（电力电子与电力传动专业论文）1kw具有零电流关断功能的并网逆变器的研制.pdf

具有军电流关断功能的光伏井同逆变器的研制 r e s e a r c ho nl k ws o f t - s w i t c hg r i d - c o n n e c t e dp vi n v e r t e r c h e nh o u y a n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx uh o n g h u a a b s t r a c t t h ep vi n v e r t e ri sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ep vs y s t e m i no r d e rt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h ep vi n v e r t e r , s o f t s w i t c ht e c h n o l o g yi s u s e di nt h eg r i d c o n n e c t e d i n v e r t e r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e da st h ec o n t r o lc h i pi nt h ep vi n v e r t e r aik w s o f t s w i t c hg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ri sd e s i g n e da tt h ee n d t h eh i s t o r ya n dt h ec u r r e n tc o n d i t i o no ft h es o f t - s w i t c ht e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e da t t h eb e g i n n i n go ft h ep a p e ta n dt h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e san e ws o f t s w i t c ht o p o l o g y w h i c hi sf i tf o rt h eg r i d - c o n n e c t e di n v e n er t h ec o n t r o lm e t h o do ft h et o p o l o g yi s d e s c r i b e di nd e t a i l s e v e r a lc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d sa r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r e a c h m e t h o dh a si t sv i r t u ea n dd e t e c t t h e nt h ep a p e rp r e s e n t sa ni m p r o v e dc u r r e n tc o n t r o l m e t h o d f r o ma n a l y s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ei n v e r t e r , t h ef o r m u l at o c a l c u l a t et h ep ip a r a m e t e r si sa c h i e v e d ，a n dt h ec h a rf l o wo ft h em a i np r o g r a mi sa l s o p r e s e n t e di nt h ep a p e r h a r d w a r ed e s i g ni ss t u d i e di nd e t a i li nt h ef o u r t hc h a p t e r t h r e em p p l c o n t r o lm e t h o d sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e rt w om e t h o d sa r ec o m b i n e d i no r d e rt o g e tb e t t e r r e s u l t t h a ti s p r o v e db ye x p e r i m e n t ，i s l a n dp h e n o m e n ai s i n t r o d u c e da n dt h eh a r mt ot h eg r i di sd i s c u s s e d