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(guó)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(wèn)題之一。解決能源問(wèn)題的根本辦法是開(kāi)發(fā)利用環(huán)保型的新型可再生能源，如太陽(yáng)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等。歐洲、美國(guó)在這方面已經(jīng)相繼走在了世界的前列，如德國(guó)萊比錫市已建成世界上功率最大的太陽(yáng)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(yáng)能等新型能源的利用帶來(lái)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(yáng)能板，成為獨(dú)立的發(fā)電個(gè)體，再通過(guò)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(guò)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(guó)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(guò)高頻鏈DC／AC逆變技術(shù)將初級(jí)電源(如太陽(yáng)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(wú)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(lái)說(shuō)，輸出電壓基波滿足

    式中：m為調(diào)制比。

    可見(jiàn)，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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，忽略開(kāi)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(guò)工頻采樣變壓器實(shí)現(xiàn)；電感電流通過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)流保護(hù)利用了DSP的不可屏蔽中斷(NMI)功能。圖8所示的過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)在市電過(guò)零時(shí)刻設(shè)定n的初值來(lái)調(diào)節(jié)ψ值，另一方面還可以通過(guò)將比較寄存器的裝載值乘以調(diào)制比m，來(lái)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(lái)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(yǔ)
    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。