合肥工業大學碩士學位論文光伏并網/獨立供電兩用逆變電源的研究姓名：吳杰申請學位級別：碩士專業：電力電子與電力傳動指導教師：茆美琴20050601摘 要光伏并網發電系統與光伏獨立供電系統是光伏系統技術中的重要應用領域，其適宜于不同的應用場合，兩者的有效結合即將并網發電功能與獨立逆變供電功能集于一體，可以進一步拓展其應用范圍并簡化結構和減少投資。本文在對并網逆變和獨立逆變技術研究的基礎上，根據其結構和控制的特點，成功實現并網發電與獨立供電的系統集成，下面是本文所做的工作。1能夠完成獨立逆變、并網逆變、SPWM整流充電等工作模式的切換與控制。2獨立逆變的控制策略選擇，包括輸出電壓控制方式的選擇。分析了死區對輸出波形的影響及其補償方式。3。對光伏并網逆變中輸出電流的控制策略做了分析比較，采用了前饋加反饋的復合控制策略，使系統的穩定性和快速性都滿足要求。4采用以負載獲得功率的變化代替傳統的以光伏陣列輸出功率的變化來進行最大功率跟蹤的控制策略，實現了光伏陣列的真正最大功率點跟蹤(TMPPT)。5分析了發生孤島效應的原因，采用了基于主動頻率偏移方式實現孤島效應防止。6設計出以DSP芯片TMS320LF2407A為控制核心的逆變裝置，實現了它和w77E58芯片的監控、顯示和通訊功能。關鍵詞： 并網逆變獨立逆變sPwM整流孤島效應最大功率跟蹤DsP控制器AbstractPhotovoItaic gfidconnected system and phOtoVoltaic independent system a他two malnappljcation neld of photoVoltajc technique，which is used in Various situationTherefore，theemcient integra“On of the two function w川enlarge its陽nge of application and decrease jtscostAccording to the characteristic Of structure and control，gridconnected generation andindependent power are inte鱸ated in one system successfulIyThe main study of this paper asfollows：1：AchieVed themction of independent inVen，gridconnected inVert，SPWM ch盯ging，what more，the dif】erent modes could be switched2：Chosen an appropriated contfol strategy for independeut inver【er such as outputvoltageThe innuence and compensation of deadtime is analyzed3：Compared a11d allalyzed the conol of cunnt iIl鰣dconnected inverteL An hybridcOntrol麗(h forward feed and feedback is adapted in this paper，and the results ofstability and fast response are satisfied4：AchieVed the tnle maxim po、ver poim trace of s01ar arTay by adapting an impr0VedMPPT contr01，which trace the Ioad power instead of the power of s01ar array5：Actjve Frequency Drift to realize the antiisland f“nction according t0 the reason ofislalld efrecc6：Desi齟ed me invener、vith DSP(TMs320LF2407A)and its communlcatIon withW77E58Key words：singIe invert，鰣dcorulected inven，sPwM cha豫ing，islanding e行ect，TMPP T，DSP cOntr01合 肥 工 業 大 學本論文經答辯委員會全體委員審查， 確認符合合肥工業大學碩士學位論文質量要求。答辯委員會簽名土席：易J函己辛糾z學為孑緯形纜矽紉荔磊委員： 厲熾弋岷夏C習縟導師： 疥姜罵彳My 彩媛脅億7圳善 務砭轟警冗二影，芬爭哆姓彬礎pF伽鋤插圖清單圖11帶工頻變眶器的獨立發電系統框圖圖12帶工頻變壓器的并網發電系統框圖 圖1 3帶DC，DC升雎的獨立發電系統框圖 圖14帶DC，DC升壓的并網發電框圖 圖21系統結構圖1 圖22系統結構圖2 圖23系統結構圖3 圖2 4太陽電池陣列的，-v特性曲線 圖2 5不同F=i照量下的1V和PV特性曲線圖26 SPWM整流充電控制結構圖 圖31系統獨立逆變結構圖 圖32逆變系統的穩態結構框圖 圖33采用前饋校正的獨立逆變系統結構圖 圖34加入死區時間圖 圖35死區產生分析圖 圖36死區對輸出的影響 圖37電流反饋型補償 圖38電壓反饋型補償 圖39電流反饋型死區補償流程 圖41帶工頻變壓器的逆變結構圖 圖42帶DC，DC升壓的逆變結構圖 圉4 3電壓型并網主電路拓撲 圖4 4并網系統常用DC，DC變換器拓撲 圖45采用滯環比較器的瞬時值比較方式的原理圖圖46定時控制的電流瞬時值比較方式原理圖圖47電流三角波比較方式的原理圖 圖48單相并網示意圖 圖49單相并網結構圖 圖410逆變環節反饋控制結構圖 圖411加前饋的并網系統結構框圖圖412并網系統控制框圖 圖413光伏并網系統定電壓型控制原理圖圖414搜索晟大功率點 一圖4 15TMPPT最大功率跟蹤原理結構圖 圖5 1系統控制電路 圖52M57962L功能框圖 圖53 M57962L驅動電路示意圖衛衛與巧甩館o：!們侄似1212伯仃他伯伯加如糾挖鴿“巧玎玎引引加圖5 4 HCPL 4504功能框圖 圖55lPM模塊驅動電路示意圖圖56串口通信接口電路圖57W77E58與液晶顯示屏接口電路 圖5 8鍵盤電路 圖59雙串L】通訊電路 圖510多機組網運行示意圖 圖511直流過壓保護 圖512直流過流保護 圖513驅動電源欠壓保護 圖5 14散熱器過熱保護 一圖61主程序流程圖 圖62 PwM中斷程序流程圖圖63捕捉中斷流程圖 圖6 4監控系統主程序流程圖 圖6 5鍵盤模塊流程圖 圖66顯示模塊流程圖 圖67通訊模塊流程圖 圖68串口0中斷程序流程圖 圖69串口1中斷流程圖 圖71 3千瓦并網電流和電網電壓的波形圖72獨立逆變空載電壓和電流波形圖73獨立逆變帶3千瓦阻性負載電壓波形 柏訓鉈躬“朽衢們們船盯船剛娩弱弘：f；弱獨創性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究T作及取得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也1：包含為獲得 金壁王些厶坐 或其他教育機構的學位或址書而使用過的材料。