一種基于幅相控制的光伏發電裝置及方法

專利名稱：一種基于幅相控制的光伏發電裝置及方法
技術領域：
本發明屬于電力電子技術領域，特別涉及一種基于幅值和相角來控制三相電壓輸出的逆變裝置及方法。

背景技術：
太陽能作為一種新興的綠色能源，以其清潔、靈活、永不枯竭等優點，正得到迅速的推廣應用，隨著太陽能光伏發電應用的發展，太陽能光伏發電已經不再只是作為偏遠無電地區的能源供應，而是向逐漸取代常規能源的方向發展。在國外，并網發電逐漸成為太陽能光伏發電的主要應用領域，太陽能光伏產業已經逐漸形成，并持續高速發展。
目前國外并網逆變器技術發展十分迅速。研究主要集中在空間矢量PWM技術、數字鎖相控制技術、數字DSP控制技術、最大功率點跟蹤和孤島檢出技術，以及綜合考慮以上方面的系統總體設計等。國外的有些并網逆變器還設計同時具有獨立運行和并網運行功能。
國內太陽能光伏應用仍以獨立供電系統為主，并網系統則剛剛起步。與獨立工作的逆變器相比，并網逆變器不僅要保證低的輸出電壓諧波畸變率和高效率，而且要求輸出電壓與電網電壓大小、相位一致，更重要的是必須保證有低的進網電流諧波畸變率，以免對電網造成污染。
目前國內自主研制的并網逆變器存在有系統運行不穩定，可靠性低的弱點；且保護措施不全，容易引起事故，與建筑一體化等問題也沒有得到很好考慮。


發明內容
針對現有技術存在的不足，本發明提供一種可成功降低交流側電壓畸變率，并適用于三相不對稱負載的基于幅相控制的光伏發電裝置及方法。
本發明裝置包括主電路單元、主控制單元、電壓電流傳感器、可編程控制器，電力參數測量單元，其中，主電路單元包括4組IGBT模塊、IGBT吸收保護電容及驅動和功率放大單元；主控制單元，包括數字信號處理器(DSP)和可編程門陣列FPGA；電力參數測量單元由電力參數表組成； 主電路單元的輸入端與直流側電壓傳感器的輸出端相連，主電路單元的輸出端與交流側電壓電流傳感器的輸入端相連；直流側電壓傳感器的輸出端與驅動和功率放大單元的輸入端相連；驅動和功率放大單元的輸出端與主電路單元的輸入端相連，驅動和功率放大單元的輸入端與主控制單元的輸出端相連；可編程控制器與主控制單元相連，可編程控制器與GTO單元相連，電力參數測量單元的輸出端與可編程控制器的輸入端相連，電力參數測量單元的輸入端與交流側電壓電流傳感器的輸出端相連。
基于幅相控制的光伏發電控制方法，步驟如下 步驟1交流側電壓、電流傳感器檢測到三相交流電壓、三相交流電流，經電壓和電流變換電路處理后，送給主控單元的數字信號處理器DSP進行處理； 步驟2主控單元的數字信號處理器DSP根據檢測到的交流側電流、電壓以及直流側電壓的給定值，通過幅值控制、相位控制和內環控制，確定電壓調節的輸出向量，并將得到輸出的向量傳遞給可編程門陣列FPGA； 其中，幅值控制、相位控制和內環控制的過程如下 將給定電壓U*(t)的幅值和相位分離，分別對幅值和相位進行控制幅值控制是指對檢測到的系統給定電壓U*(t)和逆變器的輸出電壓U(t)的幅值進行比較，經過比例調節控制輸出，輸出的電壓為U*+ΔU*；相位控制是將轉換器輸出的正弦函數sinωt與輸出電壓U(t)進行比較，分解出相位偏移角θ，經比例調節控制輸出為sin(ωt+θ)，幅值控制和相位控制得到的結果相乘，得到內環控制目標函數e(t)，e(t)與逆變器輸出電壓U(t)比較，經比例調節控制后，輸出電壓e*(t)； 步驟3可編程門陣列FPGA接收到的輸出電壓與三角波發生器產生的波形合成PWM波形，發送給主電路單元的驅動和放大單元； 步驟4主電路單元中的開關器件根據放大后的脈沖信號產生導通和關斷。
有益效果本裝置工作時，將太陽能發電系統所產生的600V～720V直流電，轉換成幅值和相位都與電網匹配的交流電，供人們的生產和生活使用。基于幅相控制的光伏發電方法具有如下優點 1)應用此種方法成功的降低了交流側的電壓畸變率，其中轉換率達到％97以上，小的諧波畸變率小于％3； 2)在三相不對稱負載情況下得到良好的靜態和動態特性，適用于多種負載類型，如線性和非線性負載，平衡和非平衡負載，單項和三相負載； 3)采用內環控制產生的效果將濾波電感等效地將為原來的

