单周期、单极性控制方法在光伏逆变器中的应用

第3期2011年5月电源学报JournalofPowerSupplyNo.3May.2011曾奕彰袁蔡逢煌(1.厦门科华恒盛股份有限公司袁福建漳州363000曰2.福州大学袁福州350002)摘要院光伏并网逆变器需要对光伏能量变化和电网变化的响应保证快速性和稳定性袁在分析单周期电流控制和单极性逆变控制工作原理的基础上袁给出相应地算法和软硬件实现方法袁并应用在6kW的单相并网逆变器上袁样机实验结果表明该方法具有良好的动静态特性袁符合光伏并网逆变器的设计要求遥关键词院单周期曰单极性曰光伏曰并网曰电流控制中图分类号院TM464文献标志码院A文章编号院CN12-1420渊2011冤03-0053-04太阳能分布广泛尧安全尧不污染环境袁是国际公认的理想可再生能源[6]遥而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一遥光伏并网逆变器有多种拓扑结构袁在此讨论单级式光伏并网发电系统袁其最大优点就是效率高袁只有一个能量变换环节袁拓扑结构简单袁无需储能环节遥另外袁单极性逆变拓扑结构可以有效地防止电网电压反灌袁在太阳能并网发电中优势比较明显遥并网逆变器的控制目标是院通过数字控制技术在并网逆变器交流侧实现最大功率跟踪功能和单位功率因数并网运行袁同时利用波形控制技术实现高质量的电流波形质量袁减少谐波对电网的污染袁实现安全发电[4]遥单周控制理论(0ne要CycleContro1)是由美国加州理工学院的K援M援Smedley博士于上世纪90年代初提出的一种大信号非线性控制理论方法袁它是在开关放大器PWM控制的基础上发展起来的[5]遥其突出优点是无论稳态还是暂态袁都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号袁即能在一个周期内有效地抵制电源侧的扰动袁既没有静态误差也没有动态误差袁动态响应快速袁对输入扰动抑制能力强[1-3]遥图1太阳能并网逆变器主拓补图图1给出单相单级性光伏并网系统的拓扑结构图遥由前级的PV单元尧中间的逆变单元尧后级的电网单元组成袁其中逆变单元是一个全桥电路袁由主控制芯片TMS320F2812提供四路驱动袁即Q2,Q4为50Hz的方波袁Q1,Q3为16kHz的高频调制波袁这样可以有效地避免电网的电流反灌和提高效率遥Q1和Q4导通时袁输出为正半波袁Q2,Q3导通时输出为负半波遥逆变单元的输出采用LC滤波电路以滤除高收稿日期院2011-03-10作者简介院曾奕彰渊1974-冤袁男袁福建漳州袁厦门科华恒盛股份有限公司研发中心项目经理袁多年从事电力电子尧UPS开发设计遥蔡逢煌渊1976-冤袁男袁福建福州袁福州大学电气工程与自动化学院袁博士后袁研究方向为电力电子控制遥电源学报总第35期频成分遥由图1我们可以列出单相单级式光伏并网系统的单周期控制数学模型遥下面分析输出正半波电流时的数学模型袁负半波时推理方面一样遥式中院L为逆变输出滤波电感袁u軈d渊k冤袁u軈grid渊k冤袁i渊k冤分别为k时刻逆变器的直流母线电压尧电网电压和输出并网电流袁Ts为PWM控制周期袁在锁相模块中进行控制遥D为占空比遥在一个开关周期内袁当VT3和VT2导通期间袁电感电流增量方程为院即(1)在VT3关断期间袁电感电流通过VT4的反向二级管续流袁增量方程为院即(2)所以在一个开关周期内袁并网电流增量为院(3)由式(3)可得第k点PWM控制周期的占空比公式为院(4)式中院驻i渊k冤为下一周期的电流给定值与当前周期电流平均值之差遥从式渊4冤求得k时刻占空比袁将其作用于逆变器开关器件袁即可让k+1时刻并网电流跟踪上参考电流遥因为电感中的电流为折线遥通过数学分析可知袁周期的平均值等于折线中点处的瞬时值遥通过使用高性能的DSP芯片袁完全可以用软件实时测量开关周期内电流的平均值遥主控芯片采用功能比较全面的TMS320F2812袁主要完成对各采样量的数字运算和最终4路PWM驱动方形的输出曰通过霍尔传感器实现输出逆变电流的瞬时值If渊K冤采样曰通过变压器TV302实现电网电压瞬时值Un渊k冤的采样曰功率回路器件选择院IGBT采用H桥的80A/600V结构比较紧凑袁抗干扰性好袁隔离驱动电路采用光耦HCPL-316J带有C级保护及复位功能曰主变压器考虑太阳能电压情况选择变比220/185V可以满足能量变换要求及提高转换效率曰考虑电流型输出模式袁因此该变压器中加入漏感袁等效输出电感量为6mH袁输出电容根据截止频率计算值2滋F就行了袁考虑波形修正度袁选择6滋F遥并网逆变器通常采用电流跟踪控制袁电流给定为正弦波电流袁频率等同电网周期遥以固定频率PWM控制逆变器输出时袁就是控制每个PWM周期的占空比袁从而使每个PWM周期内的输出电流跟随给定遥电流给定为正弦波袁以PWM周期为一个单位袁将一个周期内的指令电流离散成许多点袁形成一个指令电流正弦表遥电流跟踪控制的目的就是通过控制PWM来控制输出电流袁使输出电流跟随指令电流正弦表中相应的数值遥PWM频率越高袁控制效果越好袁但是对控制芯片处理速度的要求也越高遥本设计中将电网一个周波分解为320个点袁单周期时间为62.5滋s遥在中断程序中袁需要利