维普资讯 http://www.cqvip.com 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ 第３９卷第１期 ２００５年２月 Ｖ０１．３９．Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｖ．２０Ｄ５ 户用光伏并网发电系统的研究与设计 郑诗程，丁 明，苏建徽，茆美琴 （合肥工业大学，安徽合肥２３０００９） 摘要：阐述了基于数字信号处理器ｒＩ＇ＭＳ３２０ｕ ４０７Ａ的户用光伏并网发电系统的研究和设计。文中详细分析了 系统的工作原理和锁相环设计，同时给出了系统的控制框图和锁相环程序流程图，并进行了样机实验。实验结果表 明，并网电流波形良好，并且与电网电压同频同相，并网的功率因数为Ｉ。 关键词：太阳能；发电／光伏；并网；数字信号处理器 中图分类号：ＴＭ６１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００一ＩＯＯＸ（２００５）０１－００５５—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｌｃ Ｇｒｉｄ．．ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＥＮＧ Ｓｈｉ—ｃｈｅｎｇ，ＤＩＮＧ Ｍｉｎｇ，ＳＵ Ｊｉａｎ—ｈｕｉ，ＭＡＯ Ｍｅｉ—ｑｉｎ （Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｎａｇｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋ ｌｏｏｐ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｔｏｐｏｓｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｏｌ ｂｌｒｏｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋ ｌｏｏｐ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ．Ｓａｍｐｌｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｏｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｗａｖｅ ｏｆ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｃｕ￣ｎｔ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ．１ｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｆｅｑｕｅｎｃｙ ａｒｎｄ ｐｈａｓｅ ａｓ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｔｙ ｄ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｓ ｕｎｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｙ ｇｅｎｅｒａｔｔｉｏｎ／ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ；ｇｒｉｄ・ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ；ＤＳＰ １ 引 言 随着化石能源的高度消耗．能源危机愈演愈烈． 同时化石能源的开采和利用对环境的影响和破坏也 不容忽视。在这种情况下，开发和利用可再生能源和 绿色能源已成为世界各国共同追求的目标。从能源 光伏阵列吸收的能量先经过全桥逆变和电感滤波． 再由升压变压器隔离、升压后以受控电流源的方式 并入电网，整个系统与电网隔离，运行安全可靠。 ２．２系统逆变环节的数学模型 图１中取流经滤波电感Ｌ的电流 为状态变 量。则由图１可得： ＝ 式中 ｚｔ 一供应的诸多因素考虑．太阳能无疑是符合可持续发 展战略的较理想的绿色能源。其中，太阳能光伏并网 发电技术更是受到了各国的一致重视。然而目 前我国的太阳能光伏并网发电在的高度重视下 也已被列入了重点扶持范围，我国将逐步推广 ＋ ＋ （１） 未经滤波的逆变器输出电压 ，ｒ一升压变压器的变比 ｒ一变压器和线路的等效电阻 屋顶光伏并网发电计划。