独立光伏发电系统逆变器的设计与仿真

(广东松山职业技术学院，广东 韶关 512126)

0 引言

独立光伏发电系统作为一种便携式电源，在太阳能路灯、通信基站等许多领域得到了广泛的应用。独立光伏发电系统的控制核心是光伏逆变器，它不仅实现了电力变换功能，而且能够最大限度地发挥太阳能蓄电池组性能和整个系统的故障保护[1]。本文针对独立光伏发电系统在不平衡负载情况下的工作特点，建立了该系统的光伏逆变器仿真模型，完成了基于DSP的小型独立光伏发电系统逆变器的软硬件设计。

1 独立光伏发电系统的结构

独立光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池组、光伏充电器、光伏逆变器等部分组成[2]。太阳能电池板完成能量转换后经过光伏充电器给蓄电池组充电，蓄电池的直流电通过光伏逆变器给负载供电。光伏逆变器主要实现将直流电转化为交流电的功能，同时采用智能控制实现系统性能的提升和故障保护。光伏逆变器的输出波形直接影响到负载的运行状况，并决定了带负载的能力，其必须具有较高的转换效率和可靠性，同时要求直流输入电压有较宽的适应范围。

通过分析、比较各种逆变器的性能和优缺点，本文选择三相四桥臂逆变器作为光伏逆变器。该逆变器不仅能提供优质稳定的正弦交流电能，并且对于不平衡负载有很好的控制效果。独立光伏发电系统的结构框图如图1所示。

图1 独立光伏发电系统的结构图

2 系统模型和控制策略分析

光伏逆变器采用的三相四桥臂逆变器是在传统逆变器的基础上增加一个桥臂来构成中线，从而在负载不对称时省去中点形成变压器，以减小系统的体积和质量[3]。光伏逆变器的等效电路图如图2所示。图2中：8个功率开关器件T1～T8实现DC/AC转换功能；L1～L3为三相桥臂上的等效滤波电感；Ln为增加桥臂上的等效滤波电感；C1～C3为三相桥臂上的等效滤波电容；R1～R3为光伏逆变器的模拟负载。

图2 光伏逆变器的等效电路图

根据以上等效电路图，建立逆变器的状态方程，定义各桥臂上管占空比为Di(i=A，B，C，n)，则输入电压ud和各相输出电压之间的关系如下。

(1)

根据电路工作原理，相对于第四桥臂，图2中A、B、C三相桥臂上的输出电压为：

(2)

式中：iA、iB、iC分别为A、B、C相电流；in为中性点桥臂电流;un为第四桥臂上的电压。

由此可知，输出电压根据负载变化而变化，只需控制相应桥臂的驱动通断来实现。负载上的电流无需满足三相电流之和为零的条件约束，第四桥臂为不平衡负载电流提供了通路。由于第四桥臂的存在，控制策略必须相应的变化和改进，使系统能达到输出要求。

目前，对该逆变器的控制方法主要有电流环滞环控制、中性点独立控制、空间矢量控制和解耦控制等。本文采用解耦控制方法。该控制算法是将4个桥臂上的等效滤波电感作为输入电源的内部阻抗，采用引入增量的方式将中线的阻抗值变换为零，同时，将其他三相的阻抗等效为较低的阻抗值[4]。解耦时在A、B、C三相的每相串入相应的电压增量ΔunA、ΔunB、ΔunC，通过求解增量系数使unn=0(unn为中线输出与参考点间的电压)。

输出的三线电压内部关系式如式(3)所示。

(3)

式中：kp为输出三相电压增量系数；kn为零相电压增量系数；kl为三相上的等效电感与零相上的等效电感的转换系数[5]。

(kp+1)/kn=-kl

(4)

3 控制系统建模和仿真

3.1 控制系统建模

在进行光伏逆变器控制系统的建模之前，对其输出负载的不平衡程度进行定量分析。第四桥臂的输出电流的反馈信号确定该桥臂的开关占空比；其他三相桥臂的开关占空比由给定和电压反馈的幅值所决定。根据光伏逆变器的数学模型和解耦控制策略，利用Matlab软件中的Simulink模块建立三相中的任意一相和零相的控制模型，形成该逆变器的主电路模块。