與我一同上作的同志對本研究所做的任何貢獻均已住論文中作了明確的說明剪表示謝意。學位論文作者簽名： 多、西、 簽字日期：年月夕日學位論文版權使用授權書本學能論文作者完全了解金膽工些厶=13蘭有關保留、使矧學位論文的規定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權僉日!業盤!芒一可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印和掃描等復制手段保存、匯編學能論文。(保密的學位論文在解密后適Hj本授權書)學位論文作者簽名： 只互 導師簽名簽字日期：妒，年g月?)日 簽字日期i學位論文作者畢業后去向工作單位；通訊地址：屯話：郵編：瑟，朗寫戎年竊塒致 謝首先感謝我的導師茆美琴老師，從論文的最初選題到最終定稿，茆老師都給予了大量的指導和幫助，在整個論文工作期間，茆老師嚴謹的治學態度、淵博的專業知識和誨人不倦的作風給我留下了深刻的印象，讓我受益非淺。我要向我敬愛的導師表示由衷的敬意和真誠的感謝。感謝蘇建徽老師對我的諄諄教導。沒有蘇老師的殷切關懷，我是不可能這么順利完成我的碩士論文的，我的每一點進步和成績都是和蘇老師的幫助分不開的。畢業之際，我幾乎無法用詞語準確地表達我對蘇老師的崇敬和無限感激。張國榮老師在我實際的學習過程中給予了極大的幫助?？梢詻r學習中沒有張老師不厭其煩的講解和指導，我不可能有今天這么多的成績，謝謝您張老師!另外，我還要感謝能源所的其他老師，在我遇到困難時，他們總是無私地耐心給我幫助。他們對我的論文同樣給予了極大的幫助和支持。他們是杜燕老師、汪海寧老師、劉翔老師、杜雪芳老師、張鍵老師。向關心和幫助我的同學表示深深的謝意，我們互相學習，共同進步，我從他們那里學到了許多寶貴的經驗和知識，他們分別是鄭詩程、王雪飛、葉愛芹、鞠洪新、任祖德等、魏剛、黃媛、朱小強、馬志保、齊發、張志剛、謝磊等同學，還有師弟潘江洪、公平、梁海濤等同學。最后要向關心我的家人和朋友表示我最深切的敬意和衷心的祝福!作者：吳杰2005年5月15 F1第一章 緒 論進入21世紀以后越來越多的人開始關心能源問題，原因很簡單，就是不可再生能源的枯竭造成的，如何解決能源問題，是每個國家都必須面臨的，在人們繼續發掘新的礦物能源的同時，可再生能源的利用也就越來越顯得重要，尤其是太陽能，它已逐漸成為一種重要的礦物能源的替代形式，無聲無息的進入了人類的生活圈。11太陽能的利用形式太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質能、風能、海洋能、水能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。A陽能作為町再，聿能源，是指太陽能的直接轉化和利用具有可持續性。通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術，再利片j熱能進行發電的稱為人陽能熱發電，也屬于這一技術領域；通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能利用的屬于太陽能光發電技術，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉換的，因此又稱太陽能光伏技術。太陽能的利用主要有以下j種形式：1太陽能的熱利用(1)太陽能熱水器(2)太陽能建筑 (3)太陽能熟發電2 太陽能的光化學利用太陽能的光化學利用主要是指：太陽能光合作用、太陽能化學儲存、太陽能催化光解水制氫、太陽能光電化學轉換(如染料敏化納晶半導體薄膜太陽電池等)等方面的新技術。其中令人看好的能制氫技術將可能是促進入類大規模利用太陽能的關鍵技術之一。3 太陽能的光伏利用太陽能的光伏利用是太陽能利用的主要形式，主要分為五類：(1)獨立發電系統(2)并網發電系統(3)光電光熱結合系統(4)風光互補系統(5)專用系統。以上形式中光化學轉化在自然界中以光合作用為主要存在形式，人類不能很好的利用；光熱利用由于受到能量傳輸不方便因素的影響，一般只能就地使用，而光伏利用體現在光伏發電上，它是以電能形式表現，在存儲、傳輸、通用性等方面都有著很大優勢，隨著半導體工業的發展，蓄電池咸水的降低和使用效率的提高，太陽能的光伏利用必將成為一種重要的能源利用形式。12 電力電子技術在光伏技術中的應用光伏利用的兩種重要彤式是太陽能獨立發電和太陽能并網發電，這兩種形式的系統框圖有如下幾種：圖1一l帶工頻變壓器的獨立發電系統框圖圖l一2帶工頻變壓器的并網發電系統框圖圖13帶DCDC升壓的獨立發電系統框圖圖14帶DCDC升壓的并網發電框圖圖ll中太陽電池首先將太陽能轉化成直流電能形式，由帶有最大功率點跟蹤的光伏充電器將太陽電池中的電能以最大功率給蓄電池充電，然后由逆變器將蓄電池能量逆變成交流電能，最后由工頻變壓器升壓后再供交流負載使用。而圖l2與圖l一1不同之處在于它以電網作為負載，并且沒有蓄電池環節，它的最大功率跟蹤控制靠軟件實現。圖13是帶DcDc升壓的逆變方式，它首先將太陽電池轉化來的能量通過一個DCDc環節從較低的直流電壓升高到所需的電壓值，再經過逆變器逆變成交流電給負載供電，省去了圖1一l和圖12中的工頻升壓環節，但需要更多數量的蓄電池。圖14與圖13的區別住于負載不同，它是以電網作為負載，并且少一個蓄電池環節。由上可知，無論是充電器、DcDc環節，還是逆變器，它們都離不丌電力電子技術。一個性能優良的充電器是完成太陽電池向蓄電池充電的重要環節、DcDc環節是實現高頻逆變的核心、逆變器則是直流電能轉化為交流電能的關鍵。所以說電力電子技術是光伏技術應用與推廣的重要技術支撐。13本課題的任務、目的、意義。本課題的研究目的是研制智能化、高性能具有光伏并網獨立逆變功能的正弦波逆變電源，要求該逆變電源具有各種保護和運行控制功能，具有完善的運行參數顯示和鍵盤監控能力，具：柯遠程數據通訊能力，可以實現光伏發電和獨立逆變供電功能。它的主要任務有以下幾點：1能夠完成獨立逆變、并網逆變、SPwM整流充電等工作模式的切換。2并網逆變的控制策略選擇，包括電流控制方式選擇、最大功率點跟蹤、孤島效應的防止。3獨立逆變的控制策略的選擇，包括輸出電壓控制方式的選擇。4SPwM整流充電的實現。5通訊功能的實現，包括下位機與監控板的通訊和監控板與=位機通訊。本課題的意義是在并網逆變和獨立逆變的基礎上將并嘲逆變功能與獨立逆變功能結合于體，實現一機兩用的功能，可以適合更多的應用場合，滿足不同的用戶需要。4第二章 并網發電獨立供電系統的工作原理21 主電路拓撲結構分析并網發電獨立供電系統是一種將有源逆變與無源逆變結合于一體的逆變裝置，除了需要兩種不同的控制策略外，還需要兩套不同主電路，但是發現這兩種逆變主電路的不同之處在于濾波環節不同，實際上可以通過對濾波參數進行整合折中，選用相同的濾波參數以滿足需要，這樣就能省去一套濾波裝置，從而可以一機兩用。本文采用了單相拓撲結構來實現兩用功能。三相與單相實現原理樣，只是控制上要復雜些。系統主電路根據實際設計有以下幾種結構：KM丁 R1 D莆電池組圖2一l系統結構圖1圖22系統結構圖2茗-n呲，、jln耳=二D圖23系統結構圖3圖2一l是種比較簡單實用的結構，它的主要構成有：光伏陣列、蓄電池組、雙向全橋變換器、并網逆變和獨贏逆變共用的濾波電感L、T頻變壓器、直流平波電容、軟起動電阻、以及若干接觸器。