光伏系统中新型并网控制技术研究

2014-07-25刘晖瑶夏向阳李明德罗继平彭振江

电源技术 2014年10期

关键词：正弦交点载波

刘晖瑶，夏向阳，李明德，罗继平，彭振江

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410077；2.衡阳市产商品质量监督检验所，湖南衡阳421001）

光伏系统中新型并网控制技术研究

刘晖瑶1，夏向阳1，李明德2，罗继平2，彭振江1

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410077；2.衡阳市产商品质量监督检验所，湖南衡阳421001）

针对传统的正弦脉宽调制方法具有较大的调制误差，提出了一种改进的不对称规则采样法。该方法采用相邻采样点连线与反相载波斜边的交点时刻作为控制开关管的开通和关断时刻，增强了正弦脉宽调制效果，在每半个载波周期进行一次开关管通断时间更新，提高了控制实时性，也适合采用微处理器实时在线计算。设计了一套新型正弦脉宽调制的光伏并网逆变系统，给出了在TMS320F2812型DSP中实现该采样方法的软件流程，并在1 kW样机上验证了该方案的有效性。

脉宽调制；采样；TMS320F2812；逆变器

光伏发电是直接将太阳光能转换为电能的一种发电形式，随着全球能源问题的日益凸显，光伏并网发电的优势越来越明显。光伏并网逆变器是光伏并网发电的核心部分，其主要功能是将太阳能光伏电池发出的直流电转换为交流电，光伏并网逆变器的性能决定了整个光伏发电系统的性能，因此研究高性能光伏并网逆变器是光伏发电研究的热点，具有很高的应用价值。

正弦脉宽调制技术(SPWM)具有控制简单、输出谐波可控和响应速度快等优点，逐渐成为高频逆变器尤其是高频全桥结构逆变器获得正弦输出的常用方法。并网逆变器的所有控制都依赖于SPWM控制信号，SPWM控制信号的发射速度、时间与精度影响着整个控制系统。传统的正弦脉宽调制方法有对称规则采样法、不对称规则采样法和自然采样法，在调制效果和控制实时性等方面都存在一些缺陷。本文在改进不对称规则采样法的基础上，设计了一套新型正弦脉宽调制的光伏并网逆变系统，解决了利用传统采样方法导致并网性能不足的问题。

1 光伏并网逆变系统的原理

光伏并网系统原理如图1所示，系统由DC/AC逆变环节、LC滤波器、隔离变压器、采样检测电路、TMS320F2812型DSP以及隔离驱动电路组成[1-2]。DC/AC逆变环节将光伏电池输出的直流电转换为交流电；LC滤波器能够滤除逆变输出的高次谐波；工频变压器T使电网电压和发电系统相互隔离；采样检测电路将检测到的电压电流幅值、频率和相位信号整定后输入到DSP的CAP、AD引脚；TMS320F2812型DSP作为控制核心对采样的信号进行处理，其输出的SPWM信号通过控制IGBT通断来调节逆变器输出电压电流[3-4]；隔离电路将弱电部分和强电部分电气隔离，驱动电路用来驱动IGBT。上述结构组成了一个闭环控制系统（锁相环）[5-7]，通过对该闭环系统进行合理设置就可使逆变器并网电流实现对电网电压相位频率的跟踪，即完成锁相功能[8]。DSP TMS320F2812的两个事件管理器EVA、EVB最多能够产生8对互补的SPWM波，每一对SPWM波驱动一个IGBT桥臂，控制IGBT通断，从而实现直流电-交流电的转换[9-10]。

图1 光伏并网系统原理图

正弦脉宽调制技术是整个逆变系统的关键技术，所谓正弦脉宽调制技术，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。传统的正弦脉宽调制方法有对称规则采样法、不对称规则采样法和自然采样法。

自然采样法是在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，从而生成SPWM波，利用这种方式可准确求出每一个脉冲的发生时刻及宽度。大量的理论分析和仿真研究表明，自然采样法优于所有的规则采样法[11-12]，但这种方法需要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术时需要耗费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算。

对称规则采样法是使SPWM波的每个脉冲均以三角载波中心线为轴线对称，过三角波对称轴与调制波的交点作水平直线，该直线与三角波斜边的交点作为开关时刻。这种方法虽然具有易于实现的优点，但是所形成的矩形脉冲列与正弦波的逼近程度存在较大的误差，而且一个载波周期只进行一次采样，因此调制精度不高[13]。

为了克服对称规则采样法调制效果有偏差的缺陷，在工程中对其进行了改进，提出了不对称规则采样法。这种方法在一个周期内进行两次采样，第一次是在三角波的正峰值时刻采样，第二次是在负峰值时刻采样，采样次数比对称规则采样法多一倍，调制效果更好。A、B两点对应的时刻是采样时刻，并作一条水平延长线交三角载波于C、D两点，设一个三角载波周期为，为载波比，为调制度，为采样序号，则几何关系可得：

