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1、精品学习资源周光明 1，朱正菲 1，谢佶隽 2（ 1. 浙江省能源讨论所,浙江 杭州 310012；2. 浙江高校 电气工程学院 ,浙江 杭州 310 027）摘 要：介绍了基于 DSP 的光伏并网逆变系统的设计；系统采纳 TMS320F2407 作为主控芯片，通过最大功率跟踪，使太阳电池动态工作在最大功率点上；运用电流预估量原理使输出性能得到提高，通过软件锁相使输出电流同步跟踪电网电压相位，并具有电网掉电识别、过流、欠压和监控等功能，保证了光伏并网发电的安全运行，并具有远程通讯功能；关键词：光伏并网； DSP；最大功率跟踪；通讯Design and control of grid conne
2、cted PV inverted based on DSPZHOU Guangming1, ZHU Zhengfei1, XIE Jijun21. Zhejiang Energy Research Institute, Hangzhou 310012, China ；2. Electric and Electronic College of ZhejiangUniversity, Hangzhou 310027, ChinaAbstract: This paper deals with a study on grid connected photovoltaic inverter based
3、onDSP. The concept of main circuit design and its control strategy were provided. The fundamental features of this system are constructed by an constant voltage tracker to realize the maximum power output of PV array, a phase locker to make output current synchronous with main gridvoltage. To avoid
4、the“ island effect” and to identify the main grid is“ on” or“ off ” , ovlow voltage etc. ，some appropriate control sets are used in the system .In addition, the back feeds欢迎下载精品学习资源from the main grid to inverter was fully avoided by using soft phaselocking technology.Keywords: grid connected PV ； DS
5、P； MPPT ； communication0 引言日益恶化的生态环境使人们逐步熟悉到，人类必需走可连续进展的道路，大力开发和利用可再生能源是必由之路；太阳能光伏利用技术在这种形势下进入了快速进展的阶段；依据有关资料介绍：全球生产的太阳电池将有40%左右用于光伏并网发电；光伏电池发电有离网和并网两种工作方式，过去由于太阳电池的生产成本居高不下，光伏发电系统主要集中在中小功率的通讯、管网爱护、交通信号和偏远无电地区的离网用户；随着太阳电池性能价格比的提高，光伏发电开头由离网型逐步向并网型过渡，并考虑太阳电池和建筑相结合的发电方向进展，功率等级也逐步由中小功率向大功率进展，使用范畴也逐步由边远农
6、村走向城市；1 并网逆变器的设计方案光伏并网发电系统分为可调度式并网系统带有少量蓄电池 和不行调度式并网系统不带蓄电池 ；后者由于没有蓄电池 ,造价相对较低 ,但由于不能够掌握上网时间,作为调峰使用成效较差；这类并网系统要求逆变器只有单一的并网工作模式,当电网失电时停止工作；国 外开发可调度式并网系统的目的是电网调峰,虽然带有蓄电池 ,但其容量只要求满意每天3 4h 的调峰 ,不象独立光伏系统要求储备容量满意34d 的使用 ,因此造价比独立光伏系统有较大的下降；由于上网时间可以掌握,可调度式并网系统的利用率由原先的30%提高到60%，其调峰成效将大大提高；可调度式并网系统要求逆变器同时具有独立
7、工作和并网工作两种模式 ,具有更大的敏捷性,更简洁被电力部门作为电力调峰所接受,又由于风 光,风 光 柴以及 风 光 柴 蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统也要求光伏系统具有独立和并网两种工作模式,因此设计逆变器样机选定为可调度式并网方案,即开发独立 / 并网双功能型逆变器；欢迎下载精品学习资源2 系统结构及工作原理(1) 与建筑物结合的专用光伏组件输出通过电压电流跟踪，采样信号送到DSP 中，通过MPPT 掌握，送到 DC/DC 环节，调剂此处 DC 变换的 PWM 脉宽，使光伏阵列始终工作在最大功率点上，提高光伏阵列的利用率；(2) 电池板输出负载为逆变电路以及蓄电池，当光伏组件无功率送
