专利名称：一种基于幅相控制的光伏发电装置及方法
技术领域：
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种基于幅值和相角来控制三相电压输出的逆变装置及方法。
背景技术：
太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其清洁、灵活、永不枯竭等优点，正得到迅速的推广应用，随着太阳能光伏发电应用的发展，太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应，而是向逐渐取代常规能源的方向发展。在国外，并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏产业已经逐渐形成，并持续高速发展。
目前国外并网逆变器技术发展十分迅速。研究主要集中在空间矢量PWM技术、数字锁相控制技术、数字DSP控制技术、最大功率点跟踪和孤岛检出技术，以及综合考虑以上方面的系统总体设计等。国外的有些并网逆变器还设计同时具有独立运行和并网运行功能。
国内太阳能光伏应用仍以独立供电系统为主，并网系统则刚刚起步。与独立工作的逆变器相比，并网逆变器不仅要保证低的输出电压谐波畸变率和高效率，而且要求输出电压与电网电压大小、相位一致，更重要的是必须保证有低的进网电流谐波畸变率，以免对电网造成污染。
目前国内自主研制的并网逆变器存在有系统运行不稳定，可靠性低的弱点；且保护措施不全，容易引起事故，与建筑一体化等问题也没有得到很好考虑。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种可成功降低交流侧电压畸变率，并适用于三相不对称负载的基于幅相控制的光伏发电装置及方法。
本发明装置包括主电路单元、主控制单元、电压电流传感器、可编程控制器，电力参数测量单元，其中，主电路单元包括4组IGBT模块、IGBT吸收保护电容及驱动和功率放大单元；主控制单元，包括数字信号处理器(DSP)和可编程门阵列FPGA；电力参数测量单元由电力参数表组成； 主电路单元的输入端与直流侧电压传感器的输出端相连，主电路单元的输出端与交流侧电压电流传感器的输入端相连；直流侧电压传感器的输出端与驱动和功率放大单元的输入端相连；驱动和功率放大单元的输出端与主电路单元的输入端相连，驱动和功率放大单元的输入端与主控制单元的输出端相连；可编程控制器与主控制单元相连，可编程控制器与GTO单元相连，电力参数测量单元的输出端与可编程控制器的输入端相连，电力参数测量单元的输入端与交流侧电压电流传感器的输出端相连。
基于幅相控制的光伏发电控制方法，步骤如下 步骤1交流侧电压、电流传感器检测到三相交流电压、三相交流电流，经电压和电流变换电路处理后，送给主控单元的数字信号处理器DSP进行处理； 步骤2主控单元的数字信号处理器DSP根据检测到的交流侧电流、电压以及直流侧电压的给定值，通过幅值控制、相位控制和内环控制，确定电压调节的输出向量，并将得到输出的向量传递给可编程门阵列FPGA； 其中，幅值控制、相位控制和内环控制的过程如下 将给定电压U*(t)的幅值和相位分离，分别对幅值和相位进行控制幅值控制是指对检测到的系统给定电压U*(t)和逆变器的输出电压U(t)的幅值进行比较，经过比例调节控制输出，输出的电压为U*+ΔU*；相位控制是将转换器输出的正弦函数sinωt与输出电压U(t)进行比较，分解出相位偏移角θ，经比例调节控制输出为sin(ωt+θ)，幅值控制和相位控制得到的结果相乘，得到内环控制目标函数e(t)，e(t)与逆变器输出电压U(t)比较，经比例调节控制后，输出电压e*(t)； 步骤3可编程门阵列FPGA接收到的输出电压与三角波发生器产生的波形合成PWM波形，发送给主电路单元的驱动和放大单元； 步骤4主电路单元中的开关器件根据放大后的脉冲信号产生导通和关断。
有益效果本装置工作时，将太阳能发电系统所产生的600V～720V直流电，转换成幅值和相位都与电网匹配的交流电，供人们的生产和生活使用。基于幅相控制的光伏发电方法具有如下优点 1)应用此种方法成功的降低了交流侧的电压畸变率，其中转换率达到％97以上，小的谐波畸变率小于％3； 2)在三相不对称负载情况下得到良好的静态和动态特性，适用于多种负载类型，如线性和非线性负载，平衡和非平衡负载，单项和三相负载； 3)采用内环控制产生的效果将滤波电感等效地将为原来的
