張平，王俊輝，胡朝燕，王琴，曲慧星

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

基于分布式控制系統(tǒng)的500 kW光伏逆變器設(shè)計(jì)

張平，王俊輝，胡朝燕，王琴，曲慧星

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

針對(duì)光伏逆變器常用的集中式控制系統(tǒng)，存在信號(hào)處理過(guò)于集中、強(qiáng)弱電信號(hào)不易分離、弱電信號(hào)易受干擾等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種模塊化的分布式控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于光伏逆變器。詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的構(gòu)架和控制流程，各分布式單元的功能與光纖通信機(jī)制；主電路系統(tǒng)和控制策略。逆變器在光伏電站進(jìn)行了長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了其性能與可靠性，給出了并網(wǎng)運(yùn)行波形。

光伏逆變器；分布式；光纖通信；雙環(huán)控制；抗干擾設(shè)計(jì)

0 引 言

光伏逆變器是太陽(yáng)能發(fā)電的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性和性能直接影響到光伏并網(wǎng)的安全和質(zhì)量。目前大多數(shù)光伏逆變器都采用集中式控制系統(tǒng)，但此系統(tǒng)存在信號(hào)處理過(guò)于集中，強(qiáng)弱電信號(hào)不易分離，弱電信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)、易受干擾和擴(kuò)展性能不足等缺點(diǎn)，在一定程度上影響到光伏逆變器的性能和可靠性。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種模塊化、擴(kuò)展性強(qiáng)和光纖通信的分布式控制系統(tǒng)，有效的提高了控制系統(tǒng)的性能與可靠性。

結(jié)合本控制系統(tǒng)與并聯(lián)的二個(gè)250 kW三相逆變回路主電路，本文研制了一種基于分布式控制系統(tǒng)的500 kW光伏逆變器，并在光伏發(fā)電站對(duì)光伏逆變器進(jìn)行了小批量長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了其性能與可靠性。

1 分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式控制系統(tǒng)包括主控制單元、逆變橋控制單元、電網(wǎng)信號(hào)處理單元、開(kāi)關(guān)量單元4種分布式單元。主控制單元與其它單元之間為星型連接，采用光纖通信，連接方式如圖1所示，各單元間信號(hào)實(shí)現(xiàn)了良好的電氣隔離。同時(shí)光纖通信本身抗干擾性能較好，且采用了熱備份的雙通道通信（每通道為一收一發(fā)），從而保障了光纖通信本身的可靠性。另外，各分布式單元對(duì)各種信號(hào)分別進(jìn)行就地處理，從而減少了信號(hào)的傳輸距離，故減少了各種強(qiáng)弱電信號(hào)之間的相互干擾。所以分布式系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

一個(gè)主控制單元最多可連接12個(gè)分布式控制單元，根據(jù)光伏逆變器不同功率等級(jí)和主電路串并聯(lián)情況，可配置不同數(shù)量的各種分布式單元，從而實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性能。

圖1 分布式控制系統(tǒng)連接示意圖

1．1 光纖通信協(xié)議

光伏逆變器控制系統(tǒng)需要滿(mǎn)足對(duì)功率器件IGBT的高頻控制性能，一般需要在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完成一個(gè)完整的控制過(guò)程，即按時(shí)序完成信號(hào)采集、控制計(jì)算和PWM輸出。以開(kāi)關(guān)頻率3．2 K為例，需要在312．5μs內(nèi)完成一個(gè)上述控制過(guò)程。對(duì)于分布式控制系統(tǒng)，信號(hào)采集、控制計(jì)算、PWM信號(hào)輸出分布在不同的分布式單元中完成，且須按先后時(shí)序完成，而這些控制過(guò)程本身會(huì)占用一個(gè)控制周期的大部分時(shí)間，所以為了保證控制的實(shí)時(shí)性要求，必須保證各單元間通信的實(shí)時(shí)性。

常用的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議如TCP／IP、CAN、PROFIBUS等，通信實(shí)時(shí)性一般都在1ms以上，不能達(dá)到此要求，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)光纖通信協(xié)議，采用無(wú)應(yīng)答的短幀編碼方式，通信速率為25Mbit／s，其實(shí)時(shí)性可保證傳輸43 Byte數(shù)據(jù)在20μs內(nèi)完成。

實(shí)時(shí)通信協(xié)議包括二種幀，一種是同步幀，一種數(shù)據(jù)幀。同步幀用于主控制單元對(duì)各分布式單元發(fā)送同步指令，同步幀長(zhǎng)度為1Byte。數(shù)據(jù)幀包括三個(gè)部分：協(xié)議碼、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼。協(xié)議碼用于區(qū)分不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度為1Byte；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為40 Byte；校驗(yàn)碼長(zhǎng)度為2 Byte。

實(shí)時(shí)通信協(xié)議的組包、解包和校驗(yàn)，均由FPGA實(shí)現(xiàn)，光纖收發(fā)器也由FPGA通過(guò)差分信號(hào)直接進(jìn)行接收和驅(qū)動(dòng)。