a1 e wm e t h o d st h a tc a nd e t e c tt h e i s l a n dp h e n o m e n aa r ed i s c u s s e d a n dam e t h o dt h a th a sb e e np r o v e de f f e c t i v e l yb y e x p e r i m e n ti sg i v e ni nt h ee n d a tt h ee n do ft h ep a p e re x p e r i m e n tr e s u l t sa r e d i s c u s s e da n dt h ec o n c l u s i o ni sg i v e n k e y w o r d s ：g r i d c o n n e c t e dp vs y s t e m s o f t s w i t c h ，i n v e r t e r , s t a n d p r o t e c t i o n ， m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g 第一章绪论 第一章绪论 随着人类科技不断进步，世界对能源的需求不断增加，而传统能源却面临着 急缺枯竭的危险。无污染、绿色可再生能源如太阳能、水能、地热、生物质能有 望成为未来的主要能源，其中光伏发电技术正逐渐成为人们关注的焦点。 1 1 光伏发电技术现状及发展潜力 光伏发电技术起源于二十世纪六十年代初。贝尔实验室首先发明了硅太阳能 电池。1 9 5 8 年太阳能电池板首次成功应用于航天。尽管当时就有批量生产的计 划但是直n - - 十世纪九十年代光伏市场才逐渐形成规模，光伏发电技术从此取 得了稳步的发展。 光伏发电系统包括光伏阵列和能量转换系统。能量转换系统主要包括蓄电 池、充电控制器、逆变器以及其他一些器件，有些系统还包括光线追踪装置，以 提高系统效率。 1 1 1 太阳能电池发展现状及展望 目前太阳能电池主要分为两大类： 1 ) 晶体硅电池，包括单晶或多晶硅电池。 2 ) 薄膜电池，包括非晶硅电池等。 晶体娃电池拥有广阔的原料来源，完善的理论基础和稳定、优良的性能，是 太阳能电池的主导产品。但是晶体硅也有一些缺点： a ) 晶体硅电池对原料的纯度要求很高，利用率较低，和薄膜电池相比，成 本较高。 b ) 加工过程不能实现完全自动化，使晶体硅的加工成本居高不下。 c ) 晶体硅电池板的加工非常消耗能源，回收期比较长。 薄膜电池通常是在玻璃或者不锈钢为材质的衬底上贴上微米级的半导体薄 片，然后进行封装。这样原料的利用率会非常高，相对的生产强度会降低，在生 产过程中消耗的能源也比较少但是薄膜电池的质量和效率还不能尽如人意。 目前晶体硅约占市场份额的9 5 ，根据预测，在今后l o l5 年之内，它所 占的市场份额不会减少。薄膜电池的份额由1 9 9 5 年的1 5 降到现在的5 ，因 为目前尚有很多难关需要攻破，估计2 0 1 0 年之后薄膜电池产量将会有所增加。 具有零电流关断功能的光伏并网逆变器的研制 图1 1 为截止到2 0 0 3 年底各种电池板的生产量。 图l - l 截止到2 0 0 3 年各种电池板的生产量 1 口系列1 1 目前各种太阳能电池板效率大约在5 1 5 之间，当前的技术可以使效率提 高至1 5 2 0 。由于新技术的应用，预计到2 0 3 0 年电池效率可以达到1 0 3 0 。 1 1 2 光伏并网发电系统简介 光伏发电系统一般分为两种1 2 f ：并网发电系统和独立发电系统。独立发电系 统一般功率比较小，常用于偏僻、无法正常供电的地区，在照明、制冷、灌溉等 方面起到很大的作用。 并网发电系统应用范围比较广，分为下面两类： 1 ) 分散式并网发电系统：分散式并网发电系统可以采用与建筑相结合的方 式，这样即使在人口稠密的地区依然非常适用。这种技术潜力非常大， 可以充分利用空间，同时供给大量的能量。 2 ) 光伏电站：这种方式比较适合于人口稀少的地区，规模较大。目前上百 千瓦和数兆瓦的光伏电站已经建成，并且成功投入运行。容量更大的光 伏电站则还在研究中。光伏电站发出的电力既可以输进电网，也可以用 来大规模制氢。 1 1 3 光伏并网逆交器发展现状 光伏系统中逆变器是非常重要的部件，决定着系统的效率以及输出电流波形 第一章绪论 的质量。逆变器的拓扑结构有很多种。其中最常用的是全桥结构，如图1 2 所示。 太 阳 能 电 池 板 图1 2 光伏并网逆变器原理图 1 l 口 为了降低光伏发电系统的成本，现在很多国家都在不遗余力的对高效逆变器 进行研究。目前国际上一些知名公司的逆变器产品整机效率已经可以达到9 3 9 5 。 并网逆变器的损耗主要包括以下几点：开关器件的损耗、控制电路的损耗、 隔离变压器的损耗以及电容、电感和滤波器上的损耗，其中开关器件的损耗占很 大部分。开关器件的损耗主要包括”j ：开通损耗、关断损耗、通态损耗以及二极 管反向恢复损耗。 