基于DSP的单相光伏并网逆变器的设计

第 45 卷第 5 期2011 年 5 月电力电子技术 Vol.45， No.5May 2011Power Electronics图 2 光 伏 电 池 输 出 功 率 特 性 曲 线定 稿 日 期 2010-11-15作 者 简 介 吴 振 宇 （ 1971- ）， 男 ， 甘 肃 定 西 人 ， 博 士 ， 副 教授 ， 研 究 方 向 为 嵌 入 式 系 统 应 用 、 工 业 电 源 及 传 感 器 等 。1 引 言随着能源危机的加剧 ， 人们对可再 生 能 源 的寻求极为迫切 。 太阳能具有无污染 、 不枯竭 、 随处可 取 等 优 点 ， 成 为 替 代 能 源 的 主 要 研 究 对 象 [1-3] 。由 于 太 阳 能 发 电 技 术 含 量 高 ， 成 本 较 高 [4] ， 因 此 高性能 、 低成本 、 加工工艺简单的光电转换材料和器件成为主要研究方向 。 另外 ， 改进拓扑结构和设备转换效率也是降低成本的另一途径 。 逆变器作为并网系统的主要设备 ， 其成本和转换效率的高低直接影响整个系统的发电效率 。 常规逆变器采用经过 DC/DC 调整后的直流再 进 行 DC/AC ， 存 在 两个 能 量 转 换 环 节 ， 使 系 统 体 积 较 大 ， 成 本 较 高 ； 最大 功 率 点 跟 踪 （ MPPT） 在 DC/DC 部 分 实 现 ， 与 逆变控制分为两个独立环节 ， 使得稳态 、 动态性不易协调 [5] 。 在此采用 高 性 能 TMS320F2812 型 DSP 作为逆变器核心控制单元 ， 实时生成逆变波形并跟踪电网电压频率和相位 ， 实现了高密度 、 高可靠性 、 低成本的单相单级光伏并网逆变器 。2 光伏并网系统结构图 1 为单相单级光伏并网系统结构 拓 扑 。 该系统具有拓扑结构简单 、 稳定性及效率高等优点 ，使其成为早期应用较多的并网结构 。 由于仅有一级能量转 换 ， 因 此 需 同 时 实 现 MPPT 及 产 生 逆 变波形 ， 复杂度较高 ， 受早期电力电子器件及控制器性能的限制并未得到较好的效果 。 近年来 ， 随着半导体产业的发展 ， 大功率高性能功率器件的问世及高速 DSP 的产生 ， 使其重新成为研究热点 [6-7] 。3 系统实现3.1 MPPT 算法的实现光伏电池的输出为非线性 ， 而 且 受 光 照 强 度和环境温度的影响较大 ， 如图 2 所示 。 每一时刻都存 在 一 个 最 大 功 率 输 出 点 （ MPP）， 为 使 其 能 够 最大程度地向外提供电能 ， 需采用 MPPT。基于 DSP 的单相光伏并网逆变器的设计吴振宇 ， 耿兴华 ， 冯 林 ， 赵 亮（ 大 连 理 工 大 学 ， 创 新 实 验 学 院 ， 辽 宁 大 连 116023）摘 要 根 据 光 伏 电 池 的 输 出 特 性 设 计 了 一 款 适 用 于 并 网 的 新 型 逆 变 器 。 该 逆 变 器 采 用 DSP 作 为 核 心 处 理 器 ， 在同 一 块 芯 片 中 完 成 了 逆 变 和 最 大 功 率 算 法 的 计 算 ， 输 出 端 采 用 LC 滤 波 器 滤 波 。 经 样 机 实 验 证 明 该 逆 变 器 输 出波 形 失 真 度 小 ， 频 率 幅 值 特 性 达 到 并 网 要 求 。关 键 词 逆 变 器 ； 光 伏 并 网 ； 最 大 功 率 点 跟 踪中图分类号 TM464 文献标识码 A 文章编号 1000-100X （ 2011） 05-0016-03Single Photovoltaic Grid -connected Inverter Based on DSPWU Zhen-yu， GENG Xing -hua， FENG Lin ， ZHAO Liang（ Dalian University of Technology， Dalian 116023， China）Abstract According to the output characteristics of photovoltaic cells ， a new type of inverter is designed， the inverteruses DSP as the processor to generate SPWM waveform and completes photovoltaic maximum power algorithm calcula -tion in the same chip.LC -type filter is used as output filter.The prototype experiments verify that the inverter outputwaveform distortion is small， the frequency and amplitude characteristics meet the network standards.Keywords inverter； photovoltaic grid-connected； maximum power piont tracking图 1 单 相 单 级 光 伏 并 网 系 统 拓 扑图 6 LC 滤 波 器 原 理 图u iudidu （ 1）当 du/dt＞ 0 时 ， 输 出 电 压 大 于 MPP 电 压 值 ； 当du/dt＜ 0 时 ， 输 出 电 压 小 于 MPP 电 压 值 ； 当 du/dt0时 ， di/du- i/u， 此 时 ， 光 伏 阵 列 达 到 最 大 功 率 输出 ， 即 电 导 的 变 化 量 等 于 输 出 电 导 的 负 值 ， 可 将其作为判断是否是最大功率输出的依据 。 