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        基于DSP的并網(wǎng)逆變器研究

        2015-05-07 16:28:17鄺宇袁瑜霞
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年14期
        關(guān)鍵詞:逆變器

        鄺宇 袁瑜霞

        摘 要:文章介紹了10KW光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變系統(tǒng),該系統(tǒng)采用基于DSP控制的實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的自尋優(yōu)逆變算法。研究系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能,使系統(tǒng)逆變輸出的交流電諧波含量低,符合與市電并網(wǎng)發(fā)電的要求。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了逆變系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

        關(guān)鍵詞:光伏并網(wǎng);逆變器;自尋優(yōu)逆變算法

        1 概述

        在油價(jià)高企、能源緊缺、環(huán)境保護(hù)日益重視的今天,尋找新能源、替代能源,保護(hù)環(huán)境的問(wèn)題顯得尤為突出,而大規(guī)模地開(kāi)發(fā)利用可再生潔凈能源是將來(lái)科技發(fā)展的主要方向。太陽(yáng)能用之不缺,取之不盡,源源不斷。太陽(yáng)能發(fā)電,不會(huì)造成環(huán)境污染,是新一代的清潔能源,世界各國(guó)都在加緊研究,加強(qiáng)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用,發(fā)展太陽(yáng)能利用,降低太陽(yáng)能的利用成本,使之達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用目的。文章論述的太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分,其主要功能是將太陽(yáng)能電池輸出的直流電逆變成交流電,并送入電網(wǎng)。

        2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

        光伏并網(wǎng)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種,其中最常用的有:高頻隔離并網(wǎng)、高頻不隔離并網(wǎng)、工頻隔離并網(wǎng)等幾種。工頻隔離型是最常用的結(jié)構(gòu),也是目前市場(chǎng)上使用最多的逆變器類(lèi)型。逆變器加入了工頻變壓器,既保證了系統(tǒng)不會(huì)向電網(wǎng)饋入直流分量,又提高設(shè)備安全性。此并網(wǎng)逆變器采用工頻隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。硬件包括直流采樣電路、H橋逆變電路、LCL濾波電路、隔離變壓器、交流采樣電路和DSP信號(hào)處理單元,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中,直流采樣電路包括直流電壓采樣和直流電流采樣。直流電壓采樣是通過(guò)1M的電阻和10k級(jí)電阻進(jìn)行分壓,直流電流采樣是通過(guò)霍爾傳感器把電流轉(zhuǎn)換成電壓,然后兩者接入由阻容構(gòu)成的低通濾波電路濾波后進(jìn)入DSP的AD模塊端口。逆變電路是由四個(gè)開(kāi)關(guān)功率管組成的橋式逆變電路,每對(duì)開(kāi)關(guān)管中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作模式不一致,一個(gè)開(kāi)關(guān)管處于高頻PWM工作模式,另一個(gè)處于工頻工作模式。LCL濾波電路是采用兩個(gè)高頻共模電感器和安規(guī)電容組成。隔離變壓器由低溫升的鐵芯環(huán)形變壓器做成。變壓器的輸入電壓為120v,輸出電壓220v。信號(hào)處理單元通過(guò)直流采樣電路和交流采樣電路檢測(cè)的電參量,計(jì)算開(kāi)關(guān)信號(hào),控制全橋逆變電路產(chǎn)生SPWM波電流;該電流由LCL電路濾波成正弦波電流,再經(jīng)隔離變壓器并到電網(wǎng)。

        圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

        3 系統(tǒng)的控制方案及技術(shù)環(huán)節(jié)分析

        在一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中,由于自然環(huán)境變化,如日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等影響了太陽(yáng)能電池板工作點(diǎn),通過(guò)調(diào)整輸出功率來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配,從而使太陽(yáng)能電池板工作在最大功率工作點(diǎn)(MPP)。

        文章采用的DC-AC變換器可以等效為一個(gè)變比為k的阻抗變換器,可以將太陽(yáng)能電池等效為一個(gè)電壓隨日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化,內(nèi)阻隨負(fù)載變化的電壓源。圖2(a)為具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)逆變控制系統(tǒng)的等效電路圖,為了便于分析,利用DC-AC變換器的阻抗變換的特性,可以將其簡(jiǎn)化為圖2(b)[1]。

