一种并网风光互补控制逆变装置

1.一种并网风光互补控制逆变装置，它是由蓄电池充电单元(1)、DC-DC升压稳压单元(2)、并网逆变单元(3)和蓄电池(4)组成的，其特征在于：蓄电池充电单元(1)连接DC-DC升压稳压单元(2)，DC-DC升压稳压单元(2)连接并网逆变单元(3)和蓄电池(4)。
2.根据权利要求1所示的一种并网风光互补控制逆变装置，其特征在于：所述的蓄电池充电单元(1)包括风力发电单元(8)、太阳能发电单元(9)和卸荷电路(15)，风力发电单元(8)连接太阳能发电单元(9)，太阳能发电单元(9)连接卸荷电路(15)。
3.根据权利要求2所示的一种并网风光互补控制逆变装置，其特征在于：所述的风力发电单元(8)包括风力机(5)、永磁同步发电机(6)和整流电路(7)，风力机(5)连接永磁同步发电机(6)，永磁同步发电机(6)连接整流电路(7)。
4.根据权利要求2所示的一种并网风光互补控制逆变装置，其特征在于：所述的太阳能发电单元(9)包括光电检测单元(10)、双轴电机驱动单元(11)、俯仰调整步进电机(12)、水平调整步进电机(13)和太阳能电池板(14)，光电检测单元(10)连接双轴电机驱动单元(11)、双轴电机驱动单元(11)分别连接俯仰调整步进电机(12)和水平调整步进电机(13)，俯仰调整步进电机(12)和水平调整步进电机(13)分别连接太阳能电池板(14)。
5.根据权利要求1所示的一种并网风光互补控制逆变装置，其特征在于：所述的DC-DC升压稳压单元(2)包括升压电路(16)、第一驱动电路(17)、第一采样电路(18)和第一数字信号处理电路(19)，升压电路(16)连接第一驱动电路(17)和第一采样电路(18)，第一驱动电路(17)和第一采样电路(18)分别连接第一数字信号处理电路(19)。
6.根据权利要求1所示的一种并网风光互补控制逆变装置，其特征在于：所述的并网逆变单元(3)包括三相逆变器(20)、电抗器(21)、第二采样电路(22)、第二驱动电路(23)、SG电路(24)、低通滤波电路(25)、过零比较器(26)、三相同步变压器(27)和第二数字信号处理器(28)，三相逆变器(20)连接电抗器(21)和第二驱动电路(23)，第二驱动电路(23)连接SG电路(24)，SG电路(24)连接低通滤波电路(25)和电抗器(21)，过零比较器(26)连接三相同步变压器(27)和第二数字信号处理器(28)，第二数字信号处理器(28)连接第二采样电路(22)和低通滤波电路(25)。

一种并网风光互补控制逆变装置\n(一)技术领域\n[0001] 本实用新型涉及电力电子技术，具体说就是一种并网风光互补控制逆变装置。\n(二)背景技术\n[0002] 传统的并网式风光互补控制器存在如下问题：(1)太阳能电池板大多采用固定式的供电方式，太阳电池板不能实时跟踪太阳光的入射角度，太阳能的利用率较低；(2)太阳能电池板也有少量采用太阳能轨迹跟踪方式，即根据太阳的运行轨迹方程计算出一年中每天太阳的运行轨迹。该方法的缺点是在运行中控制系统和电机存在累计误差、传动系统的机械形变，因此跟踪效果不够理想。(3)并网回馈方式大多以电网电压作为回馈电流的给定，电网电压的饱和、畸变会造成回馈电流中包含大量的谐波成份，造成电网污染。\n(三)发明内容\n[0003] 本实用新型的目的在于提供一种并网风光互补控制逆变装置。\n[0004] 本实用新型的目的是这样实现的：它是由蓄电池充电单元、DC-DC升压稳压单元、并网逆变单元和蓄电池组成的，蓄电池充电单元连接DC-DC升压稳压单元，DC-DC升压稳压单元连接并网逆变单元和蓄电池。本实用新型还有以下技术特征：\n[0005] (1)所述的蓄电池充电单元包括风力发电单元、太阳能发电单元和卸荷电路，风力发电单元连接太阳能发电单元，太阳能发电单元连接卸荷电路。\n[0006] (2)所述的风力发电单元包括风力机、永磁同步发电机和整流电路，风力机连接永磁同步发电机，永磁同步发电机连接整流电路。