基于DSP的小功率光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)10622

1、基于DSP的小功率光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)摘 要 ：本文介紹了1kW并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)。詳細(xì)的介紹了逆變器的基本設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)，以及并網(wǎng)電流的控制策略。并在完成試驗(yàn)裝置，驗(yàn)證了逆變器的穩(wěn)定性和控制策略的可靠性。英文摘要：This paper presents design of a 1kW photovoltaic grid-connected inverter. The fundamentals and key technique, and the technique for inverter to connected with grid are discussed in detail. The

2、experiment proves the feasibility of the control scheme and the inverter. 關(guān)鍵詞：太陽能光伏并網(wǎng)逆變器1前言隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們逐漸認(rèn)識(shí)到必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，太陽能必須完成從補(bǔ)充能源向替代能源的過渡。光伏并網(wǎng)是太陽能利用的發(fā)展趨勢(shì)，光伏發(fā)電系統(tǒng)將主要用于調(diào)峰電站和屋頂光伏系統(tǒng)。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是核心部分。目前并網(wǎng)型系統(tǒng)的研究主要集中于DCDC和DCAC兩級(jí)能量變換的結(jié)構(gòu)。DCDC變換環(huán)節(jié)調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)使其跟蹤最大功率點(diǎn);DCAC逆變環(huán)節(jié)主要使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，同時(shí)獲得單位功率因數(shù)。其

3、中DCAC是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，本文詳細(xì)介紹了小功率光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)。并對(duì)逆變器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太陽能光伏并網(wǎng)逆變裝置的主原理圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用兩級(jí)式設(shè)計(jì)，前級(jí)為BOOST升壓斬波器，后級(jí)為全橋式逆變器。前級(jí)用于最大功率追蹤，后級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的控制。他們的控制都是由DSP芯片TMS320F2812協(xié)調(diào)完成。圖1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3逆變器的設(shè)計(jì)太陽能并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送入電網(wǎng)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)中間電壓的穩(wěn)定，便于前級(jí)Boost升壓斬波器對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。并且具有完善的并網(wǎng)保護(hù)功能，保證系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行

4、。圖2是并網(wǎng)逆變器的原理圖。圖2逆變器原理框圖3.1控制系統(tǒng)簡介控制系統(tǒng)以TI公司高性能DSP控制芯片TMS320F2812為核心，可以實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)的處理和AD轉(zhuǎn)換、DC/DC變換器和PWM逆變器控制脈沖的產(chǎn)生、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和控制、故障保護(hù)和存儲(chǔ)、485通訊等功能。實(shí)際電路中的中間電壓VDC、網(wǎng)壓、并網(wǎng)電流和太陽能電池的電壓電流信號(hào)采樣后送至F2812控制板?？刂瓢逯饕ㄒ韵聨讉€(gè)部分:CPU及其外圍電路，信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理電路，驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路。其中信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理單元主要完成強(qiáng)弱電隔離、電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大及濾波等功能，以滿足DSP控制系統(tǒng)對(duì)各路信號(hào)電平范圍和信號(hào)質(zhì)量的要求。驅(qū)動(dòng)電路起到提

5、高脈沖的驅(qū)動(dòng)能力和隔離的作用。保護(hù)邏輯電路則保證發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能從硬件上直接封鎖輸出脈沖信號(hào)。3.2 控制方法(1) 控制理論的推導(dǎo)在實(shí)現(xiàn)同頻的條件下可用矢量進(jìn)行計(jì)算從圖2可以看出逆變器輸出端存在如圖3a所示的矢量關(guān)系對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器的輸入端存在如公式(1)的基本矢量關(guān)系式:VacVsjL·INRS·IN (1)式中， Vac電網(wǎng)基波電壓幅值;VS逆變器輸出端基波幅值。在網(wǎng)壓Vac(t)為一定的情況下IN(t)幅值和相位僅由光伏并網(wǎng)逆變器輸出端的脈沖電壓中的基波分量Vs(t)的幅值，及其與網(wǎng)壓Vac(t)的相位差來決定。改變Vs(t)的幅值和相位就可以控制輸入電流IN(

6、t)和Vac(t)同相位。PWM整流器輸入側(cè)存在一個(gè)矢量三角形關(guān)系，在實(shí)際系統(tǒng)中RS值的影響一般比較小，通常可以忽略不計(jì)得到如圖3b所示的簡化矢量三角形關(guān)系。圖3控制矢量圖 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對(duì)上式進(jìn)行周期平均并假設(shè)輸入電流能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)跟蹤電流指令即可推導(dǎo)出公式(3):(3)式中，K L/TC，TC為載波周期。從該模型即可以得到本系統(tǒng)所采用的圖3所示的控制框圖。此方法稱為基于改進(jìn)周期平均模型的固定頻率(htwang 2009-11-1注：此處應(yīng)為“固定開關(guān)頻率”)電流追蹤法。(2) 逆變器控制框圖 圖4逆變器控制框圖圖4所示為逆變器的控制框圖。其中參考電壓Vref與光伏電池實(shí)際輸出電壓VD

