《电子技术应用》

DSP控制的3 kW非隔离型并网逆变器研究

来源:微型机与应用2012年第2期 作者:薛家祥,崔龙彬,张红卫,廖天发,张思章
2012/4/5 9:39:54

摘  要: 提出了一种基于DSP控制的非隔离型并网逆变器的实现方案。介绍了该并网逆变器结构及原理,给出了基于DSP控制的硬件和软件的总体设计,实现了基于电压扰动观察与控制的最大功率点跟踪(MPPT)和无差拍控制的并网控制策略,并测试了其孤岛保护,完成了3 kW的实验样机及相关实验,对实验波形的分析证明了该控制策略和方案的有效性。
关键词: 非隔离型;DSP控制;并网逆变器;MPPT;无差拍控制

    近年来,应用于可再生能源的并网逆变技术在电力电子技术领域形成研究热点,非隔离型并网逆变器在太阳能光伏、风力发电等新能源系统中具有广阔前景。太阳能、风能发电的重要模式是并网发电,并网逆变技术是太阳能光伏并网发电的关键技术。光伏并网发电系统的逆变器主要基于以下技术特点:(1)具有宽的直流输入范围;(2)具有最大功率点跟踪;(3)并网逆变器输出电流与电网电压同频同相,波形畸变小,满足电网质量要求;(4)具有孤岛检测保护功能;(5)逆变效率高。非隔离型光伏逆变器在满足以上技术要求的同时,还具有体积小、重量轻、成本低等优点,已成为光伏并网逆变器领域研究的重要方向。目前国内对非隔离型并网技术的研究取得了很大进展,但在EMI/EMC、效率、系统稳定性、漏电流等方面还有待改善。
1 非隔离型并网逆变器结构及工作原理
    非隔离型并网逆变器如图1所示,主电路分为两级变流结构,前级是BOOST升压电路,主要将太阳能板输入的低压直流电升压为适合并网的稳定的高压直流电,同时对太阳能光伏阵列进行最大功率点跟踪控制;后级为全桥逆变电路,把稳定的高压直流电逆变成与电网电压同频同相的交流电。

    前级BOOST升压电路采用MSOFET作为功率器件,工作频率为20 kHz,采用光耦驱动方式,结构简单,效率高,成本低;后级全桥逆变电路的PWM调制采用单极性脉宽调制控制方式,两上桥臂功率器件采用导通压降低的慢速型IGBT,工作频率为50 Hz;两下桥臂采用开关损耗小的快速型IGBT,工作频率为20 kHz。逆变驱动信号由半桥驱动芯片IR2113驱动同一桥臂的上下两个开关管,IR2113是上管通过自举电容驱动的上下桥臂驱动芯片,输入为共地的逻辑电平信号,具有峰值2 A的驱动能力,可输出使能控制信号,并且具有驱动电压低压锁存功能。采用前级BOOST升压和后级逆变部分高低频结合的全数字化控制方式,使逆变器整机效率达到了97%以上。
2 控制系统的硬件设计
    本文研究的并网逆变器系统控制核心是TI公司推出的高性能32 bit定点处理器TMS320F2808,拥有64 KB的Flash程序存储器和18 KB的单口RAM, 16通道电压型的12 bit A/D转换接口,多达36个I/O口,3个32 bit定时器,多达16个PWM输出通道,其最高工作频率可达到100 MHz[2],能很好地满足各种控制算法、信号处理等实时运算的需求,实现逆变器系统的高精度调节。
    图2为非隔离型并网逆变器控制系统的结构图。并网逆变器控制系统主要包括DSP及其外围电路、驱动电路、电流电压采样电路、锁相环电路,各种保护电路等。电流电压采样电路包括PV输入电流电压采样电路、逆变输出电流采样电路、电网电压采样电路、直流母线电压采样电路。另外为保证整个系统的安全性和可靠性,DSP控制系统设置了完善的检测和保护电路,包括PV输入电压、直流母线电压、电网电压过压欠压保护电路、输入输出过流保护、过热保护电路等,保证了系统安全可靠地运行。

