基于DSP的光伏并网逆变系统的设计.doc

基于DSP的光伏并网逆变系统的设计 周光明1，朱正菲1，谢佶隽2 （1. 浙江省能源研究所,浙江 杭州 310012；2. 浙江大学 电气工程学院,浙江 杭州 310 027） 摘要：介绍了基于DSP的光伏并网逆变系统的设计。系统采用TMS320F2407作为主控芯片，通过最大功率跟踪，使太阳电池动态工作在最大功率点上。运用电流预估计原理使输出性能得到提高，通过软件锁相使输出电流同步跟踪电网电压相位，并具有电网掉电识别、过流、欠压和监控等功能，保证了光伏并网发电的安全运行，并具有远程通讯功能。 关键词：光伏并网；DSP；最大功率跟踪；通讯 Design and control of grid connected PV inverted based on DSP ZHOU Guangming1, ZHU Zhengfei1, XIE Jijun2(1. Zhejiang Energy Research Institute, Hangzhou 310012, China; 2. Electric and Electronic College of Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: This paper deals with a study on grid connected photovoltaic inverter based on DSP. The concept of main circuit design and its control strategy were provided. The fundamental features of this system are constructed by an constant voltage tracker to realize the maximum power output of PV array, a phase locker to make output current synchronous with main grid voltage. To avoid the“island effect” and to identify the main grid is“on”or “off”, over current or low voltage etc.，some appropriate control sets are used in the system .In addition, the back feeds from the main grid to inverter was fully avoided by using soft phaselocking technology. Keywords: grid connected PV; DSP; MPPT; communication 0引言 日益恶化的生态环境使人们逐步认识到，人类必须走可持续发展的道路，大力开发和利用可再生能源是必由之路。太阳能光伏利用技术在这种形势下进入了快速发展的阶段。根据有关资料介绍：全球生产的太阳电池将有40%左右用于光伏并网发电。光伏电池发电有离网和并网两种工作方式，过去由于太阳电池的生产成本居高不下，光伏发电系统主要集中在中小功率的通讯、管网保护、交通信号和偏远无电地区的离网用户。随着太阳电池性能价格比的提高，光伏发电开始由离网型逐步向并网型过渡，并考虑太阳电池和建筑相结合的发电方向发展，功率等级也逐步由中小功率向大功率发展，使用范围也逐步由边远农村走向城市。 1并网逆变器的设计方案光伏并网发电系统分为可调度式并网系统(带有少量蓄电池) 和不可调度式并网系统(不带蓄电池) 。后者由于没有蓄电池,造价相对较低,但因为不能够控制上网时间,作为调峰使用效果较差。这类并网系统要求逆变器只有单一的并网工作模式,当电网失电时停止工作。国外开发可调度式并网系统的目的是电网调峰,虽然带有蓄电池,但其容量只要求满足每天34h的调峰,不象独立光伏系统要求存储容量满足34d的使用,因此造价比独立光伏系统有较大的下降。由于上网时间可以控制,可调度式并网系统的利用率由原来的30%提高到60%，其调峰效果将大大提高。可调度式并网系统要求逆变器同时具有独立工作和并网工作两种模式 ,具有更大的灵活性,更容易被电力部门作为电力调峰所接受,又由于风光,风光柴以及 风光柴蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统也要求光伏系统具有独立和并网两种工作模式,因此设计逆变器样机选定为可调度式并网方案,即开发独立/ 并网双功能型逆变器。 2系统结构及工作原理(1)与建筑物结合的专用光伏组件输出通过电压电流跟踪，采样信号送到DSP中，通过MPPT控制，送到DC/DC环节，调节此处DC变换的PWM脉宽，使光伏阵列一直工作在最大功率点上，提高光伏阵列的利用率。 (2)电池板输出负载为逆变电路以及蓄电池，当光伏组件无功率送出时，蓄电池对逆变电路供电。同时，还可以通过电网峰谷时段判断，增加电网谷电时段对蓄电池充电。 (3)并网之前先判断是否符合并网条件，若符合，则通过并网同步切换控制并网。反之一直检测，直到符合条件再进行并网。正常工作过程中，对电网电流电压实行实时监控，电网出现异常则根据需要进行动作。 (4)具备RS232/RS485接口，作为通讯及远程控制用。 (5)整个系统控制部分采用DSP芯片完成，它具有运行速度快，运算能力强的特点，能使整个系统具有很高的智能化程度和实时响应能力。 3系统设计的主要技术环节分析3.1并网输出电压电流的控制方案并网输出电流的控制是整个系统的关键。采用TMS320F2407作为控制芯片，该芯片具有运算速度快、实时处理能力强的优点，保证了系统具有较高的开关工作频率和很好的动态响应。目前，大部分的工业过程都采用PID控制算法，过去多采用模拟器件来实现，该控制器的结构简单，参数易于调整，对于那些模型不精确，参数变化大的被控对象，采用PID控制器往往能得到较满意的控制效果。但是由于采样和计算延迟会引起系统的相位滞后，使控制系统 相位裕量减小，降低了控制系统可靠性。为了补偿系统的控制算法处理所带来的一个周期时间的延时，同时为了改善系统的性能，我们在利用DSP进行的电压电流双环控制算法中采用一种电流预估计的控制算法，即利用本周期的采样值，预测出下一个周期的采样值，用该值计算下一个周期的开关量，在下一个开关周期对系统进行控制，这样就可以补偿采样和计算延时对系统的影响。3.1.1电流预估计原理对任意二阶被控对象，其开环传递函数为 其中为二阶系统的系统阻尼比，0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 通过一系列的运算，最后可以得到： 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PI算法中，采用电流预估计算法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，增加了系统前馈增益。