\n[0007] (3)所述的太阳能发电单元包括光电检测单元、双轴电机驱动单元、俯仰调整步进电机、水平调整步进电机和太阳能电池板，光电检测单元连接双轴电机驱动单元，双轴电机驱动单元分别连接俯仰调整步进电机和水平调整步进电机，俯仰调整步进电机和水平调整步进电机分别连接太阳能电池板。\n[0008] (4)所述的DC-DC升压稳压单元包括升压电路、第一驱动电路、第一采样电路和第一数字信号处理电路，升压电路连接第一驱动电路和第一采样电路，第一驱动电路和第一采样电路分别连接第一数字信号处理电路。\n[0009] (5)所述的并网逆变单元包括三相逆变器、电抗器、第二采样电路、第二驱动电路、SG电路、低通滤波电路、过零比较器、三相同步变压器和第二数字信号处理器，三相逆变器连接电抗器和第二驱动电路，第二驱动电路连接SG电路，SG电路连接低通滤波电路和电抗器，过零比较器连接三相同步变压器和第二数字信号处理器，第二数字信号处理器连接第二采样电路和低通滤波电路。\n[0010] 本实用新型一种并网风光互补控制逆变装置，利用太阳能和风能互补，使发电时间变长，提高向电网注入的电流的连续性，有效的提高太阳能和风能利用效率；采用太阳能电池板自动跟踪系统，时刻校正太阳能电池板的水平角度和俯仰角度，使太阳能发电系统的发电效率达到了最高；本实用新型采用PWM无级卸荷，在正常卸荷情况下，可以保证蓄电池电压在浮充电压附近，只是把多余的电能释放到卸荷上，而且保证了最佳蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用，确保蓄电池寿命；逆变器的电流闭环采用模拟器件实现，提高系统的响应速度，保证逆变电流对电网电压的跟踪特性，提高功率因数。\n(四)附图说明\n[0011] 图1为本实用新型的系统框图；\n[0012] 图2为本实用新型的太阳能单元结构框图；\n[0013] 图3为本实用新型的光检测传感器的安装图；\n[0014] 图4为本实用新型的太阳能跟踪单元主程序流程图；\n[0015] 图5为本实用新型的光电检测调整子程序流程图；\n[0016] 图6为本实用新型的太阳能跟踪单元CAP1中断子程序流程图；\n[0017] 图7为本实用新型的太阳能跟踪单元定时器1下溢中断子程序流程图；\n[0018] 图8为本实用新型的频率为800Hz时两相正弦阶梯波相电流给定波形图；\n[0019] 图9本实用新型的频率为800Hz时给定电流(A)与反馈电流(B)波形图；\n[0020] 图10本实用新型的频率为800Hz时两相反馈电流波形图；\n[0021] 图11为本实用新型的PWM无级卸荷电路原理图；\n[0022] 图12为本实用新型的DC-DC升压稳压单元电路原理图；\n[0023] 图13本实用新型的DC-DC升压稳压单元主电路原理图；\n[0024] 图14为本实用新型的自举驱动电路原理图；\n[0025] 图15为本实用新型的DC-DC升压稳压单元输出电压采样电路图；\n[0026] 图16为本实用新型的DC-DC升压稳压单元程序流程图；\n[0027] 图17为本实用新型的DC-DC升压稳压单元输出电压AD采样中断服务子程序；\n[0028] 图18为本实用新型的DC-DC升压稳压单元PI子程序；\n[0029] 图19为本实用新型的并网逆变电路图；\n[0030] 图20为本实用新型的并网逆变主电路图；\n[0031] 图21为实用新型的蓄电池电压采样电路；\n[0032] 图22为本实用新型的并网同步信号获取电路；\n[0033] 图23为本实用新型的并网逆变控制信号的产生、放大、隔离驱动电路图；\n[0034] 图24为本实用新型的正弦波标幺值生成原理图；\n[0035] 图25为本实用新型的正弦波细分示意图；\n[0036] 图26为本实用新型的并网三相电流闭环示意图；\n[0037] 图27为本实用新型的并网逆变电路程序流程图；\n[0038] 图28为本实用新型的并网逆变DSP3CAP1中断服务子程序流程图；\n[0039] 图29为本实用新型的并网逆变DSP3T1软件定时器中断服务子程序流程图。