500KW光伏逆变器软件设计方案

软件设计方案版本号 V1.0 密级 绝密 共 页500KW 光伏逆变器软件设计方案编 制：审 核：标准化：批 准 : I 修订记录版本号 日期 撰写人 更改内容简要说明1 500KW 光伏逆变器软件设计方案1. 概述1.1. 产品设计定位500KW 光伏逆变器及其可选配件，配套 500KW 光伏发电系统使用，使其获得最佳发电效率和发电质量。1.2. 总体方案概述500KW光伏逆变器软件技术方案主要依据同类产品及相关产品规格书，以及公司现有的开发人员、 技术储备和测试装备的条件和产品开发计划的要求而编制的。 本方案主要阐述了软件的控制算法部分以及监测监控部分的软件方案。系统整体软件包括核心控制软件、监测监控软件两个大的部分。其中控制软件包括 DSP 部分的控制软件设计以及 CPLD 部分的逻辑软件设计；监测监控软件包括基于 ARM 系统的人机接口软件、基于 ARM 系统的数据采集器软件以及基于 PC机部分的本地监控软件和基于服务器 PC机的远程监控软件等三个部分。2 2. 核心控制软件设计Clarke 变换：对 abc三相进行克拉克变换，如图 2-5 所示：acbdβαq图 2-5 克拉克变换由图示可得：cbaabccbaxxxCxxxxx232312121132可得 轴状态方程如下eeuuiiRRdtdiLdtdiL10011001003 Park 变换：对 abc三相进行克拉克变换，如图 2-6 所示：acbdβαqU图 2-6 帕克变换由图示可得：xxCxxttttxxdqqdcossinsincosqddqqdxxCxxttttxxcossinsincos可得 dq 轴状态方程如下qdqdqdqdeeiiRLLRuudtdiLdtdiL10011001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 dq4 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 qli 、 dli 扰动和网侧电压 qd ee 、 的影响。2.2 三相桥式有源逆变器的调节器设计由 dq 轴的状态方程可得 : qdqdqdqdeeiiRLLRdtdiLdtdiLuu10011001由于 dq 变换之后系统是一个强耦合系统且受网侧电压 qd ee 、 的影响， 因此需要采样前馈解耦控制策略。 由于耦合相为 qLi 、 dLi 因此需对这两项解耦，同时加入 qd ee 、 网压前馈。控制 qd uu 、 采用 PI 控制。可设计 qd uu 、 的控制方5 程如下。qdqqiiipqdqddiiipdeLiiiskkueLiiiskku))(())((**经运算可得 dq 轴最终状态方程如下**)(00)(qdiiipqdiiipiiipqdiiLskkiiLskkRLskkRdtdidtdi控制框图如 2-7 所示：PI PIPIwlwlU dc*U dc-+ id* + +PWMi q*idiq+----++-SaScSb图 2-7 解耦控制图6 2.3 矢量控制（ SVPWM ）原理性分析在 abc 三轴上电压表达式如下所示)32sin(2)()32sin(2)()sin(2)(tUtUtUtUtUtUmCmBmA矢量电压等于三相电压相加，如图 2-8 所示：ftjmjCjBA eUetUetUtUtU23/43/2 2)()()(32)(7 BoC Au图 2-8 矢量电压图三相逆变器的开关信号 (Sa， Sb， Sc)可以产生 8 种基本工作状态，如图 2-4所示，即： 100、 110、 010、 011、 001、 101、 lll 、 000，这八个矢量就称为基本电压矢量， 可分别命名为 U0(000) 、 U1(001) 、 U2(010)、 U3(011) 、 U4(100) 、U5(101)、 U6(110) 、 U7(111), 如图 2-9 所示。图 2-9 开关状态图在八种矢量中 U0、 U7 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。如图 2-10 所示，将复平面分为 6 个扇区。