光伏并网逆变器控制策略研究

POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS第１２卷第８期２００９年８月Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．８Ａｕｇ ２００９光伏并网逆变器控制策略研究吴佳宇 马秀娟 孙玉德 张 敏( 哈尔滨工业大学 ( 威海 ) 电气工程系，山东 威海 264209)摘 要: 介绍了光伏并网逆变控制的基本原理，并采用了针对光伏电池特性的电流控制方法，消除了并网同步锁相控制过程中的干扰。试验结果表明：这些控制策略与方案是有效的，能较好地满足光伏锁相并网的要求。关键词: 光伏；并网逆变；锁相收稿日期 :2009-04-24中图分类号 : TM6 文献标识码 : B 文章编号 : 029-273(2009)08-000-03Research on Control Methods of Photovoltaic Grid-connected InvertersWU Jiayu, MA Xiujuan, SUN Yude, ZHANG Min(Electrical Engineering College, Harbin Institute of Technology (Weihai), Weihai 264209, China)Abstract: This paper introduces the basic principles of photovoltaic grid-connected inverse control strategy. By adopting current control method focusing on the characteristics of the photovoltaic batteries, these strategies can eliminate interference in the process of grid-connected synchronous phase-locked control. The experimental results show that these control strategies and schemes are effective and can meet the requirements of photovoltaic phase-locked grid-connected inverters well.Keywords: Photovoltaic; Grid-connected Inverter; Phase-locked0 引言随着人类对能源需求的日益增加，传统的化石能源日趋枯萎。并且大量使用化石能源已经造成大气污染和生态环境的破坏，发展绿色的可再生能源成为当务之急。太阳能由于其本身的优点越来越受到人们的关注，成为世界各国研究的热点。光伏电池将太阳能转化为直流电能输出，由于其输出特性易受外界环境条件影响，需要采用实时的电流跟踪控制策略进行并网逆变控制，并消除在锁相过程中可能存在的干扰，保证并网的功率因数要求。光伏并网发电是光伏技术应用发展的趋势。1 光伏并网逆变器的结构及原理光伏并网逆变系统主要由 DC-DC和 DC-AC两级变换器构成，如图 1所示。前级 DC-DC变换器主要是提高光伏电池阵列的功率转化效率，对光伏电池阵列进行最大功率点跟踪 (Maximum Power Point Tracking ， MPPT)，并且把输出电压提升为能满足逆变并网要求的直流母线电压；后级 DC-AC环节的主要任务是将直流电逆变成与电网电压同幅同频的交流电，使并网电流与电网电压同相位，提高功率因数。前级 DC-DC电路采用 Boost电路的拓扑结构，将光伏阵列的输出 140V直流电压升高为 400V研究与设计 再生能源的直流电压。后级 DC-AC逆变器主电路采用全桥结构，将 400V直流电转换成为 220V/50Hz工频交流电。 2 光伏发电系统逆变控制1） SPWM逆变控制技术SPWM调制技术是用所期望得到的正弦波作为调制信号，三角波作为载波，当三角波与正弦波相交时，在交点的时刻控制开关管的导通与关断，能够得到一组等幅、宽度正比于正弦曲线函数值的方波。这种技术在逆变电路中的应用十分广泛，与传统的瞬时滞环比较控制相比，输出滤波器设计相对容易，输出电流中所含的谐波分量较少，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了SPWM技术。根据方波电压极性的不同，可分为单极性调制和双极性调制 [1]。单极性调制方式与双极性调制方式相比，调制脉冲电压在一个正弦波周期内始终为一个极性，输出逆变电压有零电压的过渡，所以系统输出电流的变化率较小，并且谐波分量小，容易消除，对外部设备的谐波干扰小；每次开关管开通或关断时，电压变化的幅度是双极性调制的一半，所以开关管所受的开关应力小。2）电压源电流控制方式逆变器并网逆变器是系统的核心部件和技术关键之一。在光伏并网发电系统中，电网电压可看作是稳定的电压源，且其容量视为无限大。如果并网逆变器的输出采用电压控制，必须采用锁相控制技术。但由于锁相回路的响应较慢，逆变器输出电压值不易精确控制，可能出现环流等问题。如果逆变器采用电压源电流控制，则只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，即可达到并网运行的目的，控制方法相对简单。图 2中 VT 1、 VT 4是开关管， VD 1、 VD 4是反相并联二极管，起续流作用， Cdc是直流母线的平波电容， L S是交流缓冲电感，可以抑制输出电流的大幅度波动，并起滤波作用，滤除开关动作产生的高频电流成分。 R 是线路上的阻抗， U d是输入的恒定直流电压， u0(t ) 是逆变器的输出电压， uN (t)是电网的正弦波电压， i S(t ) 是从逆变器输出到电网的电流，可推出等式：U N= U 0-j ω L S IS- RI S其中， ω N是电网角频率， ω N=2 πf N， f N为电网频率，图 3所示为 U N和 U 0的向量关系 [2]。 并网系统要求在逆变器的输出波形为正弦波，输出电流与电网电压同频同相，因此其控制策略与一般独立的电压型逆变器的控制策略有所不同。