三相光伏并网逆变器及其控制

授予单位代码 学号或申请号 密 级 中 原 工 学 院 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目论文题目: 三相光伏并网逆变器及其控制三相光伏并网逆变器及其控制 研究生姓名研究生姓名: 严严 攀攀 研究方向研究方向: 电力电子及光伏并网发电技术电力电子及光伏并网发电技术 指导教师指导教师: 王晓雷王晓雷 教授教授 指导教师单位指导教师单位: 中原工学院中原工学院 学科专业名称学科专业名称: 控制理论与控制工程控制理论与控制工程 申请学位级别申请学位级别: 硕士硕士 论文提交日期论文提交日期: 2012 年年 3 月月 论文答辩日期论文答辩日期: 2012 年年 3 月月 培养单位培养单位: 中原工学院中原工学院 学位授予单位学位授予单位: 中原工学院中原工学院 答辩委员会主席答辩委员会主席: 中中原原工工学学院院 学学位位论论文文原原创创性性声声明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所 作的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 年 月 日 中中原原工工学学院院 学学位位论论文文知知识识产产权权声声明明书书 本人完全了解中原工学院有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属于中原工学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适合本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 中原工学院硕士学位论文 摘要 I 三相光伏并网逆变器及其控制 专 业：控制理论与控制工程 硕 士 生：严攀 指导教师：王晓雷 教授 摘摘 要要 光伏并网发电过程是将直流电变为交流电并将能量输送给电网，逆变器是太 阳能电池和大电网连接的核心设备，它的稳定性和可靠性决定了输送电能的质量， 为了提高发电质量，需要对系统的硬件和软件做深入的分析。本文对这两个方面 都做出了比较详细的数学推导，并进行了理论仿真，然后在此基础上搭建了硬件 平台，对这些算法进行了初步的验证，给出了相应的实验结果。 首先，本文对光伏阵列的结构进行了分析，并搭建了阵列的仿真模型，从仿 真模型的 PU 曲线可以看出阵列存在最大输出功率，并在此基础之上就最大功率 跟踪问题做出了深入思考，在传统的算法基础之上提出了一种算法，仿真表明该 算法比传统算法具有更好地跟踪效果。 接着，本文对逆变器的拓扑结构做出了说明，并选择了单级式的拓扑结构作 为本文研究对象。对于 L 型和 LCL 型的滤波器结构而言，其数学模型是不同的， 并网电流的控制算法也要做相应的改变。对于电压型逆变器，本文采用直接电流 控制，分别对滞环控制和三角波比较控制做出了分析。特别地，对于 LCL 型滤波 器在同步坐标系下因其复杂的解耦，本文引入了 PR 控制，搭建了 matlab 仿真对 上述算法进行了仿真和对比分析。 最后，本文就 L，LCL 滤波器还有采样电路进行了理论计算，搭建了实验平 台，用 TMS320F2812 做核心控制器对理论算法进行了初步的验证，给出了实验波 形。 关键词：光伏并网发电 最大功率点跟踪 直接电流控制 PR控制 中原工学院硕士学位论文 摘要 II Three-phased Photovoltaic Grid-connected Inverter And Control Speciality: Control Theory and Control Engineering Name: Yan Pan Supervisor: Professor Wang Xiaolei Abstract The photovoltaic power generation process is making the direct current to the alternating current and transmissing to the grid, the inverter is the core equipment of the connection between solar cells and grid, its stability and reliability determine the quality of the electrical energy transmission.In order to improve the quality of power generation, a in-depth analysis on hardware and software of the system have done. This paper have made a more detailed mathematical derivation and theoretical