它的具體上作原理是：光伏陣列和蓄電池的直流電能可以由雙向全橋變換器變換成交流電能，提供給負載或電網；電網的交流電能也可以由雙向全橋變換器變換成直流電能，給蓄電池充電。圖22與圖21基本相同，只是多了一個太陽能充電器環節，這個環節的增加，使得蓄電池既可以由太陽電池充電，又可以由電網整流充電。但是顯然增加了系統的成本。圖2一l通過一個二極管來代替接觸器KMl，因為大容量的直流接觸器價格比較昂貴，盡量少使用直流接觸器，降低成本。于是得到圖23，但是由于系統在sPwM整流充電時需對直流電壓控制，若太陽電池電壓過高二極管導通，不利于直流電壓控制。圖21即是本文最后所采用的拓撲結構圖。22系統的工作模式從系統要求出發，要具備以下幾種工作模式是：1并網逆變模式這種工作模式的前提是天氣晴好，且電網電壓正常和蓄電池不需要充電。負載是交流電網和交流負載。2獨立供電模式這種工作模式的前提是電網電壓故障。蓄電池處于邊充邊放狀念，這時一定要注意檢測蓄電池的電壓，不能過充。負載是交流負載。3整流充電模式這種工作模式的前提是電網電壓J下常且蓄電池欠壓。負載是交流負載。4電網給負載供電模式電網正常，天氣轉陰(或夜間)且蓄電池電已充滿，則由電網給負載供電，喊，甩瞥，甩呲阿逆變器不工作。四種模式之間的四種切換過程如下：1)并網逆變和獨立逆變之間的切換系統開機后首先檢測電網電壓、蓄電池電壓和太陽電池電壓，如果電網電壓丁F常，且太陽電池電壓【卜常，蓄電池電壓也是滿的，這時可以進行并網發電，逆變器輸出電壓供給電網和交流負載，此時如果電網發生故障，則系統在檢測到電網故障后會立即轉入獨立逆變狀態，繼續給負載供電，起到不間斷電源的作用。當電網恢復后又繼續并網發電。2)并網發電和整流充電之間的切換當電網正常時，存進行并網發電時若發現蓄電池電量不滿，則可以通過于動丌關發一個IO信號給控制器，控制器發相應的命令實現整流充電，此時系統停止并網，當蓄電池充滿電后，檢測并網條件符合后則自動再轉到并網發電模式。3)獨立供電模式和整流充電模式之問的切換當系統工作在整流充電時，若電網發生故障，則系統檢測到故障后立即轉到獨立供電模式。當系統工作在獨立逆變狀態時，電網恢復且蓄電池電量彳i足，這時系統又轉到整流充電模式。4)獨立供電和電網給負載供電模式之間的切換當電網給負載供電時，突然電網發生故障，則系統會立即轉入獨立供電狀態。當電網恢復時會繼續轉到由電網供電狀態。系統在不同的工作模式下所用的控制策略也不同。在并網模式時，需要控制與電網電壓同步的并網電流，而且要保證太陽電池始終以最大功率輸出：獨立供電模式F，需要控制逆變器的交流輸出電壓；整流時需要控制交流輸入電流，并且保證電流與電網電壓反相，才能得到蓄電池的恒壓、恒流控制。23蓄電池的充電管理在獨立供電模式下，鉛酸蓄電池組工作在存儲能量和釋放能量狀態。天氣晴好且電網故障時，系統工作在獨立逆變狀態，可以根據負載大小和太陽電池陣列容量給蓄電池充電。當天氣轉陰(或天黑)且電網故障時蓄電池能量可以經過逆變給負載供電，蓄電池組的在這種工作環境下工作，會存在以下缺點：(1)電源來自于光伏陣列接收到的太陽輻射能量，容量有限，并且受到時間、環境溫度和太陽輻射強度等因素的影響，具有間斷性的特點。(2)蓄電池組的充放電次數頻繁，經常工作于充放電狀態。(3)太陽輻射強度較高時，容易造成蓄電池組過充；太陽輻射強度較低時，又容易造成蓄電池組欠充。這些缺點的存在可能使得昂貴的蓄電池組壽命減少，由于以上原因，為了保證系統一常供電和蓄電池的長期使用，必須采用合理優化的控制方法來減小這些因素對蓄電池的影響。由文獻可知，在對蓄電池充放電時，應盡可能地按照蓄電池所提供的充放電特性曲線進行，充電時一般采用三段式充電方式，先恒流充電，然后恒壓充電，再涓流充電：當蓄電池工作于放電狀態H寸，須設置蓄電池的放電電壓下限值，保證蓄電池的放電深度，不能過放。所以，在蓄電池-。作時須檢測蓄電池的充電電流和端電壓，這樣才能實現對蓄電池的三段式充電管理以及放電管理。同時，由于溫度也會影響蓄電池的特性曲線，溫度不同，其歐姆內阻和過充電壓閩值也不同，因此，為了實現對蓄電池的有效管理，有時還須對蓄電池過充電壓閩值進行溫度補償。在滿足蓄電池的充放電要求后還需要根據太陽電池的特性來設計光伏充電器，即要進行最大功率點跟蹤控制。1太陽電池特性由于太陽電池本身的特性和成本比較昂貴，希望太陽電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出盡可能多的電能，以達到資源的最優利用，尤其是在大功率光伏并網系統中，最大功率點跟蹤技術更顯得重要。日照強度和電池結溫是影響太陽電池陣列功率輸出的兩個重要參數，太陽電池結溫和環境溫度的關系依賴于R照強度，從太陽電池陣列的-y特性(圖24)和不同日照量下的lV和PV特性曲線(圖25)可以看出在日照度不變的條件下，當環境溫度升高時，太陽電池的開路電壓將減小，短路電流將有微小的增大。在環境溫度不變的條件下，當日照度高時，太陽電池的短路電流Jsc將增大，開路電壓Uoc將有微小的增大?？紤]到日照度高時一般都具有較高環境溫度，日照度低時一般都具有較低環境溫度這一特點，太陽電池一天內最大功率點的軌跡接近于太陽電池某一恒電壓處的功率軌跡。圖24太陽電池陣列的，一r特性曲線圖25不同臼照量下的Iv和Pv特性曲線1)短路電流(L。)： 在給定日照強度和溫度下的最大輸出電流2)丌路電壓(。)：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓3)最大功率點電流(厶)： 在給定日照強度和溫度下相應于最大功率點的電流4)最大功率點電壓()：在給定日照強度和溫度下相應于最火功率點的電壓5)最大功率點功率(|p。)：在給定日照強度和溫度下陣列可能輸出的最大功率，Pm=，腫圪因為太陽電池一天內最大功率點的軌跡接近于太陽電池某一恒電壓處的功率軌跡。所以可以采用定電壓控制方法來實現最大功率點跟蹤問題。具體如何進行最大功率點跟蹤在本文后續章節介紹。2 系統的充電控制策略在了解太陽電池的最大功率點跟蹤技術后，就可以設計適合鉛酸蓄電池的光伏充電器。由于這部分內容在有關文獻中介紹比較多，在這里就一i再敘述了。由于成本問題，沒有選用圖22那種拓撲結構，這就使得太陽能給蓄電池充電模式不夠理想，控制的可靠性方面不夠完善，但如果采用帶商頻DcDC升壓的逆變器作為并網和獨立逆變的逆變器，具有一定的可行性，因為可以利用這個升壓環節作為太陽電池給蓄電池充電的充電器，使的系統的充電控制策略更加完善，同時由于采用了帶DCDc升壓的高頻逆變器，可以省去笨重的工頻變壓器。但是在高頻獨立逆變時直流側需要更多的蓄電池，同樣會增加成本。在本系統中，蓄電池的充電主要有兩種方式，一種是太陽電池陣列給蓄電池充電，另一種是利用雙向變換器對電網電壓通過SPwM整流對蓄電池充電。前一種充電方式由于需要光伏充電器，增加了系統的成本，但不加光伏充電器，會頻繁的對蓄電池進行不完善的充放電，且不能進行最火功率點跟蹤，因此采用電網sPwM整流充電方式作為主要的充電方式，而太陽能給蓄電池充電只作為一種輔助的充電方式，一般不使用這種方式給蓄電池充電。在采用太陽電池給蓄電池充電時，只能通過判斷蓄電池電壓來認為蓄電池是否充滿，因為沒有蓄9電池正常的三段式充電過程，所以很難將蓄電池充滿。