由于输出电感 L S的存在，输出电流 I S在其上产生一个j ω LSIS的电压降。这样，逆变器的输出电压 U 0和电网电压 U N之间将产生一个相移量 φ ，可以通过 PWM控制开关管，使变换器的输出电压 U 0满足上述的向量关系，这样在理论上可以实现输出电流与电网电压同频同相。本课题采用正弦波脉宽调制方式 (SPWM)，通过控制开关管的 VT 1、图 1 光伏系统结构原理图图 2 逆变器主电路结构图 3 逆变器向量关系图POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS第１２卷第８期２００９年８月Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．８Ａｕｇ ２００９VT 4导通或关断的时间，实现能量从逆变器向电网传送。3）并网逆变器的控制策略传统的电流滞环控制，在开关频率不固定，经常会出现很窄的脉冲和大的电流尖峰，不利于驱动保护电路和主电路的设计，而且十分难于滤波，电磁干扰非常大。采用直流母线参考电压与实际电压作差经过PI调节，算出值作为电流的幅值给定，再与标准单位正弦波相乘，得到参考电流给定。对交流缓冲电感电流进行检测，与电流给定作差，将 P调节后的电流误差直接作为调制波，和固定频率的三角波载波信号进行比较，产生相应的 PWM信号对逆变器进行控制。当给定电流信号比实际电流信号大时，误差信号大于零，经过调制信号与三角波比较后，控制逆变器增加实际电流；反之，减小实际电流 [3]。控制流程图如图 4所示。3 并网逆变器锁相环控制的设计标准的电网频率为 50Hz，通常情况下，实际频率会有小范围的波动。一般在 49.5 ～ 50.5Hz都可以视为符合频率要求。所以，针对电网频率会发生波动，必须采取措施控制光伏并网系统输出电流，使其对电网电压进行频率和相位跟踪。1）电网频率捕获和同步锁相使用 TMS320LF2407的 EVA中的 CAP1来捕捉电网电压过零点。为了能够得到准确的过零信号，首先将电网电压信号经滤波、整形产生同步方波信号。当 CAP1检测到过零信号的上跳沿时，便触发相应的中断，以发生上跳沿的时刻为给定基准正弦波的起始时间点，使正弦表的指针复位到零，完成同步锁相。定时器 T1每发生一次定时器周期中断，正弦表的指针加 1，并取出对应的正弦值，在主程序中计算 SPWM波的占空比。定时器 T1发生定时器周期中断时，设置一个变量 n对定时器 T1发生定时器周期中断的次数作计数，在CAP1再次捕捉到电网电压过零点时，比较变量 n与载波比 N 。当 n＝ N 时，定时器周期值不变；当n≠ N 时，定时器周期值 * nT T N= 。 T 为根据上一次的载波周期 所计算出的新的载波周期，并将该值赋给定时器 T1的周期寄存器，用于计算下一正弦波周期的 SPWM波的占空比。这样保持载波比不变，调整载波周期，使调制波的频率跟踪电网电压的频率。2）软件设计程序流程图如图 5所示。4 实验结果通过实验测试，图 6所示为采用传感器采样的电网电压和由电网电压转化成的方波信号。图 7所示分别为电网电压波形和并网电流波形，逆变器输出的并网电流与电网电压基本上保持了相同的频率和相位。 5 结束语设计了基于 TMS320LF2407为主控制器的光伏并网逆变器，并结合光伏电池阵列功率输出的特点采用了相应的控制方法，图 4 电压源电流控制系统框图图 5 程序流程图(下转 p.31)3应用与实践 绿色照明电能储存在 L 2上。当 MOSFET关断时， L 2产生的反向电动势使 VD 9导通。 L 2 上的电能就通过 VD 9向负载继续供电，并对 C8充电。 LNK306P采用开/ 关控制法。当反馈到 FB端的电流超过 49 μ A时，禁止 MOSFET在该开关周期内工作；进入下一开关周期后，再次对 FB端的电流采样，若电流小于49μ A，则允许 MOSFET工作。对输出电压的调节就是通过禁止 ( 跳过 ) 或使能开关周期来完成的。4 结束语利用填谷电路来增加整流管的导通角，使输入电流波形从尖峰脉冲变为接近于正弦波，能大幅度地提高功率因数，显著降低总谐波失真。该设计方案对于设计节能环保型 LED灯具的驱动电源具有实用价值。参考文献[1] 沙占友 . 单片开关电源最新应用技术 . 2 版［ M］ . 北京：机械工业出版社， 2004.4[2] 沙占友，马洪涛 . 特种集成电源设计与应用［ M］ . 北京：中国电力出版社， 2006.11[3] 沙占友 . 精密恒压 / 恒流输出式单片开关电源的设计原理［ J］ . 电工技术， 2000（ 11）作者简介沙占友 (1944－ )，男，河北科技大学电子信息工程系教授 (享受国务院政府特殊津贴 )，主要研究方向为数字化测量技术、智能仪器及特种电源。马洪涛 (1963－ )，河北科技大学电子信息工程系副教授。(上接 p.12)图 6 电网电压与同步方波图 7 电网电压与并网电流基本实现了并网电流与电网电压保持相同频率和相位，验证了方法的可行性。参考文献[1] 郑诗程 , 夏伟 . 三相光伏并网系统的控制策略研究 [J].电气技术 ,2007,3:43-46.[2] 张海波 , 孙邦伍等 . 基于 DSP太阳能光伏并网系统的应用研究 [J]. 农业工程学报 ,2006,22:171-174.[3] 王章权 .1KW光伏并网发电系统的实现 [D]. 杭州 : 浙江大学 ,2006.[4] 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 [M]. 第 3版 . 北京 : 机械工业出版社 ,2006.[5] 刘和平 , 邓力等 .DSP原理及电机控制应用 [M]. 第 1版 . 涿州 : 北京航空航天大学出版社 ,2006.[6] 徐科军 , 张兴等 .TMS320LF/LC24系列 DSP的 CPU与外设 [M]. 第 1版 . 北京 : 清华大学出版社 ,2004.作者简介吴佳宇 (1983－ )，男，黑龙江牡丹江人，在读硕士研究生，主要从事高频开关电源的研究。马秀娟 (1964－ )，女，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，主要从事电力电子和光伏实用技术的研究工作。