用单周期控制算法计算下一个开关周期的占空比袁并且在PWM加载点之前写入PWM加载寄存器遥在A/D转换完成中断程序中袁已经得到了电流平均值尧电网电压和母线电压袁通过电流指令的索引值可以得到下一个周期的电流指令值袁与当前电流平均值比较袁可得到电流变化量吟I袁然后通过公式渊4冤算出下个开关周期占空比遥在A/D转换完成中断程序中袁需要将电流索引变量加1遥由于输出直接和市电并联袁因此需要和市电即时同步袁因此在DSP程序中采用中断袁和含有硬件构成的同步信号获取上升沿电路配合袁在处理同步54信号程序中袁实现初始化电流正弦表的索引变量遥实验采用TI公司的TMS320F2812DSP为控制芯片袁试制了6kW的单相单级性并网型光伏逆变系统袁实际样机的并网测试实验结果如图2至图4所示袁其中图2为轻载(所接光伏阵列最大输出功率800W)时的并网电流尧电网电压及开关管输出波形遥图3为半载渊所接光伏阵列最大输出功率为3kW冤时电网电压尧并网电流波形袁并网电流总谐波失真度(THDi)仅为2.5%袁功率因数为0.999遥图4为满载渊所接光伏阵列最大输出功率为6kW冤时电网电压尧并网电流波形袁此时并网电流总谐波失真度(TH鄄Di)仅为1.7%袁功率因数为0.999袁说明所发的电几乎都为有功功率遥图2负载800W时电压电流波形图3负载3000W时电压电流波形图4负载6000W时电压电流波形在设计机型6kW逆变器中并网发电轻载尧半载尧满载的运行数据如表1所示院表1逆变器运行数据负载渊kW冤直流电压/V直流电流/A电网电压/V输出电流/ATHDu/%THDi/%PF效率/%0.815364.32.446230.03.6196.110.80.97891.462.962364.38.575229.712.946.42.90.99694.823.166367.09.087230.813.766.12.70.99794.935.876364.817.063235.525.026.41.70.99794.405.965364.817.387235.125.456.41.80.99794.046.053364.417.663234.625.886.31.80.99794.04曾奕彰袁等院单周期尧单极性控制方法在光伏并网逆变器中的应用第3期55电源学报总第35期单周数字直接控制的逆变器控制方法是一种PWM生成方法袁经过和单极性拓扑方式计算袁在6kW太阳能并网逆变器实际使用中袁动态响应快速袁对输入扰动抑制能力强袁输出电流波形稳定尧谐波分量小袁整机效率高袁验证了本应用方法的可行性遥参考文献院[1]闫耀民袁范瑜袁王跃.单周期控制在矩阵式交流稳压电源中的应用研究[J]援电力电子技术援2003袁渊5冤.[2]惠娅倩袁王明渝.基于单周控制的电压型可调交流电源[J].重庆大学学报袁2005袁28渊9冤院31-34.[3]朱锋袁龚春英.单周期控制BoostPFC变换器分析与设计[J].电力电子技术袁2007袁41渊1冤院100-102.[4]李政岷袁李建林.单周期控制在并网变流器中的应用[J].变流技术袁电气应用袁2008袁27渊4冤院35-39.[5]曹广华袁胡宗波袁张波.单周期控制BoostPFC变换器[J].电力电子技术袁2005袁39渊3冤院6-7.[6]张超袁何湘宁.一种用于光伏发电系统的新型高频逆变器[J].电力系统自动化袁2005袁29渊19冤:51-53.ApplicationofOne-cycleSingle-stageControlMethodinGrid-connectedPhotovoltaicInverterZENGYi-zhang1,CAIFeng-huang2(1.KehuaElectronicCo.,Ltd,ZhangzhouFujian363000,China;2.FouzhouUniversity,FouzhouFujian350002,China)Abstract院Grid-connectedPhotovoltaicInvertershouldensurethestabilityandrapiditytotheresponseofphotovoltaicpowerandgrid.Basedontheanalysisofone-cycleandsingle-stagecurrentcontrolstrategyoninverter,thealgorithmandsoftware-hardwareisappliedtoaone-cyclesingle-stage6kWgrid-connectedphotovoltaicInverter.Prototypeexperimentalresultsshowthatthemethodhasgooddynamicandstaticcharacteristicsandisdefinitelyfittogrid-connectedphotovoltaicinverterdesign.Keywords院one-cyclecontro1;single-stage;photovoltaic/solarenergy;grid-connected;currentcontrol56