基于分布式控制系统的500 kW光伏逆变器设计

张平，王俊辉，胡朝燕，王琴，曲慧星

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061）

基于分布式控制系统的500 kW光伏逆变器设计

张平，王俊辉，胡朝燕，王琴，曲慧星

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061）

针对光伏逆变器常用的集中式控制系统，存在信号处理过于集中、强弱电信号不易分离、弱电信号易受干扰等缺点，设计了一种模块化的分布式控制系统，并应用于光伏逆变器。详细介绍了控制系统的构架和控制流程，各分布式单元的功能与光纤通信机制；主电路系统和控制策略。逆变器在光伏电站进行了长期运行试验，验证了其性能与可靠性，给出了并网运行波形。

光伏逆变器；分布式；光纤通信；双环控制；抗干扰设计

0 引 言

光伏逆变器是太阳能发电的一个关键设备，其可靠性和性能直接影响到光伏并网的安全和质量。目前大多数光伏逆变器都采用集中式控制系统，但此系统存在信号处理过于集中，强弱电信号不易分离，弱电信号传输距离较长、易受干扰和扩展性能不足等缺点，在一定程度上影响到光伏逆变器的性能和可靠性。针对上述缺点，本文设计了一种模块化、扩展性强和光纤通信的分布式控制系统，有效的提高了控制系统的性能与可靠性。

结合本控制系统与并联的二个250 kW三相逆变回路主电路，本文研制了一种基于分布式控制系统的500 kW光伏逆变器，并在光伏发电站对光伏逆变器进行了小批量长期运行试验，验证了其性能与可靠性。

1 分布式控制系统设计

分布式控制系统包括主控制单元、逆变桥控制单元、电网信号处理单元、开关量单元4种分布式单元。主控制单元与其它单元之间为星型连接，采用光纤通信，连接方式如图1所示，各单元间信号实现了良好的电气隔离。同时光纤通信本身抗干扰性能较好，且采用了热备份的双通道通信（每通道为一收一发），从而保障了光纤通信本身的可靠性。另外，各分布式单元对各种信号分别进行就地处理，从而减少了信号的传输距离，故减少了各种强弱电信号之间的相互干扰。所以分布式系统提高了控制系统的可靠性。

一个主控制单元最多可连接12个分布式控制单元，根据光伏逆变器不同功率等级和主电路串并联情况，可配置不同数量的各种分布式单元，从而实现了控制系统良好的扩展性能。

图1 分布式控制系统连接示意图

1．1 光纤通信协议

光伏逆变器控制系统需要满足对功率器件IGBT的高频控制性能，一般需要在一个开关周期内完成一个完整的控制过程，即按时序完成信号采集、控制计算和PWM输出。以开关频率3．2 K为例，需要在312．5μs内完成一个上述控制过程。对于分布式控制系统，信号采集、控制计算、PWM信号输出分布在不同的分布式单元中完成，且须按先后时序完成，而这些控制过程本身会占用一个控制周期的大部分时间，所以为了保证控制的实时性要求，必须保证各单元间通信的实时性。

常用的标准通信协议如TCP／IP、CAN、PROFIBUS等，通信实时性一般都在1ms以上，不能达到此要求，所以本系统设计了一种实时光纤通信协议，采用无应答的短帧编码方式，通信速率为25Mbit／s，其实时性可保证传输43 Byte数据在20μs内完成。

实时通信协议包括二种帧，一种是同步帧，一种数据帧。同步帧用于主控制单元对各分布式单元发送同步指令，同步帧长度为1Byte。数据帧包括三个部分：协议码、数据和校验码。协议码用于区分不同类型的数据，长度为1Byte；数据长度为40 Byte；校验码长度为2 Byte。

实时通信协议的组包、解包和校验，均由FPGA实现，光纤收发器也由FPGA通过差分信号直接进行接收和驱动。

1．2 主控制单元设计

主控制单元功能包括实现各分布式单元的数据收集、控制计算、指令下发、对外通信和实现人机调试。主控制单元采用DSP＋FPGA＋ARM构架，由高性能TMS320C6748 DSP实现控制计算、FPGA实现光纤通信控制和逻辑处理，ARM负责通信管理。主控制单元共设计了12对收发光纤头，可以最大连接12个分布式单元，可满足各种扩展需求。ARM管理1路CAN口、2路以太网和1路485，可满足光伏逆变器常用的监控与调试通信接口。主控制单元的构架框图如图2所示。

图2 主控制单元的构架框图

1．3 逆变桥控制单元设计

逆变桥控制单元功能包括一个三相逆变全桥相关联的三相交流电流、3组功率器件温度、1个直流电压和1个直流电流的信号采集，6路脉冲的产生、驱动和保护。逆变桥控制单元在每个控制周期起始先进行模拟量采集和故障信号读取，然后将数据通过光纤传递给主控制单元，在主控制单元进行控制计算后，将脉宽数据通过光纤发送给逆变桥控制单元。逆变桥控制单元根据脉宽数据产生PWM波，再经过最小脉宽限制、死区处理、故障保护逻辑和驱动后产生IGBT的PWM控制信号。逆变桥控制单元构架如图3所示。