\n(五)具体实施方式\n[0040] 下面结合附图举例对本实用新型作进一步说明。\n[0041] 实施例1：结合图1，本实用新型一种并网风光互补控制逆变装置，它是由蓄电池充电单元(1)、DC-DC升压稳压单元(2)、并网逆变单元(3)和蓄电池(4)组成的，蓄电池充电单元(1)连接DC-DC升压稳压单元(2)，DC-DC升压稳压单元(2)连接并网逆变单元(3)和蓄电池(4)。本实用新型还有以下技术特征：\n[0042] 所述的蓄电池充电单元(1)包括风力发电单元(8)、太阳能发电单元(9)和卸荷电路(15)，风力发电单元(8)连接太阳能发电单元(9)，太阳能发电单元(9)连接卸荷电路(15)。\n[0043] 所述的风力发电单元(8)包括风力机(5)、永磁同步发电机(6)和整流电路(7)，风力机(5)连接永磁同步发电机(6)，永磁同步发电机(6)连接整流电路(7)。\n[0044] 所述的太阳能发电单元(9)包括光电检测单元(10)、双轴电机驱动单元(11)、俯仰调整步进电机(12)、水平调整步进电机(13)和太阳能电池板(14)，光电检测单元(10)连接双轴电机驱动单元(11)、双轴电机驱动单元(11)分别连接俯仰调整步进电机(12)和水平调整步进电机(13)，俯仰调整步进电机(12)和水平调整步进电机(13)分别连接太阳能电池板(14)。\n[0045] 所述的DC-DC升压稳压单元(2)包括升压电路(16)、第一驱动电路(17)、第一采样电路(18)和第一数字信号处理电路(19)，升压电路(16)连接第一驱动电路(17)和第一采样电路(18)，第一驱动电路(17)和第一采样电路(18)分别连接第一数字信号处理电路(19)。\n[0046] 所述的并网逆变单元(3)包括三相逆变器(20)、电抗器(21)、第二采样电路(22)、第二驱动电路(23)、SG电路(24)、低通滤波电路(25)、过零比较器(26)、三相同步变压器(27)和第二数字信号处理器(28)，三相逆变器(20)连接电抗器(21)和第二驱动电路(23)，第二驱动电路(23)连接SG电路(24)，SG电路(24)连接低通滤波电路(25)和电抗器(21)，过零比较器(26)连接三相同步变压器(27)和第二数字信号处理器(28)，第二数字信号处理器(28)连接第二采样电路(22)和低通滤波电路(25)。\n[0047] 实施例2：结合图1、图2、图11、图12、图20、图23，本实用新型一种并网风光互补控制逆变装置，具有以下特征：太阳能跟踪控制装置实现对太阳入射角的跟踪，使太阳能电池板保持最大功率发电状态；风力发电机输出的变压变频交流电经整流后与太阳能电池板发出的直流电一起给蓄电池供电，为防止蓄电池过充，采用PWM无级卸荷的工作方式实现了对蓄电池的过充保护；采用高频变压器实现DC-DC变换，低压侧采用单相全桥工作方式实现DC-AC变换，AC-DC变换采用高频变压器，采用输出电压闭环控制方式，从而得到一个稳定的、高于电网电压峰值的直流电压；应用软件锁相技术，采用DSP(数字信号处理器)对电网电压的过零点进行同步采样，然后将计算得到的周期值进行均分，并以电网电压过零点作为同步，采用查表(正弦表，为标幺值)方式输出三相SPWM波，经过滤波处理后得到三相正弦波输出作为并网回馈电流的给定信号，通过硬件电流闭环控制实现并网回馈电流与电网电压同频、同相。如图1所示，本实用新型以三片DSP(DSP1、DSP2、DSP3)TMS320LF2407A为核心控制芯片，主要由三部分构成，即蓄电池充电单元、DC-DC升压稳压单元和并网逆变单元。