CN103001310A

CN103001310A - 光伏发电与市网并行供电切换装置

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Publication number: CN103001310A
Application number: CN2012104792570A
Authority: CN
Inventors: 胡天友; 胡蓉; 王敏; 陆明龙; 何应兵; 王仁昭; 唐德炜; 陈永祥
Original assignee: CHENGDU KEXING ELECTRICAL CABLE TRAY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU KEXING ELECTRICAL CABLE TRAY Co Ltd
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-11-23
Also published as: CN103001310B

Abstract

本发明为光伏发电与市网并行供电切换装置，解决已有装置，结构复杂，成本高，并行供电时防逆流性能差，光伏电源不能始终输出最大功率的问题。它包括交流切换单元、电源单元、控制单元、驱动电路、采样调理单元等。所述的交流切换单元通过控制单元采用脉冲宽度调制策略和DSP软件锁相技术进行逻辑切换控制。本发明为无逆流的光伏发电与市网并行供电的实现提供了很好的保证。

Description

光伏发电与市网并行供电切换装置

技术领域：

本发明与无逆流光伏发电系统中的光伏发电与市网并行供电切换装置有关。

技术背景：

已有的光伏发电并网系统可分为两类，一类是逆流系统，一类是无逆流系统。逆流系统就是指太阳能方阵所产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。当太阳能电池不能满足负载需要时，直接由电网供电。而无逆流系统就是指当光伏系统的发电量小于或等于负荷的用电量时，不够的电量由电网提供。

在现有的无逆流光伏发电系统中，由于没有很好的开关控制策略使光伏电源能与市网并行供电的同时防止其逆流，所以导致其切换较困难，可操作性不高，且电路复杂，成本高，所以使用较少，使得光伏电能并没有得到更有效的利用。

发明内容：

本发明专利的目的在于提供一种结构简单，成本低，光伏电源与市网切换可靠，两者同时供电时能防止逆流，光伏电源始终输出最大功率，光伏电源输出电压能与市网电压同频同相的光伏发电与市网并行供电切换装置。

本发明是这样实现的：

光伏发电与市网并行供电切换装置，其特征在于负载通过第一切换单元与光伏电源连接，通过第二切换单元与市网连接。第一切换单元由第1、2绝缘栅双极晶体管Q1、Q2分别与第1、2二极管D1、D2反向并联而成，Q1负端与Q2负端相连，Q1、Q2正端分别与光伏电源、负载相连。第二切换单元由第3、4绝缘栅双极晶体管Q3、Q4分别与第3、4二极管D3、D4反向并联而成，Q3负端与Q4负端相连，Q3、Q4正端分别与负载、市网相连。Q1~Q4的栅极与第一驱动单元相连，第一驱动单元与控制单元连接。光伏电源输出电压、电网电压、负载电流通过采样调理单元的1、2、3号电路采样到控制单元。

光伏电源由光伏阵列、降压单元、逆变单元依次连接组成。由第5绝缘栅双极晶体管VQ5、第9二极管D10、电感L1组成降压电路。VQ5的栅极连接到第三驱动单元，第三驱动单元再连接到控制单元。采样电容C1两端电压经采样调理单元4号电路采样到控制单元。逆变单元由第6-9绝缘栅双极晶体管VQ1~VQ4分别与第5-8二极管D5~D8反向并联组成。VQ1的负端与VQ2的正端连接，并与第一输出端连接，VQ3的负端与VQ4的正端连接，并与第二输出端连接，输出端经电感、电阻滤波和变压器升压后分别连接到第一切换单元和负载。VQ1、VQ3的正端以及VQ2和VQ4的负端接降压单元的输出。VQ1~VQ4管的栅极均与第二驱动单元连接，第二驱动单元再连到控制单元。

光伏电源输出端L、N连接到采样调理单元1号电路的端子P1的1、2口，再连接到电阻和第1放大器U1，第1放大器U1的输出接第1电压跟随器U2，U2的输出经电阻和第一钳位电路后连接到控制单元。市网输出端L1、N1连接到采样调理单元的2号电路的端子P2的1、2口，再连接到电阻和第2放大器U3，U3的输出一路到第2电压跟随器U4，U4的输出经电阻和第二钳位电路连接到控制单元。第2放大器U3的另一路输出经过零比较器U5和滤波电路连接到控制单元。负载电流通过采样调理单元3号电路的电流霍尔传感器连接到电阻、电容和第3放大器U6组成的调理电路后，经反馈放大器U7和二极管组成的零电平比较电路连接到控制单元。采样电容C1两端电压输出经4号电路端子P3的1、2口，再连接到电阻和第4放大器U8，第4放大器U8的输出接第3电压跟随器U9，U9的输出经电阻和第三钳位电路后连接到控制单元。