減少了負載電流變化對輸出交流電壓影響，提高了快速響應能力；將電壓諧波分量衰減為原來的

克服了低通濾波器只對高次諧波有濾除作用，而對低次諧波無濾除能力的缺陷，減少了波形的畸變，增加了系統的響應速度。
4)解耦后，uN＝0，阻抗值為原來的



圖1為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置結構框圖； 圖2為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置電壓變換電路原理圖； 圖3為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置交流側電壓傳感器電路原理圖； 圖4為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置電流變換電路原理圖； 圖5為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置交流側電流傳感器電路原理圖； 圖6為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置DSP電路原理圖； 圖7為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置FPGA電路原理圖； 圖8為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置可編程控制器PLC與FPGA連接電路原理圖； 圖9為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置主電路驅動部分電路原理圖； 圖10為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置電氣原理圖； 圖11為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置幅相控制原理圖； 圖12為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置三相四橋臂逆變器等效電路原理圖； 圖13為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置解耦控制的等效電路原理圖； 圖14為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置單項逆變器等效電路原理圖； 圖15為本發明基于幅相控制的光伏發電裝置解耦后的等效電路原理圖。

具體實施例方式 結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
圖1為本發明裝置結構框圖。
基于幅相控制的光伏發電逆變裝置，如圖1所示。包括主電路單元、主控制單元、電壓電流傳感器、可編程控制器，電力參數測量單元，其中，主電路單元包括4組IGBT模塊、IGBT吸收保護電容及驅動和功率放大單元；主控制單元，包括數字信號處理器(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)以及外圍電路；電力參數測量單元由電力參數表組成； 主電路單元的輸入端與直流側電壓傳感器的輸出端相連，主電路單元的輸出端與交流側電壓、電流傳感器的輸入端相連；直流側電壓傳感器的輸出端與驅動和功率放大單元的輸入端相連；驅動和功率放大單元的輸出端與主電路單元的輸入端相連，驅動和功率放大單元的輸入端與主控制單元的輸出端相連；可編程控制器與主控制單元相連，可編程控制器與GTO單元相連，電力參數測量單元的輸出端與可編程控制器的輸入端相連，電力參數測量單元的輸入端與交流側電壓電流傳感器的輸出端相連。
