基于DSP的光伏逆变并网的同步控制[1]

收稿日期:2007209206基金项目:国家自然基金重点项目(60534040)作者简介:刘立强(19762),男,硕士研究生,研究方向为电力电子技术。

文章编号:100923664(2008)0120029203研制开发基于DSP 的光伏逆变并网的同步控制刘立强,张　淼(广东工业大学自动化学院,广东广州510090) 摘要:文章介绍了光伏并网逆变器的基本原理,通过无差拍P WM 控制方式来实现逆变电流快速跟踪电网电流。

给出了基于DSP 的三相光伏并网逆变器的软硬件设计方案和实验结果。

实验结果说明了DSP 在光伏发电方面具有广阔的应用前景。

关键词:光伏;并网逆变器;DSP 中图分类号:T M 464文献标识码:AContr ol Strategies of I n 2Phase for the Grid 2Connected PV Converter based on DSPL I U L i 2qiang ,Z HANG M iao(Faculty of Aut omati on,Guangdong University of Technol ogy,Guangzhou 510090,China )Abstract:This paper deals with the basic p rinci p le of the grid 2connected P V inverter .It realizes the rap id current trackingthr ough deadbeat P WM contr ol method .The paper p r oposes a sche me of 32phases grid 2connected P V converter based on DSP .The experi m ental results show that the p r oposed sche me can work well,the p r oposed DSP can be widely app lied t o vari ous types of P V syste m s or grid 2connected equi pment .Key words:phot ovolt;grid 2connected converter;DSP0　引　言光伏并网发电是将太阳能转换的电能传输给电网,省去了污染环境的蓄电池,是一种真正的绿色能源,光伏并网发电是太阳能利用的发展方向。

作为能量转换的关键器件之一的逆变器也成为一个重要的研究课题。

对电网的跟踪控制是整个并网逆变器的核心,它直接关系到系统输出的电能质量和运行效率,传统的模拟或单片机控制方式,存在系统效率较低,实时响应能力差等缺点。

本文以TI 公司的T MS -320LF 2407A 为控制芯片,在增加少量的外围电路的基础上研制出了一台10k W 的光伏并网逆变器,实际运行表明,该系统的实时响应快,完全满足并网要求。

1　并网逆变器的原理并网逆变器将太阳能电池产生的直流电变成与公共电网同压同频同相位的交流电,然后并入公共电网。

其电路原理[1]如图1所示。

图1　光伏系统联网运行的电路原理图 图1中,U p 为逆变器输出电压,U u 为电网电压,R 为线路电阻,L 为串联电抗器,I z 为回馈电网电流。

为保证回馈功率为1,回馈电流的相位必须与电网电压相位一致。

以U u 为参考,则I z 与U u 同相位,其矢量图如图2所示。

图2　光伏系统联网运行的电路矢量图 内阻R 两端的电压U u 与电网电压相位一致,而电抗器两端电压U L 的相位则落后于U u 90o。

由此可以求得U p 的相位和幅值:U p =I Z (R +ωL )+U u式中,ω为公用电网角频率。

实际电路中,U u 的相位、周期和幅值可以通过传感器检测到。

由于实际系统中R 很难得到,因此回馈电流I Z 的相位必须由电流负反馈来实现,回馈电流I Z 的相位角参考相位即为公用电网相位。

用电流互感器实时检测I Z ,确保I Z 与电网电压相位一致,以实现功率因数为1的回馈发电。

2　并网同步控制策略光伏并网逆变器的输出控制采用电流控制方式,电网可以视为容量无穷大的交流电压源,只需控制逆变输出电流的相位跟踪电网电压的相位,幅值保持正弦输出,即可达到并联运行目的。

本文利用DSP 进行・92・电压电流双环控制算法,通过无差拍P WM 控制方式来实现逆变电流跟踪电网电流[2]。

在该光伏系统的无差拍P WM 控制方案中,每一个开关周期的开始时刻,采样光伏并网系统中的输出电流i ,并预估出下一周期开始时刻光伏并网控制系统的电流参考值i 3。

由差值i 3-i 计算出开关器件的占空比,使输出电流在下一周期开始时刻等于i 3。

这种方法计算量大,但具有开关频率固定以及动态响应快的特点。

数字处理芯片(DSP )的出现很好地满足了这些要求。

3　无差拍控制原理对于任意二阶被控对象,其开环函数为H (s )=k 1s +k 2ω02s 2+2ξω0s +ω02式中,ζ为二阶系统的系统阻尼比;ω0为系统的无阻尼自然振荡角频率。

按采样频率T 将其离散化,可得到相应的离散域传递函数:H (z )=K 2z [1-a (b +cos θ)]+a (a +b -cos θ)z 2-2a cos (θ)z +a 2计算可得:y n +1=y n +k 1T[u n -u n -1]由上式可以看出,利用输出变量和控制变量的历史值,可以得到当前时刻的输出值。

