光伏并网逆变器的电能质量分析

第 1 期2013 年 1 月电 源 学 报Journal of Power Supply No.1Jan.2013吴 辉 袁 林 芳 袁 刘鸿鹏 袁 王 卫渊 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 袁 黑龙江 哈尔滨 150001冤摘要 院 准确 尧 实时地检测电网电压及并网电流对光伏并网逆变器的可靠运行具有重要的指导意义 遥 着重分析了Z 源光伏并网逆变器的电能质量分析系统的软件实现方法 袁 通过对电网电压及并网电流的数据采样和处理 袁 得到有效值 尧 有功功率 尧 无功功率等电力参数 袁 并采用快速傅里叶变换 渊 FFT冤 算法实现并网电流 THD 的计算 遥 实验结果证明了理论分析和软件设计方案的正确性 遥关键词 院 光伏并网逆变器 曰 电力参数 曰 快速傅里叶变换 曰 并网电流中图分类号 院 TM615 文献标志码 院 A 文章编号 院 2095-2805 渊 2013 冤 01-0084-05收稿日期 院 2011-09-29作者简介 院 吴辉 (1965-) 袁男 袁 副教授 袁 硕士生导师 袁 主要研究方向 院 电力电子技术 尧 脉冲功率技术 尧 特种开关电源等 遥不论是从现在倡导的可持续发展之路来审视 袁还是从解决现实能源供应问题出发 袁 开发和利用储量丰富 尧 无需运输 尧 清洁无污染的太阳能资源都具有重大的战略意义 [1-3]遥 太阳能光伏利用是太阳能的最主要利用形式 袁 通过 野 光生伏特 冶 效应可直接将太阳光转换成电能 遥 光伏发电的应用形式主要有离网式光伏发电和并网式光伏发电 袁 其中并网式光伏发电是太阳能光伏发电产业中最重要的形式 袁 成为当今光伏发电产业的研究重点 [4]遥 并网逆变器作为整个光伏并网发电系统的核心部件 袁 占据系统成本比例 10%~15% 之间 袁 其主要功能是将产生的交流电流注入到电网中 袁 而并网电流中的谐波含量会对电网的电能质量产生影响 袁 故对光伏并网逆变器的电能质量进行检测对更好地指导光伏并网过程具有一定的实际应用意义 遥以 Z 源光伏并网逆变器为平台 袁 本文主要对电网电压有效值 尧 并网电流有效值 尧 视在功率 尧 有功功率 尧 无功功率 尧 功率因数 尧 总谐波畸变率 渊 THD冤等电力参数进行测量和计算 遥 其中 袁 着重分析了基 -2 时间抽取 FFT 即位运算的原理 袁 并在理论分析的基础上对系统进行软件设计 袁 通过实验证明了系统设计的正确性 遥一个工频周期电压信号有效值的计算如下(1)式中 院 u 为 t 时刻的电压信号瞬时值 曰 T 为电压信号的周期值 曰 U 为电压信号有效值 遥周期电压信号通过采样 尧 保持后成为一个离散的数字信号 袁 即(2)式中 院 驻T 为相邻两次采样的时间间隔 曰 un 为第n 个时间间隔的电压采样瞬时值 曰 N 为一个工频周期内的采样点数 遥若相邻两次采样的时间间隔都相等 袁 驻T 为常数 袁 N= T驻T 袁 则得电压信号有效值(3)电流信号的有效值计算方法同上 袁 计算结果为(4)式中 院 in 为第 n个时间间隔的电流采样瞬时值 曰N为一个工频周期内的采样点数 遥当考虑电压 尧 电流各次谐波的情况时 袁 有功功率的表达为(5)离散化后 袁 得(6)功率因数为(7)1.2.1 基 -2 时间抽取 FFT 的即位运算现有的交流信号谐波分析方法包括基于三相瞬时无功功率理论的谐波检测法 尧 快速傅立叶测量法 渊 FFT冤尧 自适应滤波检测法 尧 基于神经网络谐波检测法和小波变换谐波检测法 袁 其中快速傅立叶测量法是目前应用最广泛的一种方法 [7]遥存储器是实现 FFT 算法所需要的重要硬件设备 袁 其容量的大小会影响 FFT 算法所取的点数 遥 故本文使用基 -2 时间抽取 FFT 的即位运算 渊 同址运算 冤 原理 袁 将缓冲区与计算结果设置为同一存储区域 袁 从而使存储器具有更高的使用效率 遥基 -2 时间抽取 FFT渊 DIT 冤是将 N 点的输入序列x(n) 渊n =0,1,2, 噎,N/2 -1 冤分解为偶序列和奇序列 遥偶序列 院 x(0),x(2),x(4), 噎,x(N -2); 奇序列 院 x(1),x(3),x(5), 噎,x(N-1) 遥因此 袁 x(n)的 N 点 FFT 可以表示为(8)由于(9)代入式 (8)可得(10)整理得(11)其中(12)(13)由于 Y (k)和 Z(k)的周期为 