3.1.2 电压环的控制我们对输出电压u的控制采取PI控制。对指令输出电压u*和检测电压u的电压误 差u进行PI运算(如下式)确定指令电抗电流i*。 (4)式中，Kvp、Kvi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。 4并网的同步实现4.1并网运行的条件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： 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; 逆变输出频率接近市电频率,一般频差不超过0.4 Hz; 逆变输出电压和市电电压同相,通常此相位差不宜超过10。 4.2并网的同步实现并网的关键是要求输出正弦电流与电网电压同频、同相。要做到这一点，首先要产生同步信号。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XINT1，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T1下溢时，该指针加1。另外由于同步信号易受干扰，因此在软件上还要加入滤波程序。产生了同步信号，正弦表对应的指针与网压同步。将PI调节后得到的电流指令IO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Iref，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。具体实现可以参考图2。4.3光伏并网发电系统的孤岛效应与防止策略所谓孤岛效应，根据美国Sandia国家实验室(Sandia National Laboratories)提供的报告指出，当电力公司的供电，因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网路，而形成由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。事实上不只太阳能发电系统会有这个问题的存在，只要是分散式的并网发电系统，其发电设备都会有此问题产生。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括： (1) 电力公司输电线路维修人员的安全危害; (2) 影响配电系统上的保护开关动作程序; (3) 电力孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定现象; (4) 当电力公司供电恢复时所造成的相位不同步问题; (5) 太阳能供电系统若采用单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。当越来越多的光伏并网发电系统并联于交流电网时，发生孤岛效应的机率也就越高，所以必须寻求适当策略来应对日趋严重的孤岛效应问题。防止孤岛效应(antiislanding)的基本点和关键点是电网断电的检测。通常在配电开关跳脱时，如果太阳能供电系统的供电量和电网负载需求量之间的差异很大，市电网路的电压及频率将会发生很大的变动，此时可以利用系统软硬件所规定的电网电压的过(欠)电压保护设置 点及过(欠)频率保护设置点来检测电网断电，从而防止孤岛效应。孤岛效应检测技术一般可分成被动式及主动式两类。被动式检测技术一般是利用监测市电状态，如电压、频率作为判断市电是否故障的依据。而主动检测法，则是由电力转换器产生一干扰信号，观察市电的是否受到影响以作为判断依据，因为市电可以看为是一个容量无穷大的电压源。 5最大功率跟踪由于光伏电池的最大功率输出点是随光强和温度变化的。为了充分利用太阳能，系统必须实现最大功率点的跟踪。最大功率点的跟踪实际上是一个自寻优过程。通过对光伏电池当前输出电压与电流的检测，得到当前光伏电池输出功率，再与已存储的前一时刻光伏电池功率相比较，舍小存大，再检测、再比较。如此不停地周而复始，便可使光伏电池动态工作在最大功率点上。 5.1跟踪算法5.1.1登山法 登山法的主要思想是通过周期性地给太阳能电池的输出电压加扰动，比较其输出 功率与前一周期的输出功率的大小。如果功率增加，在下一个周期以同样方向加扰动，否则改变扰动的方向。其具体的控制算法如下：寄存器a(k)存放每一周期Vref调整值，首先计算逆变器的输出功率P(k)，并与上一周期的输出功率P(k-1)比较，然后判断a(k-1)的符号，若P(k)P(k-1)，则a(k)与a(k-1)同号处理，否则a(k)与a(k-1)异号处理，从而调整Vref的大小，这种方法适用于光强变化小的环境。 5.1.2导纳微分法登山法输出功率的变化被简单的认为是太阳能电池的输出电压变化造成的。这 种方法不能将太阳能电池的输出功率与实际的最大功率点电压作比较，从而偏离了实际的最大功率点。导纳微分法根据最大功率的电压来调节太阳能电池的输出电压，从而避免了这种 现象的出现。dP/dV的是与输出电压值一一对应的。 (1) 当dP/dV=0，在最大功率点处 (2) 当dP/dV0，在最大功率点左边 (3) 当dP/dV0，在最大功率点右边 并且dP/dV=d(IV)/dV=I+VdI/dV，因此通过判断I/V+dI/dV即G+dG的符号，就可以确定工作点的位置了。 本系统中将根据导纳微分法的控制方法完成最大功率跟踪器的功能。通过测量 Iout(输出电流的有效值)和太阳能电池输出Vdc和Idc的值，根据导纳微分法得到 Vref。Vref与Vdc的差经PI调节作为控制逆变器产生PWM波的指令电流幅值I0。指令电流幅值I0乘以正弦表的正弦值得出Iref。根据并网逆变器的原理将(Iref-I)P+Us的值作为产生PWM波的调制波。 6计量、监测环节系统的各种反馈以及控制算法皆需要对电压/电流采样。系统通过电流/电压互感器得到与被测量成正比的模拟量，为了使用DSP进行各种数据处理，需要将模拟量转换成数字量，这个任务由专用的ADC芯片来完成。目前的ADC可以做到同时具备高精度与高速度，这对于系统的控制有极大的好处：高速度带来的是快速的响应，配合高速的DSP芯片，系统可以做到实时响应；高精度带来的是控制精度的提高，同时可以充分发挥DSP擅长的数字计算。采样的数据除了提供给DSP做计算用，同时DSP也可以根据这些数值获取系统状态，并做出适当反应，从而达到监控系统的目的。显示部分：为了直观的反映系统状态，系统配备了一块大屏幕液晶显示器，可以实时显示各有关数据：电流、电压、频率、温度等等情况。 7结语目前国内现有的光伏并网逆变系统所采用的逆变器，较大的系统一般采用国外进口设备，而较小系统仍采用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，系统不能升级等缺点。而本系统采用国内外先进的DSP数字处理芯片，在增