(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126)

0 引言

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種便攜式電源，在太陽能路燈、通信基站等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制核心是光伏逆變器，它不僅實現(xiàn)了電力變換功能，而且能夠最大限度地發(fā)揮太陽能蓄電池組性能和整個系統(tǒng)的故障保護[1]。本文針對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)在不平衡負載情況下的工作特點，建立了該系統(tǒng)的光伏逆變器仿真模型，完成了基于DSP的小型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的軟硬件設(shè)計。

1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池組、光伏充電器、光伏逆變器等部分組成[2]。太陽能電池板完成能量轉(zhuǎn)換后經(jīng)過光伏充電器給蓄電池組充電，蓄電池的直流電通過光伏逆變器給負載供電。光伏逆變器主要實現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的功能，同時采用智能控制實現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升和故障保護。光伏逆變器的輸出波形直接影響到負載的運行狀況，并決定了帶負載的能力，其必須具有較高的轉(zhuǎn)換效率和可靠性，同時要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍。

通過分析、比較各種逆變器的性能和優(yōu)缺點，本文選擇三相四橋臂逆變器作為光伏逆變器。該逆變器不僅能提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的正弦交流電能，并且對于不平衡負載有很好的控制效果。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)模型和控制策略分析

光伏逆變器采用的三相四橋臂逆變器是在傳統(tǒng)逆變器的基礎(chǔ)上增加一個橋臂來構(gòu)成中線，從而在負載不對稱時省去中點形成變壓器，以減小系統(tǒng)的體積和質(zhì)量[3]。光伏逆變器的等效電路圖如圖2所示。圖2中：8個功率開關(guān)器件T1～T8實現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換功能；L1～L3為三相橋臂上的等效濾波電感；Ln為增加橋臂上的等效濾波電感；C1～C3為三相橋臂上的等效濾波電容；R1～R3為光伏逆變器的模擬負載。

圖2 光伏逆變器的等效電路圖

根據(jù)以上等效電路圖，建立逆變器的狀態(tài)方程，定義各橋臂上管占空比為Di(i=A，B，C，n)，則輸入電壓ud和各相輸出電壓之間的關(guān)系如下。

(1)

根據(jù)電路工作原理，相對于第四橋臂，圖2中A、B、C三相橋臂上的輸出電壓為：

(2)

式中：iA、iB、iC分別為A、B、C相電流；in為中性點橋臂電流;un為第四橋臂上的電壓。

由此可知，輸出電壓根據(jù)負載變化而變化，只需控制相應(yīng)橋臂的驅(qū)動通斷來實現(xiàn)。負載上的電流無需滿足三相電流之和為零的條件約束，第四橋臂為不平衡負載電流提供了通路。由于第四橋臂的存在，控制策略必須相應(yīng)的變化和改進，使系統(tǒng)能達到輸出要求。

目前，對該逆變器的控制方法主要有電流環(huán)滯環(huán)控制、中性點獨立控制、空間矢量控制和解耦控制等。本文采用解耦控制方法。該控制算法是將4個橋臂上的等效濾波電感作為輸入電源的內(nèi)部阻抗，采用引入增量的方式將中線的阻抗值變換為零，同時，將其他三相的阻抗等效為較低的阻抗值[4]。解耦時在A、B、C三相的每相串入相應(yīng)的電壓增量ΔunA、ΔunB、ΔunC，通過求解增量系數(shù)使unn=0(unn為中線輸出與參考點間的電壓)。

輸出的三線電壓內(nèi)部關(guān)系式如式(3)所示。

(3)

式中：kp為輸出三相電壓增量系數(shù)；kn為零相電壓增量系數(shù)；kl為三相上的等效電感與零相上的等效電感的轉(zhuǎn)換系數(shù)[5]。

(kp+1)/kn=-kl

(4)

3 控制系統(tǒng)建模和仿真

3.1 控制系統(tǒng)建模

在進行光伏逆變器控制系統(tǒng)的建模之前，對其輸出負載的不平衡程度進行定量分析。第四橋臂的輸出電流的反饋信號確定該橋臂的開關(guān)占空比；其他三相橋臂的開關(guān)占空比由給定和電壓反饋的幅值所決定。根據(jù)光伏逆變器的數(shù)學(xué)模型和解耦控制策略，利用Matlab軟件中的Simulink模塊建立三相中的任意一相和零相的控制模型，形成該逆變器的主電路模塊。

