基于DSP控制的单相光伏并网逆变器设计
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详 细 介 绍 光 伏 并 网 逆 变 器 最 大 功 率 跟 踪 (MPPT)的 实 现 方 法 、逆 变 器 电 网 跟 踪 控 制 以 及 电 网 电 压 锁 相 控 制 ,并 给 出 软件设计流程.基于 Matlab软件对该系统进行仿真验证,并研制了试验样机.实验结果表明:基于 DSP 控制的单相 光伏并网逆变器技术方案可行.
XIA Xiang-yang1,TANG Wei 1,Ran Cheng-ke2,ZHANG Min3,TANG Wei-bo1,ZHOU Feng1
(1.School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004,China; 2.Automotive Engineering,Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic,Changsha 410151,China;
光伏发电技术 以 其 独 特 的 优 点,被 认 为 是 技 术 含量高、最有发展前途的技 术 之 一[1-3].可 是 由 于 硬
件 的 固 有 缺 点 和 不 能 实 施 先 进 的 控 制 策 略 ,致 使 逆 变器的性能不能极 大 的 提 高.随 着 对 光 伏 并 网 技 术
第 26 卷 第 3 期 2011 年 9 月
电力科学与技术学报 JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHN2011
基于 DSP 控制的单相光伏并网逆变器设计
夏 向 阳1,唐 伟1,冉 成 科2,张 旻3,唐 卫 波1,周 峰1
太阳能电池阵列boost斩波电路变电路lc滤波电路电网mppt控制spwm驱动输出电流及电网同步检测tms320f2812基于boost的两级式并网逆变系统结构figure12two系统的控制方案光伏逆变器实现并网运行必须满足其输出电压与电网电压同频同相同幅值输出电流与电网电压同频同相即功率因数为1而且其输出还应满足电网的电能质量要求
程序开始
初始化 启动主占空比 记录 ΔD,D(0) 检测输出电流 IO(0)
D=D+ΔD
ΔD=ΔD
检测输出电流 IO(n)
Y
N
IO(n)-IO(n-1)>0?
ΔD=-ΔD
图3 系统 MPPT 控制算法的流程 Figure 3 MPPT control algorithm flow chat
2.2 逆 变 器 跟 踪 电 网 控 制 单相逆变器 由 逆 变 桥 和 LC 输 出 滤 波 器 组 成.
收 稿 日 期 :2011-03-15 基 金 项 目 :广 东 省 科 技 计 划 项 目 重 大 科 技 专 项 (2010A080804023);湖 南 省 教 育 厅 科 研 项 目 (2010C0151) 通 讯 作 者 :夏 向 阳 (1968- ),男 ,博 士 ,副 教 授 ,主 要 从 事 电 能 质 量 和 分 布 式 发 电 等 研 究 ;E-mail:xia_xy@126.com
在图 1 所 示 的 光 伏 并 网 逆 变 系 统 中,前 级 Boost变换器占空比 D 是 可 以 控 制 的 变 量,系 统 根 据采样逆变器滤波 后 输 出 的 电 流 值,通 过 电 流 检 测 电路输入到 F2812的 A/D 转换模块,然后经过写入 DSP 的 MPPT 控制程序进行分析处理,得出控制结 论,最后控制 DC-DC 变换器的开关管的占空比来调 节 系 统 的 工 作 点 ,使 系 统 一 直 工 作 在 最 佳 状 态 .
第 26 卷 第 3 期
夏向阳,等:基于 DSP 控制的单相光伏并网逆变器设计
53
研究的逐渐深化,并 网 控 制 器 逐 渐 从 传 统 的 模 拟 电 路 向 纯 数 字 化 的 方 向 发 展[4].TMS320F2812 是 美 国 TI公司推出的 C2000 平 台 上 的 定 点 32 位 DSP 芯片,具有高速运 算、处 理 和 控 制 能 力,已 广 泛 应 用 于 工 业 控 制 、电 机 控 制 等 领 域 ,它 使 得 对 并 网 逆 变 器 采用新的控制方法 成 为 可 能.笔 者 将 重 点 介 绍 采 用 DSP 实 现 正 弦 逆 变 器 控 制 的 方 法,用 Matlab 对 系 统 进 行 仿 真 验 证 ,并 对 试 验 样 机 进 行 测 试 .