以i g b t 为例在输入电压u = 5 2 0 v ，输出功率p 0 = 1 1 k w 初级电流i = 5 2 a ， 工作频率f = 2 0 k h z 条件下测得的数据： 丌通损耗：p l = 1 2 w 关断损耗：p 2 = 5 6 6 w 通态损耗：p 3 = 5 3 8 w 可见丌关损耗占了很大部分，如果可以降低甚至消除开关损耗，逆变器的效 率将会有不小的提高。 目前提高逆变器效率主要有以下几种方法：优化控制方法、改进逆变器拓扑 结构和采用软开关技术。其中软开关技术可以减少或者消除开关管的丌关损耗， 并且他能同时克服硬性开关的种种缺点，如热学限制、二：次击穿限制、电磁干扰 限制等，近年来发展很快。 具冉零电流关断功能的光佚并刚逆变器的研制 i 2 软开关技术发展现状 谐振型软开关是八十年代初由美国弗吉尼亚电力电子中心李泽元教授首先 提出并应用于d c - d c 变换器中。由于它能克服硬开关的种种缺点，如热学限制、 二次击穿限制、电磁干扰限制等，理论上它的开关损耗为零，不像硬开关那样由 于电压电流波形交叠而产生开关损耗，近年被广泛引入各类电力电子变换器中， 并已逐渐推向实用。 软开关的主要特点有： 夺提高开关频率，高频化可以减少谐波含量。有利于减少滤波器体积，提高功 率输出密度； 夺降低，减少电磁干扰( e m t ) ： 减少开关损耗，减少散热面积，缩小器件体积； 1 2 1 软开关基本原理与分类 谐振软开关是在辅助电路发生谐振时，电流或电压周期性地过零点，使开关 器件可以在零电流或零电压条件下开通或者关断。辅助电路一般由开关器件和谐 振元件电感电容构成，辅助谐振电路中的开关器件也是在零电压或零电流条件下 实现通断。 对干软丌关逆变器束说，其拓扑结构可分为二大类1 ：第一类谐振发生在直 流母线上，通过谐振使直流母线上的f 乜压或电流过零点，为j f 关器件提供零电压 开关( z v g ) 或零电流开关( 孤s ) 条件，例如谐振直流环节逆变器r i ) c il 、有源箝位 谐振直流环节逆变器a c i c d c i 1 、准谐振直流环节逆变器等。第二类是谐振发生在 丌关器件两端，通过谐振提供软开关所需条件。例如辅助谐振转换极逆变器 a r c i l 、软丌关过渡i ，w 技术逆变器z v 卜【w m 和z 叫一p w m 等。 i 2 2 几种典型的谐振软开关逆变器 1 ) 直流环节串联谐振逆变器( r d c l i ) 图卜： 为直流环节串联谐振逆变器拓扑结构图。逆变器工作分为两个阶段： 第一阶段，s r 导通，此时电容c 两端电压箝位在零，电感i ，充电，当电感电流值升 到，。时，s r 关断，预充电过程结束。第二阶段，s r 关断，电容与电感发生谐振， 乜容两端电压u ，从( ) 开始上升，当再次降到( ) 时，第一阶段结束：此时s r 再次 第一章绪论 开通，进入下一周期第一阶段。由于u 周期性的过零点，从而为逆变器开关器 件提供了零电压开关条件。 i 叫3 叫，叫各 u s c = 叫b s r j 叫 y 孑叫 专l u o八 八 l 幽i 一3 直流环肖串联谐振逆变器拓扑结丰句及戈键波形 这种结构的主要缺点有两点： 令直流母线发生谐振，逆变器的开关器件通常承受2 倍的电压应力。 夺由于逆变器的开关时刻只能发生在谐振零点，使得各种p w m 控制策略都带 有一定的时间误差，因此输出电压中带有大量低于谐振频率的频谱成分。 2 ) 直流环节并联谐振逆变器( p r d c l i ) 如图l - 4 所示，开通s 1 ，s 2 ，s 3 电感l 充电，关闭s i ，l 与c 1 和c 2 发 生谐振，当电容两端电压降到0 时，开通s 4 ，关闭s 2 ，此时c 2 两端电压被箝 位在0 并且时问可控。 具有零电流关断功能的光伏井网逆变器的研制 u s s 1 s 2 s 3 s 4 u c i u c 2 u c 3 臼 h 卜_ l l ，t t i f l，一+ 图l 一，l 直流环节并联i 酎辰逆变器拓扑结构及关键波形 该电路的特点有： 夺l i 、h 2 、s 1 均在零电压条件下实现通断，在零电流条件f 实现通断。 夺开关器件所承受的最大电压为u 、，s 2 承受的峰值电压约为i j z 乙，靶、 第一苹姥论 s 3 通过的脉动电流峰值约为2 5 3 l 和2 l 一。 夺开关器件可以在一段时间内实现软开关，而不是局限于某一点。 以上两种结构都属于直流环节谐振型逆变器，他们共同的特点是当某一相需 要改变状态时，直流环节电压就需要谐振到零，这使得不需要改变状态的其他两 相的电压也为零，从而影响逆变器最终输出波形。 3 ) 辅助二极管谐振极逆交器( a d r p i ) 图l 一5 是辅助二极管谐振极逆变器的电路图，通过分析其中一个桥臂的开关 过程，说明整个电路的工作原理。假设电路初始状态为s i 开通，s 2 关断，c 2 电 压为直流电压u ，电感电流为，。当s l 关断时，由于电感电流不能突变，s 2 的反向二极管导通续流，l 与c 3 、c 4 发生谐振，此时s 2 两端电压箝位在o ，s 2 开通。当电感电流反向时，c 4 的电压被二极管s d 2 箝位在0 ，于是电感电流继续 反向流动，电感压降u ，为0 。