(1)蓄电池充电单元以DSP1为核心控制单元，由太阳能发电、风力发电和PWM无级卸荷三部分组成，其中太阳能发电单元包括太阳光入射角光检测环节和双轴太阳能板跟踪装置两部分，目的是实现太阳能的最大功率输出；风力发电单元是将风力发电机输出的变压变频交流电变为直流电，与太阳能的输出一起为蓄电池充电；PWM无级卸荷控制单元是对蓄电池电压进行检测控制，以防止蓄电池过充电；(2)DC-DC升压稳压单元由高频变压器和DSP2TMS320LF2407A为核心构成，包括低压侧全桥功率拓扑、高频变压器、输出滤波、电压电流检测，同时采用DSP2TMS320LF2407A对高压侧输出电压进行闭环控制，从而实现DC-DC升压稳压，目标是得到一个高于电网交流电压峰值的直流电压；(3)并网逆变单元以DSP3为核心控制单元，包括电网电压的同步检测、软件锁相、SPWM生成及滤波、功率因数为-1的硬件电流闭环控制。\n[0048] 本实用新型包括：蓄电池充电单元、DC-DC升压稳压单元和并网逆变单元。图2为太阳能跟踪装置结构框图，由太阳能检测电路、双轴驱动控制器、双轴混合式步进电机组成，可以检测太阳入射光的方位角，通过控制双轴混合式步进电机的旋转，使太阳能电池板实时正对太阳的方向，从而实现最大限度地利用太阳光。图3为光电检测安装传感器位置图，使用6个光电池作为太阳光的入射角和光强检测元件，并把检测到电压值送入DSP1TMS320LF2407A的A/D转换口ADINC4～9。控制器由TI公司生产的DSP1TMS320LF2407A实现，其高速的数据处理能力(如40MHz的处理速度)和丰富外的设资源(如双6路PWM输出、16路A/D转换通道)为双轴太阳能跟踪装置的实现提供了物质保证。功率驱动单元由IR公司生产的、基于自举技术的IR2130实现，该驱动芯片内部具有3个独立的高端和低端输出通道，可同时控制6个功率开关管的导通和关断。IR2130内部具有过流、过欠压保护、封锁输出和故障指示功能，可方便地实现功率开关器件的保护。所述的双轴跟踪电动机由两台价格低廉、适于定位控制三相混合式步进电动机构成，同时采用正弦波细分技术实现了伺服电机的精确定位。\n[0049] PWM无级卸荷方式，如图11所示，当蓄电池电压过高时，控制系统必须将风力发电机和太阳能电池板发出的多余能量通过卸荷电阻释放掉。普通的控制方式是采用全电阻卸荷方式，此时蓄电池一般还没有充满，但能量却全部消耗在卸荷上，从而造成了能量的浪费。有的则采用分级卸荷，级数越多，控制效果越好，但一般只能做到五六级左右，所以效果仍然不够理想。本实用新型采用的控制方式是PWM(脉宽调制)方式进行无级卸荷，即可以达到上千级的卸荷。所以，在正常卸荷情况下，可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点。\n当蓄电池电压大于设定值时，PWM输出的占空比增大，相当于在蓄电池两端并联负载变大，风力发电机和太阳能电池板输出的多余电能消耗在卸荷电阻上，从而保证了蓄电池最佳的充电特性，并确保了蓄电池的使用寿命。本实用新型采用欠压保护控制，通过DSP1的A/D口ADINC10采集蓄电池电压，由模拟量变为数字量进入DSP1，当采集的电池电压小于欠压设定值时，输出停机IOPD0至DSP2、3的IOPA0，使升压稳压及逆变单元停止工作。\n[0050] 如图12所示，DC-DC升压稳压单元由高频变压器和DSP2为核心构成，包括低压侧全桥功率拓扑、高频变压器、输出滤波、电压电流检测，同时采用DSP实现输出高压侧电压闭环控制，从而实现DC-DC升压稳压控制，该环节的目标是得到一个高于电网交流电压峰值的直流电压，由于电网线电压为380V，因此设定的DC-DC变换的直流输出电压为650V。\n并网控制器的核心控制单元采用TI公司生产的DSP2TMS320LF2407A实现，其高速的数据处理能力(如40MHz的处理速度)和丰富外设资源(如双6路PWM输出、16路A/D转换通道)为并网式逆变器的实现提供了物质保证。并网控制器应用软件锁相技术，采用DSP3TMS320LF2407A对电网电压的过零点进行同步采样，然后将计算得到的周期值均分为\n1024份，以均分后的值为定时器T1的周期设定值，并以电网电压过零点作为同步信号，启动定时器1周期中断，采用查表(正弦表，为标幺值)方式获得正弦波标幺值，该值与蓄电池采样电压相乘生成三相SPWM波，经过低通滤波处理后实现三相正弦波输出。