simulation on these two aspects, have also made a preliminary validation of these algorithms and given the corresponding experimental results on a hardware platform. First, this paper analyzes the structure of the photovoltaic array, then builds a simulation model of the PV array. The exist of maximum output power of the P-U curve can be seen from the simulation model, a deep thinking of the maximum power point tracking also have done on this basis, and proposes a new algorithm simulation shows that has a better tracking results compared with the traditional algorithm. Then, this paper describes the topology of the inverter, and selects single-stage topology as a research object. For L-and LCL-filter structure, the mathematical model is different, and the net current control algorithms also need to do the appropriate change. In this paper,direct current control is used on voltage source inverter, and respectively analysises hysteresis control and the triangle wave comparing control. In particular, because decoupling of the LCL type filter in the synchronous coordinate system is complicated, this paper introduces PR control, sets up a matlab simulation to simulate and give comparative analysis of the above algorithm. Finally, this paper gives theoretical calculations of the L-and LCL-filter and sampling circuit, builds an experimental platform using TMS320F2812 as core controller to do a preliminary validation of the theoretical algorithm, and gives the experimental 中原工学院硕士学位论文 摘要 III waveforms. Key words：Grid-connected Photovoltaic Power；Maximum Power Point Tracking；Direct current control；PR control 中原工学院硕士学位论文 目录 I 目 录 1.绪论1 1.1 课题研究背景及意义1 1.2 太阳能发展的最新动态1 1.3 简述太阳能电池的分类1 1.4 我国太阳能资源2 1.5 太阳能光伏发电系统的其他应用2 1.6 本文的所做的工作3 2.光伏阵列的电气特性4 2.1 太阳能电池的基本原理4 2.2 光伏阵列的建模和特性分析4 2.2.1 光伏阵列的数学模型4 2.2.2 不同光照强度下光伏阵列的的 IU 及 P-U 特性特征曲线6 2.2.3 不同温度下光伏阵列的 IU 及 P-U 特性特征曲线7 2.3 最大功率点控制策略及仿真8 2.3.1 固定电压法（C EvaRegs.CMPR2=(CMPR216); EvaRegs.CMPR3=(CMPR316); p1+; p2+; p3+; 下面是TMS320F2812的用观察窗口得到的调制波如图 5.3所示： 图 5.3 DSP下溢中断SPWM调制波 5.2 开环 SVPWM 波的 DSP 实现41-43 可以这样认为，spwm是时域信号的等效，而svpwm是空间旋转矢量的等效， spwm是通过各自的调制波独立完成的，svpwm是利用逆变桥的八种开关状态，在 空间遵循最小开关变化状态的原则，通过这八种状态合成旋转空间矢量，在每个 中断周期中改变各合成矢量的时间，这样就形成了平滑的空间矢量圆，关于 SVPWM的算法很多书上都有详细的介绍。