s 2 关断、s i 导通过程与此类似。 图i - 5 辅助二极管谐振极逆变器电路图 该拓扑的主要特点有： 夺所有丌关管均在零电压条件下实现通断。 夺开关管只有在其两端电压为零对j + 能导通，这意味着同一桥臂的另一丌 具有零电城关断功能的光伏井剐逆变器的研制 关承受着全部输入电压，即已关断，因此从根本上排除了上下桥臂短路 的可能，可靠性非常高，又称为结实型变换桥臂。 本文从提高逆变器效率角度出发，选用了图l 6 所示的拓扑结构，工作原理 将在第二章给予详细介绍。该结构与上面介绍的几种相比，具有以下几个优点： 夺电感值很小，因此引入的电感损耗非常小； 控制方法简单，不会影响p w m 控制，因此不会引入低频谐波。 太 阳 能 光 u s 伏 篷 列 幽i 6 逆变器拓扑结构幽 第一章绪论 1 3 本文的主要内容 目前由于光伏发电系统成本较高，使其应用大受影响。人们不断努力，试图 降低成本。本文正是以此为背景，提出具有零电流关断特性的光伏并网逆变器的 研制方案，研制实验室样机，以提高逆变器工作效率，从而达到降低成本的作用。 论文第二章主要介绍软开关工作原理及实现条件。第三章主要讲述逆变器的 控制原理，提出逆变器控制系统的数学模型，给出程序的流程图。第四章主要介 绍逆变器的硬件结构设计。第五章通过对太阳能电池原理及输出特性的分析，给 出了太阳能电池最大功率点的概念，介绍了几种太阳能电池最大输出功率跟踪的 方法，并且介绍了本文所选用的控制方案。第六章介绍r 孤岛的概念以及检测孤 岛状态的几种方法。第七章给出了相关实验波形，并进行分析。最后总结了整个 系统的研制过程中遇到的问题、实现的程度和一些仍需解决的问题，提出了未来 的研究方向。 k w 具有零电流关断功能的并| i 畸逆娈器的删制 第二章软开关工作原理和工作条件 逆变器的拓扑结构如图2 一i 所示s l s 1 为逆变器的主，f 关管，h 。t l ，k t 2 为辅助7 f 关管。h l ，s 3 ，s a i ，s a 2 为高频管，开关频率为2 0 k h z ：s 2 和h 1 为一i ： 频开关管，开关频率为5 0 1 _ j z 。在正半周期，s 4 始终开通，翮】，s 1 按i ，w 信号j r 通关断，而负半周期s 2 始终开通，s a 2 、s 3 与s a l 、s 1 类似。具体波彤如图22 所示。 杰 阳 能 光 u 。 伏 阵 列 图2 1软开关逆变器电路图 了簟警八 ，、2 ：。 、 s i 口，。 。：1 n _ l = 二 习一t j 讳“一j _ ，； 。0 一j 一0 ，j 肆一上4 仁到_ 斗_ s a ：t 曩 一 0 一 一0 姐。o j 一o 。4 一j 0 1 k s a 2 + ，。一一；+ ；一一心。j i i 一 。一j 一1 + ：i i ；i ：! l ： s 2 ；ii二三 二三二：二二二：1 l 上上一一- l j j 、，i ，一。+ ，【，。i ，j j 驰l 一一一习 第二章软开关工作原理和工作条件 辅助开关管s a l ( s a 2 ) 在主开关管s 1 ( s 2 ) 关断前t r 时刻导通，然后一起关断。 每个开关周期内s i ，s a l 驱动及电压、电流波形如图2 3 所示： 1 v c r l t i ：i l v s l i s l j v g l ，。，7 、 y s a l l，。v 喜a 1vi s a l i ， v s a l 一 i _ i j i 、 一 r 。 i | v t 图2 3 s i ，s a i 关键设形图 2 1 主电路软开关工作原理 在介绍逆变器软开关工作原理之前。我们首先假定：电路图中的各个器件都 为理想器件，电感量足够大，在一个丌关周期内输出电流可以认为是不变的。逆 变器在一个开关周期内共有七个工作状态，如图2 4 所示。下面详细介绍一下软 开关的工作原理。 状态1 ( t o t 1 ) ：s 1 导通续流此时流过续流二极管d 3 的电流逐渐减少，流 过s 】的电流不断增加，直到在t 1 时刻达到，n 。 状态2 ( t 1 - - t 2 ) ：当s 1 的电流达到j 。时，续流二极管d 3 截止，电流流过s 1 ， 引 w m m 具有零电漉关断功能的光伏并网逆变器的研制 s 4 ，d 3 保持截止状态，谐振电容c r l 被箝位在直流输八电压v s 。 状态3 ( t 2 - - t 3 ) ：在t 3 时刻辅助管s a l 导通，c r l 放电，与电感l r l 发生谐 振，到t 3 时刻，电容c r l 两端电压变为一v s 。电容两端电压及s a l 电流计算公 式如下： k ，i ( ，) = kc o s ( 珊a t 一疋) ) ( 2 1 ) i s , , l ( f ) = 知( 哪一t o ) ( 2 _ 2 ) 舯驴志，z ，2 压。 状态4 ( t 3 一t 4 ) ：在t 3 时刻，流过电感l r l 的电流开始反向，：二极管d a l 刀+ 始导通给c r l 充电( 此对电流也可通过s a l 通路为c r i 充电，但是由于d a l 通 路阻抗更低，所以电流通过d a l 为c r l 充电) 。