劉暉瑤，夏向陽，李明德，羅繼平，彭振江

（1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410077；2.衡陽市產(chǎn)商品質量監(jiān)督檢驗所，湖南衡陽421001）

光伏系統(tǒng)中新型并網(wǎng)控制技術研究

劉暉瑤1，夏向陽1，李明德2，羅繼平2，彭振江1

（1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410077；2.衡陽市產(chǎn)商品質量監(jiān)督檢驗所，湖南衡陽421001）

針對傳統(tǒng)的正弦脈寬調制方法具有較大的調制誤差，提出了一種改進的不對稱規(guī)則采樣法。該方法采用相鄰采樣點連線與反相載波斜邊的交點時刻作為控制開關管的開通和關斷時刻，增強了正弦脈寬調制效果，在每半個載波周期進行一次開關管通斷時間更新，提高了控制實時性，也適合采用微處理器實時在線計算。設計了一套新型正弦脈寬調制的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，給出了在TMS320F2812型DSP中實現(xiàn)該采樣方法的軟件流程，并在1 kW樣機上驗證了該方案的有效性。

脈寬調制；采樣；TMS320F2812；逆變器

光伏發(fā)電是直接將太陽光能轉換為電能的一種發(fā)電形式，隨著全球能源問題的日益凸顯，光伏并網(wǎng)發(fā)電的優(yōu)勢越來越明顯。光伏并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電的核心部分，其主要功能是將太陽能光伏電池發(fā)出的直流電轉換為交流電，光伏并網(wǎng)逆變器的性能決定了整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能，因此研究高性能光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電研究的熱點，具有很高的應用價值。

正弦脈寬調制技術(SPWM)具有控制簡單、輸出諧波可控和響應速度快等優(yōu)點，逐漸成為高頻逆變器尤其是高頻全橋結構逆變器獲得正弦輸出的常用方法。并網(wǎng)逆變器的所有控制都依賴于SPWM控制信號，SPWM控制信號的發(fā)射速度、時間與精度影響著整個控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的正弦脈寬調制方法有對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法和自然采樣法，在調制效果和控制實時性等方面都存在一些缺陷。本文在改進不對稱規(guī)則采樣法的基礎上，設計了一套新型正弦脈寬調制的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，解決了利用傳統(tǒng)采樣方法導致并網(wǎng)性能不足的問題。

1 光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的原理

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)由DC/AC逆變環(huán)節(jié)、LC濾波器、隔離變壓器、采樣檢測電路、TMS320F2812型DSP以及隔離驅動電路組成[1-2]。DC/AC逆變環(huán)節(jié)將光伏電池輸出的直流電轉換為交流電；LC濾波器能夠濾除逆變輸出的高次諧波；工頻變壓器T使電網(wǎng)電壓和發(fā)電系統(tǒng)相互隔離；采樣檢測電路將檢測到的電壓電流幅值、頻率和相位信號整定后輸入到DSP的CAP、AD引腳；TMS320F2812型DSP作為控制核心對采樣的信號進行處理，其輸出的SPWM信號通過控制IGBT通斷來調節(jié)逆變器輸出電壓電流[3-4]；隔離電路將弱電部分和強電部分電氣隔離，驅動電路用來驅動IGBT。上述結構組成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)（鎖相環(huán)）[5-7]，通過對該閉環(huán)系統(tǒng)進行合理設置就可使逆變器并網(wǎng)電流實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓相位頻率的跟蹤，即完成鎖相功能[8]。DSP TMS320F2812的兩個事件管理器EVA、EVB最多能夠產(chǎn)生8對互補的SPWM波，每一對SPWM波驅動一個IGBT橋臂，控制IGBT通斷，從而實現(xiàn)直流電-交流電的轉換[9-10]。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)原理圖

正弦脈寬調制技術是整個逆變系統(tǒng)的關鍵技術，所謂正弦脈寬調制技術，就是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。傳統(tǒng)的正弦脈寬調制方法有對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法和自然采樣法。

自然采樣法是在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關器件的通斷，從而生成SPWM波，利用這種方式可準確求出每一個脈沖的發(fā)生時刻及寬度。大量的理論分析和仿真研究表明，自然采樣法優(yōu)于所有的規(guī)則采樣法[11-12]，但這種方法需要求解復雜的超越方程，在采用微機控制技術時需要耗費大量的計算時間，難以在實時控制中在線計算。