N/2 袁 故上式中 k 的范围为 0~N/2-1 遥 由 WNk+N/2=- WNk 和 WN jN=1 渊j 为整数 冤可知 袁 当 k 的范围为 N/2~N-1 时 袁 可得(14)以同样的方式进一步抽取 袁 就可得 N/4 点的DFT 袁重复这个抽取过程 袁 最终可使 N 点的 DFT 用一组 2 点的 DFT 来计算 遥 基 -2 DIT FFT 的蝶形运算如图 (1a)所示 遥若将输入样本集记为 X 0[l] 袁对于第 m 级计算而言 袁 可以认为 X m-1 [l]是输入列 袁 X m[l]是输出列 遥 利用这种表示法 袁 可将图 (1a)中蝶形计算的输入和输出标记为图 (1b)所示那样 遥 从图 (1b)中可知要计算第 m级中 p 和 q 位置上的节点值 袁 只需知道第 m-1 级中p 和 q 位置上的节点值即可 遥 因此 袁 若将 X m[p]和 Xm[q]分别存放在原存放 Xm-1[p]和 Xm-1[q]的同一存储寄存器中并不影响 FFT 的运算 袁 此时实现全部计算只需要一列存储 N 个复数的寄存器 遥 这种计算通常称为即位计算或同址运算 遥(a) 基 -2 DIT FFT 的蝶形运算(b) 相邻两级间的蝶形运算图 1 基 -2 DIT FFT 运算原理图1.2.2 谐波测量内容电流总谐波畸变率 渊 THDi冤 是指周期性交流电流谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比 院(15)式中 院 I1为电流基波有效值 曰 I h 为第 h 次谐波电流 遥利用 FFT 算法可得到基波和各次谐波幅值的吴 辉 袁 等 院 光伏并网逆变器的电能质量分析第 1 期 85电 源 学 报 总第 45 期平方 袁 结合式 (15)即可得出电流的总谐波畸变率 遥图 2 是 系 统 总 体 设 计 框 图 遥 首 先 袁 由TMS320F2812 片内 12 bit 的 ADC 完成模拟量采集的工作 曰 其次 袁 采样得到的数字量经过 DSP 的处理 袁得到电压电流有效值 尧 有功功率 尧 功率因素等 曰 最后 袁 利用 256 点的基 -2 DIT FFT 算法计算电流总谐波畸变率 渊 THD i冤遥系统的软件设计需实现电网频率的检测 尧 信号采集和运算 尧 SPWM波形生成和故障保护等功能 遥整个并网系统的中断服务子程序主要包括两部分 院捕获中断子程序和周期中断子程序 遥 捕获中断子程序主要完成电网电压同步锁相 尧 THDi 值的计算功能 遥 周期中断子程序完成系统主要参数的采集和处图 2 系统总体设计框图理 尧 控制算法的实现及 PWM 波形的产生 遥电网电压的硬件采样电路与软件锁相环节配合完成系统的锁相功能 遥 首先 袁 为捕捉单元分配一个定时器 袁 并设定为递增计数模式 遥 当 DSP的捕捉引脚检测到与电网电压同步的方波信号上升沿时 袁即产生捕获中断 遥 将相邻两次进入捕捉中断时计数器的值相减 袁 就为电网的周期值 遥 若电网的频率和有效值连续 200 次合格 袁 那么就开启逆变器工作 遥根据电力参数测量原理 袁 计算获得交流电压 尧 电流的有效值 尧 有功功率 尧 功率因数等 曰 每隔 100 个电网周期时间 袁 对上一次捕捉周期内获得的 256 个点进行 FFT 算法从而得到并网电流的 THD 值 遥本系统设计中 袁 采用交流等点采样法 袁 利用软件锁相环同步环节直接控制采样保护电路来获得更高的同步精度 遥 根据对正弦波的采样原则 袁 当采样频率大于或等于最高次谐波的 3 倍时 袁 才能保证被采样信号频谱的无混叠失真 袁 但是如果采样频率过高则会增加处理器的负担 袁 影响实时性 遥 故基于光伏并网逆变器的工作效率 尧 谐波分析及 FFT 计算要求 渊 采样点数是 2 的幂次方 冤 等因素 袁 将采样频率设为 12.8 kHz遥在周期中断子程序中 袁 根据捕获中断计算所得的电压频率将每个正弦信号周期等分成 256 点 袁 利用定时器中断通过 ADC 采样电压和电流值 袁 并实时计算瞬时功率 遥为方便用户编程 袁 TI公司已经完成用汇编语言图 3 THD 值计算流程图86实现 FFT袁 并把源代码组成了一个库 渊 FFTLibrary 冤袁用户可以在工程中直接调用库中的源代码 袁 非常方便实用 袁 并且执行速度快 遥FFT 计算中可能会出现频谱混叠情况 袁 虽说可通过加窗来得到一定缓解 袁 但窗函数系数将对有限的存储空间造成一定负担 袁 故在本系统 