流过s i 的电流开始不断减少， 直至减d , n 零。 _ ，l ( ，) = 一kc o s ( c o a t 一不) )( 2 - 3 ) k ( f ) = ，0 一s i n ( 咄一功 ( 2 _ 4 ) 状态5 ( t 4 一t 6 ) ：在t 4 时刻，s 1 的电流降到零，s a l 开始反向导通，当流过 s a l 的反向电流达到最大时，将s i ，s a l 同时关断，实现开关管的零电流荚断。 状态6 ( t 6 一t 7 ) ：电流继续通过d a l 为c r l 充电，到t 7 时刻，c r 两端电压达 到v s 。 状态7 ( t 7 一t 8 ) ：当c r l 两端电压达到v s 时，d a l 关断，d 3 导通续流。 第二章软开关工作原理和t 作条件 u s u s 韶q 一1 l 盥j 8 2 碍 一dal 状志7 ( t 7 一t 8 ) 一s l f i 耳- _ i r 烂挚上r 。( 。越岛 | 霹 状态6 ( t 6 一t 7 ) 图2 - 4 软开关工作的七个阶段 l3 具有零电流关断功能的光仕并嘲逆变器的研制 2 2 软开关实现条件 今电跆头巩每电况天研蚧烈撕疋以r 象仟： “= 等+ 知叱 “，刚= 等”争，瓦 其中瓦为开关周期，e o 为输出功率， 开关周期应该大于电容电感的谐振周期，如下式： t c 啦兰等瓦 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 为了实现上面的条件，当线电压接近零的时候，应该封锁开关信号，相角为 = s i n 弋摄) 电容电感谐振周期为： l = 2 疗扛忑兰( 4 6 ) 0 其中r 为丌关管的关断时的电压下降时间。 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 第三章控制方案分析1 i 实现 第三章控制方案分析与实现 3 1 太阳能并网发电系统的分类 光伏逆变器分类方法比较多，从输入角度可以分为电流源逆变器和电压源逆 变器i7 i ，如图： _ 1 和图3 - 2 所示。电流源逆变器直流侧需要串联一个大电感提供 较稳定的电流输入，但由于电感往往会导致系统动态响应差，因此当前世界范围 内大部分的并网逆变器均采用电压源输入方式。 m，j ，7 7 7 ”7 一一， ? 。777 图3 1 电压源逆变器 二乒二二二 。_ 王j 翌j 7 兰童j 7 图3 - 2电流源逆变器 光伏并| 嘲逆变器以输出控制方式来看可分为电压控制方式和电流控制方式。 山于电刚可视为容量无穷大的交流电压源，如果光伏并网逆变器输出采用电压控 制州实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统，这种情况下要保证系统 的稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步。在稳定运行的基础上， 可通过调整逆变器输出电压的大小和相移来控制系统的自j 功输出和无功输出，但 是这种控制方式锁相回路的响应较慢，逆变器输出电压值不易精确控制，并且可 能出现环流等问题，不易获得优异性能。 如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器输出电流跟踪市电电压 相位，即可达到并联运行的e 1 的。由于其控制方法简单，因此使用比较广泛。 本文所设计的并网逆变器就是采用电压源输入、电流源输出的控制方式。 具有零电流关断功能的光伏井嗣j 重娈器的研制 3 2 逆变器电流跟踪控制方式 电流跟踪控制方法可分为以下几种类型。 3 2 1 电流滞环瞬时比较方式 滞耳比较器 信号 j j 毒 图33 滞环比较方式的电流控制图 电流滞环瞬时比较方式的原理如图3 - 3 所示 ”。以a i ，作为滞环比较器的环宽， 当指令电流f + 和实际并网电流j 。的差值超过环宽时，就产生p w m 信号。如果a i 。 确定，则输出电流的误差范围不变。j ，越小，则输出电流误差越小，但是开关 频率也越高。 这种控制方案的特点： 夺实时控制，电流响应快，控制准确； 冷控制方法简单； 夺若滞环的环宽固定，电流跟踪的误差范围是固定的，但开关器件的，f 关频率 是变化的，这将导致电流频谱较宽，增加了滤波器设计的难度，可能会引起 问接的谐波干扰。 3 2 2 三角波比较方式的电流跟踪方式 这种方法也可以称为s p w m 电流跟踪方式，控制原理如图3 - 4 所示川。将指 令电流，。+ 与并网电流t 的实时值进行比较，两者的差值经p i 调节与三角波比较， 输出p w m 信号。 此方法的电流跟踪特性和p i 参数有关，对于p i 电路响应快的系统，必须提 第三章控制方案分析与实现 高三角波载波频率，以改善输出波形。这种方式输出电流的谐波比滞环比较方式 少，因此常用于对于谐波和噪声要求较高的地方。 j 二角渡 1 里船 比较器 图3 - 4s p w m 电流控制图 这种电流控制方法的特点： 令电流跟随误差较大； 夺软件实现相对复杂； 夺输出电压中主要含有与载波相同频率的谐波； 夺丌天器件的开关频率等于载波的频率： 夺电流响应相对于电流滞环瞬时值比较方式较慢。 