软件锁相技术避免了由于电网电压饱和而造成回馈电流畸变、THDi偏大的问题。\n[0051] 并网控制器采用三相正弦波输出作为电流回馈的给定信号，通过硬件电流闭环控制实现回馈电流与电网电压同频、同相。输出电流回馈控制的硬件电路如图20所示，以SG3525为核心控制器件，将电流给定与回馈电流进行电流环PI调节，其输出的PWM占空比控制逆变器功率开关管的通断，从而确保了回馈电流与电网电压的快速跟踪特性。图23所示，并网控制器采用隔离型功率驱动芯片TLP250实现，该芯片可以驱动50A/1200VIGBT功率开关管。\n[0052] 实施例3：结合图1、图2、图12、图19、图22、图24，本实用新型采用风光互补的方式，确保了不同时段发电量的互补；充电单元采用DSP1为核心控制芯片，为了提高太阳能的利用率，采用太阳能光电检测方式和双轴跟踪技术，实时追踪太阳光的入射角度，保证太阳能电池板与太阳光的入射光线垂直，从而实现了太阳能发电装置最大效率的利用；DC-DC升压稳压单元采用DC-AC-AC-DC的变换模式，低压侧采用单相全桥工作方式实现DC-AC变换，AC-AC变换采用高频变压器，AC-DC变换采用整流和低通滤波实现，DC-DC升压稳压单元由高频变压器和DSP2为核心器件构成，采用光耦TLP521对输出的直流电压进行检测，由DSP2进行直流母线电压的A/D转换、电压环PI调节，其输出具有一定占空比的PWM信号作为低压侧全桥功率开关管的控制信号，实现了DC-DC升压稳压控制，从而得到一个高于电网电压峰值的、稳定的直流电压；并网式逆变器由DSP3和硬件电流闭环控制电路为核心构成，采用混合控制方式，其中DSP3实现电网电压检测、软件锁相处理、与电网电压同步的SPWM波生成等功能，硬件电流闭环控制电路以SG3525为核心，将经过滤波处理后得到的三相正弦波输出作为电流回馈的给定信号，通过硬件电流闭环控制实现回馈电流与电网电压同频、同相。\n[0053] 本实用新型主要由三部分构成，即蓄电池充电单元、DC-DC升压稳压单元和并网逆变单元。\n[0054] 1)蓄电池充电单元\n[0055] 如图1所示，蓄电池充电单元包括太阳能充电、风力发电和PWM无级卸荷三部分组成，太阳能充电单元包括太阳光检测环节和双轴太阳能板跟踪装置两部分，目的是实现太阳能的最大功率输出，而PWM无级卸荷控制单元是对蓄电池电压进行检测，以防止蓄电池过充电。\n[0056] 如图2所示，太阳能充电单元采用DSP1TMS320LF2407A为核心控制芯片实现，主要包括：(1)光电检测传感器；(2)双轴驱动单元。光电检测传感器由六个光电池组成，由DSP1的A/D口进行光电池电压检测。实现方法如下所述：把光线在电池板上的入射角从俯仰和水平两个角度分解，共划分为四个象限。以四个光电池检测太阳光线的俯仰和水平角度的偏差，且不计角度的大小，只区别俯仰或水平的倾斜方向。当光线在某一个角度不垂直于太阳能电池板时，DSP1会即时检测到这一偏差，发出控制指令驱动相应的电机转动，以减小这一偏差，实现了对太阳光线的实时跟踪。在电池板的朝阳面和被阳面分别安装一个光电池用以检测光线强弱，在黑天或光强太弱时停止跟踪。\n[0057] 如图2所示，双轴驱动控制器以TMS320LF2407A为核心处理器，采用三相正弦波细分驱动技术实现双轴混合式步进电机的精确定位。主要包括以下几部分：(1)相绕组电流检测及处理环节：相绕组电流检测采用电流霍尔传感器，电流采样信号经过精密全波整流、低通滤波处理、电压钳位处理后送入DSP1的A/D转换口。(2)功率驱动电路采用IR公司生产的、基于自举技术的IR2130实现，系统共包含两个三相桥式逆变电路。(3)方向指令和步进脉冲：光电检测单元产生方向指令和步进脉冲，并送入步进电机驱动器，控制步进电机运行，其中步进脉冲发生器采用NE555构成，产生频率为800Hz的方波信号。