基于DSP的并網(wǎng)逆變器研究

鄺宇 袁瑜霞

摘 要：文章介紹了10KW光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于DSP控制的實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的自尋優(yōu)逆變算法。研究系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能，使系統(tǒng)逆變輸出的交流電諧波含量低，符合與市電并網(wǎng)發(fā)電的要求。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了逆變系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)；逆變器；自尋優(yōu)逆變算法

1 概述

在油價(jià)高企、能源緊缺、環(huán)境保護(hù)日益重視的今天，尋找新能源、替代能源，保護(hù)環(huán)境的問(wèn)題顯得尤為突出，而大規(guī)模地開(kāi)發(fā)利用可再生潔凈能源是將來(lái)科技發(fā)展的主要方向。太陽(yáng)能用之不缺，取之不盡，源源不斷。太陽(yáng)能發(fā)電，不會(huì)造成環(huán)境污染，是新一代的清潔能源，世界各國(guó)都在加緊研究，加強(qiáng)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用，發(fā)展太陽(yáng)能利用，降低太陽(yáng)能的利用成本，使之達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用目的。文章論述的太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是將太陽(yáng)能電池輸出的直流電逆變成交流電，并送入電網(wǎng)。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

光伏并網(wǎng)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，其中最常用的有：高頻隔離并網(wǎng)、高頻不隔離并網(wǎng)、工頻隔離并網(wǎng)等幾種。工頻隔離型是最常用的結(jié)構(gòu)，也是目前市場(chǎng)上使用最多的逆變器類(lèi)型。逆變器加入了工頻變壓器，既保證了系統(tǒng)不會(huì)向電網(wǎng)饋入直流分量，又提高設(shè)備安全性。此并網(wǎng)逆變器采用工頻隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。硬件包括直流采樣電路、H橋逆變電路、LCL濾波電路、隔離變壓器、交流采樣電路和DSP信號(hào)處理單元，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，直流采樣電路包括直流電壓采樣和直流電流采樣。直流電壓采樣是通過(guò)1M的電阻和10k級(jí)電阻進(jìn)行分壓，直流電流采樣是通過(guò)霍爾傳感器把電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后兩者接入由阻容構(gòu)成的低通濾波電路濾波后進(jìn)入DSP的AD模塊端口。逆變電路是由四個(gè)開(kāi)關(guān)功率管組成的橋式逆變電路，每對(duì)開(kāi)關(guān)管中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作模式不一致，一個(gè)開(kāi)關(guān)管處于高頻PWM工作模式，另一個(gè)處于工頻工作模式。LCL濾波電路是采用兩個(gè)高頻共模電感器和安規(guī)電容組成。隔離變壓器由低溫升的鐵芯環(huán)形變壓器做成。變壓器的輸入電壓為120v，輸出電壓220v。信號(hào)處理單元通過(guò)直流采樣電路和交流采樣電路檢測(cè)的電參量，計(jì)算開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制全橋逆變電路產(chǎn)生SPWM波電流；該電流由LCL電路濾波成正弦波電流，再經(jīng)隔離變壓器并到電網(wǎng)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的控制方案及技術(shù)環(huán)節(jié)分析

在一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于自然環(huán)境變化，如日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等影響了太陽(yáng)能電池板工作點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整輸出功率來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，從而使太陽(yáng)能電池板工作在最大功率工作點(diǎn)（MPP）。

文章采用的DC-AC變換器可以等效為一個(gè)變比為k的阻抗變換器，可以將太陽(yáng)能電池等效為一個(gè)電壓隨日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化，內(nèi)阻隨負(fù)載變化的電壓源。圖2（a）為具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）逆變控制系統(tǒng)的等效電路圖，為了便于分析，利用DC-AC變換器的阻抗變換的特性，可以將其簡(jiǎn)化為圖2（b）[1]。