在这里不再作说明。用DSP实现空间矢 量的方法有硬件和软件。需要正确的设置相应的寄存器，下面给出部分软件七段 式SVPWM波的程序： Ualfa=f_Alpha; Ubeta=f_Beta; u1=Ubeta; u2=_IQmpy(28378,Ualfa)-_IQmpy(16384,Ubeta); u3=-(_IQmpy(16384,Ubeta)+_IQmpy(28378,Ualfa); 中原工学院硕士学位论文 第五章 基于 DSP2812 并网逆变器的实现 51 if(u10) sec=1; if(u20) sec+=2; if(u30) sec+=4; x=Ubeta; y=(_IQmpy(16384,Ubeta)+_IQmpy(28378,Ualfa); z=(_IQmpy(16384,Ubeta)-_IQmpy(28378,Ualfa); switch(sec) case 1: temp_1=z; temp_2=y; if(temp_1+temp_232768) t1=_IQdiv(temp_1,(temp_1+temp_2); t2=_IQdiv(temp_2,(temp_1+temp_2); else t1=temp_1; t2=temp_2; EvaRegs.CMPR2=(unsignedint)(_IQmpy(_IQ(0.5),(_IQ(1)-t1- t2)*EvaRegs.T1PR15); EvaRegs.CMPR1=(unsignedint)(_IQmpy(_IQ(0.5),(_IQ(1)-t1- t2)+t1)*EvaRegs.T1PR15); EvaRegs.CMPR3=(unsignedint)(_IQmpy(_IQ(0.5),(_IQ(1)-t1- t2)+t1+t2)*EvaRegs.T1PR15); break; 下图是TMS320F2812的用观察窗口得到的调制波如图5.4所示： 图 5.4 DSP下溢中断SVPWM的调制波 中原工学院硕士学位论文 第五章 基于 DSP2812 并网逆变器的实现 52 5.3 定时滞环 PWM 波的 DSP 实现 由于一般的滞环控制对开关管的要求很高，开关速度很快，大功率的驱动管 由于开关与关断都需要时间，将很难满足快速开关的要求，因此有必要对开关管 进行定时比较，这样就有效的降低了开关管的开关频率。所谓定时比较就是让开 关管处在隔一段时间比较一次的状态，换句话说就是每一次触发事件就进行比较 一次，而每次出发事件的时间可由定时器来计时，然后通过查询标志位的方式来 实现出发比较。值得注意的是，由于这种控制方式的实时性很高，因此对采样时 间以及滤波器的选择都有严格要求。 5.4 DSP 的 AD 采集的实现44 本系统中采用TMS320F2812的片上AD，该片上AD要求模拟量输入信号在 03V之间，采样精度12位。ADC的使用步骤可以简要分为4步： （1）系统配置 在程序编写以前首先要定义全局变量，在系统配置(DSP28_ SysCtrl.c)文件中 启动ADC模块的外部时钟，否则ADC模块初始化时寄存器是不能写入数值的。 （2）初始化EV 初始化EV中主要是定时产生ADC转换的触发脉冲。 （3）初始化ADC 在ADC的初始化中注意ADC模块寄存器开始写值之前要做一些准备工作，例 如ADC复位、上电顺序等，选择16通道级联还是并联，以及转换顺序。 （4）启动ADC、读取转换结果 启动AD转换的方法可以通过软件将序列发生器1的启动转换触发控制位 SOC_SEQ1(ADCTRL213)置1来启动模数转换。若采用SEQ1启动模数转换，其配 置可用ADCRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1=1来完成。在级联模式下，SEQ1管理16 个通道，SEQ2被忽略。启动SEQ1即启动SEQ。启动AD转换的方法还有用事件管 理器来启动。通过事件管理器启动AD需要将相应的使能位使能才可以完成。其次 AD转换还可以通过外部引脚启动模数转换，同样也需要设置相应的寄存器。试验 中的三角波比较是使用定时器下溢中断来触发AD的，而定时滞环则是通过软件触 发的AD转换的。 由于利用AD中断来读取转换结果，会反复进出中断，这会影响采样精度，因 此本文是通过直接在下溢中断当中读取AD转换结果的，减少了进出中断给采样带 来的不准确性。 中原工学院硕士学位论文 第五章 基于 DSP2812 并网逆变器的实现 53 需要指出的是，在实验中发现，DSP2812的AD精度是比较差的，一般情况之 下达不到12位精度，所以对于要求比较高的应用场合，有必要采用外扩AD。 图5.5为dsp2812采样的一个正弦周波。 图 5.5 DSP采集到的正弦信号 5.5 关于锁相功能的思考与实现45 简单地说锁相环是用于获得与输入信号同频同相的信号，在基于DSP2812并网 逆变器的实现中，锁相是很关键的一个环节，是算法能不能实现的必须条件。