图3 逆变桥控制单元构架框图

1．4 电网信号处理单元设计

电网信号处理单元功能包括，电网三相交流电压信号的采集、电网相角和频率的测量，并将数据通过光纤传递给主控制单元。

1．5 开关量单元设计

开关量单元功能为开入和开出管理。每单元设计了12个交流220 V开出量和16个直流24 V开入量。单元在每个控制周期中与主控制单元进行一次数据交互，并进行一次开出操作和开入读取。

1．6 周期控制流程

分布式系统周期控制流程为，首先进行控制周期设定，一般控制频率与开关频率相同，如采用3．2 k开关频率，则控制周期为312．5μs。在每个控制周期起始，主控制单元FPGA向各分布式单元发出同步指令。然后电网信号处理单元进行电网电压采集、电网相角和频率获取；全桥控制单元进行三相电流、IGBT温度和直流电压信号的采集与故障量获取；开关量单元进行开入读取。各分布式单元然后将数据全部上送至主控制单元，主控制单元进行控制计算，然后将开出量数据发送给开关量单元，将脉冲使能信号和PWM脉宽数据发送给逆变桥控制单元。最后，开关量单元进行开出操作；逆变桥控制单元进行脉冲产生、驱动与输出，完成一个完整的控制周期。

2 主电路及控制系统配置

500 kW光伏逆变器主电路由2个250 kW三相逆变全桥回路并联而成，每个250 kW逆变回路分别对应一个PV阵列输入。与主电路对应控制系统配置了二个逆变桥控制单元、一个主控制单元、一个电网信号处理单元和一个开关量单元。主电路及控制系统配置示意图如图4所示。

图4 主电路及控制系统配置示意图

3 控制策略

由于每个250 kW逆变回路对应独立的PV阵列输入，所以对每个250 kW逆变回路进行独立控制。控制策略都采取为电压外环和电流内环的双环控制，并外加MPPT功率环控制［1］，控制策略如图5所示。

图5 光伏逆变器控制策略示意图

控制详细过程为：首先通过测量得到光伏阵列电压udc和电流idc，由udc和idc通过MPPT功率外环控制得到电压指令，并与直流电压udc相比较得到电压误差，输入PI调节器得到电流指令fffff6。与此同时，将测量得到的三相电流ia，ib，ic和电网相角θ经过Clarke变换和Park变换得到两相旋转垂直坐标下的电流分量id和iq。将id、iq与fffff5、fffff4相比较得到电流误差信号分别输入PI调节器，并加入前馈解耦控制［2－6］解除d，q轴之间的电流耦合得到控制电压，再经过Park反变换得到电压指令uα与uβ。uα、uβ通过SVPWM算法［7］产生6路PWM信号，并用于对三相全桥中6个IGBT的进行开通和关断控制。

4 试验及结果

首先，对在逆变器中信号传输受距离影响进行了对比试验。图6例举了在相同工况下PWM信号（周期为312．5 μs。占空比为50%，）经过不同传输距离进入IGBT驱动入口的示波器波形，其中图（a）为传输距离20 cm，图（b）为传输距离1．6 m。从图中可以看出传输距离短的PWM信号质量明显优于距离长的信号。在分布式控制系统中，由于分布式单元就近处理，信号传输距离较短，所以分布式系统可提高信号抗干扰性能。

图6 PWM信号经过不同传输距离进入IGBT驱动时的波形

图7 逆变器470 kW运行时的并网电流波形

另外对逆变器在光伏发电站进行了小批量连续1．5年运行试验，验证了系统的可靠性与性能。逆变器在470 kW运行时的三相并网电流如图7所示，此时运行工况为：一回路直流电压557 V，二回路直流电压553 V，电网相电压157 V，并网电流998 A。

5 结束语

本文构建了一套分布式控制系统，并结合二个250 kW三相逆变回路并联的主电路，研制了一种500 kW光伏逆变器。通过信号在不同传输距离下的传输质量对比试验和小批量光伏逆变器在光伏电站长期运行试验，验证了分布式单元就地信号处理和光纤通信具有较好的抗干扰性能，分布式控制系统具有高可靠性，同时电压外环和电流内环的双环控制、并外加MPPT功率环控制的控制策略具有良好的控制效果。整个500 kW光伏逆变器系统具有高可靠性与良好性能。

［1］张兴，曹仁贤．太阳能光伏并网发电及其逆变控制［M］北京：机械工业出版社，2010．

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［3］沈传文，刘玮，路强，等．基于前馈解耦的三相PWM整流器研制［J］．电力电子技术，2006，40（2）：74－79．

［4］李正熙，郑春雨，樊生文．风力发电并网逆变器的前馈解耦控制［J］．北方工业大学学报，2011，23（1）：56－59．

［5］张琪祁，徐政．基于电流解耦控制的光伏并网系统仿真分析［J］．机电工程．2010，27（11）：95－98．

［6］易灵芝，彭寒梅，王根平，等．基于空间矢量的三相光伏并网逆变器解耦控制研究［J］．太阳能学报，2010，31（1）：72－78．

［7］赵紫龙，周敏，瞿兴鸿，等．基于改进空间矢量脉宽调制的电压源型换流器偶次谐波抑制［J］．电力系统自动化，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

张平（1981－），男，四川人，硕士，男，工程师，研究方向为电力电子技术和嵌入式系统在电力系统中的应用。

定稿日期：2013－11－07