3 2 3 改进的s p v o , ! 电流跟踪方式 、 1 w2 + 1 l l牛 上“，j 幽35 逆变器输出级示意图 s p w m 跟踪控制方法的缺点在于，给定电流 与实际电流在理论上就必须存在偏差。才能产生 p w m 信号。本文采用的是改进的s p w m 电流跟 踪方法l 。 出图3 - 5 可以得到逆变器输出的并网矢量 图，如图3 - 6 所示。从图中可以清楚地看到，逆 17 ，、土、，、 9， u i 图3 一 逆变器输出向龄图 具有零电流关断功能的光伏并删逆变嚣的酬制 变器输出电流基波分量i 。，( f ) 、电网电压“。( ，) 与逆变器电感前侧电压。( f ) 兰者 之间的相量与相位关系。只要在实际控制中满足这种关系，输出电流就可以成功 实现与电网电压的同频同相。 图3 7 是改进后的s p w m 电流跟踪方式示意图。结合逆变器的矢量三角形， 世经过p i 调整之后其物理意义就相当于在电感上产生的电压，他与电婀电捱i ，| 、 之和的物理意义就相当于逆变器输出的脉冲电压，这样就构成了1 个矢量三角 形与逆变器的向量图一致了。 图3 7 改进的s p v m 控制方式 改进的s p w m 电流跟踪控制策略不仅保留了原来控制策略的优点同时电 流的跟踪误差显著减小，通过调整电源电压的比例系数来减小直至消除电源电压 列电流跟踪误差的影响，从而显著改善s p w m 电流跟踪控制的性能。 3 3 逆交器控制系统数学模型 3 3 1 控制系统数学模型 我们可以通过逆变器的并网矢鼍图( 图3 6 ) 推出控制系统的数学模型i ， 列逆变器输出端电路，以逆变器输出电流作为状态变量，可以得到： l 等也电艮 妈- 、) 写成复数域形式为： 7 * ( 5 ) 2 i 了i ( u 一( 。) 一u “( 5 ) ) 2 g ( 。) ( u 一( 5 ) 一u v ( j ) ) ( 3 2 ) 其中g ，( j ) 是滤波器传递函数，l 为逆变器滤波电感，r ，为滤波电感及交流 进线等效阻抗。 第三章控制方案讣析。 实现 逆变器可以等效为一个小惯性环节，传递函数为 吲垆意斋 ， 十i ( 3 - 3 ) 其中l 。，为小时问常数，可以取5 0 u s ，k 。为逆变器增益，与p i 调节器的 最大限幅有关，“。= z 等哥，m ，) ，为p i 调节器的饱和限幅值。 由式( 3 - 2 ) 、( 3 3 ) 及p l 反馈原理得出逆变器电流跟踪系统的数学模磴，如 图3 - 8 所示。 p l 调* 器逆变器 f ， 滤波器 f 一一一一? l 一丝l 一拉 oj l 1 5 【! w 一- ! l s + r 一一一 口r 一一一一 图3 培逆变器电流跟踪系统的数学模型 3 3 2 控制系统p i 参数的设计 不考虑p i 调节控制，系统的传递函数为 f3 - 4 ) 将系统设计为一个二：阶系统，我们用二阶最佳j 二程设计法对p i 渊节器参数 进行整定。二阶闭环系统闭环传递函数般形式为 吲垆志 b 5 ) 根据控制理论，可推导出二阶品质最佳系统的开环传递函数为 ) 2 藕1 ( 3 _ 6 ) 一“，q 一l q 血 旦 i l g “ g f | 叶 陟 具盲零电漉关断功能的光伏并州逆变； ； 的研制 式( 3 - 6 ) 为二阶品质最佳的基本公式。 p i 调节器传递函数为 啄。，竿掣1 s 一 为了使p i 调节器抵消逆变器系统中较大的时间常数去，可以使 笠：三 k ，r 7 于是得到控制系统的开环传递函数为 a k | 。| t ts + 1 比较式( 3 6 ) 和( 3 9 ) 的系数可以得到 厄= 丽r i 解得 ，2 t i l t m2 _ 代八式( 3 - 8 ) 可得 k 。= 月， 2 g t ，j ， 2 a 。k f t 校【e 后，系统的开环传递函数为 ) = 瓦石占丽 闭环传递函数为 1 刚曲2 i 啊j 乏瓦两 20 ，坠刘7 ) j l ，。+ 1 ) 口庀p h 州 f ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 13 ) ( 3 一】4 ) ( 3 1 5 ) 专再 “ 生尼 1 1 0叭 g 鹚三章控制方案分析与实现 电流跟踪控制的是基于传统p i d 控制技术的，p i 参数的整定足建立在逆变器 传递函数确定的基础上，而式( 3 - 3 ) 给出的逆变器传递函数是一种经验模型， 因此得到的p i 参数是理论指导值，有一定的误差，实际凋试中由丁小时间常数、 分布参数等影响，需要根据实际情况对p i 参数进行调整。 3 4s p w m 脉冲产生方法 3 4 i 主开关管驱动脉冲产生方法 一般全桥电路结构如图3 - 9 所示。传统的s p w m 原理如图3 1 0 所示，由相 节完全相反的两个正弦波与频率为f 的对称三 一 角波比较产生四路p w m 脉冲其中s l 与s 2 、 s 3 和s 4 的脉冲完全相反，上下桥臂的驱动脉冲 8 1 - s 3 一： 加有死区时间。