减少了负载电流变化对输出交流电压影响，提高了快速响应能力；将电压谐波分量衰减为原来的
克服了低通滤波器只对高次谐波有滤除作用，而对低次谐波无滤除能力的缺陷，减少了波形的畸变，增加了系统的响应速度。
4)解耦后，uN＝0，阻抗值为原来的
图1为本发明基于幅相控制的光伏发电装置结构框图； 图2为本发明基于幅相控制的光伏发电装置电压变换电路原理图； 图3为本发明基于幅相控制的光伏发电装置交流侧电压传感器电路原理图； 图4为本发明基于幅相控制的光伏发电装置电流变换电路原理图； 图5为本发明基于幅相控制的光伏发电装置交流侧电流传感器电路原理图； 图6为本发明基于幅相控制的光伏发电装置DSP电路原理图； 图7为本发明基于幅相控制的光伏发电装置FPGA电路原理图； 图8为本发明基于幅相控制的光伏发电装置可编程控制器PLC与FPGA连接电路原理图； 图9为本发明基于幅相控制的光伏发电装置主电路驱动部分电路原理图； 图10为本发明基于幅相控制的光伏发电装置电气原理图； 图11为本发明基于幅相控制的光伏发电装置幅相控制原理图； 图12为本发明基于幅相控制的光伏发电装置三相四桥臂逆变器等效电路原理图； 图13为本发明基于幅相控制的光伏发电装置解耦控制的等效电路原理图； 图14为本发明基于幅相控制的光伏发电装置单项逆变器等效电路原理图； 图15为本发明基于幅相控制的光伏发电装置解耦后的等效电路原理图。
具体实施例方式 结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明装置结构框图。
基于幅相控制的光伏发电逆变装置，如图1所示。包括主电路单元、主控制单元、电压电流传感器、可编程控制器，电力参数测量单元，其中，主电路单元包括4组IGBT模块、IGBT吸收保护电容及驱动和功率放大单元；主控制单元，包括数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)以及外围电路；电力参数测量单元由电力参数表组成； 主电路单元的输入端与直流侧电压传感器的输出端相连，主电路单元的输出端与交流侧电压、电流传感器的输入端相连；直流侧电压传感器的输出端与驱动和功率放大单元的输入端相连；驱动和功率放大单元的输出端与主电路单元的输入端相连，驱动和功率放大单元的输入端与主控制单元的输出端相连；可编程控制器与主控制单元相连，可编程控制器与GTO单元相连，电力参数测量单元的输出端与可编程控制器的输入端相连，电力参数测量单元的输入端与交流侧电压电流传感器的输出端相连。
本发明装置采用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型可变成门阵列，硕亚公司的LT308-S7型电流传感器，LEM公司的AV100-1000型号的电压传感器，触摸屏采用台湾HITECH公司的PWS6A00T型触摸屏，电源采用DC800V/24V/10A开关电源PS1、DC24V/5V/5A开关电源PS2、DC24V/15V/-15V/2A开关电源PS3； 本发明装置电路原理图，如图2～9所示，具体连接关系如下 本发明装置包括4组电压变换电路和4组电流变换电路。其中，电压变换电路原理图如图2所示，连接关系如下电压变换电路的输入端x11的第1引脚VAFDBK、第2引脚GND依次与交流侧电压传感器的引脚XA、XAG相连；电压变换电路的输出引脚ADCINA3连接TMS320F2812A芯片的引脚ADCINA3；其他三组与此相同； 交流侧电压互感器的A相电压反馈电路连接如下交流侧电压互感器的A相电压引脚X1、XAG依次连接主控单元的外围电路的引脚VAFDBK与GND；其他相连接与此相同，如图3所示； 电流变换电路的电路原理图如图4所示，连接关系如下电流变换电路的输入端X16的第1引脚、第2引脚、第3引脚、第4引脚依次连接交流侧电流传感器的第1引脚、第2引脚、第3引脚、第4引脚；电流变换电路的输出端ADCINB1连接TMS320F2812A芯片的引脚；其他三组与此相同； A相直流侧电流互感器的第1、2、3、4引脚分别连接主控制单元外围电路的引脚+15、-15、IA_FDBR、GND；其它相连接与此相同，具体的连接如图5所示。
