基于DSP控制的單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李正斌， 翟亞芳， 秦長海

(安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院 河南 安陽 455000)

基于DSP控制的單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李正斌， 翟亞芳， 秦長海

(安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院 河南 安陽 455000)

基于TMS320F2812芯片，闡述了一種單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法.分析并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主電路，介紹了最大功率跟蹤算法、電網(wǎng)跟蹤控制以及電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)方法，并使用Matlab進(jìn)行仿真，最后構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室樣機(jī).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明并網(wǎng)電流波形良好，逆變器輸出基本與電網(wǎng)電壓同頻同相，該方案可行.

光伏； 逆變系統(tǒng)； MPPT； 鎖相

0 引言

光伏發(fā)電以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的技術(shù)之一[1]，為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能和效率，一些文獻(xiàn)分別對逆變主電路[2-3]、最大功率算法、仿真方法進(jìn)行了廣泛研究.本文基于TMS320F2812設(shè)計(jì)一種單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，采用變步長擾動(dòng)控制法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和電網(wǎng)跟蹤，并搭建樣機(jī)測試，最后給出了系統(tǒng)的Matlab仿真結(jié)果和樣機(jī)測試結(jié)果.

1 單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的硬件組成

1.1 系統(tǒng)原理圖

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、DC/DC升壓電路、DC/AC逆變電路、濾波電抗器、DC/DC控制電路和DC/AC控制電路構(gòu)成.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其工作過程為：由光伏陣列送來的直流電經(jīng)過DC/DC變換器升壓至400 V，進(jìn)入逆變器主電路轉(zhuǎn)換成交流方波，再經(jīng)濾波器濾波成為正弦波電壓送至電網(wǎng).采用SG3525控制芯片確保光伏電池的輸出電壓穩(wěn)定在給定的最大功率點(diǎn)上，采用TMS320F2812控制芯片完成SPWM輸出，并保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)電壓同步.

1.2 相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的主電路

主電路采用帶變壓器的兩級結(jié)構(gòu)，如圖2所示[2-3].前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器，兩部分通過DC-link相連.考慮到輸入電壓較低，而輸出電壓較大，前級DC/DC變換器采用Boost升壓電路，將光伏陣列升至400 V，同時(shí)受SG3525控制芯片與DSP控制完成最大功率跟蹤.DC-link的作用除了連接DC/DC變換器和DC/AC逆變器，還實(shí)現(xiàn)功率的傳遞.后級的DC/AC逆變器，采用單相逆變?nèi)珮?，作用是將DC-link直流電轉(zhuǎn)換成220 V/50 Hz正弦交流電，實(shí)現(xiàn)逆變向電網(wǎng)輸送功率.

本設(shè)計(jì)采用STP190S-24/Ad+型單晶硅太陽能電池板，其最大工作電壓36.6 V、最大工作電流5.20 A、開路電壓45.2 V.為使輸出電壓紋波小于5 V，濾波電容取47 uF/l00 V.DC/DC變換器開關(guān)管的最大電流為12.6 A，承受的最大電壓為90 V，選取Infineon公司的IPP35CN10NG MOSFET管，其耐壓值100 V、額定電流27 A.二極管最大電流為12.6 A，功率開關(guān)管承受的最大反向電壓為52.5 V，選取Infineon公司的IDB15E60二極管，其最大反向耐壓600 V，最大正向電流29.2 A，反向恢復(fù)時(shí)間最長131 ns.逆變主電路選用三菱公司的IPM模塊PS21869，整個(gè)模塊包括6路高速低功耗IGBT組成的三相全控橋式電路，最大單管通過的平均電流為50 A、最大耐壓值為600 V、最高開關(guān)頻率為20 kHz，內(nèi)部集成了完善的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路.

1.3 控制芯片

選用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為控制電路的核心，其主要特點(diǎn)如下：高性能32位CPU，運(yùn)行頻率高達(dá)150 MHz，高效的代碼轉(zhuǎn)換功能；芯片內(nèi)部有3個(gè)32位定時(shí)器，支持動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)的倍頻系數(shù)；16個(gè)信道的12位A/D接口可靈活設(shè)置采樣方式，單通道最快轉(zhuǎn)換周期為200 ns；兩個(gè)事件管理器模塊(EVA、EVB)等.TMS320F2812檢測直流側(cè)太陽能電池的電流和電壓信號，與并網(wǎng)電流和電壓比較.DSP輸出4路脈沖信號對逆變器的開關(guān)管IGBT進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)輸出電流的并網(wǎng)同步，并給SG3525發(fā)出最大功率點(diǎn)跟蹤的電壓指令和啟動(dòng)、停止信號[4].

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖2 逆變系統(tǒng)主電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 最大功率跟蹤(MPPT)實(shí)現(xiàn)

2.2 網(wǎng)側(cè)電壓鎖相(SPLL)控制

光伏并網(wǎng)逆變器必須滿足輸出電流與電網(wǎng)同頻同相.由于本設(shè)計(jì)中的逆變器的輸出控制采用電流控制方式，電網(wǎng)可以視為容量無窮大的交流電壓源，則只需控制逆變器的輸出電流相位與電網(wǎng)電壓相位同步，幅值保持正弦，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的.本設(shè)計(jì)采用軟件鎖相實(shí)現(xiàn)同步[6].TMS320F2812為CAPl分配通用定時(shí)器l作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，并設(shè)置遞增的計(jì)數(shù)模式，同時(shí)將電網(wǎng)電壓的信號經(jīng)濾波、整形為與其同步的方波信號，并送入CAPl引腳；捕捉方波信號的上升沿，并記錄此定時(shí)器的值，相鄰兩次定時(shí)器值之差就是所測電網(wǎng)電壓的周期，用該周期作為正弦調(diào)制波的周期，通過判斷電網(wǎng)電壓過零時(shí)正弦表指針的位置判斷二者的相位差，相應(yīng)調(diào)整給定并網(wǎng)電流的正弦表指針，從而實(shí)現(xiàn)二者的同頻同相.軟件鎖相由捕捉中斷和定時(shí)中斷共同完成，正弦表取1 024個(gè)點(diǎn).