對稱規(guī)則采樣法是使SPWM波的每個脈沖均以三角載波中心線為軸線對稱，過三角波對稱軸與調制波的交點作水平直線，該直線與三角波斜邊的交點作為開關時刻。這種方法雖然具有易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但是所形成的矩形脈沖列與正弦波的逼近程度存在較大的誤差，而且一個載波周期只進行一次采樣，因此調制精度不高[13]。

為了克服對稱規(guī)則采樣法調制效果有偏差的缺陷，在工程中對其進行了改進，提出了不對稱規(guī)則采樣法。這種方法在一個周期內進行兩次采樣，第一次是在三角波的正峰值時刻采樣，第二次是在負峰值時刻采樣，采樣次數(shù)比對稱規(guī)則采樣法多一倍，調制效果更好。A、B兩點對應的時刻是采樣時刻，并作一條水平延長線交三角載波于C、D兩點，設一個三角載波周期為，為載波比，為調制度，為采樣序號，則幾何關系可得：

則SPWM脈寬為：

在時刻1給開關管一個開通信號，然后在時刻2由公式（3）計算可以得到開關器件的開通時間on，由總時間減去開通時間得到關斷時刻3，之后在時刻3給開關器件關斷信號。由此可見傳統(tǒng)不對稱規(guī)則采樣法能夠在每半個載波周期得到下一次的開關時刻，具有很高的控制實時性。但是交點C、D與實際交點還是有較大偏差，其生成的SPWM高電平脈寬比自然采樣時短，低電平脈寬比自然采樣時的長，因此會產(chǎn)生很大的調制誤差。

綜上所述，自然采樣法調制效果最為理想，但算法復雜不適合工程實際應用；不對稱規(guī)則采樣法控制實時性好且算法簡單，但調制效果一般。為了綜合這兩種方法的優(yōu)點，彌補其不足，優(yōu)化DSP系統(tǒng)的控制算法，本文提出一種新的采樣方法，根據(jù)該方法的特點，稱其為反相載波交點式采樣法。

2 基于反相載波交點式采樣法的逆變裝置

2.1 反相載波交點式采樣法的基本原理

圖2 反相載波交點式采樣法

由圖2看出，反相載波交點式采樣法的調制效果更加接近自然采樣法。此外，這種反相載波交點式采樣法同樣能夠在每半個載波周期得到下一次開關時刻：在三角載波的波峰2時刻進行采樣，并求解交點D’的值可得到下一次開通時刻6，在三角載波的波谷3時刻可得到下一次關斷時刻7，因此反相載波交點式采樣法控制實時性良好，用該方法控制開關管的通斷所得到的輸出電壓與調制波相位延時較小，非常適合輸出電壓需要快速變化的場合[14]，在諧波檢測領域也具有一定的實用性。

2.2 反相載波交點式采樣法交點值的求解

相鄰采樣點連線方程為：

聯(lián)立式(4)、式(5)可得交點值：

相鄰采樣點連線方程為：

聯(lián)立式(7)、式(8)可得交點值：

圖3 兩交線的坐標圖

3 反相載波交點式采樣法在TMS320-F2812中的應用

TMS320F2812具有兩個事件管理器EVA、EVB，每個事件管理器具有3個全比較單元，每個比較單元都能產(chǎn)生一對反相的PWM波形。當TX計數(shù)寄存器TXCNT的值和TXCMPR的值相等時，就會發(fā)生比較匹配事件，這時如果PWM功能使能，則TXPWM引腳便可以輸出PWM波[8]，即TXCMPR的值決定了開斷時刻。交點式不對稱規(guī)則采樣法需要在三角載波的正峰值與負峰值處進行采樣，因此要求TMS320F2812在這兩個時刻進入周期中斷。事件管理器采用連續(xù)增/減模式，為了使三角載波的波峰和波谷都產(chǎn)生周期中斷，可以將三角載波每正半部分或每負半部分作為定時器T1的一個計數(shù)周期，這樣一個三角載波周期相當于兩個計數(shù)周期，當T1的計數(shù)寄存器值與周期寄存器T1PR的值相等時（三角載波的波峰和波谷時刻），就會發(fā)生定時器T1周期中斷。

