三相光伏并网逆变器软件框架

1、Software Design -PV500KTL Solar Inverter ChenGe 2012-07-17 Introductions n系统软件 q1.主控软件 nDSP部分控制软件 nCPLD逻辑控制软件 q2.监控软件 nARM触控显示软件 n汇流箱数据采集软件 n数据采集器通讯软件 n上位机后台监控软件 n远程遥信及下发软件 目录 n1.主控软件 q1.1.电路拓扑分析 q1.2.坐标变换分析 q1.3.解耦控制原理 q1.4.矢量控制原理 q1.5.软件锁相原理 q1.6.最大功率跟踪 q1.7.孤岛效应研究 q1.8.电压跌落研究 目录 n2. 监控软件 q2.1.监控系

2、统说明 q2.2.通信拓扑结构 q2.3.通信协议说明 q2.4.触控显示软件 q2.5.汇流采集软件 q2.6.数据采集系统 q2.7.后台监控软件 q2.8.远程遥信软件 1.1.电路拓扑分析 n1.1.1.主控系统概述 n1.1.2.系统硬件框图 n1.1.3.系统硬件拓扑 n1.1.4.等效硬件拓扑 n1.1.5.硬件拓扑分析 1.1.1.系统硬件概述 n系统主控部分主要功能 q完成实时数据采样 q完成故障信息判断 q完成实时数据上传 q完成闭环控制计算 q完成驱动波形生成 n系统包含的主要集成芯片如下 q1.主控芯片：TMS320F28335PGFA q2.逻辑芯片：EMP570T1

3、44 q3.模数芯片：AD7606BSTZ 1.1.2.总体硬件框图 1.1.3.系统硬件拓扑 1.1.4.等效硬件拓扑 n由于本系统为500kw并网系统，变压器外接，不包 含在系统之内，因此整体拓扑分析时可将变压器等 效为电网一部分，考虑线路阻抗及光伏电池板的等 效电阻，系统可以等效如下拓扑结构。 1.1.5.硬件拓扑分析01 n如等效硬件拓扑图 q根据基尔霍夫电压定律可得： c c cc b b bb a a aa e dt di LRiU e dt di LRiU e dt di LRiU 1.1.5.硬件拓扑分析02 写成矩阵形式如下： c b a c b a c b a c b a

4、e e e i i i dt d L L L i i i R R R u u u 00 00 00 00 00 00 1.1.5.硬件拓扑分析03 可得可得abc轴状态方程如下轴状态方程如下 ： c b a c b a c b a c b a e e e u u u i i i R R R dt di L dt di L dt di L 100 010 001 100 010 001 00 00 00 1.2.坐标变换分析 n1.2.1.克拉克变换分析 n1.2.2.等长变换和等功率变换分析 n1.2.3.帕克变换分析 1.2.1.克拉克变换分析01 n对对abc三相进行克拉克变换三相进行克拉

5、克变换 1.2.1.克拉克变换分析02 n由上图可知由上图可知 （2/3系数见1.2.2分析） c b a abc c b a x x x C x x x x x 2 3 2 3 1 2 1 2 1 1 3 2 1.2.3.帕克变换分析01 n令alpha轴随角频率逆时针转动并使之为d轴，垂直于d轴设q轴， 得帕克变换，其中d为有功，q为无功 1.2.3.帕克变换分析02 n由上图可得由上图可得 q d dq q d dq q d x x C x x tt tt x x x x C x x tt tt x x cossin sincos cossin sincos 1.2.3.帕克变换分析03

6、 n可得dq轴状态方程如下 q d q d q d q d e e i i RL LR u u dt di L dt di L 10 01 10 01 1.2.3.帕克变换分析04 n由上述分析可知：经过坐标旋转变换后，三相 对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同 步旋转坐标系中的直流量，简化了控制系统的 设计，但从dq轴状态方程可以看出，这是一个 强耦合系统，q轴电流的变化对d轴的电流有影 响，而d轴电流的变化对q轴也有影响，即d、 q轴电流除受控制量Ud、U。影响外，还受耦 合项、扰动和网侧电压的影响。 1.3.解耦控制原理 n1.3.1.解耦控制原理 n1.3.2.解耦控制框图 1.3