电导法是众多 MPPT 方法 中 较 为 精 准 的 一 种 ， 其 最 大 优点 是 能 在 外 界 环 境 变 化 时 迅 速 实 现 MPPT， 输 出端电压平稳变化 。 在此采用在电能输出为零的过零点检测开路电 压 ， 根 据 MPP 输 出 电 压 在 开 路 电压 的 78 附 近 生 成 单 极 性 SPWM 波 形 并 输 出 ， 同时采集母线侧电压与电流并计算出 p（ k） 及 di /du，判 断 di /du 是 否 为 零 来 验 证 是 否 为 最 大 功 率 输出 ； p（ k） 则作为 k1 次调整后的 1 个参考点 ， 通 过△ （ k 1 ） p （ k1 ） - p（ k ） 计 算 前 后 输 出 功 率 差 ， 并记 录 累 积 功 率 差 作 为 k 2 次 SPWM 波 形 调 整 参考 ， 具体程序流程如图 3 所示 。3.2 逆变器的设计逆变器整体结构如图 4 所示 ， 前端 采 用 霍 尔电流传感器对光伏阵列母线电流进行检测 ， 用分压 隔 离 的 方 式 将 母 线 电 压 采 样 送 入 DSP 的 A/D进行检测 ， 检测的母线电压电流相乘得到光伏阵列的瞬时 输 出 功 率 ， 为 上 一 节 提 到 的 MPPT 算 法提供依据 ； 处理器外部中断可实现纳秒级的响应 ，故可采用过零检测方法与电网进行同步 ， 具体做法是采用变压器进行隔离降压 ， 这样检测交流小信 号 的 过 零 点 来 与 电 网 同 步 ； 通 信 方 式 采 用 CAN总线 ， 以便于多逆变器并联的远程和近距离通信 ，可组成大功率逆变阵列 ， 便于中心控制室监控各逆变器的工作状态 ， 并能及时采取相应措施 ； 功率全 桥 模 块 采 用 智 能 功 率 模 块 ， 内 含 过 流 、 短 路 、 过温等保护电路 ， 进一步降低了成本 ， 提高了稳定性 ， 电路连入方式如图 5 所示 。 辅助电源采用隔离式 多 路 DC/DC 模 块 ， 模 拟 供 电 、 数 字 供 电 以 及 高压 、 低压进行完全隔离 。3.3 LC 滤波器设计功率模块输出的是被调制的正 弦 波 ， 为 防 止污 染 电 网 ， 并 网 前 需 进 行 低 通 滤 波 。 在 此 采 用 无源 LC 低 通 滤 波 器 。 所 设 计 SPWM 的 载 波 频 率 为15 kHz， 基波频率为 50 Hz。 通 过 频 谱 分 析 可 知 谐波频率集中在载波和 2 倍载波频率附近 ， 为了得到高质量并网正弦波 ， 设定低通滤波器截止频率为 4 kHz 。 LC 滤波器原理如图 6 所示 。特征阻抗为 ρ LC姨 0.8 RL 0.8UoPo（ 2）式 中 Uo 为 输 出 电 压 ； Po 为 输 出 功 率 ； L 为 低 通 滤 波 器 电感 ， Lρ /（ 2π fc）， fc 为 截 止 频 率 ； C 为 低 通 滤 波 电 容 ， C1/（ 2π fc ρ ）。第 45 卷第 5 期2011 年 5 月电力电子技术 Vol.45， No.5May 2011Power Electronics以上公式作为设计参考 ， 实际参数 可 根 据 整机调试的输出波形质量作相关调整 。4 实 验实验样机功率为 300 W， 计算得 L23.35 μ H ；C49.76 μ F。 L 串联在电路中 ， 由于存在阻抗以及热效应 ， 降低了逆变器的转换效率 ， 当设计滤波器选用 L20 μ H， C47 μ F 时 ， 实测失真度小于 5 ，转 换 效 率 达 到 87 。 图 7a 为 实 验 测 得 的 SPWM驱动波形 ， 图 7b 为样机输出电流 、 电压波形 。 表 1示出不同负载下的失真度测试结果 。 实验数据表明 ， 所设计的逆变器输出波形谐波含量小于 5 。5 结 论在此采用 TMS320F2812 为核心控制器 ， 完整实现了光伏并网逆变器的设计 ， 系统具有较好的动态响应特性 。 算法上采用了改进的最大功率点跟踪算法 ， 使太阳能电池阵列工作在最大功率点 ，充分利用了能源 。 实验证明 ， 该系统工作稳定 ， 给光伏并网提供了切实可行的参考方案 。参考文献[1] Cai X S． Advanced Technology of Electrical Engineeringand Energy[J] ． Renewable Energies Present Future ，2005， 24（ 1） 69-75 ．