如 果不能准确锁相，那么一切基于锁相的算法都不能很好的实现。本文的锁相由过 零捕获电路和相应的中断服务程序构成。将过零方波信号送给DSP2812捕获引脚， 在程序中设置捕获方式及相应中断服务程序，在中断服务程序里面复位指针，调 整算法所需的同步信号。需要指出的是，由于硬件电路不可避免会带来过零点处 的毛刺，而毛刺会引起多次进入中断，造成并网的闪变，这是很危险的，所以很 有必要在软件中进行滤波处理。一般的，毛刺进入中断的时间是比较短的，而且 发生在过零的地方， 两个毛刺之间的计数时间是比较短的，所以可以通过进入中 断的计数值来来进行滤除处理。 DSP的捕捉单元作为一种输入设备，不占CPU的资源，可以与CUP并行地捕捉 引脚上电平变化并记录发生变化的时刻，替代了普通CPU的判断和记录功能，节 省了CPU的资源开销，同时捕捉单元具有两级FIFO堆栈缓冲器，可以捕获微妙级 的电平波动。当相应的输入引脚发生变化，引脚计数器的计数值装载到2级深的 FIFO堆栈中。对于捕捉工频信号而言，如果设置捕获定时器的周期足够大，那么 两次捕获中断的计数值所对应的时间即为一个工频信号的周期时间。通过这个时 间即可实现输出pwm的频率的控制，而进入中断之后，在中断服务程序当中，调 整正弦指针即可实现相位的控制。为正常进入捕获中断，必须进行如下寄存器的 设置： 中原工学院硕士学位论文 第五章 基于 DSP2812 并网逆变器的实现 54 （1）初始化 CAPFIFOx，并清零适当的状态位。 （2）选择GP定时器的一个操作模式。 （3）如果需要，选择GP定时器的比较寄存器或GP定时器的周期寄存器。 （4）正确设置CAPCONA或CAPCONB 图5.6为通过捕获单元捕捉到的的同步信号。其中上面的正弦信号为查表的信 号也就是捕捉信号，下面的信号为采集电网一相电压的信号。 图 5.6 DSP捕捉单元捕捉到的同步信号 5.6 数字 PI 控制器、PR 控制器 5.6.1 数字 PI 控制器的 DSP 实现46 PI控制因其可靠稳定依然在现代工业控制中占有主导作用，传统的PI控制是通 过模拟器件来搭建的，而数字PI的则通过程序实现的，简单易行，便于修改，可 以以时域模型为基础，然后通过差分方程将其离散化，这样就实现了模拟PI的数 字化了。 假定输入是误差函数、输出函数是时，控制器的传递函数为： e t u t (5.6) 1 PI U sKs W s E ss 其中： 为比例放大系数 PI K 为积分时间常数 由上式知时域表达式为： (5.7) 1 PIPI u tK e te t dtK e tKe t dt 中原工学院硕士学位论文 第五章 基于 DSP2812 并网逆变器的实现 55 其中：， PPI KK 1 I K 将上式离散化为差分方程之后，第拍输出为： k 1 k PIsamPI i u kK e kK Te iK e kuk (5.8) 1 PIsamI K e kK Te kuk 式中，为采样周期。 sam T 第拍为：两式相减可得：1k 1 1 11 k PIsam i u kK e kK Te i (5.9) 11 PIsam u ku ku kKe ke kK Te k 由此可知增量式PI调节器的输出可由上一拍的偏差和当前次可以算出。 具体实现流程图如图5.7： 开始 采样 计算偏差 ref e kukuk 计算 1e ke ke k PI输出： 1 outoutPI PIkPIkKe kK e k 1 ,1 outout e ke kPIkPIk 返回 uk 图5.7 数字PI的流程图 需要指出的是，需要对的输出限幅以防止DSP计算溢出发生严重的后果。 中原工学院硕士学位论文 第五章 基于 DSP2812 并网逆变器的实现 56 5.6.2 数字 PR 控制器的 DSP 实现 与离散化数字PI控制器相似，假定PR的误差传递函数为： (5.10) 22 0 I P U sK s W sK E ss 对与谐振控制部分有： (5.11) 22 0 I R K s UsE s s 于是有： (5.12) 22 0 0 RRI s UsUsK sE s 化为微分方程之后有： (5.13) 2 0 0 RI utK e t R ut 由于采样时间很短，将倒数部分用向前差分和向后差分的形式表示可得： (5.14) 1x kx k x (5.15) 2 212 1 x kx kx k x kx k x 利用上面的差分公式，整理为： (5.16) 2 0 1 ( )2(1)(2)1 1 RRRI ukukukKe ke k 于是对于PR控制器就有： (5.17) ( ) PRPR uK e tuk 由以上离散化的成差分方程的形式，容易编写PR控制器的程序。 