本發明裝置采用TI公司的TMS320F2812A型DSP芯片，XILINX公司的XC3S250E型FPGA芯片，日本三菱公司的FX2N-32MR型可變成門陣列，碩亞公司的LT308-S7型電流傳感器，LEM公司的AV100-1000型號的電壓傳感器，觸摸屏采用臺灣HITECH公司的PWS6A00T型觸摸屏，電源采用DC800V/24V/10A開關電源PS1、DC24V/5V/5A開關電源PS2、DC24V/15V/-15V/2A開關電源PS3； 本發明裝置電路原理圖，如圖2～9所示，具體連接關系如下 本發明裝置包括4組電壓變換電路和4組電流變換電路。其中，電壓變換電路原理圖如圖2所示，連接關系如下電壓變換電路的輸入端x11的第1引腳VAFDBK、第2引腳GND依次與交流側電壓傳感器的引腳XA、XAG相連；電壓變換電路的輸出引腳ADCINA3連接TMS320F2812A芯片的引腳ADCINA3；其他三組與此相同； 交流側電壓互感器的A相電壓反饋電路連接如下交流側電壓互感器的A相電壓引腳X1、XAG依次連接主控單元的外圍電路的引腳VAFDBK與GND；其他相連接與此相同，如圖3所示； 電流變換電路的電路原理圖如圖4所示，連接關系如下電流變換電路的輸入端X16的第1引腳、第2引腳、第3引腳、第4引腳依次連接交流側電流傳感器的第1引腳、第2引腳、第3引腳、第4引腳；電流變換電路的輸出端ADCINB1連接TMS320F2812A芯片的引腳；其他三組與此相同； A相直流側電流互感器的第1、2、3、4引腳分別連接主控制單元外圍電路的引腳+15、-15、IA_FDBR、GND；其它相連接與此相同，具體的連接如圖5所示。
TMS320F2812A芯片的引腳PW1～PW12、T1PWM～T4PWM、DSP_MODE0～DSP_MODE2、PDPINTA、PDPINTB、DSP_XINT1、DSP_XINT3、SCITXB、SCIRXB、SPISIMO、SPISOMI、SPICLK、SPISTE、CANTX、CANRX、依次連接XC3S250E芯片的引腳PW1～PW12，T1PWM～T4PWM、FPGA_MODE0～FPGA_MODE2、PDPINTA、PDPINTB、DSP_XINT1、DSP_XINT3、SCITXB、SCIRXB、SPISIMO、SPISOMI、SPICLK、SPISTE、CANTX、CANRX。
電源單元用于給中央處理器DSP、可編程門陣列FPGA、可編程控制器PLC、驅動和放大單元以及GTO觸摸屏供電，其中，開關電源PS1為可變成控制器PLC、電源PS2、電源PS3以及GTO觸摸屏提供24V工作電壓；開關電源PS2為主控制單元中的中央處理器DSP和可編程門陣列FPGA提供5V電壓；開關電源PS3為主電路單元中的驅動和放大單元提供15V和-15V電壓； PLC與FPGA的連接如圖8所示，FPGA的引腳IO_LIP_0、I0_LION_I/LDC1、I0_LION_I/LDC2、I0_L1N_0 I0_L2P_0、I0_L6N_1/A5/RHCLK5、I0_L6N_1/A4/RHCLK6、DONE、I0_L7N_1/A3/RHCLK7依次連接PLC的CM1、x0～x10，COM1，Y0～Y3，COM2，Y4～Y7； 本裝置采用西門康公司制造的驅動板，FPGA產生的PWM信號通過驅動板轉換成電壓信號，從而控制各橋臂上IGBT的通斷，實現逆變。FPGA與主電路驅動板的連接圖如圖9所示。本裝置有兩塊驅動板，每個驅動板控制兩個橋臂，驅動板J1和J2端子與FPGA相應引腳相連，J3、J4、J5、J6連接橋臂上的IGBT，LD53與FPGA的38引腳相連，LD54與FPGA的36引腳相連，LD55和LD56為15V開關電源供電。