TMS320F2812A芯片的引脚PW1～PW12、T1PWM～T4PWM、DSP_MODE0～DSP_MODE2、PDPINTA、PDPINTB、DSP_XINT1、DSP_XINT3、SCITXB、SCIRXB、SPISIMO、SPISOMI、SPICLK、SPISTE、CANTX、CANRX、依次连接XC3S250E芯片的引脚PW1～PW12，T1PWM～T4PWM、FPGA_MODE0～FPGA_MODE2、PDPINTA、PDPINTB、DSP_XINT1、DSP_XINT3、SCITXB、SCIRXB、SPISIMO、SPISOMI、SPICLK、SPISTE、CANTX、CANRX。
电源单元用于给中央处理器DSP、可编程门阵列FPGA、可编程控制器PLC、驱动和放大单元以及GTO触摸屏供电，其中，开关电源PS1为可变成控制器PLC、电源PS2、电源PS3以及GTO触摸屏提供24V工作电压；开关电源PS2为主控制单元中的中央处理器DSP和可编程门阵列FPGA提供5V电压；开关电源PS3为主电路单元中的驱动和放大单元提供15V和-15V电压； PLC与FPGA的连接如图8所示，FPGA的引脚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依次连接PLC的CM1、x0～x10，COM1，Y0～Y3，COM2，Y4～Y7； 本装置采用西门康公司制造的驱动板，FPGA产生的PWM信号通过驱动板转换成电压信号，从而控制各桥臂上IGBT的通断，实现逆变。FPGA与主电路驱动板的连接图如图9所示。本装置有两块驱动板，每个驱动板控制两个桥臂，驱动板J1和J2端子与FPGA相应引脚相连，J3、J4、J5、J6连接桥臂上的IGBT，LD53与FPGA的38引脚相连，LD54与FPGA的36引脚相连，LD55和LD56为15V开关电源供电。LD57与FPGA的33引脚相连，LD58与FPGA的34引脚相连，LD59与FPGA的35引脚相连，LD60与FPGA的39引脚相连。J3、J4控制A相桥臂上、下IGBT的通断，J5、J6控制B相桥臂上、下IGBT的通断，端子上的G、E、C分别连接各IGBT的基极、发射极和集电极。LD18、LD17、LD19分别连接A相下桥臂IGBT，LD15、LD14、LD16分别连接A相上桥臂IGBT，LD28、LD27、LD29分别连接B相下桥臂IGBT，LD25、LD24、LD26分别连接B相上桥臂IGBT，另一个驱动板控制C相和N相，连接方式类似。
图10为本发明基于幅相控制的光伏发电逆变装置电气原理图。逆变器输出负载侧电压U1、U2、U3与给定电压比较，经幅值控制、相位控制和内环控制得到电压e*(t)，将其作为调制波控制主电路单元产生脉冲，使逆变器输出电压U1、U2、U3与给定电压保持一致，图9中，Ud为逆变器直流侧电压，L1、L2和L3为交流侧滤波电感，C1、C2和C3为交流侧滤波电容。
本发明基于幅相控制的光伏发电逆变方法，具体步骤如下 步骤1交流侧电压、电流传感器检测到三相交流电压、三相交流电流，经电压和电流变换电路处理后，送给主控单元的数字信号处理器DSP； 步骤2主控单元的数字信号处理器DSP根据检测到的交流侧电流、交流侧电压以及直流侧电压的给定值，通过幅值控制、相位控制和内环控制，确定电压调节的输出向量，并将得到的向量传递给可编程门阵列FPGA； 步骤3可编程门阵列FPGA接收到的输出向量后与三角波发生器产生的波形合成PWM波形，发送给主电路单元的驱动和放大单元； 步骤4主电路单元中的开关器件根据放大后的脉冲信号产生导通和关断。
其中，步骤2中所述的幅值控制、相位控制和内环控制原理如图10所示。
图11为本发明单相逆变器控制系统幅相控制原理图。整个系统是由幅值控制、相位控制和系统内环控制组成。首先将给定电压的幅值U*(t)和相位进行分离，分别对幅值和相位进行控制幅值控制是通过检测系统的给定电压U*(t)和逆变器输出电压U(t)的幅值进行比较，经过PI调节器控制输出，输出如图10中所示为U*+ΔU*；相位控制是将转换器输出的正弦函数sinωt与输出电压U(t)进行比较，分解出相位偏移角θ，经过PI调节输出为sin(ωt+θ)。幅值控制和相位控制得到的结果相乘，得到内环控制目标函数e(t)，e(t)与逆变器输出电压U(t)比较，经过比例调节器输出为e*(t)，e*(t)与三角波发生器产生的波形合成PWM波，使逆变器输出电压符合技术要求。上述的控制系统的目标是使逆变器的输出电压与控制电压完全相等，即幅值控制量ΔU*和相位控制量θ等于0。