(4)系统故障检测及保护：系统具有完备的故障检测和保护功能，由IR2130实现过流、过压、过热等故障检测，同时将故障信号送入DSP1的PDPINTA/PDPINTB引脚，此时DSP1自动将PWM输出引脚置为高阻态，逆变器停止工作。同时，立即切断双轴驱动系统的直流供电电压，以此保护功率开关器件不受损坏。\n[0058] 蓄电池保护电路包括过压保护、欠压保护等。所述的过压保护是指检测蓄电池的端电压，当其大于上限值时启用PWM无级卸荷，保护控制装置的安全。所述的欠压保护是指当蓄电池的端电压ADINC10低于一个下限值的时候，DSP1输出停机IOPD0至DSP2、3的IOPA0，使DC-DC升压稳压单元及并网回馈逆变单元停止工作。\n[0059] 2)DC-DC升压稳压单元\n[0060] DC-DC变换采用DC-AC-AC-DC的变换模式，低压侧采用单相全桥工作方式实现DC-AC变换，AC-AC变换采用高频变压器，AC-DC变换采用整流和低通滤波实现。如图12所示，DC-DC升压稳压单元由高频变压器和DSP2TMS320LF2407A为核心器件构成，采用光耦对输出的直流电压进行检测，由DSP2进行直流母线电压的A/D转换、电压环PI调节，其输出作为低压侧全桥功率拓扑结构功率开关管的控制信号，实现了DC-DC升压稳压控制，从而得到一个高于电网电压峰值的、稳定的直流电压。\n[0061] 3)并网逆变单元\n[0062] 如图19所示，并网逆变器由DSP3TMS320LF2407A和硬件电流闭环控制电路为核心构成，采用混合控制方式，其中DSP3TMS320LF2407A实现电网电压和蓄电池电压检测、软件锁相处理、与电网电压同步的SPWM波生成等功能，硬件电流闭环控制电路以SG3525为核心，将经过滤波处理后得到的三相正弦波输出作为电流回馈的给定信号，通过硬件电流闭环控制实现回馈电流与电网电压同频、同相。\n[0063] 如图22所示，电网电压同步信号的获取是利用三相同步降压变压器从电网中获得一个幅值较小的正弦信号，采用过零比较电路得到一个与电网电压同步的方波信号，通过DSP捕获该方波的上升沿即可得到电网电压的同步信号。\n[0064] DSP TMS320LF2407A采用软件锁相技术，对电网电压的过零点进行同步采样，然后将计算得到的周期值均分为1024份，并以电网电压过零点作为同步信号、以周期值均分后的值为新的定时器周期值启动软件定时器周期中断，待周期中断时进入定时器中断处理子程序，在中断服务子程序中进行增1计数和查表(正弦表，为标幺值)将查表得到的正弦波标幺值与蓄电池采样电压值相乘，从而得到以电网电压为同步的SPWM信号输出，将该信号进行滤波处理后得到三相正弦波电流给定。硬件电流闭环控制电路以SG3525为核心，蓄电池电压与标准正弦波相乘作为并网电流的给定，与反馈的实际并网电流通过模拟器件SG3525进行PI调节输出SPWM信号，通过TLP250驱动单元控制逆变电路IGBT的通断，从而实现回馈电流与电网电压同频、同相，正弦波生成原理图如图24所示。\n[0065] 实施例4：结合图1--图7、图9、图10、图12、图14、图22、图23，本实用新型并网风光互补控制逆变器，系统由以DSP(DSP1、DSP2、DSP3)为核心的控制单元组成(图1)，风力发电机输出的变压、变频交流电经整流后与太阳能发电单元发出的直流电一起给蓄电池供电，再由DC-DC进行升压稳压处理后得到一个稳定的、高于电网电压峰值的直流电压。再经过三相逆变器，向电网注入与电网电压同频、同相的交流电流。\n[0066] 1)蓄电池充电单元\n[0067] 蓄电池充电单元包括太阳能充电、风力发电和PWM无级卸荷三部分组成，太阳能充电单元包括太阳光检测环节和双轴太阳能板跟踪装置两部分，目的是实现太阳能的最大功率输出，而PWM无级卸荷控制单元是对蓄电池电压进行检测，以防止蓄电池过充电。\n[0068] 太阳能电池板采用自动跟踪系统，使太阳能电池板始终与太阳光线垂直，使太阳能电池板可以实现最大功率输出。太阳能跟踪单元的总体结构如图2所示，由光电检测元件、以DSP1TMS320LF2407A为核心的步进电机细分驱动器和两台三相混合式步进电机组成。