不過本系統主要是通過sPwM整流進行充電，這種充電方式可以很好的滿足充電要求。下面介紹一下SPWM整流充電控制策略。蓄電池的充電系統需要控制直流電流，直流電壓，交流網側電流三個量，因此，浚系統的控制結構應包含有三閉環控制，其結構如下圖26所示。崦d圖26 sP聃整流充電控制結構圖u，+為蓄電池充電電壓指令值；u，為蓄電池實際反饋電壓；ASR為蓄電池電壓調節器，電壓誤差調節輸出為，+；，為充電電流指令值；，為實際充電直流電流；AcRl為蓄電池直流電流調轉器，AcRl的輸出作為網側電流的幅值給定，其F負就決定了是并網還是充電，即其逆變器并網電流與電網電壓是同相還是反相；TB為同步電壓變換器；k+與同步變換器輸出鞏。的乘積為厶，厶再做為網側交流電流的給定，ACR2為網側電流調節器，實現網側電流，。+的跟蹤控制；ACRl的輸出，。+的正負變化可以反映系統處于充電狀念還是并網發電狀態，也即指令電流，。+與電網的對應相位是相同還是相差1 80度。因為是j閉環控制，要得到穩定的充電電壓和電流就必須合理的設置三個調節器的參數，同時也要保證一定的快速性。具體工作原理是：當蓄電池電壓小于給定直流電壓時，相當于蓄電池欠壓，此時直流電壓調節輸出值增大，也就是直流電流給定值增大，于是直流電流調節器輸出增大，也就是網測電流給定值增大，于是網測電流調節器值增大，變換器導通角增大，電網輸入功率增大，反映到直流電壓升高，直流電流也增大：當蓄電池電壓高于直流給定電壓時，直流電壓調節器輸出減小，也就是直流電流給定值減小，于是直流電流調節器輸出也減小，網測電流給定值也減小，變10晰盥司J一竺換器導通角減小，網測輸入功率減小，反映到直流電壓也減小，直流充電電流減小。由于這部分基本由軟件實現，這里刁i再敘述。第三章 獨立供電逆變控制技術光伏并網和獨立供電兩用逆變電源當電網故障時要能迅速與電網隔離，并且轉換到獨立供電的模式下，此時直流側由太陽電池和蓄電池同時作為直流電源。前面已經提到了當系統工作在獨立供電方式時主要需要摔制逆變器的輸出電壓，采用何種控制策略是本章所要解決的問題。31 獨立逆變器控制方法選擇系統工作在獨立逆變時的結構圖如下所示圖31系統獨立逆變結構圖獨立逆變控制方法主要有采用經典控制理論的控制策略和采用現代控制理論的控制策略兩種，下面將簡要介紹一下它們的特點：1采用經典控制理論的控制策略1)電壓均值反饋控制它是給定個電壓均值，反饋采用輸出電壓的均值，兩者相減得到1個誤差，對誤差進行PI調節，去控制輸出，它是一個恒值調節系統，優點是輸出可以達到無凈差，缺點是快速性不好。2)電壓單閉壞瞬時值反饋控制電壓單閉環瞬時值反饋控制采用的電壓瞬時值給定，輸出電壓瞬時值反饋，對誤差進行PI調節，去控制輸出，它是一個隨動調節系統，由于積分環節存在相位滯后，系統不可能達到無凈差，所以這種控制方法的穩態誤差比較大，但快速性比較好。3)電壓單閉環瞬時值和電壓均值相結合的控制方法由于電壓瞬時值單閉壞控制系統的穩態誤差比較大，而電壓均值反饋穩態T駕誤差比較小，可以在PI控制的基礎上再增設一個均值電壓反饋，可以提高系統的穩念誤差。4)電壓電流雙閉環瞬時值控制電壓單閉環控制在抵抗負載擾動方面的缺點與直流電機的轉速單閉壞控制比較類似，具體表現在：只有當負載(電流轉矩)擾動的影響最終在系統輸出端(電壓轉速)表現出來后，控制器才開始有反映，基于這一點，可以在電壓外環基礎上加一個電流內環，利用電流內環快速、及時的抗擾性來抑制負載擾動影響，同時由于電流內環對被控對象的改造作用，使得電壓外環調節可以大大簡化。2采用現代控制理論的控制策略主要有多變量狀態反饋控制、無差拍控制、滑模變結構控制、重復控制等幾種控制方法。F面主要介紹一下它們的優缺點：1)多變量狀態反饋控制的優點在于可以大大改善系統的動態品質，因為它可以任意配置系統的極點，但是建立逆變器狀態模型時很難將負載的動態特性考慮在內，所以狀態反饋只能針對空載或假定負載進行，對此應采用負載電流前饋補償，預先進行魯棒性分析，才能使系統具有好的穩態和動態性能。2)無差拍控制無差拍控制的優點是快速性比較好，缺點是對精確的數學模型的依賴。3)滑模結構控制滑模變結構控制的優點是有較強的魯棒性，缺點是確定一個理想的滑模切換面比較困難，且要求很高的采樣頻率。4)重復控制重復控制是根據內模原理，對指令和擾動信號均設了一個內模，因此可以達到輸出無凈差，缺點是動態響應比較慢，且需要比較大的內存。本文采用了一神蒔饋加反饋的復合控制策略。32 采用復合控制策略的電壓源型逆變器逆變系統的穩態控制框圖如圖32。圖32逆變系統的穩態結構框圖給定信號u。與輸出電壓有效值U。做差，得到誤差信號e，將誤差信號進行PI調節后輸出作為調制度M，M乘以Sint，作為調制波信號，再與三角波比較后作為驅動信號輸出去驅動主電路。令PI調節器的傳遞函數為Gl(j)，濾波環節的傳遞函數為1G2(3)2瓦矗(31)則系統的輸H對給定量的傳遞函數為：U。(J)U。豎型g嫂壘塑1+，H餓i(。)G2(s) (3-2)出控制理論可知對于一個閉環系統，在設計時要考慮以下兒個方面的問題：(1)要有一定的穩態精度。(2)動態響應速度要滿足要求。(3)要使系統具有一定范圍的穩定性，合理設計穿越頻率、頻帶和穩定余量。即要做到：低頻段要有足夠的增益K，以提高系統的穩定性能。中頻段以20Dbdec穿越橫軸，使相角余度足夠大。高頻段要快速下降，以提高抗干擾能力。把式(3-1)帶入式(32)可得到系統傳遞函數為：!生盟： 莖!莖!魚!墮u。 s2三c+砭嘲(s)顯然，這時誤差調節器無論采用比例環節還是采用比例積分環節，中頻段都是以一40Dbde穿越橫軸，不符和上面的要求。所以要給系統加入一個校正環節滿足系統要求，經過比較分析，本文采用前饋校正方式。系統的結構圖見圖33。14妻d K 卜rI JH 01(s1-I Kpwm卜1 G2(s)、一IL，一圖33采用前饋校正的獨立逆變系統結構圖實驗證明不加前饋部分系統在起動時容易產生振蕩，對系統穩定性刁i利，加了前饋校正以后，對系統的穩定性和快速性都有一定的提高。K值根據實驗測試選擇前饋保證70的輸出比較好。調節器中比例系數和積分系數可以采用變系數的方法。33 死區對輸出波形的影響及補償方法由于開關器件固有的存儲時間影響，開通時間往往小于關斷時間，因此很容易發生同一橋臂的兩只管予同時導通現象，為了避免這種情況的發生就需要讓一只管子先關斷，再讓另一只管子丌通，這樣以來就會有一段時問兩只管子都不導通，把這段時M稱為死區時間。圖34為DsP中無死區時間和有死區時間驅動信號示意圖?？梢娙绻鸓wM脈寬計數值很小時，接近死區時間計數值時，死區時間計數值與脈寬計數值的比值就很大，死區對輸出波形的影響就不能忽略，尤其在正弦波的過零點(PwM脈寬計數值很小)附近影響更明顯。無死區州咝廣1廣： ： ： ：有殛爿li廠有死區設置LL一_J 嗍蘭j Fl廠；PWM2 1 l l l| l：圖34加入死區時間圖1死區對輸出波形的影響如圖35所示，在死區時間內，vTl、VT2都不導通，當感性負載電流I經Dl或D2續流時，有4種可能的情況發生，如圖36所示。(1)當I為I卜、v，I、1由導通到關斷、vT2由關斷到導通：電流經D2續流，輸出電壓被鉗位在一ud2(忽略二極管D2的導通壓降)，此時，輸出電壓極性與SPwM控制期望輸出電壓極性相同，故死區對輸出電壓不產生影響。