7、C相比較后，誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到電流指令I(lǐng)*，再與正弦波形相乘得到正弦指令I(lǐng)ref，Iref與實(shí)際輸出的電流相比較后，誤差經(jīng)P調(diào)節(jié)后得到的值(物理意義上就相當(dāng)于逆變器輸出側(cè)電感上產(chǎn)生的電壓)與網(wǎng)壓Vac(t)相加得到的波形與三角波比較，便產(chǎn)生了4路PWM波控制逆變器開關(guān)管的通斷，這樣就實(shí)現(xiàn)了光伏電池輸出電壓基本工作在Vref附近，系統(tǒng)輸出正弦電流波形幅值為I*。方案中對(duì)并網(wǎng)電流的采用了固定開關(guān)頻率的控制方法。固定開關(guān)頻率控制是將電流誤差P調(diào)節(jié)后作為調(diào)制波與三角載波比較產(chǎn)生PWM波。其缺點(diǎn)是必須與實(shí)際電流存在偏差才能產(chǎn)生PWM波。因此在固定開關(guān)頻率控制的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，加人了交流側(cè)網(wǎng)壓Vac的計(jì)算

8、，即電流誤差信號(hào)Iref經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后與Vac相加，得到的值再與三角載波進(jìn)行比較。i在物理意義上就相當(dāng)于逆變器輸出側(cè)電感上產(chǎn)生的電壓。i×P與Vac之和，就相當(dāng)于逆變器輸出脈沖電壓，這樣構(gòu)成的矢量圖與逆變器輸出向量圖一致。改進(jìn)的固定開關(guān)頻率的控制策略在保持原有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，電流跟蹤誤差顯著減小，改善了PWM整流器的電流跟蹤性能。4最大功率跟蹤和反孤島效應(yīng)的檢測(cè)MPPT控制的最終目的在于動(dòng)態(tài)的追尋太陽能電池板的最大功率點(diǎn)。常用的方法有固定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀測(cè)法、導(dǎo)納微增法和間歇掃描跟蹤法。本文采用的是最后一種方法。這種方法的原理是定時(shí)掃描太陽能電池板陣列的輸出功率，然后逐次比較，直到追蹤

9、到最大功率點(diǎn)。由于電池板最大功率點(diǎn)受光照的影響變化不是很劇烈，所以本文作者對(duì)這種方法進(jìn)行了改進(jìn)，只需要在最大功率點(diǎn)附近搜索掃描即可找到最大功率點(diǎn)。改進(jìn)后的間歇掃描法控制及保持了跟蹤的控制精度有提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。所謂孤島效應(yīng)就是當(dāng)電力公司的供電系統(tǒng)，因故障事故或停電維修等原因而停止工作時(shí)，安裝在各個(gè)用戶端的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能即時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而迅速將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，因而形成了一個(gè)由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向周圍負(fù)載供電的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電孤島現(xiàn)象。其具體實(shí)現(xiàn)思想就是:系統(tǒng)通過軟硬件電路周期性地檢測(cè)出相鄰兩次電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)的時(shí)刻，計(jì)算出電網(wǎng)電壓的頻率f，然后在此頻率f的基礎(chǔ)上引入偏移

10、量f,最后將頻率(f士f)作為輸出并網(wǎng)電流的給定頻率，并且在電網(wǎng)電壓每次過零時(shí)使輸出并網(wǎng)電流復(fù)位。那么，當(dāng)電網(wǎng)無故障時(shí)，負(fù)載上的電壓頻率即為電網(wǎng)電壓頻率，因此DSP每次檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓頻率基本不變;而當(dāng)市電脫網(wǎng)時(shí)，光伏陣列的輸出并網(wǎng)電流單獨(dú)作用于負(fù)載上，由于輸出并網(wǎng)電流頻率的逐周期偏移，所以，DSP每次檢測(cè)到的負(fù)載電壓頻率就會(huì)相應(yīng)地改變，這樣，就形成了給定輸出并網(wǎng)電流頻率的正反饋，使得負(fù)載電壓的頻率很快就會(huì)超過頻率保護(hù)的上、下限值從而使系統(tǒng)有效檢測(cè)出市電脫網(wǎng)，因此，主動(dòng)頻率偏移法使系統(tǒng)具有了良好的反孤島效應(yīng)功能。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，已在搭建完成額定功率1.5kW的光伏并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)裝置。輸入為100300V，輸出并網(wǎng)電流為4.5A。輸出功率約為1kW，頻率為50Hz。并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相同頻，功率因數(shù)接近為1。實(shí)驗(yàn)波形如圖所