2.3 逆變器跟蹤電網(wǎng)控制

由于光伏并網(wǎng)逆變器是基于PWM逆變實(shí)現(xiàn)，故其控制屬于逆變器PWM電流控制.采用DSP內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)SPWM波形的控制輸出.DSP通用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，而周期寄存器裝載三角載波周期所需的計(jì)數(shù)值.將PWM1的比較輸出方式設(shè)為高有效，PWM2設(shè)為低有效，同時(shí)將正弦波各個(gè)比較點(diǎn)的幅值取出，送給定時(shí)器比較寄存器.當(dāng)CMPR1與T1CNT相等時(shí)，PWM1由低變?yōu)楦撸琍WM2由高變?yōu)榈?；若CMPR1與T1CNT下降沿匹配時(shí)，PWM的變化相反.定時(shí)器繼續(xù)計(jì)數(shù)直至周期寄存器的值發(fā)生周期匹配，一個(gè)三角載波周期結(jié)束.若需改變?nèi)禽d波頻率和比較值，只需改變周期寄存器和比較寄存器的值.其原理如圖4所示.本文中設(shè)置SPWM波形的載波頻率為25kHz，采用PWM1～PWM4 發(fā)送PWM波.給定的基準(zhǔn)脈寬數(shù)據(jù)采用查表的方式，設(shè)置的死區(qū)時(shí)間為1μs.

圖3 MPPT算法流程圖

圖4 SPWM 輸出方式原理圖

3 Matlab仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證單相光伏逆變系統(tǒng)效果，使用Matlab建立系統(tǒng)并仿真.圖5為電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)電流并網(wǎng)時(shí)電流，看出兩者基本同頻同相.制作樣機(jī)進(jìn)行測試，并使用示波器觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖6為系統(tǒng)電流輸出波形，頻率為50.2 Hz，十分接近電網(wǎng)頻率.圖7～8為系統(tǒng)電壓波形，其頻率分別為49.9 Hz和50.1 Hz，表明系統(tǒng)的鎖相環(huán)可根據(jù)檢測到的電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)來調(diào)整并網(wǎng)頻率，使輸出電壓頻率波動(dòng)維持在±2%的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出較好的跟隨性.

圖5 系統(tǒng)Matlab仿真結(jié)果

圖7 系統(tǒng)電壓輸出波形

圖8 系統(tǒng)電壓輸出波形

4 結(jié)論

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于TMS320F2812控制的單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理，設(shè)計(jì)了最大功率跟蹤算法和鎖相環(huán)的軟件設(shè)計(jì)流程圖，以及SPWM的實(shí)現(xiàn)方法，并搭建樣機(jī).其仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明逆變電流能夠較好跟蹤電網(wǎng)電壓，滿足并網(wǎng)條件，表明本設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性，但高次諧波問題有待進(jìn)一步研究[7].

[1] Naveen J， Singh S N，文福栓．分布式發(fā)電當(dāng)前趨勢與將來挑戰(zhàn)[J]．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(4)：53-61．

[2] 程軍照，吳夕科，李澍森，等.采用Boost的兩級式光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)[J]．高電壓技術(shù)，2009，35(8):2048-2052．

[3] 王磊，李照陽，童子權(quán)．一種可并網(wǎng)光伏發(fā)電逆變器設(shè)計(jì)[J]．儀表儀器與傳感器，2012， 8(8):22-23．

[4] 劉家恒，文勵(lì)洪，鐘宇明．基于DSP的新型并網(wǎng)逆變器的研制[J]．電力電子技術(shù)，2009，43(6):50-52．

[5] 董密，羅安．光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的設(shè)計(jì)與控制方法[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006，30(20):97-102．

[6] 牛虹，宋家友．基于DSP的直接數(shù)字頻率合成[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2002，34(2)：66-68．

[7] 任輝．開關(guān)電源對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波干擾與抑制[J]．四川師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，24(4)：399-401．

Design of Single Phase Photovoltaic Grid-connected InverseSystem Based on DSP

LI Zheng-bin， ZHAI Ya-fang， QIN Chang-hai

(DepartmentofElectronicInformationandElectricalEngineering，AnyangInstituteofTechnology，Anyang455000，China)

The design of a single phase photovoltaic grid-connected inverter system based on TMS320F2812 was presented. The constitute and designs of the software flow chart of MPPT, the inverter tracking control of power grid and the SPLL control of grid voltage were analyzed. Matlab based simulations for the inverter systems were carried out and a developed prototype was tested. Results showed the wave of grid connected current had the same frequency and phase as the utility voltage. The results confirmed the effectiveness of the inverter system.

photovoltaic; inverter system; MPPT; phase locking

2013-04-06

河南省科技廳科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目，編號112102210374.

李正斌(1979-)，男，講師，碩士，主要從事電工理論與新技術(shù)研究，E-mail: lizhengbin09@163.com.

TM 615; TP 23

A

1671-6841(2014)01-0107-04

10.3969/j.issn/1671-6841.2014.01.024