\n[0069] 如图3所示，在太阳能电池板的朝阳面和被阳面出各安装一只光电池，系统实时根据光电池反馈的电压值判断当前的光照强度，决定是否继续跟踪，流程如图4所示。把入射光线在与太阳能电池板平行的平面进行四象限分解，分为俯仰和水平两个方向，然后分别利用一对光电池在俯仰和水平方向进行光照强度检测。4只光电池安装在一个不透光的遮光板下面，光电池1、3检测俯仰方向的光线入射方向偏差，光电池2、4检测水平方向光线入射角度。四个光电池对称地放在遮光板四周，每个光电池均有一半被遮光板遮住。当太阳光线与遮光板垂直时，两只光电池感光量相等，输出电压相等。当太阳光线角度略有偏移时，遮光板在同一方向的两个光电池上产生的阴影面积就会发生变化，两只光电池的感光量不相等，输出电压也不再相等，光线偏向于输出电压较大的光电池一侧。如图2所示，检测电路输出的电压送入DSP的A/D口，DSP检测结果判断出太阳光线偏向于同一对光电池中反馈电压高的一侧，DSP根据相应的电压信号开启对应的捕获中断并同时给出步进电机转动的方向信号，使步进电机驱动单元开始运行，控制太阳能电池板转动，使之逐渐与太阳光线垂直，软件流程如图5所示。其中，当俯仰方向的两个光传感器产生偏差信号时DSP启动CAP1中断，水平方向的两个光传感器产生偏差信号时启动CAP4中断。当DSP响应捕获中断后，就根据捕获到的步进脉冲查询正弦阶梯波电流给定值，从而启动电机驱动程序，步进电机就按照给定的方向并以正弦波细分控制方式转动。另外，在太阳能电池板的朝阳面和被阳面分别安装了检测光照强度的光电池，DSP根据采样光电池的电压值判断当前光照强度，如果小于设定的光照强度，比如晚上或者阴云密布时，则系统停止跟踪。\n[0070] 传统整步运行步进电机存在低频振荡、噪声、失步以及高频输出转矩小等缺点，本专利采用正弦波细分技术，取得了良好的控制效果。对于三相混合式步进电机，如果给其三相绕组分别通以幅值相等且空间上相差120度的正弦阶梯波电流，则合成的电流矢量在空间做幅值恒定的旋转运动，电机转子就跟随这一矢量做步进旋转。在控制过程中引入电流反馈，反馈电流经A/D转换后与在正弦表中查得的给定电流值做PI调节，将得到的值写入比较控制寄存器CMPR，通过控制输出PWM的占空比控制电机运行，其中EVA和EVB分别在捕获中断1和捕获中断4中查询正弦阶梯波电流给定值。DSP的EVA产生PWM1～PWM6，EVB产生PWM7～PWM12，分别驱动俯仰和水平调整步进电机。捕获中断1和定时器1下溢中断子程序分别如图6和图7所示，以三相混合式步进电动机110BYG350A为对象进行实验研究，其转子齿数50、额定电流2.4A。电流霍尔传感器采用宇波电流霍尔传感器CHB-25NP，变比为1000∶1。试验中蓄电池电压24V，频率800Hz、细分数为6的实测波形图。图8为A、B两相正弦阶梯波相电流给定波形图，图9为给定电流与反馈电流波形，图10为两相反馈电流波形图。\n[0071] PWM无级卸荷电路：本系统加入了PWM无级卸荷电路，如图11所示，当蓄电池电压大于设定值时，比较器输出为高电平，蓄电池电压低于设定值时，比较器输出为低电平，将比较器的输出通过IR2110驱动，控制开关管的导通与关断，将电压过高时多余的电能加到卸荷电阻上，就可以防止蓄电池的电压过高。本系统采用硬件保护措施，可以防止在芯片出现故障时仍然可以有效地保护蓄电池和控制装置。\n[0072] 2)DC-DC升压稳压单元\n[0073] DC-DC变换采用DC-AC-AC-DC的变换模式，低压侧采用单相全桥工作方式实现DC-AC变换，AC-AC变换采用高频变压器，AC-DC变换采用整流和低通滤波实现。如图12所示，DC-DC升压稳压单元由高频变压器和以DSP为核心器件构成，采用光耦TLP521(通过调整R34，使其工作于线性工作区)对输出的直流电压进行检测，由DSP进行直流母线电压的A/D转换、电压环PI调节，其输出作为低压侧全桥功率拓扑结构功率开关管VT1～VT4的控制信号，实现了DC-DC升压稳压控制，从而得到一个高于电网电压峰值的、稳定的直流电压，本文设定为650V。