        圖2 (a)DC-AC變換器的MPPT逆變框圖

        圖2 (b)簡(jiǎn)化后的等效電路

        根據(jù)太陽(yáng)能電池板的功率——電壓輸出特性曲線(xiàn)圖可知,太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)具有唯一性,太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)此時(shí)由負(fù)載變化決定。所以通過(guò)調(diào)節(jié)DC-AC變換器的占空比D來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)是可行的。根據(jù)DC-AC變換器的工作特性可知,輸入功率Pin=輸出功率Pout,即

        Pin=Pout (1)

        又根據(jù)DC-AC變換器的輸入輸出關(guān)系可知

        ■=k (2)

        由式(1)、(2)可得

        (■)2=■=■ (3)

        由(3)式可知,RL=■/■,根據(jù)最大功率輸出定理(戴維南定理)可知,當(dāng)太陽(yáng)能電池等效內(nèi)阻等于負(fù)載電阻,即Req=RL=■/■時(shí),太陽(yáng)能電池有最大功率Pmax輸出,即

        由上式可以推出,在一小段時(shí)間內(nèi),外部環(huán)境因素變化不大的條件下,一定存在變比值k,可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池工作在最大功率輸出點(diǎn)附近。

        文章采用的最大功率跟蹤的算法是基于多穩(wěn)態(tài)dp/dv特征曲線(xiàn)的判斷法。最大功率點(diǎn)的跟蹤實(shí)際上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程。通過(guò)對(duì)光伏電池當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測(cè),得到當(dāng)前光伏電池輸出功率,再與已存儲(chǔ)的前一時(shí)刻光伏電池功率相比較,舍小存大,再檢測(cè)、再比較。如此不停地周而復(fù)始,便可使光伏電池動(dòng)態(tài)地工作在最大功率點(diǎn)上。[2]

        圖3為逆變器系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖。DSP信號(hào)處理單元的輸入信號(hào)為四路的AD采樣信號(hào),輸出信號(hào)為驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的SPWM信號(hào)。從直流采樣電路得到的 Udc和Idc進(jìn)入DSP信號(hào)處理單元,經(jīng)過(guò)MPPT運(yùn)算,計(jì)算出參考電壓Uref的大小,然后轉(zhuǎn)換成輸出電流I*。交流采樣電路得到的Uac經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)(PLL),得到與電網(wǎng)一致的正弦波信號(hào)sinθ。sinθ與I*相乘,得到實(shí)時(shí)的原始參考電流,再經(jīng)過(guò)與電網(wǎng)實(shí)際輸出電流Iac比較反饋,得到參考電流Iref*,進(jìn)入電流控制器,最后經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制,得到開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。該算法的特點(diǎn)在于,連續(xù)采樣5次Udc和Idc,判斷參考電壓的方向和大小,計(jì)算出這5次參考電壓的平均值,以此作為新的參考電壓參與控制運(yùn)算。運(yùn)用此方法,可以補(bǔ)償AD的精度,避免系統(tǒng)控制的發(fā)生振蕩。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案,已搭建好了實(shí)驗(yàn)裝置,其各部分參數(shù)如下:逆變器的輸入電壓為120V,輸出電壓220V。并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相同頻,功率因數(shù)接近0.99,輸出電流有效值15A,輸出功率3.3KW。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        文章描述了一種光伏并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)。首先介紹了自適應(yīng)的MPPT算法來(lái)解決太陽(yáng)電池板陣列輸出電能因光輻射強(qiáng)度變化而改變的功率問(wèn)題。然后詳細(xì)解釋逆變器系統(tǒng)的控制算法。本項(xiàng)目的樣機(jī)已經(jīng)可靠運(yùn)行了一年多時(shí)間,該逆變器的效率在0.9以上,功率因數(shù)可達(dá)0.99,輸出電流的基波分量占99.5%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方案的有效性和實(shí)用性,能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的精確控制,且系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài),提高了并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的饋電質(zhì)量。

        參考文獻(xiàn)

        [1]黃躍杰. 新型光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略研究[D].上海大學(xué),2005.

        [2]王環(huán),金新民. 小功率光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的研制[J].電源技術(shù), 2003(7).

        作者簡(jiǎn)介:鄺宇(1983-),男,廣東省清遠(yuǎn)市人,工作單位:中科院廣州電子技術(shù)有限公司,職務(wù):工程師,研究方向:特種電源技術(shù)。

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