因此，太阳能光伏并网发电 正在由过去的补充能源向替代能源迈进。 式（１）经过Ｌａｐｌａｓ变换，可解出Ｉ（ｓ）： ２ 系统的组成 ２．１主电路结构 Ｉ（ｓ）＝击［ （ｓ）一 】 （２） 当逆变器开关频率较高时，忽略开关器件和死 区特性的影响，ＳＰＷＭ控制方式下的桥式逆变器可 近似为一个放大系数为 的等效放大环节，即： ｃ（ｓ）＝ （３） 图１示出系统的主电路结构图，系统为输出电 流受控的电压型有源逆变器。该系统采用由智能功 率模块ＩＰＭ７５ＲＳＡ０６０构成的全桥结构，功率输出端 采用标准 光 伏 阵 列 由式（２）和式（３）可得图２所示系统的并网电流 闭环结构图。 升压变压 器隔离和 升压。由 图１主电路结构 定稿日期：２Ｏｏ４—０６—０２ 图１知。 图２电流闭环结构图 ２．３输出侧电压矢量图 作者简介：郑诗程（１９７２一），男，安徽合肥人，博士研究 生，研究方向为电力电子和电力传动。 由主电路可知，设并网电流为 ，升压变压器的 ５５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ 第３９卷第１期 ２００５ ｚｔ－２月 Ｖｏ１．３９，Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００５ 变比为ｎ．得并网逆变器功率输出侧电压方程为： ‰＝ ＋ ＋ （４） 式中 ｕ 一逆变器输出电压的基波分量 由式（４）可得图３所示功率输出侧电压矢量图。 柚 试 ｌ Ｕｎｅｔｆｎ Ｉ Ｈｎ ｆｎ （ａ） ０ （ｂ），≠Ｏ 图３电压矢量图 ２．４输出侧电感的设计 为了有效消除并网电流的谐波分量．输出侧电 感取值应越大越好。然而．电感值过大一方面会影响 电流跟踪速度．另一方面，电感上的压降也会增大， 因此电感值的设计应该折衷考虑。通过对图１的动 态和稳态分析可知．电感取值与直流侧电压值 、 网侧电压值Ｈ ／ｎ、并网电流峰值，ｍ、谐波电流最大 允许脉动值△ ～、系统的调制方式和开关频率１／ 等参数［ Ｊ有关，其关系式如下： △ ～ … ≤等 ＿（５） ３控制电路的构成 ３．１控制电路 控制电路如图４所示．采用ｒ兀公司生产的１６ 位定点ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ＇２４０７Ａ作为本系统的控 制核心．系统外围电路包括４路Ａ／Ｄ转换电路，用 以实时检测直流侧电流和电压值、并网电流和电网 电压值。以及并网电流和电网电压相位。 ｙ乃ｙ乃ｙ弓ｙ五 ． ｉ ± ｉ ｉ 。 ＩｐｗＭ输出驱动Ｉ ｌｒ 阵列母线电压检测＃ ＝＝＝＝＝＝ ：Ｉ ＴＭｓ３２ＯＬＦ２４Ｏ７ＡＩ． 电网电压同步检测Ｉ＝；＝；；＝；；。， 键盘监控与显示Ｉｌ控制电源 图４系统控制电路 ３．２控制芯片 ｒⅡ公司生产的１６位定点ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ ＤＳＰ 芯片是ＴＭＳ３２０Ｆ２４０家族中性价比最高的一种［２１．与 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０相比。其优点有：①采用高性能静态 ＣＭＯＳ技术．使得供电电压降为３．３Ｖ，减小了控制 器的功耗：４０ＭＩＰＳ的执行速度使得指令周期缩短到 ２５ｎｓ（４０ＭＨｚ）．从而提高了系统的实时控制能力；② 片内有高达３２Ｋ字的ＦＬＡＳＨ程序存储器．可实现 在线编程：③两个事件管理器模块ＥＶＡ和ＥＶＢ，可 编程的死区时间．６个捕获单元．１６路Ａ／Ｄ转换器 ５６ 厂于———— 鉴ｈ 电网电压同步 Ｉ竺２釜竺 ｆ 图 ４．锁相环的 — 车 王 的－＿ Ｊ帛王里．、 ‘ Ｅ三ｉ霉：王 、 。 锁相环（ＰＬＬ）是指能够自动追踪输入信号频率 与相位的闭环反馈控制系统。它主要由鉴相器 （ＰＤ）．环路滤波器（ＬＦ）和压控振荡器（ｖｃｏ）组成［３１。 当环路锁定时．输出信号和输入信号同频同相ｃ．锁相 环原理框图如图６所示。 图６锁相环原理框图 根据电流控制型并网逆变器原理，为使并网系 统的有功功率输出达到最大．必须控制输出电流的 频率和相位。使它们与电网电压严格同步。本文中， 并网电流的频率和相位与电网电压严格同步是通过 软件锁相来实现的，即由输入信号的硬件整形电路 维普资讯 http://www.cqvip.com 户用光伏并网发电系统的研究与设计 和锁相软件配合完成。电网电压信号通过硬件电路 整形后产生与其同步的，ＩＴＩ＇Ｌ方波信号，将该方波信 号送入ＬＦ２４０７Ａ的ＣＡＰ１引脚．