基于分布式控制系統(tǒng)的500 kW光伏逆變器設計

張平，王俊輝，胡朝燕，王琴，曲慧星

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

基于分布式控制系統(tǒng)的500 kW光伏逆變器設計

張平，王俊輝，胡朝燕，王琴，曲慧星

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

針對光伏逆變器常用的集中式控制系統(tǒng)，存在信號處理過于集中、強弱電信號不易分離、弱電信號易受干擾等缺點，設計了一種模塊化的分布式控制系統(tǒng)，并應用于光伏逆變器。詳細介紹了控制系統(tǒng)的構架和控制流程，各分布式單元的功能與光纖通信機制；主電路系統(tǒng)和控制策略。逆變器在光伏電站進行了長期運行試驗，驗證了其性能與可靠性，給出了并網(wǎng)運行波形。

光伏逆變器；分布式；光纖通信；雙環(huán)控制；抗干擾設計

0 引 言

光伏逆變器是太陽能發(fā)電的一個關鍵設備，其可靠性和性能直接影響到光伏并網(wǎng)的安全和質量。目前大多數(shù)光伏逆變器都采用集中式控制系統(tǒng)，但此系統(tǒng)存在信號處理過于集中，強弱電信號不易分離，弱電信號傳輸距離較長、易受干擾和擴展性能不足等缺點，在一定程度上影響到光伏逆變器的性能和可靠性。針對上述缺點，本文設計了一種模塊化、擴展性強和光纖通信的分布式控制系統(tǒng)，有效的提高了控制系統(tǒng)的性能與可靠性。

結合本控制系統(tǒng)與并聯(lián)的二個250 kW三相逆變回路主電路，本文研制了一種基于分布式控制系統(tǒng)的500 kW光伏逆變器，并在光伏發(fā)電站對光伏逆變器進行了小批量長期運行試驗，驗證了其性能與可靠性。

1 分布式控制系統(tǒng)設計

分布式控制系統(tǒng)包括主控制單元、逆變橋控制單元、電網(wǎng)信號處理單元、開關量單元4種分布式單元。主控制單元與其它單元之間為星型連接，采用光纖通信，連接方式如圖1所示，各單元間信號實現(xiàn)了良好的電氣隔離。同時光纖通信本身抗干擾性能較好，且采用了熱備份的雙通道通信（每通道為一收一發(fā)），從而保障了光纖通信本身的可靠性。另外，各分布式單元對各種信號分別進行就地處理，從而減少了信號的傳輸距離，故減少了各種強弱電信號之間的相互干擾。所以分布式系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

一個主控制單元最多可連接12個分布式控制單元，根據(jù)光伏逆變器不同功率等級和主電路串并聯(lián)情況，可配置不同數(shù)量的各種分布式單元，從而實現(xiàn)了控制系統(tǒng)良好的擴展性能。

圖1 分布式控制系統(tǒng)連接示意圖

1．1 光纖通信協(xié)議

光伏逆變器控制系統(tǒng)需要滿足對功率器件IGBT的高頻控制性能，一般需要在一個開關周期內完成一個完整的控制過程，即按時序完成信號采集、控制計算和PWM輸出。以開關頻率3．2 K為例，需要在312．5μs內完成一個上述控制過程。對于分布式控制系統(tǒng)，信號采集、控制計算、PWM信號輸出分布在不同的分布式單元中完成，且須按先后時序完成，而這些控制過程本身會占用一個控制周期的大部分時間，所以為了保證控制的實時性要求，必須保證各單元間通信的實時性。

常用的標準通信協(xié)議如TCP／IP、CAN、PROFIBUS等，通信實時性一般都在1ms以上，不能達到此要求，所以本系統(tǒng)設計了一種實時光纖通信協(xié)議，采用無應答的短幀編碼方式，通信速率為25Mbit／s，其實時性可保證傳輸43 Byte數(shù)據(jù)在20μs內完成。

