3KW单相可再生能源并网逆变器设计

文劲松(1982—),男,硕士研究生,研究方向为数字信号处理及应用。

3k W单相可再生能源并网逆变器设计文劲松,　戴瑜兴,　刘　伟(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙　410082)摘　要:设计了一种基于DSP 控制的3k W 单相可再生能源并网逆变器,阐述了其并网的关键技术。

通过对并网控制和孤岛效应等问题的分析,给出了具体的解决方案。

经系统仿真和样机实验证明,该逆变器能够实现可再生能源以高功率因数回馈电网。

关键词:可再生能源;并网逆变器;DSP;孤岛效应中图分类号:T M 464　文献标识码:A 文章编号:100125531(2007)1520026204D esi gn of the 3k W S i n gle 2Pha se Renew a bleEner gy Gr i d 2C onnected I n ver terW EN J insong,　DA I Yuxing,　L I U W ei(I nstitute of Electrical and I nf or ma tion Enginee ring,Hunan Unive rsity,Changsha 410082,China) Abstra c t:T he 3k W singl e 2pha s e renewab l e energy gri d 2connec ted inverter ba s ed on DSP control wa s de 2signed .A nd the key techniques of t he single 2phase inverte r was introduced .The techn i ques of islanding p r otec ting and inverte r connec ting with grid we re discuss ed in de tail .The system si mula ti on and model machine test re sults sho w tha t t he inverter can give renewable energy back t o grid by high po wer fac t or .Key word s:r en ewab le en ergy ;i nver ter s ;DSP;isl and effec t戴瑜兴(56—),男,教授,博士生导师,研究方向为数字化系统设计理论及应用。

刘　伟(8—),男,硕士研究生,研究方向为数字化电源。

0　引　言随着“绿色环保”概念的提出,以解决电力紧张及环境污染等问题为目的的新能源利用方案得到了迅速的推广,因而研究可再生能源回馈电网技术具有十分重要的现实意义。

可再生能源若能有效地回馈到公用电网中,不仅可缓解能源短缺的压力,还可改善环境,提高经济效益。

可靠、高质量地将可再生能源产生的电能输送到电网中是研究可再生能源回馈电网技术关键。

因此,起着电能变换作用的并网逆变器成为了研究的重点。

1　并网逆变器的基本原理按控制方式,并网逆变器可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制4种。

以电流源为输入的逆变器,直流侧需要串联一个大电感提供较稳定的直流输入,但由于这一大电感往往会导致系统动态响应差,因此,当前世界范围内大部分的并网逆变器均采用电压源输入为主的方式。

逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。

市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源,如果并网逆变器的输出采用电压控制,则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统。

这种情况下要保证系统的稳定运行,就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步,但由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压不易精确控制,且电网电压易波动,可能在逆变器和电网之间出现环流等问题。

若不采取特殊措施,则两个电压源并联运行方式不易获得优异性能。

若逆变器的输出采用电流控制,则只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压的相位和频率,幅值保持正弦输出,即可达到逆变器并网运行的目的。

由于该控制方法相对简单,故使用较广泛。

19194本文所设计的3k W 单相并网逆变器就是采用电压源输入、控制电流输出的控制方式,逆变电路结构采用的是单相桥式逆变电路。

其拓扑结构图如图1所示,逆变器的输出经过一个L 滤波环节和工频隔离变压器接入电网。

图1　单相并网逆变器拓扑结构图 图1中:U S 为整个逆变器的输出电压;L 为滤波电感;U N 为市电电网电流源。

根据并网逆变器的主电路结构给出了逆变并网侧的等效电路图(见图2)。

其中,R L 为滤波电感及交流进线等效阻抗。

从图3可以清楚地看出,并网电流基波分量i C 、市电电压U N 与逆变器输出电压U S 之间的相量与相位关系。

实际控制中,只要满足这种相位关系,就可成功输出与市电电压同频、同相的并网电流,实现可再生能源以高功率因数回馈电网。

图2　并网逆变器逆变侧的等效电路图图3　并网逆变器输出矢量图2　逆变器并网电流控制方案对逆变器输出电流的控制,采用的设计方案是固定载波频率的S WM 强迫电流跟踪方式,控制框图如图4所示。

其控制过程是:将与市电电压同频同相的参考电流给定值i 3C 与实际的并网电流瞬时反馈值i C 进行比较,差值Δi 通过P I 调节器处理,与引入的市电电压前馈补偿值相加后,得到的值经SP WM 调制,输出正弦波脉宽调制信号,经驱动电路放大,驱动功率电子开关器件工作,产生与电网同频同相位的正弦波电流。

这里电流差值Δi 经P I 调节的物理意义就相当于在滤波电感L 上产生的电压;P I 调节输出值与市电前馈电压值U N 之和,其物理意义就相当于逆变器输出电压U S ,这样就构成了一个矢量三角形,与并网逆变器输出矢量图相一致了。

图4　并网系统的电流控制框图 图4中:i 3C 为电流给定信号;i C 为实际的并网电流;G 1(s )为滤波环节传递函数;G 2(s )为逆变环节传递函数;G 3(s )为P I 调节环节传递函数;G 4(s )为电网电压前馈环节传递函数。