1 系统原理及结构介绍
太阳能 电池 阵列
前级 BOOST 斩波电路
后级 全桥逆 变电路
LC 滤波 电路
中
MPPT
间 电
控制 压
检
测
SPWM 驱动
TMS320F2812 为 核心的控制电路
输出电流 及电网
同步检测
电网
图2 基于 Boost的两级式并网逆变系统结构 Figure 12 Two-stage grid inverter system structure
3.Appliances Center of Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals,Guangzhou 510651,China)
Abstract:Based on the digital signal processor chip of TMS 320LF 2812,a single phase photovol- taic grid-connected inverter is designed,it is composed of Boost DC/DC circuit and inverter bridge.This paper introduces the implementation of MPPT (Maximum Power Point Tracking), the inverter tracking control of power grid,and the PLL control of grid voltage.Software design flow chart is presented.Matlab based simulations for the inverter system are carried out and a de- veloped prototype is tested.Results confirm the effectiveness of the inverter system. Key words:Inverter system;DSP;MPPT;phase locking
2 系统的控制方案
光伏逆变器实现并网运行必须满足其输出电压 与电网电压同频、同相、同幅值,输出电流与电 网电 压同频、同相,即功率 因 数 为 1,而 且 其 输 出 还 应 满 足电网的电能 质 量 要 求[5].这 些 都 依 赖 于 逆 变 器 的 有效控制策略.其 控 制 的 整 体 思 路 是 前 级 Boost电 路通过调节全控型器件 S的占空比来调节光伏阵 列的输出电压,以 实 现 MPPT 控 制;后 级 控 制 并 网 电流跟 踪 指 令 电 流,并 使 电 容 C2 的 电 压 稳 定.同 时,为保证光伏逆变 器 安 全 有 效 地 直 接 工 作 于 并 网 状态,系统必须具备一定的保护功能和防孤岛 效应 的检测与控制功能. 2.1 最 大 功 率 跟 踪 (MPPT)的 实 现
在控制 D 连续变化的同时,观察 输 出 电 流 的 变 化.只要 因 D 的 变 化 导 致 输 出 电 流 减 少,就 应 当 在
54
电 力 科 学 与 技 术 学 报 2011年9月
相反的变化方向控制占 空 化 D,反 之 应 当 在 相 同 的 变化方 向 控 制 D[7].以 此 方 法 逐 步 逼 近 最 大 功 率 点.图3为系统 MPPT 控制算法的流程.
关 键 词 :逆 变 系 统 ;DSP;MPPT;锁 相 中 图 分 类 号 :TM61 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1673-9140(2011)03-0052-05
Design of single phase photovoltaic grid-connected inverter based on DSP control
L1
S
C1
L2
C2
电 网
Boost 电路
图1 基于 Boost的两级式并网逆变系统原理 Figure 1 Two-stage grid inverter system diagram
该并网逆 变 系 统 控 制 是 以 TMS320LF2812 芯 片为核心的控制电 路 来 完 成.DSP 芯 片 有 2 个 独 立 的事件管理模块(EVA,EVB),在 该 系 统 中,用 事 件 管理模块 A(EVA)来 实 现 此 逆 变 系 统 所 需 的 所 有 PWM 控 制;事 件 管 理 模 块 B(EVB)用 它 的 信 号 捕 获功能来捕获逆变 输 出 所 需 的 同 步 信 号;程 序 存 储 在芯片内的 FLASH 中,用 芯 片 内 的 RAM 作 程 序 变量存储器;利用 DSP 集成的模数转换模块(ADC, 16 通 道 ,12 位 )来 作 信 号 采 样 ;用 芯 片 内 的 看 门 狗 模 块(WATCHDOG)实现程 序 自 复 位.图 2 为 该 逆 变 系统的结构.
通常采用输出电容电压瞬时值和滤波电感电流瞬时 值双闭环反馈控 制 结 构[8].图 4 为 电 压 电 流 双 环 反 馈控制.
Uref +-
Cu(s)
Kα + Ci(s)
Kβ
1/R
逆 变
Ui
+
桥-
1/LS
iL
+
i
1/CS
UO
图 4 电 压 电 流 双 环 反 馈 控 制 Figure 4 Dual-loop feedback control diagram
(1.长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410004;2.湖南机电职业技术学院 汽车工程系, 湖南 长沙 410151;3.广州有色金属研究院 电器中心,广东 广州 510651)
摘 要:基于 TMS320LF2812芯片,设计一种单相光伏 发 电 并 网 逆 变 系 统,由 Boost DC/DC 电 路 和 逆 变 桥 组 成.