7、.1.解耦控制原理01 n由由dq轴的状态方程可得轴的状态方程可得 q d q d q d q d e e i i RL LR dt di L dt di L u u 10 01 10 01 1.3.1.解耦控制原理02 n由于dq变换之后系统是一个强耦合系统且受网 侧电压的影响，因此需要采样前馈解耦控制策 略。由于耦合相为、因此需对这两项解耦，同 时加入网压前馈。控制采用PI控制。可设计的 控制方程如下-1。 n经运算可得dq轴最终状态方程如下-2。 1.3.1.解耦控制原理03 )2( )( 0 0 )( ) 1 ( )( )( * * * * q d ii ip q d ii ip ii

8、 ip q d qdqq ii ipq dqdd ii ipd i i L s k k i i L s k kR L s k kR dt di dt di eLiii s k ku eLiii s k ku 1.3.2.解耦控制框图 1.4.矢量控制原理 n1.4.1.矢量控制原理 n1.4.2.矢量控制扇区判断 n1.4.3.矢量控制作用时间判断 n1.4.4.矢量控制波形产生 n1.4.5.矢量控制调制比说明 n1.4.6.矢量控制直流电压利用率分析 n1.4.7.矢量控制瞬时功率计算 1.4.1.矢量控制原理01 ftj m j C j BA mC mB mA eU etUetUtUtU

9、 tUtU tUtU tUtU 2 3/43/2 2 )()()( 3 2 )( ) 3 2 sin(2)( ) 3 2 sin(2)( )sin(2)( n在abc三轴上电压表达式及三相电压相加表达式如下 所示（等长变换） 1.4.1.矢量控制原理02 n三相逆变器的开关信号三相逆变器的开关信号(Sa，Sb，Sc)可以产可以产 生生8种基本工作状态，如图种基本工作状态，如图2-4所示，即：所示，即：100、 110、010、011、001、101、111、000，这，这 八个矢量就称为基本电压矢量，可分别命名为八个矢量就称为基本电压矢量，可分别命名为 U0(000)、U1(001)、U2(0

10、10)、U3(011)、 U4(100)、U5(101)、U6(110)、U7(111) 。 n在八种矢量中在八种矢量中U0、U7称为零矢量，其余六个称为零矢量，其余六个 基本电压矢量是有效的，称做非零矢量。基本电压矢量是有效的，称做非零矢量。 1.4.1.矢量控制原理03 n在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量， 按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢 量。 00 0 00 000 0 TUTUTUTU dTUdTUdTUTU yyxxref T t T tyy T txx T ref yx 1.4.1.矢量控制原理04 n式中，Uref为期望电压矢量；T为采样周期；Tx、

11、Ty、To 分别为对应两个非零电压矢量Ux、Uv和零电压矢量Uo在 一个采样周期的作用时间；其中Uo包括了Uo和U7两个零 矢量。 n矢量Uref在T时间内所产生的积分效果和Ux、Uy以及矢量 作用时间Tx、Ty、To、T7的积分相加总和值效果相同。 1.4.2.矢量控制扇区判断01 n八种矢量将复平面分为6个扇区。 1.4.2.矢量控制扇区判断02 n实现矢量控制的算法首先要判断当前的电压矢 量处在哪个扇区之中。 n如果当前矢量处于第一扇区，则显然，即可得 条件： n同理可得其他扇区条件如下 3, 0, 0 U U UU 1.4.2.矢量控制扇区判断03 3, 0, 0:扇区的充要条件为落在

12、第U 3, 0:扇区的充要条件为落在第U 3, 0, 0:扇区的充要条件为落在第U 3, 0, 0:扇区的充要条件为落在第U 3, 0:扇区的充要条件为落在第U 3, 0, 0:扇区的充要条件为落在第U ref ref ref ref ref ref U U UU UUU U U UU U U UU UUU U U UU 1.4.2.矢量控制扇区判断04 UUV UUV UV 3 3 3 2 1 01C, 0 0B1B, 0 0A1A, 0 3 2 1 CV V V 反之则 反之则 反之则 n进一步分析以上的条件，有可看出参考电压矢量Uref 所在的扇区完全由，三式与0的关系决定，可令： 1.