这里加入市电电网电压的前馈控制,还可使电网电压对输出电流的影响为零。

i C 是跟踪参考电流给定值i 3C ,因而对参考电流给定值i 3C 的控制显得尤为重要。

对参考电流的控制最主要的是使其与市电电压同频同相,这里DSP 采用异步变频锁相算法实现。

异步变频锁相算法的原理是,建立一个与所用D SP 器件字长同长的相位指针I ndex,利用该指针在采样频率下步进而周期性溢出的特点来产生与市电同频同相的参考电流信号,从而控制逆变输出,达到控制并网电流的目的。

由于是异频调制,调制信号频率变化时载波频率可以不变。

以载波频率作为系统采样频率,在每个采样周期对相位指针增加一个步进值Step,则当前的I ndex 值代表了当前调制信号的相位值。

增量值Step 的大小决定了指针I ndex 溢出的快慢,也即决定了调制信号的频率。

如此周而复始,实现了周期参考正弦信号的发生。

通过对增量值S 的调整,可实现对逆变P te p输出频率的调节。

若在一个逆变周期后对相位指针I ndex 增减一个值,则可实现对逆变输出相位的移相控制。

3　逆变器反孤岛效应控制逆变器并网工作过程中,当市电输入被人为断开或出现故障而停止供电时,逆变器仍持续向电网供电,使当地负载的供电电源处于正常的电压和频率,此时的工作状态称为“孤岛”(Islan 2ding)状态,又叫孤岛效应。

并网工作过程中出现孤岛状态时,可能威胁到设备和人身安全,因此,控制器必须快速、准确地判断到孤岛状态,使逆变器退出该运行状态。

检测孤岛效应的方法可以分为主动式和被动式。

前者是指逆变系统主动、定时地对电网施加一些干扰信号,然后通过检测系统输出电压的幅值、频率及相位等判断是否发生了孤岛效应;后者是指依靠系统被动地监控电网的运行状态,如电压幅值、频率等参数判断电网是否停电。

这里介绍一种主动式孤岛保护方法———频率偏移法。

设定一个固定的偏移频率,即并网电流超出电网电压0.1Hz 。

系统周期性检测逆变器输出频率和电网电压频率,假设上一周期检测到电网电压频率为F ,则该周期逆变器输出频率应设定为(F +0.1)。

在电网未断电时,因逆变器与电网相连,且下一周期逆变器输出都会与电网重新同步,所以在下一周期逆变器设定频率和实际输出频率依然为(F +0.1),依次循环下去,逆变器输出频率始终只会超出电网电压频率0.1Hz;但若电网突然断电,此时完全由逆变器向电网输出供电,电网电压频率即为逆变器输出频率,逆变器输出频率因而失去了一个同步标准,则下一周期逆变设定频率将会变为(F +0.1),再接下来的一个周期将会变为(F +0.2),以后每个周期逆变设定频率将会继续增加,因而导致逆变器输出频率不断累加。

当频率超出电网允许范围时,逆变器将判断到孤岛状态,并进行自动保护。

4　系统控制软件设计系统控制软件包括主程序和中断服务程序,主程序采用一个大的无限循环重复运行,而中断服务程序只有在外设中断源产生中断时才运行。

主程序主要完成特殊寄存器以及外部事件管理器中寄存器的初始化,并循环检测系统状态。

中断服务程序主要包括T1周期中断子程序、T1下溢中断子程序和捕获中断子程序。

T1下溢中断子程序主要是根据A /D 转换结果计算下一采样周期参考电流信号值;T1周期中断子程序主要完成下一采样周期脉冲宽度的计算和比较寄存器的赋值;捕获中断子程序的主要功能是实现参考电流信号对市电电压频率和相位的跟踪。

主程序及中断服务程序流程图如图5所示。

图5　主程序及中断服务程序流程图5　系统仿真及实验 为了对可再生能源并网逆变器在并网工作时重要观测点的电压和电流有直观的认识,本文采用Ma tlab6.5中Powe r System B l ockset功能模块,建立了单相可再生能源并网逆变器功率输出级在闭环状态下的仿真模型,如图6所示,并实现了信号的动态观测。

图6　单相可再生能源并网逆变器功率输出级仿真模型 本设计还搭建了实验平台,进行了逆变器并网实验,并网功率为3k W,逆变器直流侧电压为400V,系统采样周期为100μs。

从仿真结果(见图7)和实验结果(见图8)可看出,并网电流顺利跟踪了电网电压,谐波含量小,系统具有较好的工作稳定性。

图7　仿真结果图(电网电压、P W M波、并网电流)图8　电网电压和并网电流实验波形6　结　语设计了一种基于DSP控制的3k W单相可再生能源并网逆变器。

采用电压型逆变器电流控制的方式,引入固定载波频率的SP WM强迫电流跟踪和软件锁相等技术,控制逆变器输出与电网电压频同相的并网电流,实现可再生能源以高功率因数回馈电网。