1．2 主控制單元設(shè)計(jì)

主控制單元功能包括實(shí)現(xiàn)各分布式單元的數(shù)據(jù)收集、控制計(jì)算、指令下發(fā)、對(duì)外通信和實(shí)現(xiàn)人機(jī)調(diào)試。主控制單元采用DSP＋FPGA＋ARM構(gòu)架，由高性能TMS320C6748 DSP實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算、FPGA實(shí)現(xiàn)光纖通信控制和邏輯處理，ARM負(fù)責(zé)通信管理。主控制單元共設(shè)計(jì)了12對(duì)收發(fā)光纖頭，可以最大連接12個(gè)分布式單元，可滿(mǎn)足各種擴(kuò)展需求。ARM管理1路CAN口、2路以太網(wǎng)和1路485，可滿(mǎn)足光伏逆變器常用的監(jiān)控與調(diào)試通信接口。主控制單元的構(gòu)架框圖如圖2所示。

圖2 主控制單元的構(gòu)架框圖

1．3 逆變橋控制單元設(shè)計(jì)

逆變橋控制單元功能包括一個(gè)三相逆變?nèi)珮蛳嚓P(guān)聯(lián)的三相交流電流、3組功率器件溫度、1個(gè)直流電壓和1個(gè)直流電流的信號(hào)采集，6路脈沖的產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。逆變橋控制單元在每個(gè)控制周期起始先進(jìn)行模擬量采集和故障信號(hào)讀取，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳遞給主控制單元，在主控制單元進(jìn)行控制計(jì)算后，將脈寬數(shù)據(jù)通過(guò)光纖發(fā)送給逆變橋控制單元。逆變橋控制單元根據(jù)脈寬數(shù)據(jù)產(chǎn)生PWM波，再經(jīng)過(guò)最小脈寬限制、死區(qū)處理、故障保護(hù)邏輯和驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生IGBT的PWM控制信號(hào)。逆變橋控制單元構(gòu)架如圖3所示。

圖3 逆變橋控制單元構(gòu)架框圖

1．4 電網(wǎng)信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

電網(wǎng)信號(hào)處理單元功能包括，電網(wǎng)三相交流電壓信號(hào)的采集、電網(wǎng)相角和頻率的測(cè)量，并將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳遞給主控制單元。

1．5 開(kāi)關(guān)量單元設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)量單元功能為開(kāi)入和開(kāi)出管理。每單元設(shè)計(jì)了12個(gè)交流220 V開(kāi)出量和16個(gè)直流24 V開(kāi)入量。單元在每個(gè)控制周期中與主控制單元進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交互，并進(jìn)行一次開(kāi)出操作和開(kāi)入讀取。

1．6 周期控制流程

分布式系統(tǒng)周期控制流程為，首先進(jìn)行控制周期設(shè)定，一般控制頻率與開(kāi)關(guān)頻率相同，如采用3．2 k開(kāi)關(guān)頻率，則控制周期為312．5μs。在每個(gè)控制周期起始，主控制單元FPGA向各分布式單元發(fā)出同步指令。然后電網(wǎng)信號(hào)處理單元進(jìn)行電網(wǎng)電壓采集、電網(wǎng)相角和頻率獲取；全橋控制單元進(jìn)行三相電流、IGBT溫度和直流電壓信號(hào)的采集與故障量獲?。婚_(kāi)關(guān)量單元進(jìn)行開(kāi)入讀取。各分布式單元然后將數(shù)據(jù)全部上送至主控制單元，主控制單元進(jìn)行控制計(jì)算，然后將開(kāi)出量數(shù)據(jù)發(fā)送給開(kāi)關(guān)量單元，將脈沖使能信號(hào)和PWM脈寬數(shù)據(jù)發(fā)送給逆變橋控制單元。最后，開(kāi)關(guān)量單元進(jìn)行開(kāi)出操作；逆變橋控制單元進(jìn)行脈沖產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)與輸出，完成一個(gè)完整的控制周期。

2 主電路及控制系統(tǒng)配置

500 kW光伏逆變器主電路由2個(gè)250 kW三相逆變?nèi)珮蚧芈凡⒙?lián)而成，每個(gè)250 kW逆變回路分別對(duì)應(yīng)一個(gè)PV陣列輸入。與主電路對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)配置了二個(gè)逆變橋控制單元、一個(gè)主控制單元、一個(gè)電網(wǎng)信號(hào)處理單元和一個(gè)開(kāi)關(guān)量單元。主電路及控制系統(tǒng)配置示意圖如圖4所示。

圖4 主電路及控制系統(tǒng)配置示意圖

3 控制策略

由于每個(gè)250 kW逆變回路對(duì)應(yīng)獨(dú)立的PV陣列輸入，所以對(duì)每個(gè)250 kW逆變回路進(jìn)行獨(dú)立控制?？刂撇呗远疾扇殡妷和猸h(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，并外加MPPT功率環(huán)控制［1］，控制策略如圖5所示。