13、4.2.矢量控制扇区判断05 n令N =A+2B+4C，由上述分析可得： n当N=3时，Uref位于第扇区；当N=1时，Uref位于第扇区 n当N=5时，Uref 位于第扇区；当N=4时，Uref 位于第扇区 n当N=6时，Uref 位于第扇区；当N=2时，Uref 位于第扇区 n可得表格如下： N315462 扇区 1.4.3.矢量控制作用时间判断01 n伏秒平衡法 1.4.3.矢量控制作用时间判断02 6470 6 6 4 4 2 1 *3 *3 *2 2 33* 3 * * TTTTT U TU U TU T U UUT U TU TU T Z DC ZZ DC Z Z Z Z Z TU

14、TU TUTUTU *60sin* *60cos* 66 6644 1.4.3.矢量控制作用时间判断03 n设有时间因子XYZ并令其计算如下 UU V T Z UU V T Y U V T X DC S DC S DC S 3 2 3 3 2 3 3 1.4.3.矢量控制作用时间判断04 n可得扇区及时间关系表格如下 扇区 Tx-ZZX-X-YY TyXY-YZ-Z-X 1.4.4.矢量控制波形产生01 n矢量作用时间图如下 1.4.4.矢量控制波形产生02 n可设Ta，Tb，Tc并令 yac xab yxza TTT TTT TTTT2/ 1.4.4.矢量控制波形产生02 扇区 Ton1Ta

15、TbTcTcTbTa Ton2TbTaTaTbTcTc Ton3TcTcTbTaTaTb 1.4.4.矢量控制波形产生03 n通过Tonl，Ton2，Ton3与周期为Ts的三角载波 进行比较 n在时间段0，Tonx和TsTonx，Ts内输出低 电平“0” n时间段Tonx，Ts-Tonx内输出高电平“1” n这样就得到了六个扇区下逆变器功率管的开关 状态，即可得到每个扇区下的SVPWM波。 1.4.6.矢量控制直流电压利用率分析01 n矢量控制图 1.4.6.矢量控制直流电压利用率分析02 。1大为因此直流电此直流电压 。 =3* 3 3 可得线得线电压最 ， 3 3 ，因此内切圆 3 2 长

16、度为U4 圆半径，最大相电大相电压给定 dcdc dcdc UU UU最大半径 1.4.6.矢量控制直流电压利用率分析03 n采用SPWM调制方式时，波形如图 n调制比为一正常三相驱动波形 1.4.6.矢量控制直流电压利用率分析04 dcAB dc B U 2 3 U 2 U 2 ) 3 cos(*3*2 ) 3 cos(*) 3 sin(*2*2 2 3 2 sin* 2 3 2 cos*2*2 ) 3 2 sin(2)sin(2 ) 3 2 sin(2)sin(2 峰值为因此最大值为由于 计算如下线电压 ；相电压基波为 m m m m mmAB AB mmA U tU tU tttt U

17、tUtUU U tUUtUU 1.4.6.矢量控制直流电压利用率分析05 n由以上分析可得SVPWM调制方式直流电压利用率比 SPWM直流电压利用率高15.47% %47.151547. 0 2 3 / ) 2 3 1 ( 1.4.7.矢量控制瞬时功率计算01 n系统可以等效为如下图 qH6桥等效成三相三角形连接正弦波电源 q线电压UAB(sample)=相电压UA q相电流IAB=线电流IA(sample)/SQRT3 q则瞬时功率P=UA*IAB*3=UAB*(IA/ SQRT3 )*3= UAB*IA* SQRT3 1.4.7.矢量控制瞬时功率计算02 n进行矢量控制时 qUd等效于各相

18、基波分量的D轴分量 qId等效于各线电流的D轴分量 dd dd AAB dA dAB IU IU IUP II UU * 2 3 3*2/*3*)2/( 3* 2/ 3*)2/( 5.软件锁相原理 6.最大功率跟踪 n6.1.1.MPPT说明 6.1.1.MPPT说明01 6.1.2.电导增量法01 nMPPT（电导增量法）模式原理分析 n由输出功率特定图可知最大功率点出功率对电压的导 数为零 nP=VI; n即： nD(P)/D(V)=0； n也即： nD(P)/D(V) = D(VI)/D(V) = ID(V)/D(V)+VD(I)/D(V) = I+D(I)*V/D(V)=0; n可得： nV/D(V)=-I/D(I); 本地光伏监控系统介绍 n光伏本地监控系统 q光伏并网逆