LD57與FPGA的33引腳相連，LD58與FPGA的34引腳相連，LD59與FPGA的35引腳相連，LD60與FPGA的39引腳相連。J3、J4控制A相橋臂上、下IGBT的通斷，J5、J6控制B相橋臂上、下IGBT的通斷，端子上的G、E、C分別連接各IGBT的基極、發射極和集電極。LD18、LD17、LD19分別連接A相下橋臂IGBT，LD15、LD14、LD16分別連接A相上橋臂IGBT，LD28、LD27、LD29分別連接B相下橋臂IGBT，LD25、LD24、LD26分別連接B相上橋臂IGBT，另一個驅動板控制C相和N相，連接方式類似。
圖10為本發明基于幅相控制的光伏發電逆變裝置電氣原理圖。逆變器輸出負載側電壓U1、U2、U3與給定電壓比較，經幅值控制、相位控制和內環控制得到電壓e*(t)，將其作為調制波控制主電路單元產生脈沖，使逆變器輸出電壓U1、U2、U3與給定電壓保持一致，圖9中，Ud為逆變器直流側電壓，L1、L2和L3為交流側濾波電感，C1、C2和C3為交流側濾波電容。
本發明基于幅相控制的光伏發電逆變方法，具體步驟如下 步驟1交流側電壓、電流傳感器檢測到三相交流電壓、三相交流電流，經電壓和電流變換電路處理后，送給主控單元的數字信號處理器DSP； 步驟2主控單元的數字信號處理器DSP根據檢測到的交流側電流、交流側電壓以及直流側電壓的給定值，通過幅值控制、相位控制和內環控制，確定電壓調節的輸出向量，并將得到的向量傳遞給可編程門陣列FPGA； 步驟3可編程門陣列FPGA接收到的輸出向量后與三角波發生器產生的波形合成PWM波形，發送給主電路單元的驅動和放大單元； 步驟4主電路單元中的開關器件根據放大后的脈沖信號產生導通和關斷。
其中，步驟2中所述的幅值控制、相位控制和內環控制原理如圖10所示。
圖11為本發明單相逆變器控制系統幅相控制原理圖。整個系統是由幅值控制、相位控制和系統內環控制組成。首先將給定電壓的幅值U*(t)和相位進行分離，分別對幅值和相位進行控制幅值控制是通過檢測系統的給定電壓U*(t)和逆變器輸出電壓U(t)的幅值進行比較，經過PI調節器控制輸出，輸出如圖10中所示為U*+ΔU*；相位控制是將轉換器輸出的正弦函數sinωt與輸出電壓U(t)進行比較，分解出相位偏移角θ，經過PI調節輸出為sin(ωt+θ)。幅值控制和相位控制得到的結果相乘，得到內環控制目標函數e(t)，e(t)與逆變器輸出電壓U(t)比較，經過比例調節器輸出為e*(t)，e*(t)與三角波發生器產生的波形合成PWM波，使逆變器輸出電壓符合技術要求。上述的控制系統的目標是使逆變器的輸出電壓與控制電壓完全相等，即幅值控制量ΔU*和相位控制量θ等于0。
具體過程如下 首先對給定電壓的幅值和相位進行分離 1)幅值公式。根據傅里葉變換得到檢測電壓幅值的通用公式 式中ω為給定電壓角頻率，T為給定電壓周期。
2)相位公式。相位檢測為將給定電壓除以設定的電壓幅值，確定相位為sinωt。
然后進行幅值控制和相位控制。其中幅值控制的公式如下 式中，ev為幅值偏差，Δeu為PI控制器輸出，Ue為加入前饋后的總輸出，kp1為比例時間系數，ki1為積分時間系數。
相位控制的公式如下 在獲得逆變器的輸出電壓u(t)＝Usin(ωt+θ)之后，應確定相位角θ，且滿足θ＝0。
利用函數的互相關定義確定相位角θ。設兩個周期函數為T函數x(t)＝sin(ωt+θ)，y(t)＝sinωt。他們之間的互相關函數為Rxy(τ) 令式(3)中則即 將逆變器輸出電壓u(t)＝Usin(ωt+θ)代入式子(6)整理之后可得下式 對θ的范圍做估算θ是由基波電流在電感L上產生的壓降造成的，設其壓降向量為ΔuL，輸出電壓向量為

