宽度可调的PWM信号序列，再由IGBT驱动模块转换成可直接驱动IGBT信号，其特征在于功率变换主回路(1)包括太阳能电池阵列(11)、Z源阻抗网络(12)、逆变网络(13)及滤波电抗器(14)，太阳能电池阵列(11)的两输出端分别与Z源阻抗网络(12)的两输入端连接，Z源阻抗网络(12)的两输出端分别与逆变网络(13)的两输入端连接，逆变网络(13)的一个输出端与滤波电抗器(14)的一端连接，滤波电抗器(14)的一端用于连接电网(5)的一端，逆变网络(13)的另一个输出端直接用于连接电网(5)的另一端，上述IGBT驱动模块转换的直接驱动IGBT信号用于实现逆变网络(13)的导通和关断。

2、根据权利要求1所述的基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置，其特征在于Z源阻抗网络(12)包含二极管(D1)，第一、第二电感(L1、L2)和第一、第二电容器(C1、C2)，第一电感(L1)的1端、2端分别与第一电容器(C1)的1端、第二电容器(C2)的1端连接，第二电感(L2)的1端，2端分别与第一电容器(C1)的2端、第二电容器(C2)的2端连接，第一电感(L1)的1端还与二极管(D1)的负极连接，二极管(D1)的正极、第二电感(L2)的1端分别作为Z源阻抗网络(12)的两个输入端，第一电感(L1)的2端及第二电感(L2)的2端分别作为Z源阻抗网络(12)的Z源阻抗网络(12)的两输出端。

3、根据权利要求1或2所述的基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置，其特征在于DSP测控系统(2)包括电压采样模块(211)、电流采样模块(212)、AD转换模块(22)及DSP控制模块(23)，DSP控制模块(23)用于控制电压采样模块(211)及电流采样模块(212)的采样，电压采样模块(211)及电流采样模块(212)分别用于采集光伏电池板电压Vpv、电网电压Vgrid、并联电容电压Vc及光伏电池电流Ipv、电网电流Igrid，由电压采样模块(211)及电流采样模块(212)采样得到的信号经AD转换模块(22)进行AD转换后，提供给DSP控制模块(23)，由DSP控制模块(23)运算得到脉冲宽度可调的PWM信号序列。

4、根据权利要求3所述的基于Z源功率变换的光伏并网逆变装置，其特征在于DSP控制模块(23)包括：

一个功率跟踪模块，用于太阳能电池阵列(11)的最大输出功率的跟踪；

一个升压模块，用于Z源阻抗网络(12)中第一、第二电容器(C1、C2)的增压；

一个电流同步模块，用于保证滤波电抗器(14)输出电流与电网电压的相位同步。