[2] Chung H S H， Tse K K， Hui S Y R， et al． A Novel Max-imum Power Point Tracking Technique for Solar PanelsUsing a SEPIC or Cuk Converter[J]． IEEE Trans. on Pow-er Electronics ， 2003， 18（ 3） 717-724 ．[3] 王 长 贵 ． 世 界 光 伏 发 电 技 术 现 状 和 发 展 趋 势 [J] ． 新 能源 ， 2000， 22（ 1） 44-48 ．[4] Benner J P， Kazmerski L.Photovoltaics Gaining GreaterVisibility[J].IEEE Spectrum， 1999， 29（ 9） 34-42.[5] 杨 海 柱 ， 金 新 民 . 基 于 DSP 控 制 的 光 伏 并 网 逆 变 器 最大 功 率 的 跟 踪 问 题 [J]. 太 阳 能 学 报 ， 2005， 12（ 6） 760-765.[6] Chen Y， Smedley K． A Cost-effective Single-stage Inverterwith Maximum Power Point Tracking [J]． IEEE Trans. onPower Electronics， 2004， 19（ 5） 1289-1294 ．[7] Liang T J， Kou Y C， Chen J R． Single-stage PhotovoltaicEnergy Conversion System[J]． Proc． Inst． Elect． Eng． ，2001， 148（ 4） 339-344 ．图 7 实 验 波 形表 1 失 真 度 实 验 数 据负载率 / 10 20 50 80 90 100失真度 / 4 4 4.3 4.5 4.5 4.8（ 上 接 第 15 页 ） 需 要 从 电 网 吸 收 一 定 的 无 功 功 率 。当电网故障逐渐恢复时 ， 关断 LVRT 模 块 ， 双 馈 电机 的 定 子 电 流 经 过 短 暂 的 调 节 过 程 后 ， 逐 渐 恢 复正 常 ， 同 时 ， 有 功 功 率 在 电 网 故 障 清 除 后 ， 按 设 定的斜率 （ 15 ） 恢复至跌落前的值 。 图 4c 示出直流母 线 电 压 Udc、 穿 越 过 程 中 的 无 功 电 流 I FRT，Crowbar 电 路 电 流 I CB 和 穿 越 过 程 中 的 电 网 电 压ugrid 波 形 。 可 见 ， 在 穿 越 过 程 中 ， 网 侧 变 流 器 和 电机 发 出 无 功 电 流 I FRT 支 撑 电 网 ， ugrid 由 13 抬 高 到32 ， 大大缩短了故障的恢复时间 ， 并且 在 穿 越 过程中 ， Udc 比较稳定 ， 只在穿越起始点和 结 束 点 有短时的跳变 。6 结 论依据国家电网公司颁布的最新的风 电 机 组 不间断运行标准中关于电网电压不对称跌落情况下对风电机组的要求 ， 详细分析了电网电压不对称跌落情况下双馈电机定子磁链的暂态过程 ， 并根据上述的分析 ， 针对目前比较流行的基于 Crowbar电阻的短路 电 机 转 子 的 LVRT 控 制 策 略 ， 提 出 了一套比较完整的控制逻辑 ， 并用试验的方式验证了控制逻辑的有效性和可行性 。参考文献[1] Saccomando G， Svensson J， Sanino A.Improvine VoltageDisk Urbance Rejection for Variable SpeedWindturbine[J].IEEE Trans. on Energy Conversion， 2002， 17 （ 3） 422 -428.[2] 关 宏 亮 ， 赵 海 翔 ， 迟 永 宁 ， 等 . 电 力 系 统 对 并 网 风 电 机组 承 受 低 电 压 能 力 的 要 求 [J]. 电 网 技 术 ， 2007， 31（ 7）78-82.[3] Mrren ， DeHaanswh.Ride Through of Wind Turbines withDoubly-fed Inductin Generation During a Voltage Dip [J].IEEE Trans. on Energy Conversion， 2005， 20 （ 2） 435 -411.[4] 张 兴 ， 张 龙 云 ， 杨 淑 英 ， 等 . 风 力 发 电 低 电 压 穿 越 技术综述 [J].电力系统及其自动化学报 ， 2008， 20（ 2） 128.[5] 蒋 雪 东 ， 赵 妨 . 应 对 电 网 电 压 骤 降 的 双 馈 感 应 风 力发 电 机 Crowbar控 制 策 略 [J]. 电 网 技 术 ， 2008， 12（ 6）84-88.18