供电切换方法如下：

（1）采样调理单元1号电路采样光伏电源输出电压波形，2号电路和3号电路分别采样电网电压和负载电流的波形，捕获它们的过零点时刻，控制单元再根据该时刻计算它们的频率和相位差值，输出调节信号到第二驱动单元，驱动逆变单元，使光伏电源输出电压与电网电压的频率和相位一致。4号电路采样电容C1两端电压，控制单元通过计算调整占空比，使光伏阵列输出最大功率。

（2）当光伏电源输出功率大于或等于预设的负载功率时，即判断光伏电源供电正常，控制单元输出信号到第一驱动单元驱动第一切换单元按照正弦交流电的正负半周期轮流导通，此时，第二切换单元关闭，仅由光伏电源向负载供电。

（3）当光伏电源输出功率小于预设的负载功率时，即判断光伏电源供电不正常，控制单元输出信号到第一驱动单元，驱动第一、第二切换单元导通，此时光伏电源与市网并行供电。

（4）检测光伏电源供电是否恢复正常，若没有恢复，则重复步骤（3），若恢复正常，则转步骤（5）。

（5）控制单元通过采样调理单元2、3号电路捕获电网电压和负载电流的过零点计算它们的频率的差值，输出信号到第二驱动单元，调节逆变单元的输出，使光伏电源输出电压和电网电压的频率和相位一致，此时，仍由光伏电源和市网并行供电。

（6）控制单元通过第一驱动单元逐渐调节电网电压的占空比输出，当调节到零时，第一驱动单元关闭第二切换单元，光伏电源经导通的第一切换单元向负载供电。

上述步骤（1）中，当控制单元捕获到电网电压和负载电流的脉冲上升沿时产生中断，先保护中断现场，即保存相关寄存器的值，再判断该中断是由控制单元的第一捕获单元还是第二捕获单元产生，若是第一捕获单元，即中断时刻是电网电压的过零点，将该捕获值存入自定义的数组中，该捕获值减去上一次捕获值得电网电压的周期。若是第二捕获单元，即中断时刻是负载电流的过零点，将该捕获值存入自定义的另一数组中，该捕获值减去上一次捕获值得负载电流的周期，比较电网电压和负载电流的周期差值的绝对值|∆F|，如果|∆F|=0，即两者频率相同，不作调整，如果|∆F|>0，则对控制单元内部的周期寄存器进行调整，如果负载电流的周期大于电网电压的周期，则减小周期寄存器的值，如果负载电流的周期小于电网电压的周期，则增大周期寄存器的值，直至负载电流的周期等于电网电压的周期，即两者的频率相同。

当负载电流与电网电压的频率相同时，通过捕获值计算得到相位差∆Ph，在捕获到电网电压过零点时，利用相位指针P_index记录第k步调制信号。判断相位差的值是否在允许范围内，若在范围之内，则指针不做调整。若不在允许范围内，通过当前的相位指针值和电网电压频率，求出步进值λ，使相位指针向前或向后一个步进值，实现其向逆变过零相位值趋近．这样就可实现负载电流与市电的相位相一致，也就可以实现负载电流频率和相位对电网电压的跟踪。

本发明中光伏电源作为主电源主要实现3个功能：逆变、最大功率跟踪和输出电流锁相。其中逆变采用SPWM调制实现。在最大功率点跟踪上，采用固定电压法使得光伏电源始终工作在最大功率点。输出电流锁相采用控制器 DSP 的软件锁相方式来实现。在工作过程中光伏电源通过采样单元实时监测市网电源状况和负载输出情况，使得光伏电源输出电压与市网电压同频同相并工作在最大功率点上。当光伏电源正常带载时，DSP输出两路互补驱动信号PWM1、PWM2，控制第一切换单元的快速全控Q1、Q2动作，并按照正弦交流电的正负半周轮流导通，在电压正半周期Q1导通Q2关闭，在电压负半周期Q2导通Q1关闭。