在 光 伏 发 电 系 统 中 ,要 提 高 系 统 的 整 体 效 率 ,一 个重要的途径就是 实 时 调 整 光 伏 电 池 的 工 作 点,使 之始终工作在最大 功 率 点 附 近,这 一 过 程 就 称 之 为 最大功率点 跟 踪 (maximum power point tracking, MPPT)[6].它是当前较广泛采用 的 光 伏 阵 列 功 率 点 控制策略.
笔者研究的逆变 系 统 原 理 如 图 1 所 示,它 是 一 个两级式并网逆变系统,由前级 Boost DC/DC 升压 电路和后级全 桥 逆 变 电 路 组 成.基 于 Boost升 压 的 两级式光 伏 逆 变 系 统 显 著 的 优 点 是 可 实 现 灵 活 扩 展,多组光伏阵 列 可 各 自 通 过 Boost电 路 和 同 一 个 逆变电路相连,各 组 光 伏 阵 列 可 利 用 Boost电 路 分 别独 立 地 进 行 MPPT 控 制,互 不 影 响.而 且 由 于 只 采 用 了 两 级 变 换 ,其 效 率 较 高 .Boost电 路 实 现 升 压 和最大功率跟 踪 控 制 (MPPT),后 级 电 路 实 现 逆 变 和对并网电流的控制.
图4 中,Cu(s),Ci(s)分 别 为 电 压 外 环 和 电 流 内环控制器;Uref 为参考电压,一般取参考电压为50 Hz的标准电网电压;Ui 为逆变后但未经过 LC 滤波 器 滤 波 的 电 压;iL 为 系 统 逆 变 后 输 出 电 感 电 流;Uo 为逆变后电容两 端 的 电 压;Kα,Kβ 分 别 为 内 环 和 外 环的比例传递系数.逆 变 器 通 过 采 样 输 出 滤 波 电 感 的电流iL 和输出电压Uo;并将 输 出 电 压 Uo 与 给 定 参考电压Uref 的误差经过外环调节器后的输出作为 内环电流环的参考给 定,此 参 考 给 定 与 采 样 电 流iL 产生的电流误差通过电流内环调节器后与三角载波 相比较,产生 PWM 驱动脉冲 来 驱 动 逆 变 桥 的 4 个 桥 臂 .电 流 内 环 提 高 了 系 统 的 动 态 响 应 ,而 电 压 外 环
XIA Xiang-yang1,TANG Wei 1,Ran Cheng-ke2,ZHANG Min3,TANG Wei-bo1,ZHOU Feng1
(1.School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004,China; 2.Automotive Engineering,Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic,Changsha 410151,China;
光伏发电技术 以 其 独 特 的 优 点,被 认 为 是 技 术 含量高、最有发展前途的技 术 之 一[1-3].可 是 由 于 硬
件 的 固 有 缺 点 和 不 能 实 施 先 进 的 控 制 策 略 ,致 使 逆 变器的性能不能极 大 的 提 高.随 着 对 光 伏 并 网 技 术
第 26 卷 第 3 期 2011 年 9 月
电力科学与技术学报 JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHN2011
基于 DSP 控制的单相光伏并网逆变器设计
夏 向 阳1,唐 伟1,冉 成 科2,张 旻3,唐 卫 波1,周 峰1
太阳能电池阵列boost斩波电路变电路lc滤波电路电网mppt控制spwm驱动输出电流及电网同步检测tms320f2812基于boost的两级式并网逆变系统结构figure12two系统的控制方案光伏逆变器实现并网运行必须满足其输出电压与电网电压同频同相同幅值输出电流与电网电压同频同相即功率因数为1而且其输出还应满足电网的电能质量要求
程序开始
初始化 启动主占空比 记录 ΔD,D(0) 检测输出电流 IO(0)
D=D+ΔD
ΔD=ΔD
检测输出电流 IO(n)
Y
N
IO(n)-IO(n-1)>0?
ΔD=-ΔD
图3 系统 MPPT 控制算法的流程 Figure 3 MPPT control algorithm flow chat
2.2 逆 变 器 跟 踪 电 网 控 制 单相逆变器 由 逆 变 桥 和 LC 输 出 滤 波 器 组 成.