ＬＦ２４０７Ａ内部软件 ５ 结 论 根据以上控制思想．进行了样机的初步设计．参 数如下：阵列所用太阳电池组件的开路电压‰＝ 为ＣＡＰ１分配一个计数时基．同时设定该时基为递 增计数模式．只捕捉，ＩＴＩ＇Ｌ信号的上升沿．并记录下 此时定时器的值．这样相邻两次定时器值的差即为 ２１Ｖ，对应最大功率点的电压Ｕｒｎ＝１７Ｖ，额定功率 ＰＮ＝７５ｗ，由１０个组件串联组成支路后．再由２个支 路并联构成阵列，阵列总容量 ＝１．５ｋＷ；电感 ＝ 所测电网电压的周期，用这该周期作为正弦调制波 的周期，即输出并网电流的周期：同时，通过判断电 网电压过零时正弦表格指针所处的位置，以判断二 ２ｍＨ，开关频率￣＝１０ｋＨｚ，变压器变比ｎ＝２３０：１ １０。图 ８为并网电流和 ～ 电网电压波形， 其中．幅值大的 波形为取自电 压传感器次级 的电网电压波 者之间的相位差，相应地调整给定并网电流的正弦 表格指针，最后实现二者的同频同相。该系统的软件 锁相是由捕捉中断和定时中断共同完成的．定时中 入口 ． ．警｝ ．簿 ｝： …｛ ０√ ，＿，… 、＼、－ 箩ｒ 。’ …。 一， ｔ，＇５ｍｓ／格 断用来输出 计算电网电压周期 ＳＰＷＭ波．捕捉中 断用来完成并网 电流的周期计算 和相位调整．具体 是利用电网电压 周期来实时计算 Ｔ１ＰＲ值作为给定 形，幅值小的为 广雨 读取正弦表指针ＰＴＲ值 并网电流波形。 由图可知．并网 图８并网电流和电网电压波形 Ｌ＜＜ ● Ｎ Ｙ 电流波形与电网电压同频同相，实现了并网功率因 数为１。 参考文献 返回 并网电流周期．实 密；＇【＼ｌ。口｝ ｌ密 ＇【 ａｕ 【ｌ】张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制【Ｍ】．北京：机械工 现与电网电压的 业出版社．２００３． 图７锁相环程序流程图 同频：通过调整正 【２】刘和平，严利平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０Ｘ ＤＳＰ结构、原理及应用 弦表指针ＰＴＲ来实现和电网电压同相。其中，正弦 表格为２００个点，载波频率为１０ｋＨｚ。具体的锁相环 软件流程见图７。 （上接第５４页） 【Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版社。２００２． 【３】Ｇｕａｎ—Ｃｈｙｕｎ．Ｐｈａｓｅ－Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ－Ａ Ｓｕｒｖｅｙ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｄ Ｅｌｅｃｔｒ．，１９９６，４３（６）：６１０—６１２． 大特点是．母线与功率模块的连接不单单靠连接螺 栓连接．而是在母线的连接处．向与模块连接的方向 设置了凸台．使得功率母线与功率模块的连接面积 大大增加．消除了两者连接处出现的局部过热等问 题。设计中采用紫铜板材，功率母线厚度仅为１．５～ ２ｍｍ。如何可靠地在母线与模块的连接处设置凸台 大输出功率 ＞６０ｋＷ，额定输入电压Ｖｉ￣ ＝３１２Ｖ， 正常电压范围２８０～３６０Ｖ，最大输入电压 一＝ ４００Ｖ．额定母线电流有效值ＩＮ＝８６Ａ，最大母线电流 有效值，眦＝２１２Ａ，功率模块采用三菱公司６００Ｍ ６００Ｖ ＩＰＭ功率模块。４层式叠层功率母线采用紫铜 板材制作， ＝４＂ｔｒ ｘｌ０ Ｈ／ｍ， ＝０．３ｍ，ｄ＝０．１ｍ， ＝ 是设计中的关键技术之一。经工艺研究确定了两种 ０．００１５ｍ．ａ＝０．００３５ｍ。根据式（１）．计算得到４层式叠 层功率母线的电感量为２９ｎＨ。根据文献［４］，大功率 ＩＧＢＴ、ＩＰＭ功率模块的最大母线电感不超过１００ｎｉｌ， 因而叠层功率母线寄生电感量在最大允许值范围 内。该叠层功率母线还先后应用于混合动力轿车电 方案：①在母线与模块的连接处加工螺纹，将凸台 以螺纹连接的形式安装：②在母线与模块的连接处 加工通孔．将凸台以铆接的形式安装。从紫铜材料 的性能、加工的可实现性以及工程化的角度考虑，设 计中选用第二种方案。经试验证明，该方案能很好 地满足系统的要求。 机驱动器和纯电动轿车电机驱动器．测试结果证明． 功率器件开关过程的尖峰电压为５０～８０Ｖ，均未超过 允许范围｜４ｊ．因而本文提出的叠层功率母线设计方 法．能够很好地满足电机驱动器的相关要求。 （下转第７７页） ４应用实例 该新型叠层功率母线已应用于ＥＶ电机驱动 器．其相关性能参数为：额定输出功率Ｐｏ￣２４ｋＷ，最 ５７