市网作为后备电源，当光伏电源输出功率不足时，通过控制单元输出控制信号，使得快速全控开关器件按照指定开关逻辑动作进行切换。具体过程为当光伏电源输出功率小于负载所需功率时，DSP输出四路驱动信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4，控制第一切换单元和第二切换单元动作，Q1为导通状态时，让Q4导通使得市网供电，因为光伏电压低于市网电压，此时D2会截止，光伏电源输出电流为零，由市网为负载提供电流。当Q4关闭时，D2导通，光伏电源继续供电，其中Q4的导通时间由相应的PWM4的脉冲宽度决定。若电压处于负半周期，与正半周期类似，Q2依然保持导通状态，让Q3导通使得市网供电，此时D1会截止，光伏电源输出电流为零，由市网为负载提供电流。当Q3关闭时，D1导通，光伏电源继续供电。其中Q3的导通时间由相应的PWM3的脉冲宽度决定。

本发明的优点在于：

1、本发明所设计的切换电路单元配合切换控制逻辑实现无逆流的光伏发电与市网并行供电，结构简单，成本低，光伏电源与市网切换可靠。

2、本发明中在光伏电源供电不足的情况下与市网并行供电，在充分利用太阳能和市网的同时光伏电源的输出功率只供与负载不流向市网，没有对市网造成污染。

3、本发明在光伏电源供电不足时，对开关器件的控制采用了脉冲宽度调制的控制策略，该策略能够通过适时调整市网电压的占空比输出来满足负载的功率所需，且保证光伏电源输出功率为最大功率。

4、本发明采用的基于DSP的软件锁相环技术，锁相精度较高，很好地实现了光伏电源输出电压与电网电压同频同相。

附图说明：

图1为本发明主电路框图。

图2为光伏电源电路原理图。

图3为采样调理电路原理图。

图4为本发明供电切换流程图。

图5为本发明频率调节流程图。

图6为本发明相位调节流程图。

具体实施方式

本发明的硬件单元如下：

1. 交流切换单元：本发明的主电路是由4个绝缘栅双极晶体管Q1、Q2、Q3、Q4和四个与之反向并联的二极管D1、D2、D3、D4组成。其中第一切换单元中Q1与D1反向并联，Q2和D2反向并联。Q1负端与Q2负端相连，Q1正端与Q2正端则分别连接光伏电源和负载。第二切换单元中Q3与D3反向并联，Q4和D4反向并联。Q3负端与Q4负端相连，Q3正端与Q4正端则分别连接负载和市网。与此同时，四个绝缘栅双极晶体管的栅极都连接到第一驱动单元，第一驱动单元再连接到控制单元DSP（数字信号处理器）上。通过控制单元的4路PWM（脉冲宽度调制波）输出和驱动单元的功率放大对4个管子进行通断控制。

2. 电源单元：该单元由两部分组成，一个是主电路左侧的光伏电源，另一个则是主电路右侧的市网电源。其中光伏电源的电路结构如图2所示。光伏阵列将太阳能转化成电能，由开关管VQ5、二极管D10以及电感L1组成的降压电路，VQ5的栅极连接到第三驱动单元，驱动单元再连到控制单元，采样电容C1两端电压经采样调理后输到控制单元，实现太阳能的最大功率跟踪，使其保证无论在何种情况下都为最大功率输出。由绝缘栅双极晶体管VQ1、VQ2、VQ3、VQ4组成的逆变电路完成从直流到交流的逆变，经电感L2和电阻R1滤波并升压后输出电压U_pv。同时，四个绝缘栅双极晶体管的栅极也都连接到第二驱动单元，第二驱动单元再连接到控制单元DSP上，通过控制单元的4路SPWM输出和驱动单元的功率放大对4个管子进行驱动。市网电源从主电路右侧引进，输出电压U_grid。

3.控制单元：本发明中控制单元采用的是TI公司DSP系列中TMS320F2812。在整个切换装置中DSP完成所有的信号控制，同时实现采样、信号上升沿捕获、PWM波以及SPWM波的输出。

4.驱动单元：本发明中第一、第二驱动单元采用的是集成块M57962L，第三驱动单元采用的是器件IR2110。

5.采样调理单元：采样调理电路如图3所示，因为DSP的端口输入范围是0～3.3V，所以需要用调理电路将交流信号转变为其端口能接受的电压范围。其中1号电路为光伏电压采样，电压U_PV从端子P1的1、2号接口引进，通过R2、R5降压，降压比例为