FFT 计算中没有采用加窗方法而是通过严格使采样频率为采样点的整数倍的方法来解决 遥FFT 算法计算 THD 值的软件流程图见图 3 遥 其中 袁 为了节省存储空间 袁 直接将每次的 AD 转换结果存 入 FFT 的 计 算 缓 冲 区 渊 inplace computationbuffer 袁 ipcb 冤中 遥为了验证上述原理和系统软件设计的正确性 袁本文在 Z 源光伏并网逆变器的基础上进行了实验验证 遥 图 (4a)为逆变器并网时电压 尧 电流的实验波形 遥 并网电流波形在 CCS 中进行 FFT 分析得到的频谱图见图 (4b) 遥 其中 袁 FFT分析结果的每个点 渊 除第一个点直流分量之外 冤 的模值是原始信号峰值的 N/2 倍 袁 而第一个点的模值是直流分量的 N 倍 遥(a) 并网电流和电网电压波形 (b) CCS中 FFT 的频谱图图 4 实验波形为了验证系统电力参数测量的精度 袁 实验采用YOKOGAWA WT230 作为标准测量仪 袁 将实验数据与标准仪器测量结果相比较 袁 比较结果见表 1遥 从表中可以看出 袁 两者总体误差数据平均不超过 5%袁 达到了 叶 电能质量公用电网谐波 曳 对 B 级测量仪器的要求 袁 说明了系统设计的可行性 遥本系统应用 TMS320F2812 对光伏并网逆变器的并网电力参数进行检测和分析 袁 实验结果表明系统具有采样精度高 尧 实时性强 尧 可靠性高等优点 遥 本系统的软件设计方案应用于电能质量分析系统中 袁可实现对电力参数快速 尧 精确的监测 袁 并完成 256点的 FFT 运算获得较精确的 THD 值 袁 从而达到了系统设计要求 遥参考文献 院[1] 张耀明 . 中国太阳能光伏发电产业的现状与前景 [J]. 能源研究与应用 , 2007, (1) 院 1-6.[2] 刘鸿鹏 袁 王卫 袁 吴辉 . 光伏逆变器的调制方式分析与直流分量抑制 [J]. 中国电机工程学报 袁 2010 袁 30(9) 院 27-32.[3] Wu Tsai-Fu, Nien Huang-shou, Shen Chih-Lung, et al. ASingle-phase Inverter System for PV Power Injection andActive Power Filtering with Nonlinear Inductor测量项目 U/V I/A THDi /% cos渍 P/kW Q/var实验数据 219.54 6.98 3.28 0.95 1.45 480.91标准仪器测量结果 220.12 7.002 3.4 0.953 1.469 466.974相对误差 /% 0.263 0.314 3.529 0.315 1.293 -2.984表 1 电力参数测量结果吴 辉 袁 等 院 光伏并网逆变器的电能质量分析第 1 期 87电 源 学 报 总第 45 期渊 上接第 83 页 冤Research on Commutation Strategy for Two-Stage Matrix ConverterSONG Wei-zhang 1, ZHONG Yan-ru 1, YUAN Yue1, WANG Feng-ge 2, WANG Wei 1, WANG Zhao1(1. Department of Electrical Engineering, Xi 爷 anUniversity of technology,Xi 爷 anShanxi 710048,China; 2. NorthwestInstitute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang Shanxi 712099,China)Abstract 院 Aiming at the special commutation problem of two -stage matrix converter (TSMC), a commutation strategy isstudied, which makesTSMC work safelyand reliably. The commutation principle was deduced with an experimental setup.At last,anexperimental prototype was establishedbasedon XE164+CPLD. The experimental