具体过程如下 首先对给定电压的幅值和相位进行分离 1)幅值公式。根据傅里叶变换得到检测电压幅值的通用公式 式中ω为给定电压角频率，T为给定电压周期。
2)相位公式。相位检测为将给定电压除以设定的电压幅值，确定相位为sinωt。
然后进行幅值控制和相位控制。其中幅值控制的公式如下 式中，ev为幅值偏差，Δeu为PI控制器输出，Ue为加入前馈后的总输出，kp1为比例时间系数，ki1为积分时间系数。
相位控制的公式如下 在获得逆变器的输出电压u(t)＝Usin(ωt+θ)之后，应确定相位角θ，且满足θ＝0。
利用函数的互相关定义确定相位角θ。设两个周期函数为T函数x(t)＝sin(ωt+θ)，y(t)＝sinωt。他们之间的互相关函数为Rxy(τ) 令式(3)中则即 将逆变器输出电压u(t)＝Usin(ωt+θ)代入式子(6)整理之后可得下式 对θ的范围做估算θ是由基波电流在电感L上产生的压降造成的，设其压降向量为ΔuL，输出电压向量为
，桥臂输出电压向量为
，三个向量之间的关系为
＝
+ΔuL。当ΔuL与
垂直且模值最大时，ΔuLmax和U为工况时ΔuL和
的模值，
与
有最大夹角，其值为θmax＝arctan(ΔuLmax/U)。一般将电感的额定压降设计为额定输出电压的10％，考虑到1.5倍的过载能力，因此有ΔuLmax＝15％，θmax＝arctan(0.15)＝8.53°，θmax即是给定电压与输出电压的最大相角差，即θ的变化范围为-8.53°≤θ≤8.53°。
用sinθ代替θ会造成最大误差为调节过程中Δ随着θ的减小而减小，至系统稳定，Δ＝0和θ＝0。因此，用sinθ代替θ不会给系统的稳态相角精度产生影响。
将sinθ代替θ，经过PI调节器。建立的数学公式如下 这里θ较小，所以cos(Δθ)为正，确定移相公式如下所示 再确定内环控制的给定值e(t)，具体方法为 将幅值控制和相位控制的结果相乘，确定内环控制的给定值e(t)，具体公式如下 e(t)＝(U*+Δeu)sin(ωt-Δθ) (8) 内环控制给定值e(t)与逆变器输出电压U(t)比较，经比例调节控制后，得到调制波e*(t)，具体公式如下 形成的调制波e*(t)与三角波发生器产生的载波信号比较后产生SPWM脉冲，控制主电路单元的开断。
幅值控制和相位控制中的参数，需要满足解耦控制的条件 将三相四桥臂逆变器的拓扑结构进行等效电路转换，转换后的电路图如图11所示。图11中，为便于分析是以直流母线电压的1/2处为参考点，逆变器三相和零线相输出可等效成2个压控电压源，图12中LA、LB、LC为滤波电感，C为滤波电容。
等效电路的回路电压方程为 三相四桥臂逆变器是在负载不平衡的情况下，使逆变器的三相电压输出为三相对称且能够满足幅值为额定的正弦电压，输出电压的形式如式子(11)所示 基于上述的控制思想，提出解耦控制的等效电路如图(12)所示。
如图13所示，每相串入电压增量ΔunA、ΔunB、ΔunC，使它们内部之间保持某种内在关系，实现解耦控制，最后uN＝0(uN为零线输出与参考点间的电压)。三相增量之间内部关系式为 以上就是三相内部关系式，式(12)中kp相控制系数，kn为零相控制系数，kl为相电感与零相电感的比值系数。下面将对式(12)进行化简整理。
图13中的电压回路方程为下式 将式子(12)代入式子(13)得到下式 将式子(14)中的前3个等式相加，整理得 从式(15)我们可以看出要想解耦，就要使uN＝0，这样需要确定控制系数kp、kn和kl之间的关系。令式(15)中uN＝0，可以得到下式 将式(16)两式相比得 (kp+1)/kn＝-kl (17) 只要满足上式的约束条件(17)，就能实现三相解耦。
图14为单项逆变器等效电路原理图。将逆变器输出侧电压e(t)等效为可控电压源，同时由于IGBT开关频率引起的谐波电压为n(t)，得到单相逆变电路的等效电路图14。