从图中可以看出，s l 和s 4 脉冲 a 时u p w r r l 在每个开关周期内重合两次，虽然每个开关管的 一 r 丌关频率为f ，但是逆变器输出的电压脉冲的频 s 4 率却可以达到2 f 。 我们将上面产生脉冲的方式稍微改变一下。 如图3 一1 1 所示，在正半周期内，每个开关周期 s i 和s 4 有两段重合的时间，如图中的t i 和t 2 图3 - 9 全桥电路图 所示，如果将两段时间合并在一起，如图中t 所示( 其中t = t i4 - t 2 ) ，并且将t 作为s 1 的导通时间，s 4 在正弦波正半周期内完全导通，s 2 和s 3 关断，负半周 期s 1 和s 4 完全关断，s 2 完全导通，s 3 开通时间设为t ，则最终产生的波形如 图3 - 1 0 等效图所示。由于在每个开关周期内，两种方式中逆变器输出的电压脉 冲面积相等，所以第二种方式也可以输出正弦波，两种方法等效。 具冉零电流关断功能的光伏并嘲逆变器的硎制 s 1 s 2 暑3 s 4 u p m i 11 1 ；。1 ： h；：j_ 。 “1 1r 中_ 一1 一片 r 卜1 h i !一i 1 ：i! ! 一i 一 ；a 1i e ! ：】 、，l t 再： j ；! i r ：! i 一；： ： t f! t ，l 厂w t l 】 j ：l li r ! 、卜h _ ：il l p 船 ， 3 j j 口。 i ：_ i ： j 二j l i 七j l j 口 幽3 1 0 传统s p w m 方式产生原理幽 上面介绍的两种方法各有优缺点。 夺传统s p w m 方法由于同桥臂上f 两个开关管驱动波形完全桐反，所以需 要加入死区时间，而第二种方法，由于半个周期内只有两只开关管在工作， 所以避免了死区时间，唯一需要加入死区时问的只是在过零点的时候。 夺传统s p w m 方法四个开关管都在高频下工作，而在第二种方法中，每半个 周期内只有一只开关管工作在高频状态。 夺传统s p w m 方法，虽然每个开关管开关频率为f ，但足输出的电压脉冲频率 却为2 f 。如果工作在相同开关频率下，传统的s p w m 方法输出的波形谐波 含量更低一些。 本文选用的是第二种方法，由于采用零电流关断方法开关频率u r 咀提 高一些，同样可以降低输出波形的谐波含量。 第三章控制方案分析与实现 。t lt 2 n 广 厂 厂 厂 n l jul jl 一儿ji al j t 口一厂 厂 l t t 1 。r 一yt r _ 厂 厂 门 厂 厂 厂 n 圈3 - 1 i 改变之后的s p w m 产生方法 3 4 2 辅助开关管驱动脉冲产生方法 辅助开关管的脉冲宽度与l c 振荡的频率有关。在电路中f 。= 18 u h ， c = 0 0 l u f ，则 t = 2 z r x l c = 2 x 4 1 8 1 0 “o o l 1 0 一= 2 6 6 x l o j ( 3 1 6 ) 脉冲宽度为振荡周期的 ，大约为2 u s 。脉冲波形与主开关管的关系如图3 - 1 2 所 * 示。辅助管s a l 在主开关管s l 关断前2 u s 开通，然后与s 1n h , t y 断。当s i 驱 动脉冲宽度小于2 u s 时，辅助管无动作。辅助管s a 2 与此类似，不同的是它在 s 3 关断前2 u s 导通，然后与s 3 一起关断。 s 1 s a l n 厂 厂 厂 一t 7 n 订 一一 门 t 图3 - 1 2 辅助管驱动脉冲示意图 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片中每个事件管理器都可同时产生8 路p w m 波形。本 文采用其中4 路作为主开关管的驱动输出。辅助管脉冲则直接采用1 0 口输出。 23 具有零电流关断功能的光伏并嘲逆变器的制 d s p 可以计算出s l ( s 3 ) 的丌通时问和关断时间， s 1 采用定时器的周期中断可以在s i ( s 3 ) 关断前2 u s 输出脉冲，丌通s a l ，然后和s 1 同时关断。由于误差 s a l 的影晌，虽然s a l 的脉冲宽度可以比较准确，但是s l s 3 和s a l 却不能准确的同时关断，约有1 0 0 n s 的误差。 所以在d s p 输出端外接一个或门，保证s l 和s a l 同 s a 2 时关断，如图3 一1 3 所示。 3 5d s p 程序流程图 、s 1 图3 - i3 输出脉冲迎接方式 逆变器控制采用r i 公司的l m ! s 3 2 0 l i ? 2 4 0 7 a 芯片。该芯片具有如下特点： 夺静态c m o s ，主频可达4 0 m h z ，低功耗( 电压： 3 v ) ； 夺 3 2 k 1 6 位片上f l a s h ( 4 个段) ，5 4 4 1 6 位片上d a r a m ，2 k x1 6 f 立片j s a r a m ； 夺 每 夺 夺 外部存储空间接口：6 4 k 1 6 位程序空间、6 4 k 1 6 4 , 2 _ 数据空间、6 4 k 1 6 位l o 空间： 5 - f 外部中断源( 电机驱动保护、复位、2 个可屏蔽的中断) ； 外设中断扩展模块，最多支持4 5 个外部中断； 3 个3 2 位c p u 定时器； 用于电机控制的外设：2 个事件管理器( 与c 2 4 0 x 器件兼容) ； 多种标准串口外设： 个s p i 同步串口、1 个u a r t 异步串口、1 个增强型c a n 总线接 1 ： 夺1 0 位a 1 ) 转换器，1 6 通道、双采保、2 8 多路切换器： 夺4 ( ) 个独立可编程、复用型、通用i o 口。 