resultsindicate that the four-step commutation is asafeand reliable commutation method, which would not affect the input and output performance, but also makesTSMC work safelyand reliably.Key words 院 two-stage matrix converter; modulation strategy;commutation strategyConsideration[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2005, 41(4): 1075-1083.[4] Szymanski B J, Roslaniec L, Dmowski A 袁 etal. Operation ofPhotovoltaic Power Systems with Energy Storage [C].Compatibility and Power Electronics (CPE), 2011 7thInternational Conference-Workshop, 2011 院 86-91.[5] Qiufeng Shang, Chonggao Du. A Novel MeasurementSystem of Electric Power ParametersBased on DSP andARM [C]. 2009 International Conference on MeasuringTechnology,2009(3): 353-356.[6] Dehui Liu, Gaohua Liao. Multi-functional Power ParameterHarmonic Detection System [C]. Information Engineering(ICIE), 2010 WASE International Conferenceon, 2010(4):173-176.[7] 蒋正友 袁 李阳 袁 秦静 . 谐波检测方法综述 [J]. 变频器世界 袁2011(2) 院 107-110.Analysis of Power Quality for Grid-connected Photovoltaic InverterWU Hui, LIN Fang, LIU Hong-peng, WANG Wei(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150001, China)Abstract 院 The accurateand real-time detections of grid voltage and current from PV inverter have great guide significance forthe reliable operation of PV grid-connected inverter. The software realization methods of power quality analysissystembasedon Z-sourcePV grid-connected inverter was analyzed.RMS, active power, reactive power and other power parameterswere obtained bysampling and processinggrid voltage and grid-connected current. FastFourier Transform (FFT) algorithm was proposed to calculateTHD of the grid-connected current. Experimental results demonstratethe availability and correctnessof the theoretical analysisandsoftwaredesign.Key words 院 PV grid-connected inverter; power parameter; FFT; grid-connected current88