Figure 2012104792570100002DEST_PATH_IMAGE002

，R3、R4则起到平衡电路的作用，由于R6阻值与R7相等，所以电压经放大器后，将提升3.3V后的电压值二分之一送入后端的电压跟随器，再通过一个电阻和由电容、稳压二极管组成的钳位电路将电压限制在3.3V以内，最后连接到DSP进行采样。2号电路为电网电压采样及过零捕获，电压Ugrid通过电阻和放大器比例降压，降压后的电压分作两路，一路经电压跟随器连接到DSP进行采样，另一路通过过零比较器与滤波电路滤去高频干扰后连接到DSP进行捕获。3号电路为负载电流的采样及过零捕获,采用型号GCT220A的电流霍尔传感器接入负载电路，将电流信号送入由电阻、电容和放大器组成的调理电路。由R17、R18将电流信号转换为电压信号，电容C10、C12滤除杂波。放大器选用型号为LM324N的双电压比较器，经D5、D6稳压后，经过反馈放大与零电平比较后输出脉冲波信号送入DSP，DSP通过检测上升沿与下降沿即可得到过零信号。4号电路为电容C1两端电压采样电路，与1号电路大致相同，因此不再赘述。

具体的软件单元如下：

1.AD 采样：模/数转换器ADC模块的功能就是将模拟量转化为数字量供控制器使用。TMS320F2812内部的ADC模块是一个12位分辨率的模/数转换器，具有16个采样通道，分为两组：一组为ADCINA0~ADCINA7，另一组为ADCINB0~ADCINB7。通过如图3所示的采样调理电路，将光伏电压和市网电压波形以及电容C1两端电压采样到DSP端口，经采样通道ADCINA0、ADCINA1和ADCINB0变为数字信号，其电压值存储于DSP相应的寄存器中，并将每个周期获得的光伏电压、市网电压、电容电压采样值存放到自定义的数组Sample1[]、Sample2[]和Sample3[]中。

2. 捕获：TMS320F2812中有6个捕获单元CAP1~CAP6，作用是捕获引脚上电平的变化,并记录电平发生变化的时刻。本发明中使用两个捕获单元CAP1 和 CAP2 ，均设置为检测到上升沿有效。由于捕获单元输入信号是方波信号, 因此两个相邻上升沿之间的间隔恰好是一个周期, 同时上升沿发生的时刻就是采样信号从负到正的过零点, 从而实现对电网电压和输出电流的过零捕获。

3.PWM 输出：PWM控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，在一串理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值就为占空比。通过PWM技术调制产生的脉冲波即为PWM波，而脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形就称为SPWM波。在整个光伏发电与市网并行供电切换装置中，一共有五路PWM波输出和四路SPWM波输出，其中四路PWM1~PWM4控制主电路中Q1~Q4四个绝缘栅双极晶体管的通断，而另四路输出SPWM1~SPWM4则控制光伏电源中VQ1~VQ4四个绝缘栅双极晶体管的通断。另一路PWM5控制光伏电源中VQ5的通断。其中PWM1、PWM2的输出通过DSP中对周期寄存器赋值T1PR和对比较寄存器赋值T1CMPR来完成。其中T1PR=TCLK/f_pv-1，T1CMPR=T1PR+1-d₁(T1PR+1)，(TCLK为输入时钟频率37.5MHz, f_pv光伏电源输出电压频率，d₁为占空比0.5)。而PWM3、PWM4的输出通过DSP中的周期寄存器赋值T2PR和比较寄存器T2CMPR赋值来完成。T2PR=TCLK/f_grid-1，T2CMPR=T2PR+1-d₂(T2PR+1)（TCLK为输入时钟频率37.5MHz, f_grid为电网电压频率，其占空比d₂=∆U/U_grid ，∆U=U_grid-U_pv ，其中

Figure 2012104792570100002DEST_PATH_IMAGE004

为电网电压有效值，

Figure 2012104792570100002DEST_PATH_IMAGE006

为光伏电源输出电压有效值）。在仅有光伏电源供电的情况下，只有PWM1、PWM2输出。当检测到光伏电源输出功率不足时，进入中断服务程序，完成PWM3、PWM4的输出。而另四路SPWM波采用载波比N=400 的SPWM 脉宽调制技术控制绝缘栅双极晶体管VQ1~VQ4的通断。其中载波频率为20kHz，DSP 的输入时钟频率为37.5MHz。首先DSP离线计算出 400个点的正弦值，根据正弦指针P_index在正弦表sin_table[P_index]，正弦表大小为 n =400中的位置来选择占空比修改比较寄存器T3CMPR 与比较寄存器T4CMPR 的值，产生 4路带死区的SPWM波驱动VQ1~VQ4管，同时可知周期寄存器T3PR和周期寄存器T4PR 的值均为:50 us / (2 × 26.7 ns) = 936 。由于VQ1~VQ4组成的逆变单元的上下桥臂不能同时导通，而功率开关管的关闭延长时间比开通延长时间要长，为了避免上下桥臂同时导通而引起短路烧坏元器件，在编程中加入死区控制时间1.6us。在最大功率跟踪上，因为光伏阵列的最大功率点所对应的电压U_M和光伏阵列的开路电压Uoc之间存在着近似的线性关系，U_M≈k1·Uoc，k1为比例常数取值为0.75，Uoc可以通过将光伏阵列和负载断开来测得，这样即可计算出最大功率点对应的电压U_M，调节VQ5的通断使得输出电压大致为U_M即可。PWM5输出占空比为