收 稿 日 期 :2011-03-15 基 金 项 目 :广 东 省 科 技 计 划 项 目 重 大 科 技 专 项 (2010A080804023);湖 南 省 教 育 厅 科 研 项 目 (2010C0151) 通 讯 作 者 :夏 向 阳 (1968- ),男 ,博 士 ,副 教 授 ,主 要 从 事 电 能 质 量 和 分 布 式 发 电 等 研 究 ;E-mail:xia_xy@126.com
在图 1 所 示 的 光 伏 并 网 逆 变 系 统 中,前 级 Boost变换器占空比 D 是 可 以 控 制 的 变 量,系 统 根 据采样逆变器滤波 后 输 出 的 电 流 值,通 过 电 流 检 测 电路输入到 F2812的 A/D 转换模块,然后经过写入 DSP 的 MPPT 控制程序进行分析处理,得出控制结 论,最后控制 DC-DC 变换器的开关管的占空比来调 节 系 统 的 工 作 点 ,使 系 统 一 直 工 作 在 最 佳 状 态 .
第 26 卷 第 3 期
夏向阳,等:基于 DSP 控制的单相光伏并网逆变器设计
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研究的逐渐深化,并 网 控 制 器 逐 渐 从 传 统 的 模 拟 电 路 向 纯 数 字 化 的 方 向 发 展[4].TMS320F2812 是 美 国 TI公司推出的 C2000 平 台 上 的 定 点 32 位 DSP 芯片,具有高速运 算、处 理 和 控 制 能 力,已 广 泛 应 用 于 工 业 控 制 、电 机 控 制 等 领 域 ,它 使 得 对 并 网 逆 变 器 采用新的控制方法 成 为 可 能.笔 者 将 重 点 介 绍 采 用 DSP 实 现 正 弦 逆 变 器 控 制 的 方 法,用 Matlab 对 系 统 进 行 仿 真 验 证 ,并 对 试 验 样 机 进 行 测 试 .
1 系统原理及结构介绍
太阳能 电池 阵列
前级 BOOST 斩波电路
后级 全桥逆 变电路
LC 滤波 电路
中
MPPT
间 电
控制 压
检
测
SPWM 驱动
TMS320F2812 为 核心的控制电路
输出电流 及电网
同步检测
电网
图2 基于 Boost的两级式并网逆变系统结构 Figure 12 Two-stage grid inverter system structure
3.Appliances Center of Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals,Guangzhou 510651,China)
Abstract:Based on the digital signal processor chip of TMS 320LF 2812,a single phase photovol- taic grid-connected inverter is designed,it is composed of Boost DC/DC circuit and inverter bridge.This paper introduces the implementation of MPPT (Maximum Power Point Tracking), the inverter tracking control of power grid,and the PLL control of grid voltage.Software design flow chart is presented.Matlab based simulations for the inverter system are carried out and a de- veloped prototype is tested.Results confirm the effectiveness of the inverter system. Key words:Inverter system;DSP;MPPT;phase locking
2 系统的控制方案
光伏逆变器实现并网运行必须满足其输出电压 与电网电压同频、同相、同幅值,输出电流与电 网电 压同频、同相,即功率 因 数 为 1,而 且 其 输 出 还 应 满 足电网的电能 质 量 要 求[5].这 些 都 依 赖 于 逆 变 器 的 有效控制策略.其 控 制 的 整 体 思 路 是 前 级 Boost电 路通过调节全控型器件 S的占空比来调节光伏阵 列的输出电压,以 实 现 MPPT 控 制;后 级 控 制 并 网 电流跟 踪 指 令 电 流,并 使 电 容 C2 的 电 压 稳 定.同 时,为保证光伏逆变 器 安 全 有 效 地 直 接 工 作 于 并 网 状态,系统必须具备一定的保护功能和防孤岛 效应 的检测与控制功能. 2.1 最 大 功 率 跟 踪 (MPPT)的 实 现
在控制 D 连续变化的同时,观察 输 出 电 流 的 变 化.只要 因 D 的 变 化 导 致 输 出 电 流 减 少,就 应 当 在
54
电 力 科 学 与 技 术 学 报 2011年9月
相反的变化方向控制占 空 化 D,反 之 应 当 在 相 同 的 变化方 向 控 制 D[7].以 此 方 法 逐 步 逼 近 最 大 功 率 点.图3为系统 MPPT 控制算法的流程.
