分布式發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究
出處：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于：2011-06-11 18:33:50
隨著當(dāng)今社會(huì)的迅速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)。人們的生活條件也越來(lái)越好了但在幸福生活的背后，卻隱藏著一系列的問(wèn)題與禍患。別的不說(shuō)，就說(shuō)能源吧。解決能源問(wèn)題的根本辦法是開(kāi)發(fā)利用環(huán)保型的新型可再生能源，如太陽(yáng)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等。歐洲、美國(guó)在這方面已經(jīng)相繼走在了世界的前列，如德國(guó)萊比錫市已建成世界上功率的太陽(yáng)能發(fā)電站并正式并網(wǎng)發(fā)電。
分布式發(fā)電（Distributed Generation，簡(jiǎn)稱DG），通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦（也有的建議限制在30～50兆瓦以下）的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。主要包括：以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電（光伏電池、光熱發(fā)電）、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等。分布式能發(fā)電的優(yōu)勢(shì)在于可以充分開(kāi)發(fā)利用各種可用的分散存在的能源，包括本地可方便獲取的化石類燃料和可再生能源，并提高能源的利用效率。
分布式發(fā)電的研究成果進(jìn)一步為太陽(yáng)能等新型能源的利用帶來(lái)了新的概念。分布式發(fā)電可以簡(jiǎn)單理解為一種單臺(tái)中小功率、大規(guī)模的發(fā)電方式。例如近討論熱烈的“屋頂計(jì)劃”——每家每戶都利用屋頂太陽(yáng)能板，成為獨(dú)立的發(fā)電個(gè)體，再通過(guò)數(shù)量形成規(guī)模效應(yīng)。
本文介紹了一種基于電壓矢量圖計(jì)算的倍頻式電壓型單相并網(wǎng)逆變器，通過(guò)DSP控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了間接電流控制，保證了單位功率因數(shù)。具有控制簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，電網(wǎng)諧波污染小等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于中小功率的分布式并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用場(chǎng)合。
1 主電路結(jié)構(gòu)
并網(wǎng)逆變器一般分為光伏并網(wǎng)逆變器、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器、動(dòng)力設(shè)備并網(wǎng)逆變器和其他發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)逆變器。由于建筑的多樣性，勢(shì)必導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板安裝的多樣性，為了使太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率同時(shí)又兼顧建筑的外形美觀，這就要求我們的逆變器的多樣化，來(lái)實(shí)現(xiàn)方式的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在世界上比較通行的太陽(yáng)能逆變方式為：集中逆變器、組串逆變器，多組串逆變器和組件逆變，現(xiàn)將幾種逆變器運(yùn)用的場(chǎng)合加以分析。本文采用直接掛在電網(wǎng)上運(yùn)行的高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器，單相全橋主電路如圖1所示。
圖2為其理想電路模型。
圖1中，Ud為并網(wǎng)逆變器的直流輸入電源。Ud通過(guò)高頻鏈DC／AC逆變技術(shù)將初級(jí)電源（如太陽(yáng)能電池等）提供的低壓直流電變換為質(zhì)量較高的高壓交流電。US、UL和UN分別為逆變器輸出電壓、電感L端電壓和電網(wǎng)電壓有效值。電感L除了濾除高頻諧波外，還兼有平衡逆變器和電網(wǎng)之間電壓差的作用。
2 間接電流控制策略分析
SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。
作為并網(wǎng)用逆變器，其理想狀態(tài)是輸出功率因數(shù)λ=1，即網(wǎng)側(cè)電流iN無(wú)畸變且與電網(wǎng)電壓UN相位一致，這樣回饋到電網(wǎng)的只有有功功率。根據(jù)圖2等效模型，忽略電感電阻和線路電阻所得的電壓矢量圖如圖3所示。
設(shè)輸入功率為P，由圖3可知
從而有
另外，輸出電壓滿足
對(duì)于SPWM逆變器來(lái)說(shuō)，輸出電壓基波滿足
可見(jiàn)，當(dāng)UN和L值一定的情況下，根據(jù)所給定的功率P和并網(wǎng)輸出電流，IN，可通過(guò)式（2）和式（5）確定US相對(duì)于UN的超前角φ和SPWM的調(diào)制比m，從而達(dá)到控制輸出電壓Us的幅值和相位，并終調(diào)整并網(wǎng)輸出電流iN的目的。此外，在US動(dòng)態(tài)調(diào)整的過(guò)程中，為保證單位功率因數(shù)，輸出電壓向量的改變值應(yīng)該使得電感上的壓降UL始終超前電網(wǎng)電壓并與之正交，如圖3中虛線所示。