根据回路电压和电流方程，可得 i＝ic+iL (19) 将公式(9)代入公式(18)，可得 将公式(20)与公式(1)对比之后发现，采用内环控制后产生的效果有将滤波电感等效地将为原来的
减少了负载电流变化对输出交流电压影响，提高了快速响应能力；将电压谐波分量衰减为原来的
克服了低通滤波器只对高次谐波有滤除作用，而对低次谐波无滤除能力的缺陷，减少了波形的畸变，增加了系统的响应速度。
图15为解耦后的等效电路原理图。
将式(17)代入式(14)可得 式(21)中的前3个等式相加，可导出 再将式(22)代回式(21)整理得 式(23)得到的结论，满足解耦的控制方程。因此只要各系数满足式(17)的约束条件，实现三相解耦。根据式(23)画出解耦后的等效电路图如图14所示，解耦后uN＝0，相阻抗值为原来的
权利要求
1.一种基于幅相控制的光伏发电装置，其特征在于包括主电路单元、主控制单元、电压电流传感器、可编程控制器，电力参数测量单元和触摸屏单元，其中，主电路单元包括4组IGBT模块和功率放大单元；主控制单元，包括数字信号处理器(DSP)和可编程门阵列FPGA；电力参数测量单元由电力参数表组成；
主电路单元的输入端与直流侧电压传感器的输出端相连，主电路单元的输出端与交流侧电压电流传感器的输入端相连；直流侧电压传感器的输出端与驱动和功率放大单元的输入端相连；驱动和功率放大单元的输出端与主电路单元的输入端相连，驱动和功率放大单元的输入端与主控制单元的输出端相连；可编程控制器与主控制单元相连，可编程控制器与触摸屏单元相连，电力参数测量单元的输出端与可编程控制器的输入端相连，电力参数测量单元的输入端与交流侧电压电流传感器的输出端相连。
2.采用权利要求1所述的一种基于幅相控制的光伏发电装置进行光伏发电的方法，其特征在于包括如下步骤
步骤1交流侧电压、电流传感器检测到三相交流电压、三相交流电流，经电压和电流变换电路处理后，送给主控单元的数字信号处理器DSP进行处理；
步骤2主控单元的数字信号处理器DSP根据检测到的交流侧电流、电压以及直流侧电压的给定值，通过幅值控制、相位控制和内环控制，确定电压调节的输出向量，并将得到输出的向量传递给可编程门阵列FPGA；
其中，幅值控制、相位控制和内环控制的过程如下
将给定电压U*(t)的幅值和相位分离，分别对幅值和相位进行控制幅值控制是指对检测到的系统给定电压U*(t)和逆变器的输出电压U(t)的幅值进行比较，经过比例调节控制输出，输出的电压为U*+ΔU*；相位控制是将转换器输出的正弦函数sinωt与输出电压U(t)进行比较，分解出相位偏移角θ，经比例调节控制输出为sin(ωt+θ)，幅值控制和相位控制得到的结果相乘，得到内环控制目标函数e(t)，e(t)与逆变器输出电压U(t)比较，经比例调节控制后，输出电压e*(t)；
步骤3可编程门阵列FPGA接收到的输出电压与三角波发生器产生的波形合成PWM波形，发送给主电路单元的驱动和放大单元；
步骤4主电路单元中的开关器件根据放大后的脉冲信号产生导通和关断。
3.根据权利要求2所述的一种基于幅相控制的光伏发电方法，其特征在于步骤2所述的幅值控制、相位控制和内环控制，需要满足解耦控制条件，具体公式如下
(kp+1)/kn＝-kl
其中，kp表示相控制系数，kn表示零相控制系数，kl表示相电感与零相电感的比值系数。
全文摘要
一种基于幅相控制的光伏发电装置及方法，属于电力电子技术领域，包括如下步骤交流侧电压电流传感器检测三相交流电压和电流，经电压电流变换电路处理后，送给主控单元的DSP处理；DSP根据检测到的交流侧电流、电压及直流侧电压给定值，通过幅相位控制和内环控制，确定电压调节的输出向量，并将其传递给FPGA；FPGA接收到的输出电压与三角波发生器产生的波形合成PWM波形，发送给驱动和放大单元；主电路单元中的开关器件根据放大后的脉冲信号产生导通和关断。本发明方法成功的降低了交流侧的电压畸变率；适用于多种负载类型；减少了负载电流变化对输出交流电压影响，提高了快速响应能力。
文档编号H02J3/38GK101728838SQ20091024883
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者闫士杰, 王旭, 杜蘅, 付皓 申请人:东北大学