Figure 2012104792570100002DEST_PATH_IMAGE008

的脉冲波形,使得降压电路输出电压大致为U_M。U_C1为采样电容C1两端的电压。

以下结合附图及实例，对本发明作详细说明。本处描述的具体实施案例用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图 1 为本发明主电路框图

主电路中包含两个切换单元，连接关系如图1所示。实例中快速全控开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，每个切换单元由两个IGBT与两个反并联二极管组成。以第一切换单元为例，Q1的发射极与二极管D2正极相连的同时连接到Q2的发射极，Q1的集电极与二极管D1负极相连，Q1的门极与控制单元相连，由控制单元发出信号进行控制。Q2的发射极与二极管D2正极相连的同时连接到Q1的发射极，Q2的集电极与二极管D2负极相连，Q2的门极与控制单元相连。第一切换单元在光伏电源一侧，对光伏电源实施切换。第二切换单元在市网电源一侧，对市网电源实施切换。当光伏电源工作时，第一切换单元的Q1、Q2栅极接收导通驱动信号。驱动信号PWM1、PWM2由图1中所示第一驱动单元提供，目的是控制切换单元IGBT的导通和关断。当光伏电源和市网电源同时工作时，第一、第二切换单元的Q1、Q2、Q3、Q4门极都接收驱动信号，驱动信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4由第一驱动单元提供。

如图1所示设定光伏电源供电与第一切换单元相连一端为L，与负载相连的一端为N。市网电源与第二切换单元相连的一端为L1，与负载相连一端为N1。图中A点为负载电流过零检测点。

图 2 为光伏电源电路原理图

直流电能从光伏阵列发出，经降压电路和逆变单元转化为交流电能输出，控制单元通过第三驱动单元连接光伏电源的绝缘栅双极晶体管VQ5，通过控制程序按设定的占空比调整VQ5的通断使其工作在最大功率点。同时控制单元通过第二驱动单元连接光伏电源的逆变单元，通过控制程序调整光伏电源输出电压的频率与相位。具体过程为：控制单元输出设定好相位、频率信息的正弦脉宽调制信号SPWM，输出至光伏电源的逆变电路单元的驱动电路，光伏电源第二驱动单元驱动逆变电路单元的开关器件绝缘栅极双极型晶体管VQ1、VQ2、VQ3、VQ4按照正弦脉宽调制信号进行开关动作，输出逆变波形，经过光伏电源电阻R2、电感L1滤波电路滤波并升压后连接到光伏电源的第一、二输出端L、N。

图 3 为采样调理电路原理图

其中第一路为光伏电压采样，电压Upv从端子P1的1、2号接口引进，通过R2~R5及R11降压，通过R2、R5降压，降压比例为

，R3、R4则起到平衡电路的作用，由于R6阻值与R7相等，所以电压经放大器后，将提升3.3V后的电压值二分之一送入后端的电压跟随器，再通过一个电阻和由电容、稳压二极管组成的钳位电路将电压限制在3.3V以内，最后连接到DSP的174引脚进行采样。第二路为电网电压采样及过零捕获电路，电压Ugrid通过电阻和放大器比例降压，降压后的电压分作两路，一路经电压跟随器连接到DSP的2引脚进行采样，另一路通过过零比较器与滤波电路滤去高频干扰后连接到DSP的106引脚进行捕获。第三路为负载电流的采样与过零捕获电路，采用型号GCT220A的电流霍尔传感器接入负载电路，将负载电流信号送入由电阻、电容和放大器组成的调理电路。由R17、R18将电流信号转换为电压信号，电容C10、C12滤除杂波。放大器选用型号为LM324N的双电压比较器。D5、D6稳压，经过反馈放大及与零电平比较后输出脉冲波信号送入DSP的107引脚，DSP通过检测上升沿与下降沿即可得到过零信号。第四路为电容C1两端电压采样电路，与1号电路大致相同，经采样调理后送入DSP的173引脚。