由上面分析可知，若取流經(jīng)L的輸出電流iL為狀態(tài)變量，且考慮到電感和線路等效電阻r，可得該并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型的Laplace表達(dá)式為
當(dāng)逆變器開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，忽略開(kāi)關(guān)器件和死區(qū)的影響，則逆變器可以近似等效為一個(gè)放大環(huán)節(jié)KPWM，從而有間接電流PI閉環(huán)控制框圖如圖4所示。
3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高頻并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。
包括TMS320LF240 DSP控制、電壓電流檢測(cè)、控制與保護(hù)、驅(qū)動(dòng)、控制電源以及人機(jī)界面5部分。
電網(wǎng)同步信號(hào)檢測(cè)電路如圖6所示。
降壓變壓器輸出的電網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)同步檢測(cè)電路后輸出相位和頻率與電網(wǎng)電壓相同的方波信號(hào)，終利用DSP捕捉單元來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單鎖相。DSP中斷程序的軟件濾波進(jìn)一步保證了檢測(cè)的可靠性。
直流電壓檢測(cè)電路如圖7所示，
采用線性光耦來(lái)達(dá)到采樣和隔離的目的，則有
式中：K3為線性光耦TIL300的傳輸增益。 過(guò)流保護(hù)利用了DSP的不可屏蔽中斷(NMI)功能。圖8所示的過(guò)流保護(hù)電路將反饋的交流電流信號(hào)與參考值進(jìn)行比較，
若幅值超過(guò)了設(shè)定范圍，則送中斷信號(hào)進(jìn)入NMI，從而快速封鎖逆變控制脈沖、斷開(kāi)主電路，并給出相應(yīng)的故障指示信號(hào)。
4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文提出的并網(wǎng)逆變器采用單極性倍頻SP．WM的控制方式，如圖9所示。倍頻式SPWM與普通SPWM相比，在保持開(kāi)關(guān)管工作頻率不變的情況下，將輸出電壓U8的工作頻率提高了一倍，大大減少了逆變器輸出的諧波，具有開(kāi)關(guān)損耗小、輸出濾波容易的優(yōu)點(diǎn)，能更好地滿足電網(wǎng)無(wú)污染的要求。
波形的生成主要依賴于DSP的通用定時(shí)器l以及比較寄存器CMPR1和CMPR2。設(shè)三角載波頻率與工頻的比值為240，則在一個(gè)工頻周期內(nèi)，定時(shí)器l產(chǎn)生240次下溢中斷。每次中斷后通過(guò)查詢正弦表，得到在每個(gè)三角波中心時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的裝載值。設(shè)第n次中斷時(shí)裝載的值對(duì)應(yīng)正弦表中第p個(gè)值，則通過(guò)圖9可以推得n和p的關(guān)系如下：
波形的生成主要依賴于DSP的通用定時(shí)器l以及比較寄存器CMPR1和CMPR2。設(shè)三角載波頻率與工頻的比值為240，則在一個(gè)工頻周期內(nèi)，定時(shí)器l產(chǎn)生240次下溢中斷。每次中斷后通過(guò)查詢正弦表，得到在每個(gè)三角波中心時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的裝載值。設(shè)第n次中斷時(shí)裝載的值對(duì)應(yīng)正弦表中第p個(gè)值，則通過(guò)圖9可以推得n和p的關(guān)系如下：
n的初始值決定了圖3中超前角度ψ 的大小。因此，我們一方面可以通過(guò)在市電過(guò)零時(shí)刻設(shè)定n的初值來(lái)調(diào)節(jié)ψ值，另一方面還可以通過(guò)將比較寄存器的裝載值乘以調(diào)制比m，來(lái)實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)，從而得到需要的輸出電壓Us。
軟件主程序和中斷子程序流程圖如圖10所示。
5 實(shí)驗(yàn)波形與分析
本文分別采用TI公司TMS3201LF240 DSP芯片和三菱電氣公司的QM30TB-2HB型號(hào)的IPM功率模塊搭建了試驗(yàn)用單相并網(wǎng)逆變器的控制電路和主電路，輸出功率為2 kw。直流電壓由外加隔離型AC／DC模塊提供。
交流側(cè)濾波電感L取值分析：
在保證圖3所示矢量圖有效的前提下，則有
又由式（1）和式（4）可推導(dǎo)出
因此，在輸入電壓Ud和設(shè)定功率p一定的情況下，L取值有個(gè)值。從平衡電壓的角度考慮，L取值越小越好，可以獲得更高的電流輸出，也可以減少電感制作成本；而從濾波的角度來(lái)考慮，L取值應(yīng)該大一些，有利于正弦輸出。因此，綜合考慮設(shè)定電感取值為L(zhǎng)=6mL。
圖11為實(shí)驗(yàn)所得波形，
其中圖11（a）為電感兩端端電壓的波形圖；圖11（b）為電網(wǎng)電壓和逆變器輸出并網(wǎng)電流波形（為觀測(cè)方便，將并網(wǎng)電流信號(hào)反相顯示）。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該分布式發(fā)電用高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器功率因數(shù) 近似于等l，電流畸變小，有較好的并網(wǎng)特性。
6 結(jié)語(yǔ)
本文根據(jù)分布式發(fā)電的需要設(shè)計(jì)了一種單相電壓型并網(wǎng)逆變器。該逆變器采用了基于電壓矢量圖分析計(jì)算的間接電流控制策略。具有穩(wěn)定性高，單位功率因數(shù)和對(duì)電網(wǎng)輸出諧波小等優(yōu)點(diǎn)，相信會(huì)有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
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