8 U3(011)U1(001) U5(101)U2(010) U6(110)U4(100)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥU7(111)U0(000)αβ图 2-10 扇区分布图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，由图 2-10 可知：如果当前矢量处于第一扇区，则显然 60/arctan0 UU ，即可得条件：3,0,0 UUUU同理可得其他扇区条件，列举如下：9 3,0,0:扇区的充要条件 为落在第U3,0:扇区的充要条件 为落在第U3,0,0:扇区的充要条件 为落在第U3,0,0:扇区的充要条件 为落在第U3,0:扇区的充要条件 为落在第U3,0,0:扇区的充要条件 为落在第UrefrefrefrefrefrefUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUⅥⅤⅣⅢⅡⅠ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 U ， UU3 ， UU3 三式与 0 的关系决定，可令：UUVUUVUV2123212332101C,00B1B,00A1A,0321CVVV反之则反之则反之则在令 N =A+2B+4C，由上述分析可得：当 N=3时， Uref 位于第Ⅰ扇区；当 N=1时， Uref 位于第Ⅱ扇区；当 N=5时， Uref 位于第Ⅲ扇区； 当 N=4时， Uref 位于第Ⅳ扇区；当 N=6时， Uref 位于第Ⅴ扇区； 当 N=2时， Uref 位于第Ⅵ扇区。可得表格如下：N 3 1 5 4 6 2 10 扇区 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ当判断完成电压矢量所处扇区，而后需要进行基本矢量的作用时间分析。U3(011)U1(001) U5(101)U2(010) U6(110)U4(100)ⅡⅢⅣⅤⅥU7(111)U0(000)αβT4/T Z*U 4T6/T Z*U 6θUref图 2-11 伏秒平衡法由图 2-11 可得：ZZTUTUTUTUTU*60sin***60cos***66664411 6470664421*3*3*2233*3**TTTTTUTUUTUTUUUTUTUTUTZDCZZDCZZZUUVTZUUVTYUV TXDCSDCSDCS32 33233扇区 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ ⅥTx -Z Z X -X -Y Y Ty X Y -Y Z -Z -X 12 TON1TON2TON3T0 TX TY T7 T7 TY TX T0ABC图 2-12 矢量作用时间图由图 2-12 可得：yacxabyxzaTTTTTTTTTT 2/扇区Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ ⅥTon1 Ta Tb Tc Tc Tb Ta Ton2 Tb Ta Ta Tb Tc Tc Ton3 Tc Tc Tb Ta Ta Tb 13 通过 Tonl， Ton2， Ton3 与周期为 Ts 的三角载波进行比较， 在时间段 [0， Tonx]和 [Ts— Tonx， Ts]内输出低电平“ 0“，时间段 [Tonx， Ts-Tonx]内输出高电平“ 1” ，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。2.4 矢量控制（ SVPWM ）锁相原理分析SPLL 的基本原理是将三相电压 Ua， Ub， Uc 转换到静止的 , 坐标系中，再从静止的, 坐标系变换到旋转的 d， q 坐标系中，得到交流电压的直流分量 Ud， Uq。cbauuuuu232302121132uuuuuuttttuuqdqdsincoscossinsincoscossin如 dq 变换中的 就是 SPLL 的相位输出，如果锁相角和电网电压相同，则直流分量 Ud为额定值而 Uq 为零， 因此可以将参考值 0 与 Uq 相减得到误差信号再经 PI 之后得到误差信号 再与理论角频率 f2 相加后得到实际角频率，最后经过一积分环节即得到当前的电网相位 ，整个 SPLL 构成一个反馈，通过 PI 调节达到锁相目的。当电网电压平衡时成为三相对称系统，三相对称系统的瞬态表达式为)240cos(2)120cos(2)cos(2tUUtUUtUUCBA)]240sin()240[cos()]120sin()120[cos()]0sin()0[cos(jUUjUUjUUCBA24012002401200jCjBjAUeUUUeUUUeUU引入复数因子 120jea ，则 120jea 包含以下特性：14 120036031202402240120)120sin()120cos(1jjjjjjjejaeeaeeaeea则三相对称系统也可表达为UaUeUUUaUeUUUaUeUUjCjBjA2402120002401200如果电网电压不平衡时 （大小不相同， 相差不是 120 度但频率是相同） 电网为不对称系统，三相电网电压的瞬态表达式为：)cos(2)cos(2)cos(2tUUtUUtUUcCbBaA)]sin()[cos()]sin()[cos()]0sin()0[cos(jUUjUUjUUcCbBaAjccCjbbBjaaAeUUUeUUUeUUU 00不对称系统由正序分量、负序分量和零序分量 3 个部分合成。