图 4 为本发明供电切换流程图

步骤1：跟踪电网电压波形，启动数字锁相

采样单元实时采样光伏电源电压、负载电流、电网电压和电容C1两端电压波形，捕获单元捕获负载电流和电网电压过零点。控制单元控制VQ5的通断使光伏电源工作于最大功率点。同时，当控制单元内部的捕获单元捕获到过零点时，数字锁相启动。因为数字锁相的目标是使光伏电压与电网电压同频同相,由于跟踪电流较为简便，所以让负载电流去跟踪电网电压的变化。输出电流锁相采用 DSP 软件锁相方式来实现。负载电流频率是通过调整产生 SPWM 的三角载波频率而实现的,若电流频率小于电网频率,则应减小发生SPWM 信号的相关定时器周期寄存器的值,从而通过提高三角载波频率来实现负载电流与电网电压频率相同，反之亦然。负载电流相位是通过调整产生SPWM 信号正弦波离散值中的第一个点发生的时刻而实现的,当捕获到电网电压的过零点时,立即调整相应比较寄存器中正弦波离散值的指针来调整相位。本发明中数字锁相的设计方案是:首先运用两路捕获单元分别捕获计算电网电压和负载电流的频率和相位,根据计算结果调节算法中的步进值和相位指针，从而实现负载电流对电网电压的频率和相位的跟踪。

首先调整频率，当捕获到上升沿产生中断时,进入中断服务程序, 先保护现场, 再判断中断源是CAP1还是 CAP2。若是 CAP1,则说明产生中断的时刻是电网电压的过零点。将控制单元内部的寄存器CAPFIFO捕获的值Uzero 存入自定义的数组中,再减去上一次的捕获值U（N-1）zero，两者的差值正好是电网电压的周期T_grid。若是 CAP2，则说明产生中断的时刻是负载电流的过零点。将CAPFIFO捕获的值Izero存入自定义的另一数组,再减去上一次的捕获值I（N-1）zero，两者的差值正好是负载电流的周期T_load。然后拿当前电网电压的周期T_grid与当前负载电流周期T_load作比较,倘若两者无差值，则不作调整；若有误差，则对周期寄存器T1PR作相应的调整。若T_load小于T_grid,则增大T1PR内的值，若T_load大于T_grid，则减小T1PR内的值。当负载电流频率调整到与电网电压频率相同时，进行相位调整。利用Uzero减去Izero得到相位差∆Ph，由于相位指针

Figure 2012104792570100002DEST_PATH_IMAGE010

为16位的无符号整型变量，则第k步调制信号的相位指针

指为，，N为载波比，N=400，n为16。则指针的相位分辨率为2π/2¹⁶=9.6×10^-5(rad)，调制信号的正弦相位指针在每个采样周期的增量为1个步进值。通过当前的相位指针值和电网电压频率，求出步进值λ，若相位差∆Ph小于2°或大于358°，则判断为大致同相，指针保持不变，若∆Ph大于2°小于180°则指针

减少一个λ，若∆Ph大于180°小于358°，则指针增加一个λ使得其向逆变过零相位值趋近．这样就可实现负载电流与市电的相位相一致．也就可以实现负载电流频率和相位对电网电压的跟踪。

由于程序采用读表法．会存在一定的相位误差．理论上的最大相位误差为9.6×10^-5(rad)．该误差已相当小,数字锁相精度较高，锁相完成，负载电流成功跟踪电网电压的频率和相位，进行步骤2。

步骤2：检测光伏电源状态是否异常

当光伏电源输出功率大于或等于负载时，即如果光伏电源电压采样及过零检测电路输入的方波信号在一周期内Sample1内的值10次大于或等于设定正弦表sin_table[P_index]（sin_table[i]=V*|sin(i*360^o/N)|，V=300，N=400）的值，则判定光伏电源供电正常，其电源侧的第一切换单元快速全控开关器件Q1、Q2按照正弦交流电的正负半周轮流导通，即输出PWM波占空比为0.5，在电压正半周期Q1导通Q2关闭，在电压负半周期Q2导通Q1关闭。同时利用快速全控开关器件的反并联二极管实现续流以及缓冲，对器件进行过压过流保护，减小器件的开关损耗。在市电侧的第二切换单元快速全控开关器件Q3、Q4保持关闭状态，市网不输出功率，仅由光伏电源对负载供电，同时，负载电流实时跟踪电网电压频率与相位。