(2)當T為正、vTl由關斷到導通、VT2由導通到關斷：電流仍經D2續流，輸出電壓被鉗位在一Ud2(忽略-極管D2的導通壓降)，此時，輸出電壓極性與sPwM控制期望輸出電壓極性相反，死區將導致輸出電壓減小。(3)當I為負、vTl由關斷到導通、VT2由導通到關斷：電流經Dl續流，輸出電壓被鉗位在刊d2(忽略二極管D1的導通壓降)，此時，輸出電壓極性與sPwM控制期望輸出電壓極性相同，敝死區對輸出電壓不產生影響。(4)當l為負、vTl由導通到關斷、VT2由關斷到導通：電流仍經J)l續流，輸出電壓被鉗位在+ud2(忽略二極管D1的導通壓降)，此時，輸出電壓極性與sPwM控制期望輸出電壓極性相反，死區將導致輸出電壓增加。從上述分析可知，當逆變器狀態轉換時，出于死區效麻，實際輸出電壓與理想輸出電壓之間存存一個幅值為Ud、寬度等于死區時間t的誤差脈沖電壓，這個脈沖電壓的極性與該瞬時負載電流的極性相反。這種誤差脈沖電壓的累計效應足以造成輸出電壓波形產生畸變。圖35死區產生分析圖6圖36死區對輸出的影響通過劉帶死區不帶負載續流的輸iH電壓”。，帶死區帶感性負載的輸出電壓l，“。和此時產生的誤差電壓“。進行傅立葉變換可得到以下結論：死區t對sPwM逆變器輸出電壓的影響與死區設置方式、死區t的大小、載波比N、逆變器運行方式(負載功率因數)等有關。1)運行方式或負載(?礦對輸出波形的影響空載或c儺=1運行時，反饋二極管不續流，誤差波。：=O，實際波”“。=“。；當在感性負載下運行，cn印】時，反饋二極管續流，誤差波”。0，實際波“2有死區波“+誤差波“n。：。2)死區設置方式對輸出波形的影響空載或c郵=1時，對稱設置方式總諧波含量較少；而不對稱設置方式總諧波含量較大。感性負載(c痧1)時，兩種設置方式的影響基本相同，只是不對稱設置方式的總諧波含量較人些，所以在條件允許的情況下應盡量選用對稱設置方式。3)死區t的影響空載時，反饋二極管不續流，死區對基波沒有影響，也不產生新的低次諧波，只對原有諧波幅值有些影響，感性負載時，反饋二極管續流而產生誤差波，使輸出電壓基波幅值隨著Lf的增大而減小，基波相位超前，并出現了幅值為等二t的3，5，7次諧波。t越大，3，5，7次諧波幅值越石n大，輸出電壓的畸變率越高。4)載波比N對輸出波形的影響對感性負載反饋二極管續流時的輸出波形的傅立葉分析可知，當N增大時基波幅值減小，3，5，7次諧波卻隨著N的增大而減小。這兩部分低次諧波綜合影響的結果出現了低次諧波I幅值隨著N的增加先減小而后顯著增大的變化過程，中間有一個使低次諧波含量為最小的最佳載波比N，大于或小于這個最佳載波比N都會使3，5，7次諧波含量增加。綜上可知在sPwM逆變器中沒置死區t，可以避免同橋臂丌關管同時導通的短路故障t這是設置死區的有利的+面。其缺點是使輸出電壓基波幅值減小、相位超的并產生出3，5，7”次諧波。為了保證逆變系統輸出波形的質量，器玨辮一糕u芝瓣。囂需要對死區進行補償。2死區效應的補償死區的補償方法有兩種：一種是電流反饋型補償，另一種是電壓反饋型補償，它們都有一個共同點就是產生一個與誤差波波形相似，相位相反的補償電壓來抵消或消弱誤差波的影響。(1)電流反饋型補償先檢測出逆變器的輸出電流，然后將它轉換成方波電壓“，加到調制波上去，這個方波“。會使逆變器產生一個與電流相位相同的，與誤差波。：波形相似，相位相反補償電壓一，其電路如下圖37所示，根據死區對輸出波形的影響及其傅也葉分析可得：“，=“。芝t萬采用電流反饋補償的目的是為了消除誤差波對基波幅值減小和其所產生的3，5，7，諧波的不良影響。_圖37電流反饋型補償(2)電壓反饋型補償電壓反饋型補償電路如下圖38所示，它將逆變器輸出電壓通過變壓器檢測出來，并倒相，將倒相后的電壓與給定的SPwM調制信號相加，就得到了與誤差電壓相位相反，與電流相位相同的補償電壓。從逆變器的輸出電壓方程可以看出，這種電壓反饋型補償電路，可以補償掉誤差波的影響。死區設定一I 叭o+v業j1，I D1j 一L J PwM L!+歹，“。二蘭竺【死區設置【。 廣_型 m一叫 PwM 卜l 一。死區設置I I 。一一j 叭。三Jcom 。 vT2 ： UAO+UcOm Vlzj 1J：圳。叭碥。1 L ID2。叫。m+I圖38電壓反饋型補償在實際中，采用了電流反饋型補償：首先對負載電流進行采樣，判斷電流的JF負，由于輕載時電流比較小，死區影響也不大，且判斷電流的正負也比較困難，所以輕載時可以不補償，而當負載電流上升到一定程度時|丌始進行死區補償，具體補償方法是根據電流的相位補償個和電流相位同相的矩形波，矩形波幅值由“，=“。蘭t計算得出。具體補償流程如下圖39所示。石，中0圖39電流反饋型死區補償流程9第四章光伏并網逆變器控制技術41 逆變器的拓撲結構在光伏并網逆變器中，根據逆變器輸出與電網結合的方式不同主要有兩類，一類是通過變壓器隔離升壓的工頻模式，如下圖41所示，另一類是不用變壓器隔離直接將逆變器輸出與電網相連的模式，但它在并網逆變器前面有一級高頻升壓環節，這繳高頻環節可以提高逆變側的直流電壓等級，使得逆變器輸出電壓與電網電壓相當，從而不必需要工頻變壓升壓，省去了笨重的工頻變壓器，很同時也有一個缺點，那就是使并網逆變器直接與電網相連，沒有隔離。下面將介紹這兩種模式下的不同拓撲結構。+l王E圖41帶工頻變壓器的逆變結構圖變J |Dc-Ac變l l 換圖42帶DcDC升壓的逆變結構圖1工頻并網逆變拓撲結構介紹下面是幾種常用的工頻并網逆變拓撲結構圖。(1)單相電壓型半橋并網拓撲T Untt0口一蝸0濾屺r_L t fj 7掣七。 -V相V書(2)單相電壓型全橋并網拓撲T Unet0口(3) 三相電壓型橋式并網拓撲圖43電壓型并網主電路拓撲i舞l匣鞫圖中直流側電容主要是平波儲能，吸收無功能量，逆變器輸出串聯電感濾除逆變器輸出電流的諧波。圖43(i)是單相半橋逆變結構，只有個橋臂采用了功率管，另外一個橋臂由兩個電容串聯而成。圖43(2)是單相全橋結構，功率管都反并聯二極管，給續流電流提供通路。半橋電路適合小功率場合，單相全橋適合中功率場合。圖43(3)是i相橋式電路(有的稱為三相半橋電路)的拓撲結構，交流側采用三相對稱的無中線連接方式，這種結構適用于三相電網平衡的大功率場合。2帶DcDc升壓的并網逆變器中DcDc環節拓撲介紹前面已經提過帶DCDc升壓的并網逆變器首先將太陽電池電壓通過DCDc變換升到所需的直流電壓等級，再將直流電壓逆變成交流電壓實現并網功能，這樣可以省去一個工頻升壓變壓器，減小系統的體積。并網高頻DCDC環節和普通DCDc環節相同，它也有很多種拓撲結構，一般的有Boost變換、BuckBoost變換、cuk變換、推挽結構、單相全橋逆變再整流(DcAcDc)等，前三種結構對應的并網系統一般和電網沒有隔離；圖44(1)是首先通過推挽結構將太陽電池的直流電壓轉化為交流電壓，然后通過整流橋將交流電轉化為直流電，這個結構能滿足和電網的隔離，適合小功率場臺；圖44(2)是采用先高頻逆變升壓再通過高頻整流橋將交流電轉化為直流電能的DcACDC形式，也能滿足和電網隔離的要求，適合大功率場合。UT：C2二(1)推挽升壓DcDc電路(2)單相全橋DcDc電路圖44并網系統常用DcDc變換器拓撲42 并網逆變器的控制策略將太陽電池陣列產生的直流電能饋送給交流電網，這是光伏并網系統所需完成的，而光伏并網系統中的核心環節就是光伏并網逆變器。光伏并網逆變器與獨立正弦波逆變器帽比，主要區別在于它的負載是電網，對于電網負載它的控制方法有以下幾種。