8、出时，蓄电池对逆变电路供电；同时，仍可以通过电网峰谷时段判定，增加电网谷电时段对蓄电池充电；(3) 并网之前先判定是否符合并网条件，如符合，就通过并网同步切换掌握并网；反之始终检测，直到符合条件再进行并网；正常工作过程中，对电网电流电压实行实时监控， 电网显现反常就依据需要进行动作；(4) 具备 RS232/RS485 接口，作为通讯及远程掌握用；(5) 整个系统掌握部分采纳DSP 芯片完成，它具有运行速度快，运算才能强的特点，能使整个系统具有很高的智能化程度和实时响应才能；3 系统设计的主要技术环节分析3.1 并网输出电压电流的掌握方案并网输出电流的掌握是整个系统的关键；采纳TMS320F2
9、407 作为掌握芯片，该芯片具有运算速度快、实时处理才能强的优点，保证了系统具有较高的开关工作频率和很好的欢迎下载精品学习资源动态响应；目前，大部分的工业过程都采纳PID 掌握算法，过去多采纳模拟器件来实现，该掌握器的结构简洁，参数易于调整，对于那些模型不精确，参数变化大的被控对象，采纳PID掌握器往往能得到较中意的掌握成效；但是由于采样和运算推迟会引起系统的相位滞后， 使掌握系统 相位裕量减小，降低了掌握系统牢靠性；为了补偿系统的掌握算法处理所带来的一个周期时间的延时，同时为了改善系统的性能，我们在利用 DSP 进行的电压电流双环掌握算法中采纳一种电流预估量的掌握算法，即利用本周期的采样值，
10、猜测出下一个周期的采样值，用该值运算下一个周期的开关量，在 下一个开关周期对系统进行掌握，这样就可以补偿采样和运算延时对系统的影响；3.1.1 电流预估量原理对任意二阶被控对象，其开环传递函数为其中 为二阶系统的系统阻尼比，0为系统的无阻尼自然振荡角频率；按采样频率T将其离散化，可得到相应的离散域传递函数通过一系列的运算，最终可以得到：由上式，可以看出，利用输出变量和掌握变量的历史值，可以得到当前时刻的输出值；在 PI 算法中，采纳电流预估运算法可以补偿掌握系统一个周期的延时，改善了系统的相位裕量，增加了系统前馈增益；3.1.2 电压环的掌握我们对输出电压 u 的掌握实行 PI 掌握；对指令输
11、出电压u* 和检测电压 u 的电压误 差u进行 PI 运算 如下式 确定指令电抗电流i* ；欢迎下载精品学习资源4 式中， Kvp 、Kvi 分别表示电压掌握系统中比例和积分增益；通过电流预估运算法和电流电压双环掌握使得逆变输出的电流电压波形得到很大程度的提高，对提高整个系统的牢靠性有很大的帮忙；4 并网的同步实现4.1 并网运行的条件一般电力用户电网电压为三相沟通电,相电压为 220V,线电压为 380V,电压频率为 50Hz, 三相电压彼此间相位差为120；为了削减并网装置并网时的冲击, 依据电力系统准同期并 列的条件 ,并网时应同时满意以下3 个条件： 并网装置逆变输出电压和市电电压接近
12、相等,一般压差应在10%以内； 逆变输出频率接近市电频率,一般频差不超过 0.4 Hz ； 逆变输出电压和市电电压同相,通常此相位差不宜超过10；4.2 并网的同步实现并网的关键是要求输出正弦电流与电网电压同频、同相；要做到这一点，第一要产生同步信号；将电网电压信号经滤波、整形产生同步方波信号；同步方波信号输入DSP 的外部中断口 XINT1 ，捕获电网电压的过零点；当DSP 检测到同步信号的上跳沿时，便产生同步中断；在同步中断中，指向正弦表对应变量的指针复位到零；然后每当T1 下溢时，该指针加 1；另外由于同步信号易受干扰，因此在软件上仍要加入滤波程序；产生了同步信号，正弦表对应的指针与网压
13、同步；将PI 调剂后得到的电流指令IO 与正弦表指针所对应数据相乘，形成幅值可调的正弦电流指令Iref，通过闭环掌握使输出的电流跟踪正弦电流 指令实现电流跟踪掌握；这样就实现了输出电流与网压同频、同相；详细实现可以参考图2；欢迎下载精品学习资源4.3 光伏并网发电系统的孤岛效应与防止策略所谓孤岛效应，依据美国 Sandia国家试验室 Sandia National Laboratories 供应的报告指出，当电力公司的供电，因故障事故或停电修理而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网路，而形成由太阳能并网发电系统和四周的负载形成的一个电力公司无法把握的自
14、给供电孤岛；事实上不只太阳能发电系统会有这个问题的存在，只要是分散式的并网发电系统，其发电设备都会有此问题产生；一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括：(1) 电力公司输电线路修理人员的安全危害；(2) 影响配电系统上的爱护开关动作程序；(3) 电力孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳固现象；(4) 当电力公司供电复原时所造成的相位不同步问题；(5) 太阳能供电系统如采纳单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题；当越来越多的光伏并网发电系统并联于沟通电网时，发生孤岛效应的机率也就越高， 所以必需寻求适当策略来应对日趋严峻的孤岛效应问题；防止孤岛效应 anti