圖5 光伏逆變器控制策略示意圖

控制詳細(xì)過(guò)程為：首先通過(guò)測(cè)量得到光伏陣列電壓udc和電流idc，由udc和idc通過(guò)MPPT功率外環(huán)控制得到電壓指令，并與直流電壓udc相比較得到電壓誤差，輸入PI調(diào)節(jié)器得到電流指令fffff6。與此同時(shí)，將測(cè)量得到的三相電流ia，ib，ic和電網(wǎng)相角θ經(jīng)過(guò)Clarke變換和Park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)垂直坐標(biāo)下的電流分量id和iq。將id、iq與fffff5、fffff4相比較得到電流誤差信號(hào)分別輸入PI調(diào)節(jié)器，并加入前饋解耦控制［2－6］解除d，q軸之間的電流耦合得到控制電壓，再經(jīng)過(guò)Park反變換得到電壓指令uα與uβ。uα、uβ通過(guò)SVPWM算法［7］產(chǎn)生6路PWM信號(hào)，并用于對(duì)三相全橋中6個(gè)IGBT的進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷控制。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

首先，對(duì)在逆變器中信號(hào)傳輸受距離影響進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。圖6例舉了在相同工況下PWM信號(hào)（周期為312．5 μs。占空比為50%，）經(jīng)過(guò)不同傳輸距離進(jìn)入IGBT驅(qū)動(dòng)入口的示波器波形，其中圖（a）為傳輸距離20 cm，圖（b）為傳輸距離1．6 m。從圖中可以看出傳輸距離短的PWM信號(hào)質(zhì)量明顯優(yōu)于距離長(zhǎng)的信號(hào)。在分布式控制系統(tǒng)中，由于分布式單元就近處理，信號(hào)傳輸距離較短，所以分布式系統(tǒng)可提高信號(hào)抗干擾性能。

圖6 PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)不同傳輸距離進(jìn)入IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)的波形

圖7 逆變器470 kW運(yùn)行時(shí)的并網(wǎng)電流波形

另外對(duì)逆變器在光伏發(fā)電站進(jìn)行了小批量連續(xù)1．5年運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性與性能。逆變器在470 kW運(yùn)行時(shí)的三相并網(wǎng)電流如圖7所示，此時(shí)運(yùn)行工況為：一回路直流電壓557 V，二回路直流電壓553 V，電網(wǎng)相電壓157 V，并網(wǎng)電流998 A。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了一套分布式控制系統(tǒng)，并結(jié)合二個(gè)250 kW三相逆變回路并聯(lián)的主電路，研制了一種500 kW光伏逆變器。通過(guò)信號(hào)在不同傳輸距離下的傳輸質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)和小批量光伏逆變器在光伏電站長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了分布式單元就地信號(hào)處理和光纖通信具有較好的抗干擾性能，分布式控制系統(tǒng)具有高可靠性，同時(shí)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制、并外加MPPT功率環(huán)控制的控制策略具有良好的控制效果。整個(gè)500 kW光伏逆變器系統(tǒng)具有高可靠性與良好性能。

［1］張興，曹仁賢．太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［2］張興．PWM整流器及其控制策略的研究［D］．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003．

［3］沈傳文，劉瑋，路強(qiáng)，等．基于前饋解耦的三相PWM整流器研制［J］．電力電子技術(shù)，2006，40（2）：74－79．

［4］李正熙，鄭春雨，樊生文．風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器的前饋解耦控制［J］．北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（1）：56－59．

［5］張琪祁，徐政．基于電流解耦控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析［J］．機(jī)電工程．2010，27（11）：95－98．

［6］易靈芝，彭寒梅，王根平，等．基于空間矢量的三相光伏并網(wǎng)逆變器解耦控制研究［J］．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31（1）：72－78．

［7］趙紫龍，周敏，瞿興鴻，等．基于改進(jìn)空間矢量脈寬調(diào)制的電壓源型換流器偶次諧波抑制［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（8）：112（116．

Design of 500 kW Photovoltaic Inverter Based on Distributed Control System

ZHANG Ping，WANG Jun-hui，HU Chao-yan，WANG Qin，QU Hui-xing
（NARITechnology Development Co．，Ltd．，Nanjing Jiangsu 2100061，China）

In view of disadvantages of centralized control systems commonly used for the photovoltaic control system such as over-centralized signal processing，difficult separation of light-current signal from heavy-current signal and high interference susceptibility of lightcurrent signal，this paper presents amodular distributed control system applied in a photovoltaic inverter．It introduces details on the framework and control process of the control system，functions and optical fiber communication of every distributed unit，main circuit system and its control strategy．The long time operational test at the photovoltaic power station verifies the performance and reliability of the inverter．Grid connection waveforms are given．

photovoltaic inverter；distributed control system；optical fiber communication；dual-loop control；anti-interference design

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．014

TM46

A

1000－3886（2014）04－0041－02

張平（1981－），男，四川人，碩士，男，工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)和嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

定稿日期：2013－11－07