3.2 控制系統(tǒng)仿真與分析

根據(jù)仿真模型和設(shè)計要求，完成控制參數(shù)的設(shè)定。kp的選擇范圍為0～0.1，設(shè)置kp=0.05。在零相電感確定的情況下，kl的取值范圍為1～3，設(shè)置kl=2。kp和kl確定之后，根據(jù)式(4)可以確定kn，取0.5。由于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)多為非線性不平衡負載，因此設(shè)定負載和輸出參數(shù)如下：Za=10 Ω，Zb=1+j1，Zc=0，蓄電池輸入直流電壓ud=600 V，輸出功率為5 kW。仿真波形如圖3和圖4所示。

從圖3可以看出,光伏逆變器的輸出三相電壓幅值穩(wěn)定后為311.2 V，相位互差120°。經(jīng)分析，該波形電壓畸變率很小，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行。

從圖4觀察到，零線電流以開關(guān)頻率為周期圍繞零值上下波動，當(dāng)系統(tǒng)運行穩(wěn)定之后其平均值為零，能夠?qū)崿F(xiàn)完全解耦。

圖3 光伏逆變器輸出三相相電壓波形

圖4 光伏逆變器輸出電流波形

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

光伏逆變器控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 光伏逆變器控制系統(tǒng)框圖

本文設(shè)計的光伏逆變器控制系統(tǒng)以DSP作為主控單元，整個系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)[6]。處理器選用德州儀器公司(TI)的TMS320LF2812。該處理器具有事件管理模塊，包括通用定時器、比較器、PWM單元和捕獲單元等[7]。利用該芯片的4個ePWM單元給主電路的4個橋臂提供驅(qū)動脈沖輸出，分別控制4個橋臂的8個功率器件；利用該芯片的A/D采樣口完成所有狀態(tài)檢測信號的輸入和分析。光伏逆變器控制系統(tǒng)的主電路采用智能功率模塊(intelligent power model,IPM)和IGBT作為功率開關(guān)器件，選擇三菱公司的PM50BL4B060的IPM模塊作為前3個橋臂，東芝的 MG50J1ZS40的IGBT單管組成第四橋臂。電壓和電流的采樣主要是通過電壓、電流傳感器來實現(xiàn)的。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件包括主程序、系統(tǒng)工作狀態(tài)檢測和控制子程序、解耦控制算法的PWM 波產(chǎn)生和控制子程序、電壓電流閉環(huán)PID控制子程序、系統(tǒng)故障保護和報警子程序。主程序設(shè)計主要是對整個系統(tǒng)軟件的整體性構(gòu)建。主程序完成初始化設(shè)置之后，DSP的各個模塊開始正常工作。PWM波的產(chǎn)生主要是在中斷服務(wù)程序中進行。整個控制系統(tǒng)的軟件工作流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)軟件工作流程圖

5 結(jié)束語

本文在分析獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器數(shù)學(xué)模型和控制算法的基礎(chǔ)上，完成了光伏逆變器控制系統(tǒng)的解耦控制仿真模型分析。

仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在三相不平衡負載下的穩(wěn)定輸出。整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，并且完成了小

型光伏逆變器控制系統(tǒng)試驗?zāi)Ｐ偷能浻布_發(fā)。

[1] 張曉霞,侯競偉,殷攀攀，等.太陽能發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2007,20(5):14-16.

[2] 張興磊.離網(wǎng)型戶用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中全數(shù)字化逆變器的研究[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

[3] 牛志軍.三相四橋臂逆變器的研究[J].電力機車與城軌車輛,2008,31(4):7-9.

[4] 孫馳,畢增軍,魏光輝.一種新穎的三相四橋臂逆變器解耦控制的建模與仿真[J].中國電機工程學(xué)報,2004,24(1):124-130.

[5] 陳宏志,劉秀翀,錢曉龍,等.一種高性能單相正弦逆變電源的多環(huán)控制策略[J].東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,28(12):1685-1688.

[6] 朱子晟.基于TMS320F2812的光伏逆變器研究[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

[7] 王耀北,閆英敏,胡玉貴.DSP控制的IPM正弦逆變電源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005(24):103-105.