3.1 周期中斷程序流程

圖4 改進方法的周期中斷程序流程

3.2 部分周期中斷程序

interrupt void T1PINT_ISR(void)

{……

B=EvaRegs.T1PR*M*sina[i];//查詢正弦表值

if((T%2)==1)//判斷是波峰中斷還是波谷中斷

D=(EvaRegs.T1PR*(A+B))/(2*EvaRegs.T1PR+B-A);

else

D=(EvaRegs.T1PR*(A+B))/(2*EvaRegs.T1PR+A-B);

EvaRegs.CMPR1=D;

EvaRegs.CMPR2=D;

A=B;

……

4 實驗驗證

為了驗證上述采樣方法的有效性，在一臺光伏并網(wǎng)逆變裝置上進行了實驗。該裝置采用全橋逆變結構，由TMS320F2812產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)過光耦隔離與驅動電路后，控制IGBT通斷，再經(jīng)過LC濾波電路后輸出正弦波電壓。其開關管使用FGA25N120型IGBT，輸出濾波電感為1mH，濾波電容為15 μF；隔離驅動電路分別采用6N137型光耦隔離芯片和驅動芯片IR2130[15]。測試主要參數(shù)見表1、表2。

表1 程序初始化設置

表2 EVA模塊主要寄存器設置

用示波器進行觀測，實驗結果如圖5～圖8所示。圖7為逆變器LC濾波后的輸出電壓波形，用失真度測試儀測得此時的電壓畸變率為1.2%。圖8為利用同樣的LC濾波電路，采用不對稱規(guī)則SPWM采樣法的逆變器輸出電壓波形，用失真度測試儀測得此時的電壓畸變率為1.9%?？梢姴捎梅聪噍d波交點式采樣法的實驗結果較為理想，且輸出波形優(yōu)于不對稱規(guī)則采樣法。

圖5 采用反相載波交點式采樣法的DSP輸出SPWM波

圖6 采用反相載波交點式采樣法的逆變器LC濾波前的輸出電壓

圖7 采用反相載波交點式采樣法的逆變器LC濾波后輸出正弦波電壓

圖8 采用不對稱規(guī)則SPWM采樣法的逆變器LC濾波后輸出正弦波電壓

5 結論

（1）本文采用反相載波交點式采樣法的調制效果接近自然采樣法而優(yōu)于不對稱規(guī)則采樣法，因此利用該調制方法產(chǎn)生的SPWM波更接近正弦波，諧波含量更少；

（2）每半個載波周期進行一次開關管通斷時間更新，保留了不對稱規(guī)則采樣法控制實時性高的特點，適合輸出電壓需要快速變化的場合；

（3）控制點時刻的計算只需求解簡單的直線交點方程，控制算法簡單，節(jié)省了微處理器的儲存空間，易于在DSP系統(tǒng)中實現(xiàn)；

（4）實驗驗證了該方法有效可行，與不對稱規(guī)則采樣法的比較實驗結果表明反相載波交點式采樣法波形優(yōu)于不對稱規(guī)則采樣法。

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Research on new grid control technology in PV systems

LIU Hui-yao1,XIA Xiang-yang1,LI Ming-de2,LUO Ji-ping2,PENG Zhen-jiang1

According to traditional sinusoidal pulse widthmodulationmethod whichhas a largemodulation error,an improved asymmetric regular samplingmethod was proposed.The adjacent sampling points connection and the inverter carrierhypotenuse intersectionmoments as a control switch turn-on and turn-off time were used,thus the sinusoidal pulse widthmodulation effects were enhanced.The real-time control was improved by the switch-off time update in eachhalf cycle of the carrier.It was also suitable formicroprocessor real-time online computation.A new type of sinusoidal pulse widthmodulation photovoltaic inverter system was designed.The samplingmethod implemented in the DSPTMS320F2812-based software process was given,and the effectiveness of the scheme on 1 kW prototype was verified.

pulse widthmodulation；sampling；TMS320F2812；inverter

TM 615

A

1002-087 X(2014)10-1885-04

2014-03-16

湖南省自然科學基金(2011JJ5027)；湖南省科技計劃項目(2014GK3006)

劉暉瑤(1985－)，女，湖南省人，碩士研究生，主要研究方向為新能源發(fā)電技術。