3 控制系统的软件设计
3.1 软件流程图设计

    主程序和中断服务子程序流程图如图3所示,整个系统的A/D采样、控制算法都在TMS320F2808中实现。在主程序中,主要完成一些状态的判断,如开关信号的开启与关断、SPI通信等功能。关键的控制算法和A/D采样均在电网电压捕获中断服务子程序和PWM中断服务子程序中完成。在电网电压捕获中断服务子程序中,完成A/D采样及数字滤波处理,调用PI恒压控制子程序控制直流母线电压,调用MPPT控制子程序进行最大功率点跟踪,调用锁相环子程序实现输出电流与电网电压同频同相等。在PWM中断服务子程序中,完成A/D采样并进行数字滤波处理,通过无差拍并网电流控制公式计算出每个开关元件的占空比大小等。

3.2 光伏阵列功率点控制策略
      最大功率点跟踪(MPPT)是当前较广泛采用的光伏阵列功率点控制策略。实现最大功率点跟踪的方法主要有恒压法、扰动观察法(P&O)、增加电导法(INC)等[3]。
    本文在非隔离光伏逆变器系统中采用扰动观察法。其原理是先扰动输出电压值(U+ΔU),再测量其功率变化,与扰动之前功率值相比,若功率值增加,则表示扰动方向正确,可朝同一(+ΔU)方向扰动。若扰动后的功率值小于扰动前,则往相反(-ΔU)方向扰动[4]。图4即为扰动观察法最大功率跟踪程序流程图。
    由太阳能模拟器测试该逆变系统的MPPT工作点,通过扰动观察法调节电压值,使其达到最大功率点,图5所示为MPPT控制过程,由图可知功率点跟踪效果非常好,太阳能板的输出效率达到99.86%。

 

 

3.3 并网控制策略
    并网控制策略主要有瞬时PID控制、重复控制及无差拍控制等,本文的非隔离型并网逆变系统中采用基于电流无差拍控制的PWM方法。无差拍控制(Deadbeat Control)具有瞬时响应快、精度高、总谐波(THD)小等特点,是一种基于电路模型和状态观测器的控制方法[5]。
    无差拍控制与传统的PI控制算法相比,能更大限度地发挥数字控制器的优势。无差拍控制的基本思想是根据本周起以前的采样值,用模型计算出要达到指定的状态和输出所需要的方波脉冲宽度和极性,使输出的电流值与下一采样时刻值相吻合。不断调整每一采样周期内方波脉冲的极性与宽度,就能使输出的实际的电流波形接近于指令电流波形,从而在很低的开关频率下,也能得到高质量的输出电流波形[6]。
    无差拍并网控制的计算公式为:

 

4 实验波形与分析
    根据上述方案,搭建完成额定功率为3 kW的实验样机,图8为逆变器在额定功率下的输出电流波形和电网电压波形。由实验波形可知,并网逆变器输出电流波形与电网电压同频同相,用电参数分析仪器测得的电
流谐波Athd为3.1%,功率因数PF为0.998,输出电流直流分量Adc为26.28 mA,电流正负峰值Apk+、Apk-为11.103 A、-11.180 A,电压正负峰值Vpk+、Vpk-为345.8 V、 -342.9 V。以上参数都符合设计的要求,在允许误差范围内,波形畸变小,满足电网质量要求,从而验证了该方案的合理性和有效性。

    本文分析了非隔离型并网逆变器结构及原理,通过实验分析了控制系统的软硬件实现以及最大功率点跟踪、并网、孤岛保护控制策略。
参考文献
[1] 沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2] Texas Instruments Inc.TMS320LF2808 PWM Full Compare in Asymmetric Mode[S].2002.
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[4] 汪海宁,苏建徽,丁明.光伏并网发电系统中的最大功率跟踪控制[J].电工技术,2004(09):4-6.
[5] 郭卫农,段善旭,康勇,等.基于DSP实现的无差拍控制的逆变器[J].通信电源技术,2001(01):1-4.
[6] 黄文俊,余晓建,沈永林.单相并网逆变器的Deadbeat控制[J].电力电子技术,2007,41(02):10-12.
[7] Yu Bin,Chang Liuchen.Development of a 10 kW singlephase IGBT inverter for grid-connected PV applications[J]. Canadian Solar Buildings ConferenceCalgary.2007(5):10-14.
[8] ISHIDA T,HAGHTAR R,YUGO M,et al.Anti-islanding proetction using a twin-peka band-pass filetr in inetcronneeetd PV sysetms and substantiatin gevaluations[C].Coneference Record of the Twenty Fourth;IEEE Photovoltaic Speeialists Coere,1994(1):1077-1080.
 

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