d s p 的控制流程中，使用了t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 7 a 两个通用定时器i i m e r i 和 r i m e r 3 。定时器t l 提供了逆变器p w m 信号的产生，高频电流控制环的时州基 准，同步的h , t i j 基准。定时器r 3 周期中断产生辅助开关管的驱动脉冲。它们都 工作在升降记数模式。逆变器的p w m 的产生由全比较瞥元实现。 d s p 软件可以分成四块，主程序、同步中断、r l 周期中断和t 3 周期中断。 3 5 1 主程序流程图 第三章控制方案分析与实现 1 ) s l ，各个寄存器在主程序中进行初始化。主循环中进行参数检测，判断直流 和交流电压是否满足要求。如果符合要求则打丌x n i 。2 同步中断，当l 、 一个同步 脉冲到来时，逆变器开始工作。 程序开始 一一1 - i d s p 寄存器 ：j j 始化 ， 一i 一 i 直1 琉侧电压检测1 i 交流电压频率检测 i 一一 是古满足要求 耍 一一打开x l n 。r 2 中断寄存器 图3 - 1 4 主程序流程圈 3 。5 。2 同步中断流程图 同步中断采用x i n t 2 外部中断，上升沿触发。主要功能有与电网i 司步功能、 最大功率跟踪功能和孤岛保护功能，是程序的核心部分之一。流程图如图： _ 】4 所示。 具有零电流关断功能的光伏并网逆变器的研制 正弦指制零 蘩止时嚣i 禁止p w m 输m 返同 正弦指针是古在正 确池围之内 j 址 t 正坎指针归零j 厂开始最关两军 跟踪 返网主程序 l 同步中断升始l t 检测是古存在孤岛现象 婪 - 古 曳一 是否第次进入中断 t 絷【卜p w m 输h 返回 t 址 电嘲频率是否符青禁t l - p w m 输 台要求 。 退回 是 使能p w m 输出 返回 圈3 - 1 4 同步中断流程图 最大功率跟踪程序的流程图参见第五章图5 1l ，图：卜l 5 为孤岛检测程序流 程图。 3 5 3 定时器1 的周期中断流程图 t 1 周期中断子程序的流程图如图3 1 6 所示。t 1 周期中断是每5 0 i i s 中断一 次。在t 1 周期中断子程序中，主要完成以下几项任务： 夺采样系统输出电流换算，经过换算与计算后求出d c a c 开关管的占空比， 得到c m p r l 和c m p r 2 寄存器的值。 夺汁算辅助开关管开通时问，打丌t 3 周期中断。 3 5 4 定时器3 的周期中断流程图 定时器3 主要产生辅助开关管的驱动脉冲，流程图如图： _ 17 所示。 第三幸控制方案分析与实现 n u mn o m = 0 n u l l lc l - r + + n u me r l ) = 3 7 ) 、，健 ln u n l + 十 n u me r r = 3 n u i l l 佛i 幅 检测交流输出i 电压v o u t ，j j ：未i 、否，q ：1 i i t j ? ；、行 ( 恕范闸畛歪过：墨行l 护 是 卜兰i i 是、 is l a n d 洳m a t j、! 。4 读取t 4 的值，存 为t c一。 i i 时器清零 。ic r r = ，c 5 0 0 0 6青 l tc r r l 0 是 ii i l l l l 1 = 2 n u i t il l o m3 p r ；：2 0 0 0 1 s l a n dm a r k 妪【可 2 + 1n u m i 是 2 u s 是 写入计时器3 的i 阍期寄存器值l 打开周期中断 j 一童 为c m p r l 和 c m p r 2 寄存器一i 赋值 正弦指针加i 跳出 、 刚3 1 6 定时器i 的周期中断流程图 28 陡日i 磊了两勘吊 断开始 ， 正半周期? 否 是 一，一 一v s a l 驱动置高f s a l 骆动置高 t 延e r t 2 u s s a l 驱动置低 跳出 _ _ y 延日 j - 2 u s s a 2 驱动置低 图3 一1 7 定时器3 的周期中断流科蚓 第p q 章系统硬件结构设计 第四章系统硬件结构设计 4 1 系统的结构设计 目前光伏并网逆变器的回路方式有工频变压器隔离方式、高频变_ j | i 器隔离方 式和无变压器方式三种。 1 ) 工频变压器隔离方式采用一级d c a c 主电路，在输m 端接t 频变压器并网。 这种方式既可以与电网隔离，同时又可以将逆变器输出波形中的直流分量滤 去，从而减少对电网的污染。他的缺点是工频变址器体积大，重量重，效率 较低。 2 ) 高频变压器隔离方式是通过两级变换实现并网逆变。前级将直流电压斩波为