光伏并網逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方法。以電流源為輸入的逆變器，其直流側需要串聯一大電感提供較穩定的直流電流輸入，但由于這一火電感往往會導致系統動態響應差，因此當前大部分并網逆變器都采用以電壓源輸入的方式。逆變器與市電并聯運行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制。電網可看作容量無窮大的電壓源，如果光伏并網逆變器的輸出采用電壓控制，則實際上就是一個電壓源與電壓源并聯運行的系統，這種情況下要保證系統穩定運行，就必須采用鎖相控制技術使逆變器輸出電壓與電網電壓相位完全一致，并且要保證兩者輸出頻率的一致性，但由于鎖相回路的響應較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制、可能出現環流等問題，這種控制方法的實現還需進一步研究。如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制逆變器的輸出電流跟蹤市電電壓，即可達到電流源與電壓源并聯運行的目的。由于其控制方法相對簡單，因此使用比較廣泛。本文采用電壓源輸入、電流源輸出的方式。該方式的控制目標是輸出電流的頻率、相位和電網電壓一致，系統的功率因數為1。下面介紹兩種并網逆變器電流輸出控制方法。1瞬時值滯環比較方式圖45為采用滯環比較器的瞬時值比較方式原理圖。圖中將指令電流ic和實際并網電流ic進行比較，兩者的偏差A ic作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生控制主電路中丌關通斷的PwM信號，浚PwM信號經驅動電路控制功率器件的通斷，從而控制并網電流ic的變化。在這種方式中，滯環的寬度H對電流的的跟蹤性能有較大影響，當H較大時，開關頻率較低，則對開關器件的丌關頻率要求不高，但跟蹤誤差較大，輸出電流中的高次諧波含量較大；而當H小時，跟蹤誤差小了，器件開關頻率提高。所以對器件的開關頻率要求要高。滯環匕較器【 廠r廣、l I l ，P吼信圖45采用滯環比較器的瞬時值比較方式的原理圖這種控制方案具有如下特點：(1)硬件電路比較簡單；(2)屬于實時控制，電流響應快；(3)沒有斬波，輸出電壓中不合特定頻率的諧波分量；(4)環的寬度固定，電流跟隨的誤差范圍是固定的，但電力半導體器件的開關頻率卻是變化的，這將導致電流頻譜較寬，增加了濾波器設計的難度。由于H所導致的缺點有兩種方法可以解決：一種是將環寬Il設計成可以隨電流值的變化自動調節，另一種是采用定時控制的瞬時值比較方式，其原理圖如下46所示。它使用由時鐘定時控制的比較器代替滯環比較器。每個時鐘周期對ic判斷一次，使得PwM信號至少一個時鐘周期才會變化一次。該方式可以避免器件開關頻率過高的情況發生。不足之處在于：補償電流的跟隨誤差是不固定的。時鐘信號lV圖46定時控制的電流瞬時值比較方式原理圈2 電流三角波比較方式控制方式原理如圖47所示，它將指令電流ic和并網電流i c的實時值進行比較，兩者的偏差i c經放大器A后與二角波進行比較，以輸出PwM信號。放大器A多采用比例或比例積分放大器。這種電流控制方式具有如下特點：(1)跟蹤誤差較大；(2)硬件相對復雜；(3)逆變器的輸出的諧波量較少，但含有與三角載波相同頻率的諧波；(4)放大器的增益有限；(5)功率器件的開關頻率固定地等于三角載波的頻率；(6)電流響應相對于瞬時值比較方式比較慢。圖47電流三角波比較方式的原理圖本文采用了跟蹤實時電流的三角波比較方式。43 采用復合控制策略的電壓型電流控制逆變器1直流側電壓和占空比對輸出電流的影響圖48是單相并網示意圖，可以看出并網裝置其實是一個能量可進行雙向流動的變換器。當能量由直流逆變后饋入交流電網時，變換器是降壓型的變換器，當能量由交流電網整流后饋入直流蓄電池時，變換器為升壓型的B。os L變換器。l +憶j 7 I扎+廣 ”刮V刮I一圖48單相并網示意圖U在忽略各種器件損耗的情況下，功率器件的占空比D與蓄電池直流電壓u。電網交流電壓瞬時值U問存在如下關系：D=【，2+(u)2sin(御f+妒) (41)，mE，伊2增才(42)彩為巾網的角頻率，由(31)式可求得：D ：亞亞：型竺塑(43)當并網電流I=0時，可求得：u=(厶Dsin日，D：竺塑型 (44)【，d從(43)和(44)可以得出以下結論：(I)當蓄電池工作電壓不變時，占空比應跟隨電網電壓呈正弦變化，且隨著并網電流的增大而增加。(2)占空比D須大于一定的值，因為電網電壓通過變換器的升壓功能能提高直流側的電壓，過小的占空比將產生很高的直流電壓，導致主電路功率器件的損壞，甚至損壞電容，所以一定要對過小的占空比加以限制。2 并網逆變器的控制實現從第二章分析可知，采用電壓型電流控制的并網逆變器逆變電路進行并網發電。由圖49可知，由于流過電感L的電流不能突變，因此，可采用電流瞬叫值閉環控制的方法，所要求的并網電流的正弦波給定值與實際并網電流相比較后得到的誤差信號，經控制器處理后，產生相應的sPwM信號，控制功率器件工作，使并網電流波形為正弦波。(1)并網逆變環節反饋控制和前饋控制圖49單相并網結構圖從圖4 9對電網電流有：魯=_。一L ()其中ua是逆變橋輸出電壓。u。是電網電壓，L。是電感電流，即并網電流。R，是電路的等效電阻。其頻域形式為：1u5)。矗j(u一一(5)一(5)=q(3)(us(3)一(5) 4 6)其中， Gl(s)2贏，為濾波器傳遞函數忽略功率開關Tl、T2、T3、T4和死區時間的非線性影響，sPwM控制方式下的橋式逆變環節可近似一個線性比例環節，該環節的傳遞函數為：62(5)=七。逆變級的調節器若選擇經典控制理論中的PI調節器，進行閉環控制，則可以得到下面的框圖，如圖4一lO所示。對控制系統而言，U。為電網電壓的擾動輸入，i。+為輸出電流給定值。圖4一10逆變環節反饋控制結構圖上圖中，給定并網電流ig經同步處理后，產生與電網同頻同相的F弦波給定信號ic豐，ic豐與i c進行比較，經過調節器處理后，再經SPWI發生器產生相應的驅動信號，送入驅動電路推動主電路工作，把與電網同頻、同相的電流饋入電網。從上面結構圖中可以看H，雖然電網電壓的擾動在前向通道上，但由于起動瞬削并網電流未建立，電網電流會反灌到逆變器的直流側，給電容充電，也就是B00sT變換回路，為了抑制這種擾動必須加一個前饋控制量去抑制它，這個前饋量與電網電壓和贏流電壓有關。下面是加了前饋控制的系統結構框圖。圖4一11加前饋的并網系統結構框圖前饋信號u，有以下作用：1)前饋值u，經過sPwM發生器調制后，產生個占空比D符合公式D：掣UJ的SPwM脈沖，使系統在沒有反饋的情況下，有一個輸出去抵消電網電壓，避免直流側出現過高的電壓。2)消除了電網對系統的擾動影響，使系統近似成個無源電流跟隨系統。3)有利于反饋調節，提高了系統的穩定性和穩態精度。由4一11圖，可畫出系統的控制框圖如圖4一l 2所示，因為前饋運算環節己抵消網側電壓擾動的影日I目。這樣，在對系統進行分析和校正時，可不考慮電網擾動的影響。e。8為產生SPwM波形的延時時間，與SPwM波形的載波周期T相等。I|l前饋計算kl unet1 Ug I +，一 I 1 。 Ts +J、 l?叫諺1_1卜e|。