分布式發(fā)電用單相中小功率并網(wǎng)逆變器的研制
摘 要:提出了一種基于美國TI公司TMS320LF240 DSP芯片的直接并網(wǎng)逆變器的實(shí)現(xiàn)方案。該并網(wǎng)逆變器采用了基于空間矢量圖計(jì)算的倍頻式SPWM控制策略,硬件和軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠,特別適用于中小功率分布式發(fā)電的場(chǎng)合。實(shí)驗(yàn)波形和分析證明了該套方案的有效性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞:分布式發(fā)電;并網(wǎng)逆變器;空間矢量圖;倍頻式SPWM
0 引言
當(dāng)今社會(huì),能源已成為制約世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。解決能源問題的根本辦法是開發(fā)利用環(huán)保型的新型可再生能源,如太陽能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等。歐洲、美國在這方面已經(jīng)相繼走在了世界的前列,如德國萊比錫市已建成世界上功率最大的太陽能發(fā)電站并正式并網(wǎng)發(fā)電。
分布式發(fā)電的研究成果進(jìn)一步為太陽能等新型能源的利用帶來了新的概念。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。例如最近討論熱烈的“屋頂計(jì)劃”――每家每戶都利用屋頂太陽能板,成為獨(dú)立的發(fā)電個(gè)體,再通過數(shù)量形成規(guī)模效應(yīng)。
而分布式發(fā)電需要有一種能將能量反饋到電網(wǎng)的電力電子接口裝置,我們通常稱之為并網(wǎng)逆變器。由于該逆變器在整套設(shè)備中具有關(guān)鍵作用,如何提高其性能以滿足能量傳輸和電能質(zhì)量的要求已成為近年的研究熱點(diǎn)。
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)
根據(jù)采用隔離變壓器的類型,并網(wǎng)逆變可分為低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變、高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變以及非隔離型并網(wǎng)逆變[3]。低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器采用工頻變壓器作為與電網(wǎng)的接口,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、效率較高,但缺點(diǎn)是變壓器體積和重量大、音頻噪音大,并不適合分布式發(fā)電的場(chǎng)合;而非隔離型并網(wǎng)在一些國家禁止使用,因此,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通過高頻鏈DC/AC逆變技術(shù)將初級(jí)電源(如太陽能電池等)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
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逆變器來說,輸出電壓基波滿足
式中:m為調(diào)制比。
可見,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,可通過式(2)和式(5)唯一確定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,并最終調(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)逆變器開關(guān)頻率較高時(shí),忽略開關(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控制核心、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。
電壓電流檢測(cè)電路與保護(hù)電路須與主電路保持隔離。因此,電網(wǎng)電壓的檢測(cè)通過工頻采樣變壓器實(shí)現(xiàn);電感電流通過霍爾元件得到。
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),最終利用DSP捕捉單元來實(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。
過流保護(hù)利用了DSP的不可屏蔽中斷(NMI)功能。圖8所示的過流保護(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在市電過零時(shí)刻設(shè)定n的初值來調(diào)節(jié)ψ值,另一方面還可以通過將比較寄存器的裝載值乘以調(diào)制比m,來實(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)最大值。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
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。
評(píng)論