\n[0074] DC-DC升压稳压电路如图12所示。\n[0075] 本实用新型采用高频变压器的供电方式，高频变压器与常规工频变压器相比大大减小了变压器的体积，同时由于变压器能够双向励磁，因此利用率较高。本实用新型中的输出部分使用全波整流、低通滤波方式，由于采用高频能量传输方式，也大大减小了滤波器的体积。具体做法是采用单闭环控制策略，高压直流输出电压的设定值为高于电网交流峰值的一个值，直流输出电压的实测值Vt经A/D采样后与给定值进行电压外环PI调节，PI调节的结果送给比较控制寄存器CMPR0，生成PWM0、PWM1输出，经功率驱动芯片IR2110驱动全桥功率开关器件VT1～VT4，电路如图14所示。\n[0076] A/D转换和电压环PI调节在DSP2TMS320LF2407A中实现，采样电路如图15所示。\n直流输出电压通过光耦TLP521检测、RC(R32、C9)低通、二极管限幅后送至DSP2的A/D转换口，输出电流经通过采样电阻在R35得到，经R36、C7滤波、二极管限幅后送至DSP2的A/D转换口用以实现DC-DC升压稳压变换时的过载保护。\n[0077] 3)并网逆变单元\n[0078] 并网逆变器由DSP3和硬件电流闭环控制电路SG3525为核心构成，采用混合控制方式，其中DSP3实现电网电压检测、软件锁相处理、与电网电压同步的SPWM波生成等功能，硬件电流闭环控制电路以SG3525为核心，将经过滤波处理后得到的三相正弦波输出作为电流回馈的给定信号，通过硬件电流闭环控制实现回馈电流与电网电压同频、同相。\n[0079] 电网电压同步信号的获取是利用三相同步变压器从电网中获得一个幅值较小的正弦信号，经过零比较得到一个与电网电压同步的方波信号，通过DSP可以捕获该方波的上升沿即得到电网电压的同步信号，三相同步信号的处理方式相同，以下以A相为例，说明同步信号的获取。如图22所示，采用三相同步变压器获得一个小幅值的A相电压信号，经过零比较得到一个与电网电压同步的方波信号，将该方波信号送至DSP的捕获口CAP0，在捕获到方波信号的边沿时进入CAP中断处理子程序，从而实现了电网的同步跟踪。\n[0080] 软件锁相处理，是CAP中断处理子程序中对方波周期进行计算，并将其均分为\n1024，并以电网电压过零点作为同步信号、以周期值均分后的值为新的定时器周期值启动软件定时器周期中断，待周期中断时进入定时器中断处理子程序，在中断服务子程序中进行计数和查表(正弦表，为标幺值)处理，从而得到以电网电压为同步信号的SPWM信号输出。B相和C相信号分别由A相延迟和超前120°获得。由于每一个周期都捕获一个上升沿，使得每个周期都对电流的相位做一次校正，避免了相位误差的积累。\n[0081] 硬件电流闭环控制，由DSP3(TMS320LF2407A)采样蓄电池电压Vxu与经过电网电压同步处理的三相正弦波标幺值相乘得到三相SPWM输出的占空比，经过低通处理后得到三相正弦波电流给定。如图23所示，利用电流霍尔传感器取样并网电流信号用SG3525进行电流给定和电流反馈的闭环控制，将SG3525的输出经TLP250驱动三相逆变器的上下桥臂。电流环闭环控制利用模拟器件实现，提高了系统的响应速度，并保证了逆变电流对电网电压的跟踪特性，减少了谐波污染，提高了功率因数。\n[0082] 4)系统保护\n[0083] 过温保护：任何电子元件以及功率器件都有一个工作范围，温度过高会影响系统的正常运行，本系统通过温度开关控制，当温度达到温度开关的动作点时，温度开关闭合，风扇开始工作，当温度降下来时，温度开关断开，风扇停止工作。\n[0084] 欠压保护：本实用新型具有欠压保护的功能，欠压保护的目的是为了避免蓄电池出现过放电，否则容易损坏蓄电池，并且可能导致太阳能自动跟踪系统的步进电机无法正常工作。欠压保护的实现是通过DSP检测蓄电池电压来判断是否欠压，当电池欠压时系统停止工作。