圖2 （a）DC-AC變換器的MPPT逆變框圖

圖2 （b）簡(jiǎn)化后的等效電路

根據(jù)太陽(yáng)能電池板的功率——電壓輸出特性曲線(xiàn)圖可知，太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)具有唯一性，太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)此時(shí)由負(fù)載變化決定。所以通過(guò)調(diào)節(jié)DC-AC變換器的占空比D來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）是可行的。根據(jù)DC-AC變換器的工作特性可知，輸入功率Pin=輸出功率Pout，即

Pin=Pout （1）

又根據(jù)DC-AC變換器的輸入輸出關(guān)系可知

■=k （2）

由式（1）、（2）可得

（■）2=■=■ （3）

由（3）式可知，RL=■/■，根據(jù)最大功率輸出定理（戴維南定理）可知，當(dāng)太陽(yáng)能電池等效內(nèi)阻等于負(fù)載電阻，即Req=RL=■/■時(shí)，太陽(yáng)能電池有最大功率Pmax輸出，即

由上式可以推出，在一小段時(shí)間內(nèi)，外部環(huán)境因素變化不大的條件下，一定存在變比值k，可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池工作在最大功率輸出點(diǎn)附近。

文章采用的最大功率跟蹤的算法是基于多穩(wěn)態(tài)dp/dv特征曲線(xiàn)的判斷法。最大功率點(diǎn)的跟蹤實(shí)際上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程。通過(guò)對(duì)光伏電池當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測(cè)，得到當(dāng)前光伏電池輸出功率，再與已存儲(chǔ)的前一時(shí)刻光伏電池功率相比較，舍小存大，再檢測(cè)、再比較。如此不停地周而復(fù)始，便可使光伏電池動(dòng)態(tài)地工作在最大功率點(diǎn)上。[2]

圖3為逆變器系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖。DSP信號(hào)處理單元的輸入信號(hào)為四路的AD采樣信號(hào)，輸出信號(hào)為驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的SPWM信號(hào)。從直流采樣電路得到的 Udc和Idc進(jìn)入DSP信號(hào)處理單元，經(jīng)過(guò)MPPT運(yùn)算，計(jì)算出參考電壓Uref的大小，然后轉(zhuǎn)換成輸出電流I*。交流采樣電路得到的Uac經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)（PLL），得到與電網(wǎng)一致的正弦波信號(hào)sinθ。sinθ與I*相乘，得到實(shí)時(shí)的原始參考電流，再經(jīng)過(guò)與電網(wǎng)實(shí)際輸出電流Iac比較反饋，得到參考電流Iref*，進(jìn)入電流控制器，最后經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制，得到開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。該算法的特點(diǎn)在于，連續(xù)采樣5次Udc和Idc，判斷參考電壓的方向和大小，計(jì)算出這5次參考電壓的平均值，以此作為新的參考電壓參與控制運(yùn)算。運(yùn)用此方法，可以補(bǔ)償AD的精度，避免系統(tǒng)控制的發(fā)生振蕩。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，已搭建好了實(shí)驗(yàn)裝置，其各部分參數(shù)如下：逆變器的輸入電壓為120V，輸出電壓220V。并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相同頻，功率因數(shù)接近0.99，輸出電流有效值15A，輸出功率3.3KW。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章描述了一種光伏并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)。首先介紹了自適應(yīng)的MPPT算法來(lái)解決太陽(yáng)電池板陣列輸出電能因光輻射強(qiáng)度變化而改變的功率問(wèn)題。然后詳細(xì)解釋逆變器系統(tǒng)的控制算法。本項(xiàng)目的樣機(jī)已經(jīng)可靠運(yùn)行了一年多時(shí)間，該逆變器的效率在0.9以上，功率因數(shù)可達(dá)0.99，輸出電流的基波分量占99.5%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方案的有效性和實(shí)用性，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的精確控制，且系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)，提高了并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的饋電質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]黃躍杰. 新型光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略研究[D].上海大學(xué)，2005.

[2]王環(huán)，金新民. 小功率光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的研制[J].電源技術(shù)， 2003（7）.

作者簡(jiǎn)介：鄺宇（1983-），男，廣東省清遠(yuǎn)市人，工作單位：中科院廣州電子技術(shù)有限公司，職務(wù)：工程師，研究方向：特種電源技術(shù)。