，橋臂輸出電壓向量為

，三個向量之間的關系為

＝

+ΔuL。當ΔuL與

垂直且模值最大時，ΔuLmax和U為工況時ΔuL和

的模值，

與

有最大夾角，其值為θmax＝arctan(ΔuLmax/U)。一般將電感的額定壓降設計為額定輸出電壓的10％，考慮到1.5倍的過載能力，因此有ΔuLmax＝15％，θmax＝arctan(0.15)＝8.53°，θmax即是給定電壓與輸出電壓的最大相角差，即θ的變化范圍為-8.53°≤θ≤8.53°。
用sinθ代替θ會造成最大誤差為調節過程中Δ隨著θ的減小而減小，至系統穩定，Δ＝0和θ＝0。因此，用sinθ代替θ不會給系統的穩態相角精度產生影響。
將sinθ代替θ，經過PI調節器。建立的數學公式如下 這里θ較小，所以cos(Δθ)為正，確定移相公式如下所示 再確定內環控制的給定值e(t)，具體方法為 將幅值控制和相位控制的結果相乘，確定內環控制的給定值e(t)，具體公式如下 e(t)＝(U*+Δeu)sin(ωt-Δθ) (8) 內環控制給定值e(t)與逆變器輸出電壓U(t)比較，經比例調節控制后，得到調制波e*(t)，具體公式如下 形成的調制波e*(t)與三角波發生器產生的載波信號比較后產生SPWM脈沖，控制主電路單元的開斷。
幅值控制和相位控制中的參數，需要滿足解耦控制的條件 將三相四橋臂逆變器的拓撲結構進行等效電路轉換，轉換后的電路圖如圖11所示。圖11中，為便于分析是以直流母線電壓的1/2處為參考點，逆變器三相和零線相輸出可等效成2個壓控電壓源，圖12中LA、LB、LC為濾波電感，C為濾波電容。
等效電路的回路電壓方程為 三相四橋臂逆變器是在負載不平衡的情況下，使逆變器的三相電壓輸出為三相對稱且能夠滿足幅值為額定的正弦電壓，輸出電壓的形式如式子(11)所示 基于上述的控制思想，提出解耦控制的等效電路如圖(12)所示。
如圖13所示，每相串入電壓增量ΔunA、ΔunB、ΔunC，使它們內部之間保持某種內在關系，實現解耦控制，最后uN＝0(uN為零線輸出與參考點間的電壓)。三相增量之間內部關系式為 以上就是三相內部關系式，式(12)中kp相控制系數，kn為零相控制系數，kl為相電感與零相電感的比值系數。下面將對式(12)進行化簡整理。
圖13中的電壓回路方程為下式 將式子(12)代入式子(13)得到下式 將式子(14)中的前3個等式相加，整理得 從式(15)我們可以看出要想解耦，就要使uN＝0，這樣需要確定控制系數kp、kn和kl之間的關系。令式(15)中uN＝0，可以得到下式 將式(16)兩式相比得 (kp+1)/kn＝-kl (17) 只要滿足上式的約束條件(17)，就能實現三相解耦。
圖14為單項逆變器等效電路原理圖。將逆變器輸出側電壓e(t)等效為可控電壓源，同時由于IGBT開關頻率引起的諧波電壓為n(t)，得到單相逆變電路的等效電路圖14。
根據回路電壓和電流方程，可得 i＝ic+iL (19) 將公式(9)代入公式(18)，可得 將公式(20)與公式(1)對比之后發現，采用內環控制后產生的效果有將濾波電感等效地將為原來的

減少了負載電流變化對輸出交流電壓影響，提高了快速響應能力；將電壓諧波分量衰減為原來的

克服了低通濾波器只對高次諧波有濾除作用，而對低次諧波無濾除能力的缺陷，減少了波形的畸變，增加了系統的響應速度。
圖15為解耦后的等效電路原理圖。
將式(17)代入式(14)可得 式(21)中的前3個等式相加，可導出 再將式(22)代回式(21)整理得 式(23)得到的結論，滿足解耦的控制方程。因此只要各系數滿足式(17)的約束條件，實現三相解耦。根據式(23)畫出解耦后的等效電路圖如圖14所示，解耦后uN＝0，相阻抗值為原來的