實時通信協(xié)議包括二種幀，一種是同步幀，一種數(shù)據(jù)幀。同步幀用于主控制單元對各分布式單元發(fā)送同步指令，同步幀長度為1Byte。數(shù)據(jù)幀包括三個部分：協(xié)議碼、數(shù)據(jù)和校驗碼。協(xié)議碼用于區(qū)分不同類型的數(shù)據(jù)，長度為1Byte；數(shù)據(jù)長度為40 Byte；校驗碼長度為2 Byte。

實時通信協(xié)議的組包、解包和校驗，均由FPGA實現(xiàn)，光纖收發(fā)器也由FPGA通過差分信號直接進行接收和驅動。

1．2 主控制單元設計

主控制單元功能包括實現(xiàn)各分布式單元的數(shù)據(jù)收集、控制計算、指令下發(fā)、對外通信和實現(xiàn)人機調試。主控制單元采用DSP＋FPGA＋ARM構架，由高性能TMS320C6748 DSP實現(xiàn)控制計算、FPGA實現(xiàn)光纖通信控制和邏輯處理，ARM負責通信管理。主控制單元共設計了12對收發(fā)光纖頭，可以最大連接12個分布式單元，可滿足各種擴展需求。ARM管理1路CAN口、2路以太網(wǎng)和1路485，可滿足光伏逆變器常用的監(jiān)控與調試通信接口。主控制單元的構架框圖如圖2所示。

圖2 主控制單元的構架框圖

1．3 逆變橋控制單元設計

逆變橋控制單元功能包括一個三相逆變全橋相關聯(lián)的三相交流電流、3組功率器件溫度、1個直流電壓和1個直流電流的信號采集，6路脈沖的產生、驅動和保護。逆變橋控制單元在每個控制周期起始先進行模擬量采集和故障信號讀取，然后將數(shù)據(jù)通過光纖傳遞給主控制單元，在主控制單元進行控制計算后，將脈寬數(shù)據(jù)通過光纖發(fā)送給逆變橋控制單元。逆變橋控制單元根據(jù)脈寬數(shù)據(jù)產生PWM波，再經過最小脈寬限制、死區(qū)處理、故障保護邏輯和驅動后產生IGBT的PWM控制信號。逆變橋控制單元構架如圖3所示。

圖3 逆變橋控制單元構架框圖

1．4 電網(wǎng)信號處理單元設計

電網(wǎng)信號處理單元功能包括，電網(wǎng)三相交流電壓信號的采集、電網(wǎng)相角和頻率的測量，并將數(shù)據(jù)通過光纖傳遞給主控制單元。

1．5 開關量單元設計

開關量單元功能為開入和開出管理。每單元設計了12個交流220 V開出量和16個直流24 V開入量。單元在每個控制周期中與主控制單元進行一次數(shù)據(jù)交互，并進行一次開出操作和開入讀取。

1．6 周期控制流程

分布式系統(tǒng)周期控制流程為，首先進行控制周期設定，一般控制頻率與開關頻率相同，如采用3．2 k開關頻率，則控制周期為312．5μs。在每個控制周期起始，主控制單元FPGA向各分布式單元發(fā)出同步指令。然后電網(wǎng)信號處理單元進行電網(wǎng)電壓采集、電網(wǎng)相角和頻率獲??；全橋控制單元進行三相電流、IGBT溫度和直流電壓信號的采集與故障量獲?。婚_關量單元進行開入讀取。各分布式單元然后將數(shù)據(jù)全部上送至主控制單元，主控制單元進行控制計算，然后將開出量數(shù)據(jù)發(fā)送給開關量單元，將脈沖使能信號和PWM脈寬數(shù)據(jù)發(fā)送給逆變橋控制單元。最后，開關量單元進行開出操作；逆變橋控制單元進行脈沖產生、驅動與輸出，完成一個完整的控制周期。