当光伏电源输出功率小于负载所需功率时，即如果光伏电源电压采样电路输入的方波信号在一周期内Sample1内的值连续10次不大于设定的sin_table内的正弦值，判定光伏电源供电不足，则转步骤3。

步骤3：DSP控制驱动单元使得光伏电源与电网并行供电

1.采样光伏电压波形，若电压处于正半周期，PWM1输出有效高电平，Q1为导通状态，此时启动DSP的第2定时器并使能输出PWM4让Q4导通使得市网供电，因为光伏电压低于市网电压，此时D2会截止，光伏电源输出电流为零，电流从市网L1端出发经过Q4、D3和负载形成整个电流回路。当Q4关闭时，D2导通，光伏电源继续供电，电流从光伏电源L端出发经过Q1、D2和负载形成回路。其中Q4的导通时间由相应的PWM4的脉冲宽度决定。

2.采样光伏电压波形，若电压处于负半周期，Q1与Q3都关断了，与正半周期类似，PWM2输出有效高电平，Q2依然保持导通状态，通过启动DSP的第2定时器并使能输出PWM3让Q3导通使得市网供电，此时D1会截止光伏电源输出电流为零，电流从市网N1端流出后经负载、Q3和D4形成整个电流回路。当Q3关闭时，D1导通，光伏电源继续供电，电流从光伏电源N端出发经过负载、Q2和D1形成整个电流回路。其中Q3的导通时间由相应的PWM3的脉冲宽度决定。

所以当改变PWM3、PWM4的占空比即修改比较寄存器T2CMPR的值时就可以改变市网的输出功率。又由于快速全控开关器件与二极管的反向截止特性，市网与光伏电源之间不会形成电流通路，只能向设定负载供电，保证了电流不会从光伏电源逆流向市网电源，通过调节占空比就够改变市网的输出功率，同时通过控制VQ5的通断使光伏电源工作于最大功率点。

步骤4：检测光伏电源状态是否恢复正常

采样光伏电压波形，若光伏电源电压采样及过零检测电路输入的方波信号在一周期内Sample1内的值10次大于或等于设定sin_table内的正弦值，则判定为光伏电源状态恢复正常，转步骤5。

步骤5：再次跟踪电网电压，启动数字锁相

采样光伏电源电压、负载电流和电网电压，捕获单元捕获光伏电源电压和电网电压过零点。当捕获到过零点时，数字锁相启动。具体过程同步骤1，在此不再赘述。锁相完成，负载电流成功跟踪电网电压的频率和相位，转步骤6。

步骤6:DSP控制调整电网电源与主电路断开

当光伏电源恢复到能正常带载时，此时仍是由光伏电源和市网同时给负载供电，所以通过DSP逐渐将占空比d2调节至零，即不断减小比较寄存器T2CMPR的值，当减小到零时，DSP的PWM3、PWM4口不再输出有效高电平，Q3、Q4则会自动关断，市网不再输出功率。Q1和Q2依然按照正弦交流电的正负半周轮流导通。

图5和图6为本发明频率调节流程图和相位调节流程图，具体过程在步骤1中有详述。

Claims

1.光伏发电与市网并行供电切换装置，其特征在于负载通过第一切换单元与光伏电源连接，通过第二切换单元与市网连接，第一切换单元由第1、第2绝缘栅双极晶体管Q1、Q2分别与第1、第2二极管D1、D2反向并联而成，Q1负端与Q2负端相连，Q1、Q2正端分别与光伏电源、负载相连，第二切换单元由第3、第4绝缘栅双极晶体管Q3、Q4分别与第3、第4二极管D3、D4反向并联而成，Q3负端与Q4负端相连，Q3、Q4正端分别与负载、市网相连，Q1~Q4的栅极与第一驱动单元相连，第一驱动单元与控制单元连接，光伏电源输出电压、电网电压、负载电流通过采样调理单元的1、2、3号电路采样到控制单元，