叫腳ILLJ G，(s) ；一圖4一12并網系統控制框圖憶一忑|(2) 系統的校正如前所述，前饋運算產生的u+與電網電壓(。的差在sPwM一個載波周期時間T內的積分值為零，即：r(u一u。)砷=f(Du。)礬=o (4 7)因此，可不考慮盼向通道中的前饋電壓u+和電網電壓，的作用。在電流反饋環節Gr(S)中，加入二階電流預估環節e”，抵消前向通道中e。5的影響，有利于系統的校正。電流預估環節的計算公式為：Jr；：(乇+，)=丟()一2mf)+寺以f。) (4 8)由上式，根據當酊時刻電流采樣值T。+(t。)及的二個SPwM周期內的電流采樣值I。+(t。)和I。+(t。)，可預估下一sPwM周期內電流采樣值Il+(t。)。引入預估環節后的電流檢測環節的傳遞函數為：G，0)=墨，一5 (49)經過上述處理后，可求得系統的開環傳遞函數為：1G(s)=Gc(J)KP-告，K，(4一lo)竺s+1R設G。(S)為PI控制器，即：q心)=去+K=巖 11)根據(4一lO)和(4一11)式，求得系統的開環傳遞函數為：1啪)2警+東巧，z)R令 乜L：蘭 (4一13)以抵消(4一12)式的大時間常數的零點和極點。可求得： G小)=筆孑 限上式表明，單相光伏并網裝置采用前饋及反饋預估處理后，是1個穩定系統。系統動態響應指標僅與控制器的積分時間常數Tc值有關，Tc值越小，系統的動態響應就越快。在實際系統中，由于系統中各環節中的分布參數的小時間常數影響，Tc值無限制取小將導致系統不穩定。 沒系統中各環節的小時間常數之和為Tx，Tc的取值應使由(4一10)式所決定的開環傳遞函數截止頻率小于l_。這樣j能lU7保證閉環系統有一定的穩定裕量。據此， 可求得： 010莖掣 (4一l 5)L 堡互： (4一l 6) loK，K，w7；Tc求出后，則可根據(4一13)式求得控制器相應的Kc值。(3) 系統跟蹤誤差的分析根據圖d一12，可寫出系統的閉J；=傳遞函數為：里越墨業 !n器=篇2麓蓋可”2戔j取。1+昧。)1十K磐。i憊川 冗死s 必，K P“w (417)sl-的情況卜_，實際并網電流l?？奢^好地跟蹤給定電流Ig$，兩者之間僅相差一個等下載波周期T的相位差。RTc越大，實際并網電流的相角滯后及幅值衰減就越多。令s=j u，根據：l墨堡 sI： 墨墾 功llK，KP FI足，硨和公式(416)，可得：從上式可得10堡壘型圣EO，說明參考電壓調整的方向正確，可以繼續按原來的方向調整；若P0，則Z1為+1，z2為+l，z3為+l，usP時旨令電壓繼續增加；如果dPd u，O，則Z1為一1，Z2為一1，z3為一1，U。指令電壓開始減小。通過這樣的方法11丁以達到使系統始終以最大功率輸出。給定參考電壓變化的過程實際上是一個功率尋優的過程。由于在尋優過程中不斷地調整參考電壓，因此，太陽電池的工作點始終在最大功率點附近振蕩，無法穩定T作在最大功率點上。同時，當日照強度快速變化時，參考電壓調整方向可能發生錯誤。這也是此法的缺陷。經過實驗證明，采用TMPPT最大功率點跟蹤能夠獲得更多的功率輸出。45孤島效應防止1孤島效應的危害及防止標準所謂孤島效應，根據美國sandia國家實驗室提供的報告指出：當電力公司的供電，因故障事故或停電維修而跳脫時，各個用戶端的太陽能并網發電系統未能及時檢測出停電狀態而將自身切離市電網路，而形成由太陽能并網發電系統和周圍的負載形成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。它的危害主要有以下幾點：(1)危及電力公司輸電線路維修人員的安全；(2)影響配電系統卜的保護丌關動作程序；(3)電力孤島區域所發生的供電電壓與頻率的不穩定現象；(4)當電力公司供電恢復時所造成的相位不同步問題；(5)太陽能供電系統因單相供電而造成系統三相負載的欠相供電問題。對于孤島效應的危害，各國也制定了干H關的標準。根據國際標準IEEE Std2000一929和uLl 741，光伏并網發電系統在電網斷電后檢測到孤島現象并將并網發電系統與電網斷丌的最大時間限制，如表41所示。表4-1斷電斤電壓頻 允許的晟大檢測時狀態斷電J亓電壓幅值間A 0 5 Vnom “om 6 cycIesB 0 5Vn。mV088 Vnom “om 2 secOndsC 088VnomV至1，10Vnom fnom 2 secondsD 11 0Vn。mV137Vnom “om 2 secondsE 137Vnom三V fnom 2 cycIesF Vnom ffnom+O 5Hz 6 CycIesV。指電網電壓幅值的標準值：f。指電網電壓頻率的標準值。在我國，對反孤島效應的規定如下：光伏系統除設置過欠壓保護、過欠頻保護做為防孤島效應后備保護外，還應該設置至少一種主動和被動方式防孤島效應保護。并且防孤島效應保護應該在電網斷電后051秒內動作將光伏系統與電網斷開。同時，對于公共節點處的過欠壓和過欠頻保護也作了具體規定：(1)光伏系統電網接口處電壓為額定電壓的110120時，過壓保護應在O52秒內動作將光伏系統與電網斷開。(2)伏系統電網接rI處電壓為額定電壓的8090時，欠壓保護應在O52秒內動作將光伏系統與電網斷扦。(3)伏系統電網接口處頻率為505Hz515lz時，過頻率保護應在O52秒內動作將光伏系統與電網斷丌。(4)光伏系統電網接口處頻率為485Hz495Hz時，欠頻率保護應在O52秒內動作將光伏系統與電網斷開。2孤島效應的防止方法孤島效應檢測技術分成被動式及主動式兩類。被動式檢測技術一般是利用監測市電狀態，如電壓、頻率作為判斷市電是否故障的依據。而主動檢測法，則是由并網逆變器定時產生干擾信號，觀察市電是否受到影響以做為判斷依據，因為市電可以看作是一個容量無窮大的電壓源。(1)被動式檢測方法1)利用保護電路監測一般的太陽能發電系統均會裝置四種保護電路：過電壓保護、低電壓保護、過頻率保護及低頻率保護。這四種保護電路提供了最基本的保護功能，一旦逆變器的輸出電壓、輸出頻率超過正常的范圍時，即將市電視為有故障發生，保護電路即會將并網系統切離市電網路。但是，當逆變器的輸出功率與負載功率達成平衡時，則會因系統的電壓及頻率變動過小，使得控制系統無法檢測而失玄作用。2)電壓諧波檢測法此方法適用于電流控制型變流器，因電流控制型變流器主要參考信號為市電電壓，當市電故障時，并網逆變器的輸出電流可能在電力變壓器上產生失真的電壓波形，麗此失真的電壓波形被采集再回授成為逆變器輸出電流的參考波型，即會造成逆變器輸出電壓將含有較大的諧波成分，因此可由此點判斷是否發生孤島情況。3)急劇相位偏移檢測此方法用以檢測當市電突然斷電時，電力逆變器的電壓及電流相位差由負載決定，當相位偏移超過某一范圍時，即表示市電發生故障，則將太陽能發電系統脫離市電網路。但若負載所造成的相位差并不大時，則無法檢測出來。(2)主動式檢測方法主動式檢測方式是通過控制變流器輸出或外加阻抗等方式主動擾動系統。當發生孤島情況時，主動擾動將造成系統的不穩定，即使是在發電輸出功率與負載功率平筏的狀態下，也會通過擾動破壞功率平筏狀態，造成系統的電壓、頻率有明顯變動，再通過控制單元檢測出來而將太陽能發電系統與市電隔離，防止孤島現緣的發生。主動方法主要有下列幾種方式：1)輸出電能變動方式通過控制變流器的輸出，施以系統周期性的有功電能或無功電能擾動，當市電巾斷時，由于系統失去穩定的參考電源，擾動將造成系統電壓或頻率明顯的變動，而檢測出孤島現象。