在P I 算法中,采用无差拍P WM 控制可以补偿控制系统一个周期的延时,改善了系统的相位裕量。

4　电压环的控制我们对输出电压u 的控制采取P I 控制。

对指令输出电压u 3和检测电压u 的电压误差Δu 进行P I 运算,确定指令电抗电流i 3。

i 3(n +1)=k V P Δu (n -1)+k V I T ∑n -1k =0Δu (k )Δu (n -1)=u3-u (n -1)式中,k V P 、k V I 分别表示电压控制系统中比例和积分增益。

通过电流预估计算法和电流电压双环控制使得逆变输出的电流电压波形得到很大程度的提高,对提高整个系统的可靠性有很大的帮助。

5　光伏并网逆变器的硬件实现一般电力用户电网电压为三相交流电,相电压为220V,线电压为380V ,电压频率为50Hz,三相电压彼此间相位差为120°。

为了减少并网装置并网时的冲击,根据电力系统准同期并列的条件,并网时应同时满足以下3个条件[3]:①并网装置逆变输出电压和市电电压接近相等,一般压差应在10%以内;②逆变输出频率接近市电频率,一般频差不超过0.4Hz;③逆变输出电压和市电电压同相,通常此相位差不宜超过10°逆变器采用常用的电压型三相逆变结构,光伏并网逆变器的额定输入电压为直流108V ,最高输入电压为120V,额定功率为10k W ,三相交流输出,经升压后并入380V 交流电网。

逆变硬件系统分为三个主要部分:功率电路、控制电路和驱动电路。

硬件结构框图如图3所示。

图3　三相逆变并网系统结构图 逆变器的主拓扑结构采用三相桥式逆变电路,功率器件使用集成了驱动和保护电路的I P M 模块,开关频率为10kHz 。

为了防止电能从电网流入太阳能光伏阵列,在直流侧加了防反二极管;逆变器的输出端使用了LC 滤波电路滤除高频分量,在逆变器的输入端和输出端都安装了接触器,实现逆变器的可靠隔离和保护。

逆变器采用大电容解耦,在解耦电容的两端加装了功率电阻,来实现放电,以保证维护人员的人身安全。

逆变器还提供了较好的人机界面,当出现故障时,通过发光二极管的组合编码,给出故障的具体类型。

逆变器冷却方式采用智能控制方式,当系统检测到的温度高于设定值时起动风扇,进行强制风冷,当温度低于设定值时,关断风扇,采用自然空气冷却。

逆变器的控制电路的主控制器使用的是TI 公司的T MS 320LF 2407芯片[4]。

C 240x 系列DSP 是面向数字控制系统的新一代数字信号处理器。

该控制器集实时处理能力和控制器设计功能于一身,为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。

该芯片具有处理性能更快(40M I/S )、外设集成度更高、程序存储器更大、A /D 转换速度更快等特点。

采用该芯片可以很好的满足对三相逆变进行实时控制的要求。

6　逆变器的控制软件设计逆变器的控制用电从交流电网中取得,当控制电路上电后,首先检测电网参数,如果电网正常,则检测太阳能光伏阵列的直流开路电压,当电压在108(1±10%)V 时,就表示光伏阵列输出功率可以满足并网发电的要求,起动逆变器向电网供电。

逆变器中设有故障中断和按键中断。

当逆变器检测到一般故障时,则关闭逆变器之后尝试自动重新投入运行;当检测到电网故障时,逆变器会在关闭后才尝试自动运行。

在正常工作过程中,对电网电流实行实时监控,电网出现异・03・通信电源技术 2008年1月25日第25卷第1期刘立强等:基于DSP 的光伏逆变并网的同步控制Telecom Power Technol ogies Jan .25,2008,Vol .25No .1常则根据需要进行动作。

7　控制方案通过产生同步信号,将电网电压信号经滤波、整形产生同步方波信号。

同步方波信号输入DSP 的外部中断口X I N T 1,捕捉电网电压的过零点。

当DSP 检测到同步信号的上跳沿时,便产生同步中断。

在同步中断中,指向正弦表对应变量的指针复位到零。

然后每当T 1下溢时,该指针加1。

另外,同步信号易受干扰,在软件上还要加入滤波程序产生同步信号。

正弦表对应的指针与网压同步,将P I 调节后得到的电流指令I o 与正弦表指针所对应数据相乘,形成幅值可调的正弦电流指令I ref ,通过闭环控制使输出的电流跟踪正弦电流指令实现电流跟踪控制。

这样,就实现了输出电流与网压同频、同相。

8　实验结果及分析本课题为国家自然科学基金项目———风光互补分布式发电系统的子课题,样机调试完成后做了并网试验,波形见图4、图5。

图4　电流同步跟踪实验波形图 图4中粗实线波形为电网的电流信号,细实线为实时同步方波信号,正弦波形逆变输出电流信号。

图5为放大波形,从中可以看出,跟踪电流周期为20m s,即频率为50Hz,完全满足同频要求;滞后电网电流图5　电流同步跟踪实验波形放大图0.5m s,即相位滞后9°,满足同相要求,采用无差拍P WM 实现逆变电流跟踪电网电流的效果比较理想。

9　结　论基于T MS 320LF 2407芯片的光伏并网逆变器,采用无差拍P WM 控制实现逆变电流与电网电流同步跟踪,具有可靠性强、响应快、稳定性好等优点。