则SPWM脉宽为：

在时刻1给开关管一个开通信号，然后在时刻2由公式（3）计算可以得到开关器件的开通时间on，由总时间减去开通时间得到关断时刻3，之后在时刻3给开关器件关断信号。由此可见传统不对称规则采样法能够在每半个载波周期得到下一次的开关时刻，具有很高的控制实时性。但是交点C、D与实际交点还是有较大偏差，其生成的SPWM高电平脉宽比自然采样时短，低电平脉宽比自然采样时的长，因此会产生很大的调制误差。

综上所述，自然采样法调制效果最为理想，但算法复杂不适合工程实际应用；不对称规则采样法控制实时性好且算法简单，但调制效果一般。为了综合这两种方法的优点，弥补其不足，优化DSP系统的控制算法，本文提出一种新的采样方法，根据该方法的特点，称其为反相载波交点式采样法。

2 基于反相载波交点式采样法的逆变装置

2.1 反相载波交点式采样法的基本原理

图2 反相载波交点式采样法

由图2看出，反相载波交点式采样法的调制效果更加接近自然采样法。此外，这种反相载波交点式采样法同样能够在每半个载波周期得到下一次开关时刻：在三角载波的波峰2时刻进行采样，并求解交点D’的值可得到下一次开通时刻6，在三角载波的波谷3时刻可得到下一次关断时刻7，因此反相载波交点式采样法控制实时性良好，用该方法控制开关管的通断所得到的输出电压与调制波相位延时较小，非常适合输出电压需要快速变化的场合[14]，在谐波检测领域也具有一定的实用性。

2.2 反相载波交点式采样法交点值的求解

相邻采样点连线方程为：

联立式(4)、式(5)可得交点值：

相邻采样点连线方程为：

联立式(7)、式(8)可得交点值：

图3 两交线的坐标图

3 反相载波交点式采样法在TMS320-F2812中的应用

TMS320F2812具有两个事件管理器EVA、EVB，每个事件管理器具有3个全比较单元，每个比较单元都能产生一对反相的PWM波形。当TX计数寄存器TXCNT的值和TXCMPR的值相等时，就会发生比较匹配事件，这时如果PWM功能使能，则TXPWM引脚便可以输出PWM波[8]，即TXCMPR的值决定了开断时刻。交点式不对称规则采样法需要在三角载波的正峰值与负峰值处进行采样，因此要求TMS320F2812在这两个时刻进入周期中断。事件管理器采用连续增/减模式，为了使三角载波的波峰和波谷都产生周期中断，可以将三角载波每正半部分或每负半部分作为定时器T1的一个计数周期，这样一个三角载波周期相当于两个计数周期，当T1的计数寄存器值与周期寄存器T1PR的值相等时（三角载波的波峰和波谷时刻），就会发生定时器T1周期中断。

3.1 周期中断程序流程

图4 改进方法的周期中断程序流程

3.2 部分周期中断程序

interrupt void T1PINT_ISR(void)

{……

B=EvaRegs.T1PR*M*sina[i];//查询正弦表值

if((T%2)==1)//判断是波峰中断还是波谷中断

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 实验验证

为了验证上述采样方法的有效性，在一台光伏并网逆变装置上进行了实验。该装置采用全桥逆变结构，由TMS320F2812产生的SPWM波经过光耦隔离与驱动电路后，控制IGBT通断，再经过LC滤波电路后输出正弦波电压。其开关管使用FGA25N120型IGBT，输出滤波电感为1mH，滤波电容为15 μF；隔离驱动电路分别采用6N137型光耦隔离芯片和驱动芯片IR2130[15]。测试主要参数见表1、表2。

表1 程序初始化设置

表2 EVA模块主要寄存器设置

用示波器进行观测，实验结果如图5～图8所示。图7为逆变器LC滤波后的输出电压波形，用失真度测试仪测得此时的电压畸变率为1.2%。图8为利用同样的LC滤波电路，采用不对称规则SPWM采样法的逆变器输出电压波形，用失真度测试仪测得此时的电压畸变率为1.9%。可见采用反相载波交点式采样法的实验结果较为理想，且输出波形优于不对称规则采样法。

图5 采用反相载波交点式采样法的DSP输出SPWM波

图6 采用反相载波交点式采样法的逆变器LC滤波前的输出电压

图7 采用反相载波交点式采样法的逆变器LC滤波后输出正弦波电压

图8 采用不对称规则SPWM采样法的逆变器LC滤波后输出正弦波电压

5 结论

（1）本文采用反相载波交点式采样法的调制效果接近自然采样法而优于不对称规则采样法，因此利用该调制方法产生的SPWM波更接近正弦波，谐波含量更少；

（2）每半个载波周期进行一次开关管通断时间更新，保留了不对称规则采样法控制实时性高的特点，适合输出电压需要快速变化的场合；

（3）控制点时刻的计算只需求解简单的直线交点方程，控制算法简单，节省了微处理器的储存空间，易于在DSP系统中实现；

（4）实验验证了该方法有效可行，与不对称规则采样法的比较实验结果表明反相载波交点式采样法波形优于不对称规则采样法。

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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

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