15、islanding 的基本点和关键点是电网断电的检测；通常在配电开关跳脱时，假如太阳能供电系统的供电量和电网负载需求量之间的差异很大，市电网路的电压及频率将会发生很大的变动，此时可以利用系统软硬件所规定的电网电压的过欠电压保护设置 点及过 欠频率爱护设置点来检测电网断电，从而防止孤岛效应；孤岛效应检测技术一般可分成被动式及主动式两类；被动式检测技术一般是利用监测市电状态，如电压、频率作为判定市电是否故障的依据；而主动检测法，就是由电力转换欢迎下载精品学习资源器产生一干扰信号，观看市电的是否受到影响以作为判定依据，由于市电可以看为是一个容量无穷大的电压源；5 最大功率跟踪由于光伏电池的最大功率输
16、出点是随光强和温度变化的；为了充分利用太阳能，系统必需实现最大功率点的跟踪；最大功率点的跟踪实际上是一个自寻优过程；通过对光伏电池当前输出电压与电流的检测，得到当前光伏电池输出功率，再与已储备的前一时刻光伏电池功率相比较，舍小存大，再检测、再比较；如此不停地周而复始，便可使光伏电池动态工作在最大功率点上；5.1 跟踪算法5.1.1 登山法登山法的主要思想是通过周期性地给太阳能电池的输出电压加扰动，比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小；假如功率增加，在下一个周期以同样方向加扰动，否就改变扰动的方向；其详细的掌握算法如下：寄存器ak存放每一周期Vref 调整值，第一运算逆变器的输出功率Pk ，
17、并与上一周期的输出功率Pk-1 比较，然后判定 ak-1 的符号，如PkPk-1 ，就 ak 与 ak-1 同号处理，否就 ak 与 ak-1 异号处理，从而调整Vref 的大小，这种方法适用于光强变化小的环境；5.1.2 导纳微分法登山法输出功率的变化被简洁的认为是太阳能电池的输出电压变化造成的；这种方法不能将太阳能电池的输出功率与实际的最大功率点电压作比较，从而偏离了实际的最大功率点；导纳微分法依据最大功率的电压来调剂太阳能电池的输出电压，从而防止了这种现象的显现； dP/dV 的是与输出电压值一一对应的；(1) 当 dP/dV=0 ，在最大功率点处(2) 当 dP/dV 0，在最大功率点
18、左边(3) 当 dP/dV 0，在最大功率点右边并且 dP/dV=dIV/dV=I+VdI/dV，因此通过判定I/V+dI/dV即 G+dG 的符号，就可以确定工作点的位置了；欢迎下载精品学习资源本系统中将依据导纳微分法的掌握方法完成最大功率跟踪器的功能；通过测量Iout 输出电流的有效值 和太阳能电池输出Vdc 和 Idc 的值，依据导纳微分法得到Vref； Vref 与Vdc 的差经 PI 调剂作为掌握逆变器产生PWM 波的指令电流幅值I0 ；指令电流幅值 I0 乘以正弦表的正弦值得出Iref ；依据并网逆变器的原理将Iref-IP+Us 的值作为产生 PWM 波的调制波；6 计量、监测环
19、节系统的各种反馈以及掌握算法皆需要对电压/电流采样；系统通过电流/ 电压互感器得到与被测量成正比的模拟量，为了使用DSP 进行各种数据处理，需要将模拟量转换成数字量，这个任务由专用的ADC 芯片来完成；目前的ADC 可以做到同时具备高精度与高速度，这对于系统的掌握有极大的好处：高速度带来的是快速的响应，协作高速的DSP 芯片，系统可以做到实时响应；高精度带来的是掌握精度的提高，同时可以充分发挥DSP 擅长的数字运算；采样的数据除了供应应DSP 做运算用，同时 DSP 也可以依据这些数值猎取系统状态，并做出适当反应，从而达到监控系统的目的；显示部分：为了直观的反映系统状态，系统配备了一块大屏幕液
20、晶显示器，可以实时显示各有关数据：电流、电压、频率、温度等等情形；7 结语目前国内现有的光伏并网逆变系统所采纳的逆变器，较大的系统一般采纳国外进口设备，而较小系统仍采纳传统的模拟或单片机掌握方式，存在系统效率较低，实时响应才能差，系统不能升级等缺点；而本系统采纳国内外先进的DSP 数字处理芯片，在增加少量的外围电路的基础上，能够使整个系统的效率和实时响应才能得到极大的提高，另外由于DSP 数字处理芯片功能的强大，使比较复杂的掌握算法得以实现，很大程度上提高了整个系统的功能；同时由于外围器件较少，通过修改程序就能使系统轻松升级；从而达到整个系统高效率、高牢靠、低成本的目标；欢迎下载精品学习资源参
21、考文献1 赵玉文 .光伏发电在本世纪人类能源进展中的战略位置R. 合肥 :合肥工业高校 ,2002.2 余世杰，何慧如，苏建徽.光伏水泵系统 J.太阳能学报， 1999,20特刊 :11 5-118.3 Laukatnp H, Leithold W, Rehg U. Sclarzentnun FwiburgEuropes fist photo voltaic structural glazing lacadeA. 12 E C Photovoltaic Solar Energy Confer enceC. 1994. 928-931.4 Guidelines for the t of Photovoltaic Plants.analysis and Presentation of Monitoring DataR. J RCIspra, 1995.5 陈伯时 .电力拖动自动掌握系统M. 北京 :机械工业出版社，1992.6 Schmid 1. PV in BuildingsA. 11t E C Solar Erengy ConferenceC. Mo ntreux, 1992.能源工程欢迎下载