3.2 控制系统仿真与分析

根据仿真模型和设计要求，完成控制参数的设定。kp的选择范围为0～0.1，设置kp=0.05。在零相电感确定的情况下，kl的取值范围为1～3，设置kl=2。kp和kl确定之后，根据式(4)可以确定kn，取0.5。由于独立光伏发电系统多为非线性不平衡负载，因此设定负载和输出参数如下：Za=10 Ω，Zb=1+j1，Zc=0，蓄电池输入直流电压ud=600 V，输出功率为5 kW。仿真波形如图3和图4所示。

从图3可以看出,光伏逆变器的输出三相电压幅值稳定后为311.2 V，相位互差120°。经分析，该波形电压畸变率很小，系统能够平稳运行。

从图4观察到，零线电流以开关频率为周期围绕零值上下波动，当系统运行稳定之后其平均值为零，能够实现完全解耦。

图3 光伏逆变器输出三相相电压波形

图4 光伏逆变器输出电流波形

4 控制系统的设计与实现

4.1 控制系统硬件设计

光伏逆变器控制系统框图如图5所示。

图5 光伏逆变器控制系统框图

本文设计的光伏逆变器控制系统以DSP作为主控单元，整个系统采用双闭环控制结构[6]。处理器选用德州仪器公司(TI)的TMS320LF2812。该处理器具有事件管理模块，包括通用定时器、比较器、PWM单元和捕获单元等[7]。利用该芯片的4个ePWM单元给主电路的4个桥臂提供驱动脉冲输出，分别控制4个桥臂的8个功率器件；利用该芯片的A/D采样口完成所有状态检测信号的输入和分析。光伏逆变器控制系统的主电路采用智能功率模块(intelligent power model,IPM)和IGBT作为功率开关器件，选择三菱公司的PM50BL4B060的IPM模块作为前3个桥臂，东芝的 MG50J1ZS40的IGBT单管组成第四桥臂。电压和电流的采样主要是通过电压、电流传感器来实现的。

4.2 控制系统软件设计

控制系统软件包括主程序、系统工作状态检测和控制子程序、解耦控制算法的PWM 波产生和控制子程序、电压电流闭环PID控制子程序、系统故障保护和报警子程序。主程序设计主要是对整个系统软件的整体性构建。主程序完成初始化设置之后，DSP的各个模块开始正常工作。PWM波的产生主要是在中断服务程序中进行。整个控制系统的软件工作流程图如图6所示。

图6 控制系统软件工作流程图

5 结束语

本文在分析独立光伏发电系统逆变器数学模型和控制算法的基础上，完成了光伏逆变器控制系统的解耦控制仿真模型分析。

仿真结果表明,该系统能够实现在三相不平衡负载下的稳定输出。整个系统运行平稳，并且完成了小

型光伏逆变器控制系统试验模型的软硬件开发。

[1] 张晓霞,侯竞伟,殷攀攀，等.太阳能发电系统现状及发展趋势[J].机电产品开发与创新,2007,20(5):14-16.

[2] 张兴磊.离网型户用风光互补发电系统中全数字化逆变器的研究[D].南京:南京农业大学,2006.

[3] 牛志军.三相四桥臂逆变器的研究[J].电力机车与城轨车辆,2008,31(4):7-9.

[4] 孙驰,毕增军,魏光辉.一种新颖的三相四桥臂逆变器解耦控制的建模与仿真[J].中国电机工程学报,2004,24(1):124-130.

[5] 陈宏志,刘秀翀,钱晓龙,等.一种高性能单相正弦逆变电源的多环控制策略[J].东北大学学报:自然科学版,2007,28(12):1685-1688.

[6] 朱子晟.基于TMS320F2812的光伏逆变器研究[D].上海:上海交通大学,2009.

[7] 王耀北,闫英敏,胡玉贵.DSP控制的IPM正弦逆变电源系统硬件电路设计[J].现代电子技术,2005(24):103-105.