具体实现流程图如图5.8： 中原工学院硕士学位论文 第五章 基于 DSP2812 并网逆变器的实现 57 开始 采样 计算偏差 ref ekukuk 计算 1ekekek R输出： 2 0 1 212 1 RoutRRIR UkUkUkKe k PR输出： 1e ke k 返回 uk PRoutPRout Ukk e kUk 12 RoutRout UkUk 1 RoutRout UkUk 图5.8 数字PR的流程图 5.7 实验结果 图 5.9 实验平台 中原工学院硕士学位论文 第五章 基于 DSP2812 并网逆变器的实现 58 图 5.10 实验并网电流波形 图5.9为逆变器的整体实验平台，图5.10为并网逆变的电流波形，蓝色为并网 电流的波形，红色为电网电压的波形，从实验波形可以看出，并网电流与电压同 向，基本实现并网逆变器的功能。 5.8 本章总结 本章首先讲述了用DSP如何实现开环spwm波、svpwm波，开环实现这两种波 形是往后进行闭环控制算法的基础，同时本章又对如何用DSP产生定时滞环pwm作 出了简单介绍，定时滞环可以有效地降低开关管的工作频率，确保IGBT安全可靠 的运行，定时滞环的波形产生需要采样信号才可以进行，而且对采样信号的及时 性要求很高，其次对滤波电感的设计也因电流大小的不同而不同，试验中发现， 并网电流越大，滤波电感值越小。接着，本章又讲述了如何用dsp实现片上AD的采 集，用片上AD进行采集时，需要注意正确的设置寄存器，以确保AD的正确采样。 对于锁相部分，本章用的是简单的指针归零的算法，在硬件和软件中都进行了滤 波，以防止多次过零带来的闪变。在使用三角波进行比较控制时，会用到工业中 的PI控制器，本文从PI控制器的传递函数入手，将其离散化，然后画出了离散化之 后的方框图，同样的，对于PR控制而言，其离散的方法与PI的离散方法一致。有 了方框图之后，数字化的实现讲不再是难事。最后本章给出了并网电流波形，其 电网与并网电流同相。 中原工学院硕士学位论文 第六章 总结与展望 59 6.总结与展望 6.1 总结 光伏并网发电已成为世界热点的问题，其逆变器是光伏并网的核心组成部件， 控制算法直接影响逆变器的性能，而算法的好坏在很大程度上取决于硬件本身， 不管是并网部分的拓扑结构，还是采样电路都会对算法产生重大的影响，逆变器 要可靠运行需要对硬件和软件算法都应该高度重视。本文主要做了下面几个工作： （1）建立了光伏阵列模型，从模型的 PU 曲线来看，光伏阵列模型存在最 大功率点，然后本文在此基础之上研究了最大功率点的跟踪算法，提出了牛顿插 值算法，仿真表明该算法比传统算法的跟踪特性要好。 （2）本文对采样和调理电路做出了理论分析，进行了 mutisim 仿真，然后搭 建了实验平台，对理论进行了验证，给出了相应的波形，从而验证了理论分析的 正确性。同时对于 IGBT 驱动和保护部分做出了深入分析，并搭建了相应的保护电 路。 （3）本文对系统控制算法出了理论分析和 matlab 仿真，所采用的算法有滞环 控制和三角波比较控制控制，对于滞环控制而言，由于功率开关管的限制，实验 中采用了定时滞环从而有效的降低了开关管的比较次数；对于三角波控制而言， 本文分析了 L 型和 LCL 型滤波器的控制方案，对于直接采样交流控制，静止坐标 系下面的控制以及同步旋转坐标系下面的控制都做了相应的理论分析。引入了比 例谐振控制器，实现了正弦量的零误差跟踪，对于 LCL 滤波器而言，避开了同步 坐标系下内环解耦多个参数影响而带来的不准确性，从而有效的保证了控制精度。 （4）用 DSP2812 实现了开环 SPWM 波和 SVPWM 波以及定时滞环 PWM 波， 同时使用了 DSP 片上 AD 进行了采集，用其捕获单元实现了锁频锁相，最后对闭 环控制器实现离散化，给出了相应的流程图。 6.2 展望 由于本人时间和能力有限，还有以下几点需要去做好： （1）做好软启动，由于本实验是基于负载并网，没能很好地做到脱离负载并 网。 中原工学院硕士学位论文 第六章 总结与展望 60 （2）算法的稳定性方面，还有待完善，特别对于直接电流控制而言，需要思 考如何减少逆变器输出的直流分量，对于 LCL 的控制需要进行进一步的实验。 （3）孤岛保护方面，还未成涉及到，但对于并网逆变器这是不可或缺的部分。 中原工学院硕士学位论文 参考文献 61 参考文献 1赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用M.北京:科学出版社， 2008. 2任航，叶林.太阳能电池的仿真模型设计和输出特性研究J.电力自动化设备， 2009，29(10)：112-115. 3林飞，杜欣.电力电子应用技术的 MATLAB 仿真M.北京：中国电力出版社， 2008. 4章伟康，褚君浩，章闻曦.单级式光伏逆变研究与 MPPT 方法J.电网与清洁能 源，2009，25(11)：7-12. 5叶满园,官二勇,宋平岗.以电导增量法实现 MPPT 的单级光伏并网逆变器J.电 力电子技术，2006，40(2)：31-32. 6沈建华.数值计算基础M.北京：同济大学出版社，2004. 7王沫然，MATLAB 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