000CCCCBBBBAAAAUUUUUUUUUUUU0000000022UUUUUUUUUaUUaUUUUUUUUaUUaUUUUUUUCBACBACBACBACBACBA＝＝构成对称零序系统，，＝，＝，构成对称负序系统，，＝，＝，构成对称正序系统，，－15 02002000UUaUaUUUUUUaUaUUUUUUUUUUUCCCCBBBBAAAA＝＝＝由坐标变换原理可知，三相不平衡电压经过 , 坐标变换后，由变换式 , 变换公式cbauuuuu232302121132 推理可得，零序分量经过 , 坐标变换后为零，再将正序分量和零序分量分离。 这样软件锁相的输出可以不受负序和零序的影响， 可以保证软件锁相跟踪的是正序基波分量，从而达到抑制畸变电压的目的。三相不平衡电压经过 , 坐标变换后，正负序分量表达如下：)sin()sin()()cos()cos()(nnppnnpptUtUtUtUtUtU其中， )(tU ， )(tU 为此刻 轴上的幅值， Up， Un 为正负序分量的幅值。T/4 周期前的不对称矢量表示为)2sin()2sin()4()2cos()2cos()4(nnppnnpptUtUTtUtUtUTtU简化运算后可得：)cos()cos()4()sin()sin()4(nnppnnpptUtUTtUtUtUTtU结合上式和正负序分量表达式16 )sin()sin()()cos()cos()(nnppnnpptUtUtUtUtUtU可得))()4/((21)sin())4/()((21)cos(tUTtUtUUTtUtUtUUpppppp))4/()((21)sin())4/()((21)cos(TtUtUtUUTtUtUtUUnnnnnn锁相框图如图 2-13 所示：UgaUgbUgcαβ /dqUd+Uq+ PIUq_ref=0+2π f1/S Mod2πθ 0w 01/2π f延时法正负序分离abc/αβUαUβUα +Uβ +LPF-++SinCosUα -Uβ -图 2-13 软件锁相框图17 2.5 矢量控制（ SVPWM ）直流电压利用率分析U3(011)U1(001) U5(101)U2(010) U6(110)U4(100)ⅡⅢⅣⅤⅥU7(111)U0(000)αβ1/6PiUrefdcU33dcU31dcU32图 2-14 直流电压利用率如图 2-14 所示，最大相电压给定为内切圆半径， U4 长度为 dcU32 ，因此内切圆半径为 dcU33 ， 可得线电压最大为dcU33 * 3 = dcU 。 因此直流电压利用率最大为 1。与 SPWM 方式的比较采用 SPWM 调制方式时，波形如图 2-15 所示：18 tttt00000Cv0Bv0Avcv图 2-15 正弦脉宽波形由图可知，相电压基波为)32sin(2)sin(2B tUUtUUmmA线电压 ABU 计算过程如下)3cos(*3*2)3cos(*)3sin(*2*2232sin*2 32cos*2*2)32sin(2)sin(2tUtUttttUtUtUUmmmmmABdcABdc U23U2U2 峰值为因此最大值为由于mU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19 率高 %47.151547.023/)231(2.6 最大功率点跟踪技术研究图 2-16 光伏电池伏安特性曲线CVT 模式20 开始采样 V(k)V(k)-Vset=0?返回Vref=Vref+StepVref=Vref-Step Vref=VrefNoNoYesV(k)-Vset>0?Yes图 2-17 恒定电压法最大功率跟踪流程图MPPT（电导增量法）模式原理分析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P=VI; 即：D(P)/D(V)=0 ；也即：D(P)/D(V) = D(VI)/D(V) = ID(V)/D(V)+VD(I)/D(V) = I+D(I)*V/D(V)=0; 可得：V/D(V)=-I/D(I); 21 读出当前电压电流D(I)= 当前电流 - 前刻电流D(V)=当前电压 - 前刻电压D(V)=0?D(I)/D(V)=-I/V? D(I)=0?开始D(I)/D(V)>-I/V? D(I)>0?扰动加步进 扰动减步进 扰动减步进 扰动加步进前刻电流 =当前电流前刻电压 =当前电压返回NY NYN YNYNY图 2-18 电导增量法流程图2012-5-28 14;52 陈歌 723970822