光伏电源由光伏阵列、降压单元、逆变单元依次连接组成，由第5绝缘栅双极晶体管VQ5、第9二极管D10、电感L1组成降压电路，VQ5的栅极连接到第三驱动单元，第三驱动单元再连接到控制单元，采样电容C1两端电压经采样调理单元4号电路采样到控制单元，逆变单元由第6-9绝缘栅双极晶体管VQ1~VQ4分别与第5-8二极管D5~D8反向并联组成，VQ1的负端与VQ2的正端连接，并与第一输出端连接，VQ3的负端与VQ4的正端连接，并与第二输出端连接，第一、二输出端经电感、电阻滤波和变压器升压后分别连接到第一切换单元和负载，VQ1、VQ3的正端以及VQ2和VQ4的负端接降压单元的输出，VQ1~VQ4管的栅极均与第二驱动单元连接，第二驱动单元再连到控制单元。

2.根据权利要求1所述的装置其特征在于光伏电源输出端L、N连接到采样调理单元1号电路的端子P1的1、2口，再连接到电阻和第1放大器U1，第1放大器U1的输出接第1电压跟随器U2，U2的输出经电阻和第一钳位电路后连接到控制单元，市网输出端L1、N1连接到采样调理单元的2号电路的端子P2的1、2口，再连接到电阻和第2放大器U3，U3的输出一路到第2电压跟随器U4，U4的输出经电阻和第二钳位电路连接到控制单元，第2放大器U3的另一路输出经过零比较器U5和滤波电路连接到控制单元，负载电流通过采样调理单元3号电路的电流霍尔传感器连接到电阻、电容和第3放大器U6组成的调理电路后，经反馈放大器U7和二极管组成的零电平比较电路连接到控制单元，采样电容C1两端电压输出经4号电路端子P3的1、2口，再连接到电阻和第4放大器U8，第4放大器U8的输出接第3电压跟随器U9，U9的输出经电阻和第三钳位电路后连接到控制单元。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于供电切换方法如下：

（1）采样调理单元1号电路采样光伏电源输出电压波形，2号电路和3号电路分别采样电网电压和负载电流的波形，捕获它们的过零点时刻，控制单元再根据该时刻计算它们的频率和相位差值，输出调节信号到第二驱动单元，驱动逆变单元，使光伏电源输出电压与电网电压的频率和相位一致，4号电路采样电容C1两端电压，控制单元通过计算调整占空比，使光伏阵列输出最大功率；

（2）当光伏电源输出功率大于或等于预设的负载功率时，即判断光伏电源供电正常，控制单元输出信号到第一驱动单元驱动第一切换单元按照正弦交流电的正负半周期轮流导通，此时，第二切换单元关闭，仅由光伏电源向负载供电；

（3）当光伏电源输出功率小于预设的负载功率时，即判断光伏电源供电不正常，控制单元输出信号到第一驱动单元，驱动第一、第二切换单元导通，此时光伏电源与市网并行供电；

（4）检测光伏电源供电是否恢复正常，若没有恢复，则重复步骤（3），若恢复正常，则转步骤（5）；

（5）控制单元通过采样调理单元2、3号电路捕获电网电压和负载电流的过零点计算它们的频率的差值，输出信号到第二驱动单元，调节逆变单元的输出，使光伏电源输出电压和电网电压的频率和相位一致，此时，仍由光伏电源和市网并行供电；

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于步骤（1）中，当控制单元捕获到电网电压和负载电流的脉冲上升沿时产生中断，先保护中断现场，即保存相关寄存器的值，再判断该中断是由控制单元的第一捕获单元还是第二捕获单元产生，若是第一捕获单元，即中断时刻是电网电压的过零点，将该捕获值存入自定义的数组中，该捕获值减去上一次捕获值得电网电压的周期，若是第二捕获单元，即中断时刻是负载电流的过零点，将该捕获值存入自定义的另一数组中，该捕获值减去上一次捕获值得负载电流的周期，比较电网电压和负载电流的周期差值的绝对值|∆F|，如果|∆F|=0，即两者频率相同，不作调整，如果|∆F|>0，则对控制单元内部的周期寄存器进行调整，如果负载电流的周期大于电网电压的周期，则减小周期寄存器的值，如果负载电流的周期小于电网电压的周期，则增大周期寄存器的值，直至负载电流的周期等于电网电压的周期，即两者的频率相同。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于当负载电流与电网电压的频率相同时，通过捕获值计算得到相位差∆Ph，在捕获到电网电压过零点时利用相位指针

记录第k步调制信号，判断相位差的值是否在允许范围内，若在范围之内，则指针不做调整，若不在允许范围内，通过当前的相位指针值和电网电压频率，求出步进值λ，使相位指针向前或向后一个步进值，实现其向逆变过零相位值趋近，这样就可实现负载电流与市电的相位相一致，也就可以实现负载电流频率和相位对电网电压的跟踪。