关 键 词 :逆 变 系 统 ;DSP;MPPT;锁 相 中 图 分 类 号 :TM61 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1673-9140(2011)03-0052-05
Design of single phase photovoltaic grid-connected inverter based on DSP control
L1
S
C1
L2
C2
电 网
Boost 电路
图1 基于 Boost的两级式并网逆变系统原理 Figure 1 Two-stage grid inverter system diagram
该并网逆 变 系 统 控 制 是 以 TMS320LF2812 芯 片为核心的控制电 路 来 完 成.DSP 芯 片 有 2 个 独 立 的事件管理模块(EVA,EVB),在 该 系 统 中,用 事 件 管理模块 A(EVA)来 实 现 此 逆 变 系 统 所 需 的 所 有 PWM 控 制;事 件 管 理 模 块 B(EVB)用 它 的 信 号 捕 获功能来捕获逆变 输 出 所 需 的 同 步 信 号;程 序 存 储 在芯片内的 FLASH 中,用 芯 片 内 的 RAM 作 程 序 变量存储器;利用 DSP 集成的模数转换模块(ADC, 16 通 道 ,12 位 )来 作 信 号 采 样 ;用 芯 片 内 的 看 门 狗 模 块(WATCHDOG)实现程 序 自 复 位.图 2 为 该 逆 变 系统的结构.
通常采用输出电容电压瞬时值和滤波电感电流瞬时 值双闭环反馈控 制 结 构[8].图 4 为 电 压 电 流 双 环 反 馈控制.
Uref +-
Cu(s)
Kα + Ci(s)
Kβ
1/R
逆 变
Ui
+
桥-
1/LS
iL
+
i
1/CS
UO
图 4 电 压 电 流 双 环 反 馈 控 制 Figure 4 Dual-loop feedback control diagram
(1.长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410004;2.湖南机电职业技术学院 汽车工程系, 湖南 长沙 410151;3.广州有色金属研究院 电器中心,广东 广州 510651)
摘 要:基于 TMS320LF2812芯片,设计一种单相光伏 发 电 并 网 逆 变 系 统,由 Boost DC/DC 电 路 和 逆 变 桥 组 成.
在 光 伏 发 电 系 统 中 ,要 提 高 系 统 的 整 体 效 率 ,一 个重要的途径就是 实 时 调 整 光 伏 电 池 的 工 作 点,使 之始终工作在最大 功 率 点 附 近,这 一 过 程 就 称 之 为 最大功率点 跟 踪 (maximum power point tracking, MPPT)[6].它是当前较广泛采用 的 光 伏 阵 列 功 率 点 控制策略.
笔者研究的逆变 系 统 原 理 如 图 1 所 示,它 是 一 个两级式并网逆变系统,由前级 Boost DC/DC 升压 电路和后级全 桥 逆 变 电 路 组 成.基 于 Boost升 压 的 两级式光 伏 逆 变 系 统 显 著 的 优 点 是 可 实 现 灵 活 扩 展,多组光伏阵 列 可 各 自 通 过 Boost电 路 和 同 一 个 逆变电路相连,各 组 光 伏 阵 列 可 利 用 Boost电 路 分 别独 立 地 进 行 MPPT 控 制,互 不 影 响.而 且 由 于 只 采 用 了 两 级 变 换 ,其 效 率 较 高 .Boost电 路 实 现 升 压 和最大功率跟 踪 控 制 (MPPT),后 级 电 路 实 现 逆 变 和对并网电流的控制.
图4 中,Cu(s),Ci(s)分 别 为 电 压 外 环 和 电 流 内环控制器;Uref 为参考电压,一般取参考电压为50 Hz的标准电网电压;Ui 为逆变后但未经过 LC 滤波 器 滤 波 的 电 压;iL 为 系 统 逆 变 后 输 出 电 感 电 流;Uo 为逆变后电容两 端 的 电 压;Kα,Kβ 分 别 为 内 环 和 外 环的比例传递系数.逆 变 器 通 过 采 样 输 出 滤 波 电 感 的电流iL 和输出电压Uo;并将 输 出 电 压 Uo 与 给 定 参考电压Uref 的误差经过外环调节器后的输出作为 内环电流环的参考给 定,此 参 考 给 定 与 采 样 电 流iL 产生的电流误差通过电流内环调节器后与三角载波 相比较,产生 PWM 驱动脉冲 来 驱 动 逆 变 桥 的 4 个 桥 臂 .电 流 内 环 提 高 了 系 统 的 动 态 响 应 ,而 电 压 外 环