2 主電路及控制系統(tǒng)配置

500 kW光伏逆變器主電路由2個250 kW三相逆變全橋回路并聯(lián)而成，每個250 kW逆變回路分別對應一個PV陣列輸入。與主電路對應控制系統(tǒng)配置了二個逆變橋控制單元、一個主控制單元、一個電網(wǎng)信號處理單元和一個開關量單元。主電路及控制系統(tǒng)配置示意圖如圖4所示。

圖4 主電路及控制系統(tǒng)配置示意圖

3 控制策略

由于每個250 kW逆變回路對應獨立的PV陣列輸入，所以對每個250 kW逆變回路進行獨立控制?？刂撇呗远疾扇殡妷和猸h(huán)和電流內環(huán)的雙環(huán)控制，并外加MPPT功率環(huán)控制［1］，控制策略如圖5所示。

圖5 光伏逆變器控制策略示意圖

控制詳細過程為：首先通過測量得到光伏陣列電壓udc和電流idc，由udc和idc通過MPPT功率外環(huán)控制得到電壓指令，并與直流電壓udc相比較得到電壓誤差，輸入PI調節(jié)器得到電流指令fffff6。與此同時，將測量得到的三相電流ia，ib，ic和電網(wǎng)相角θ經過Clarke變換和Park變換得到兩相旋轉垂直坐標下的電流分量id和iq。將id、iq與fffff5、fffff4相比較得到電流誤差信號分別輸入PI調節(jié)器，并加入前饋解耦控制［2－6］解除d，q軸之間的電流耦合得到控制電壓，再經過Park反變換得到電壓指令uα與uβ。uα、uβ通過SVPWM算法［7］產生6路PWM信號，并用于對三相全橋中6個IGBT的進行開通和關斷控制。

4 試驗及結果

首先，對在逆變器中信號傳輸受距離影響進行了對比試驗。圖6例舉了在相同工況下PWM信號（周期為312．5 μs。占空比為50%，）經過不同傳輸距離進入IGBT驅動入口的示波器波形，其中圖（a）為傳輸距離20 cm，圖（b）為傳輸距離1．6 m。從圖中可以看出傳輸距離短的PWM信號質量明顯優(yōu)于距離長的信號。在分布式控制系統(tǒng)中，由于分布式單元就近處理，信號傳輸距離較短，所以分布式系統(tǒng)可提高信號抗干擾性能。

圖6 PWM信號經過不同傳輸距離進入IGBT驅動時的波形

圖7 逆變器470 kW運行時的并網(wǎng)電流波形

另外對逆變器在光伏發(fā)電站進行了小批量連續(xù)1．5年運行試驗，驗證了系統(tǒng)的可靠性與性能。逆變器在470 kW運行時的三相并網(wǎng)電流如圖7所示，此時運行工況為：一回路直流電壓557 V，二回路直流電壓553 V，電網(wǎng)相電壓157 V，并網(wǎng)電流998 A。

5 結束語

本文構建了一套分布式控制系統(tǒng)，并結合二個250 kW三相逆變回路并聯(lián)的主電路，研制了一種500 kW光伏逆變器。通過信號在不同傳輸距離下的傳輸質量對比試驗和小批量光伏逆變器在光伏電站長期運行試驗，驗證了分布式單元就地信號處理和光纖通信具有較好的抗干擾性能，分布式控制系統(tǒng)具有高可靠性，同時電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙環(huán)控制、并外加MPPT功率環(huán)控制的控制策略具有良好的控制效果。整個500 kW光伏逆變器系統(tǒng)具有高可靠性與良好性能。

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［7］趙紫龍，周敏，瞿興鴻，等．基于改進空間矢量脈寬調制的電壓源型換流器偶次諧波抑制［J］．電力系統(tǒng)自動化，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

張平（1981－），男，四川人，碩士，男，工程師，研究方向為電力電子技術和嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用。

定稿日期：2013－11－07