權利要求
1.一種基于幅相控制的光伏發電裝置，其特征在于包括主電路單元、主控制單元、電壓電流傳感器、可編程控制器，電力參數測量單元和觸摸屏單元，其中，主電路單元包括4組IGBT模塊和功率放大單元；主控制單元，包括數字信號處理器(DSP)和可編程門陣列FPGA；電力參數測量單元由電力參數表組成；
主電路單元的輸入端與直流側電壓傳感器的輸出端相連，主電路單元的輸出端與交流側電壓電流傳感器的輸入端相連；直流側電壓傳感器的輸出端與驅動和功率放大單元的輸入端相連；驅動和功率放大單元的輸出端與主電路單元的輸入端相連，驅動和功率放大單元的輸入端與主控制單元的輸出端相連；可編程控制器與主控制單元相連，可編程控制器與觸摸屏單元相連，電力參數測量單元的輸出端與可編程控制器的輸入端相連，電力參數測量單元的輸入端與交流側電壓電流傳感器的輸出端相連。
2.采用權利要求1所述的一種基于幅相控制的光伏發電裝置進行光伏發電的方法，其特征在于包括如下步驟
步驟1交流側電壓、電流傳感器檢測到三相交流電壓、三相交流電流，經電壓和電流變換電路處理后，送給主控單元的數字信號處理器DSP進行處理；
步驟2主控單元的數字信號處理器DSP根據檢測到的交流側電流、電壓以及直流側電壓的給定值，通過幅值控制、相位控制和內環控制，確定電壓調節的輸出向量，并將得到輸出的向量傳遞給可編程門陣列FPGA；
其中，幅值控制、相位控制和內環控制的過程如下
將給定電壓U*(t)的幅值和相位分離，分別對幅值和相位進行控制幅值控制是指對檢測到的系統給定電壓U*(t)和逆變器的輸出電壓U(t)的幅值進行比較，經過比例調節控制輸出，輸出的電壓為U*+ΔU*；相位控制是將轉換器輸出的正弦函數sinωt與輸出電壓U(t)進行比較，分解出相位偏移角θ，經比例調節控制輸出為sin(ωt+θ)，幅值控制和相位控制得到的結果相乘，得到內環控制目標函數e(t)，e(t)與逆變器輸出電壓U(t)比較，經比例調節控制后，輸出電壓e*(t)；
步驟3可編程門陣列FPGA接收到的輸出電壓與三角波發生器產生的波形合成PWM波形，發送給主電路單元的驅動和放大單元；
步驟4主電路單元中的開關器件根據放大后的脈沖信號產生導通和關斷。
3.根據權利要求2所述的一種基于幅相控制的光伏發電方法，其特征在于步驟2所述的幅值控制、相位控制和內環控制，需要滿足解耦控制條件，具體公式如下
(kp+1)/kn＝-kl
其中，kp表示相控制系數，kn表示零相控制系數，kl表示相電感與零相電感的比值系數。
全文摘要
一種基于幅相控制的光伏發電裝置及方法，屬于電力電子技術領域，包括如下步驟交流側電壓電流傳感器檢測三相交流電壓和電流，經電壓電流變換電路處理后，送給主控單元的DSP處理；DSP根據檢測到的交流側電流、電壓及直流側電壓給定值，通過幅相位控制和內環控制，確定電壓調節的輸出向量，并將其傳遞給FPGA；FPGA接收到的輸出電壓與三角波發生器產生的波形合成PWM波形，發送給驅動和放大單元；主電路單元中的開關器件根據放大后的脈沖信號產生導通和關斷。本發明方法成功的降低了交流側的電壓畸變率；適用于多種負載類型；減少了負載電流變化對輸出交流電壓影響，提高了快速響應能力。
文檔編號H02J3/38GK101728838SQ20091024883
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月28日 優先權日2009年12月28日
發明者閆士杰, 王旭, 杜蘅, 付皓 申請人:東北大學