2)加入電感或電容器此方法是在電力系統輸配線路上加裝一電感或電容器，當市電中斷或故障時，即將電感或電容器并入，通過無效功率破壞系統平衡狀態，達到對電壓、頻率的擾動，使太陽能發電系統能檢測到并與市電解除并聯。其中插入的并聯阻抗應容量小且短時間插入為宜，以免對系統造成過大影響而發生誤動作。3) 自動頻率偏移方式此方式通過偏移市電電壓采樣信號的頻率來做為變換器的輸出電流頻率，造成對系統頻率的擾動，即而由頻率保護電路來檢出孤島現象，但此法用不好可能會造成系統供電的不穩定以及輸出功率因數降低。水文選擇了主動頻率偏移的主動式方法。主動頻率偏移法主要是通過軟件周期性地改變輸出并網電流頻率來實現孤島效應防止的，實際頻率偏移有正偏移和負偏移兩種方式，可以任意選擇，本文采用頻率正偏移方式。其實現過程就是：系統通過軟硬件電路周期性地檢測出連續兩次電網電壓過零點的時刻，得到電網電壓的頻率f，在此頻率f的基礎上加卜偏移量f，再將頻率(ff)作為并網電流的給定頻率，并且在電網電壓每次過零時使輸出并網電流復位。當電網沒有故障時，負載上的電壓頻率即為電網電壓頻率，所以每次檢測到的電網電壓頻率基本不變：當市電故障時，并網逆變器輸出并網電流單獨作用在負載上，因為輸出并網電流頻率的逐周期增加，所以每次檢測到的負載電壓頻率就會相應地改變，就形成了給定輸出并網電流頻率的正反饋，使得負載電壓的頻率很快就會超過頻率保護的上、下限值從而使并網逆變系統有效檢測出市電故障，從而迅速切斷與電網的連接。所以，主動頻率偏移法使系統具有良好的反孤島效應功能。但是對不同的負載其響應時間會有所不同。對純阻性負載，由于電壓波形和電流波形相同，因此，當給定電流頻率偏移f時，電壓頻率也相應地增大f，這樣循環幾個周期就會使得電壓頻率超過系統所設定的頻率異常范圍，從而使得系統能夠有效實現孤島效應的防止；對阻感負載，由于電感電壓超前電感電流，會使得電壓頻率迅速超出限值，頻率正偏移方式的效果比純阻性負載增強；對負載為阻容負載時，由于電容電壓的滯后，頻率jF偏移方式的效果會比純阻性負載減弱。而當采用頻率負偏移方式時，結果會相反。第五章 具有并網發電獨立供電功能的逆變電源實現51 系統主電路的參數選擇及計算具有并網發電獨立供電功能的逆變電源兼有獨立逆變功能和并網逆變功能，所選擇的主電路參數要能滿足兩者的要求，下面分別對系統主要電路參數的選擇進行討論計算。1 工頻變壓器的設計工頻變壓器在逆變電源系統中起到升壓和隔離的作用，它對逆變器的效率、工作可靠性和輸出電氣性能有著直接的影響，變壓器設計；合理會導致噪聲、波形畸變、甚至飽和等問題，所以設計合適的變壓器是一項重要的工作。變比的設定一般是按照直流側輸入電壓最低值時也能保證輸出達到所要求的最高值，而這時，逆變器工作在最大占空比上。取輸入直流電壓170V，輸出為220V交流電壓，設原、副邊匝數分別為N1、N2，則盟：墮：堡：o542 314 220由于變壓器的繞組內阻壓降和前級濾波電感繞組壓降，實際原、副邊變比應比上述理論值小些，耿v1 1102 2202 直流側平波電容器的選擇對于光伏并網直流側平波電容器的選擇需要滿足-卜式 c旦(5一1)ky2其中：P，為太陽能電池陣列輸出功率。波紋系數k，F是太陽電池電壓，腳是電網角頻率，取太陽電池電壓為300V，太陽電池陣列輸出功率為3千瓦，k取01，國=31 4，帶入公式得：c三瑩： !罌! ：2123盯， (52)七曠 O1300。314對于獨立逆變電解電容的參數通常按下式計算：C=(35)rR (53)式中，為輸入側直流電壓的脈動周期，尼為直流側等效負載電阻，按本系統額定功率PF=3KW、電容上平均電壓為K=250V，則月，：墮：絲：20，8 (54)“ 最 3000若直流側為交流電壓(50Hz頻率)經全波整流后的電壓則7=10ms，則可得c=(35)71R=(35)00120821442uF2400“F (55)由于獨立逆變時直流側采用的是蓄電池電壓，實際上丁應小些，則電容值也相應小一些，但是考慮到逆變器要在并網工作時也要滿足要求，取C=3300“采用400v3300 u f的電解電容。3逆變側濾波電感的設計系統工作在并網逆變模式時，逆變側電感的作用非常重要，它的取值不僅影響到電流環的動、靜態響應，而且還制約并網系統的輸出功率、系統功耗、直流電壓的確定等等。具體作用體現在：(1)通過控制并網系統交流側輸出的電壓幅值和相位，可以實現對并網電流幅值和相位的控制。(2)濾除并網系統交流側PwM諧波電流，從而實現交流側正弦波電流，功率因素為1。(3)在保證獲得良好的并網電流波形的同時，還可以根據需要向電網輸送無功功率，甚至實現網側純電感、純電容運行特性。(4)使并網系統獲得了一定的阻尼特性，從而有利于控制系統的穩定運行。根據實踐結果和理論分析對濾波電感的設計采用工程計算方法，一般取電感電壓為輸出電壓的5一lO，即：口L，=(5一一10)U。c (56)出上可得：31430002202L=5220，推山 L一128mL系統工作在獨立逆變模式時電感可由下面方法計算得出：逆變器的輸出為頻率為20KHz(10KHz開關頻率倍頻)的sPwM方波，其基波為50Hz，還含有低次、高次諧波，諧波主要集中在20K、40KHz附近，由于采用的是Lc濾波，其截止角頻率為一2RL，R為公稱阻抗，在803Kw、220V輸出下，R=O82202203000=129，如果設截止頻率f。為20KHz衰減4倍即5000Hz，則有：絲：生：o86mH (57) n1 cc=嘉=去剮u r c s刊綜合兩者考慮選擇，電感選取128mH即可，電容c取lO u f。4 功率管的選擇根據太陽電池電壓浮動范圍在170V到300V之間，可以選擇耐壓為600V的管子，根據功率為3千瓦，交流輸出220V，變壓器匝比是O5，變壓器原邊峰值電流近似39A，選擇80A的管子?？梢赃x擇快捷公司的G80N60型號的IGBT，它能承受80A電流，600v電壓。或者選用PMlOOCSA060型IPM模塊，它可以承受100A電流、600v電壓。52 DsP的選型和控制器的設計1DSP的選型由于本系統是多種控制算法高速運行的系統，不僅要求執行指令快速性，還需要AD采樣的快速性，同時要具有適合電力電子控制的各種外設模塊。根據比較本文選取了TI公司的TMS320LF2407A芯片。TMs320LF2407A芯片是TI公司推出的一款功能強大的數字信號處理器，具有以下一些特點：(1)采用高性能靜態cM0s技術，使得供電電壓降為33v，減小了控制器的功耗：40MHz的執行速度使得指令周期縮短到25ns，從而提高了控制器的實時控制能力。(2)基于TMS320C2xxDsP的cPu內核，保證了TMS320LF2407A DsP代碼核，與TMS320系列DsP代碼兼容。(3)有高達32K字的FLAsH程序存儲器，高達15K字的數據程序RAM，544字的雙j RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)。(4)兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16位的脈沖寬度調制(PwM)通道。并且能夠完成以下功能：=三相反相器控制；P州的對稱和非對稱波形；當外部中斷輸入引腳出現低電平時快速關閉PwM通道：可編程的PwM死區控制可以防止一卜下橋