CN202384774U - 基于数字控制技术的三相逆变器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于数字控制技术的三相逆变器装置，该装置接在太阳能电池和电网之间，其特征在于，所述的三相逆变器装置包括三相逆变器、滤波电路、开关、DSP、远程通信接口、输出同步检测电路，所述的太阳能电池、三相逆变器、滤波电路、开关、电网依次连接，所述的DSP分别与三相逆变器、开关、远程通信接口、输出同步检测电路连接，所述的输出同步检测电路与电网连接。与现有技术相比，本实用新型具有控制精度高、适应性强等优点。

Description

基于数字控制技术的三相逆变器装置

技术领域

本实用新型涉及一种三相逆变器装置，尤其是涉及一种基于数字控制技术的三相逆变器装置。

背景技术

随着人口的增加，经济的发展，人类对于能源的需求也越来越大，传统的能源储量正在日益枯竭，从而带来了能源短缺的问题。而且，化石燃料的大量使用对人类生存环境造成的危害日益突出，甚至导致生态恶化，这些已成为当今世界各国面临的一个重大问题。所以，开发利用可再生能源和各种绿色能源是人类必须采取的措施，而从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是最符合可持续发展战略的理想的绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。

光伏阵列输出特性是具有非线性特征的，其输出电压、电流受太阳光照强度、环境温度等因素影响。在一定的太阳光照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压下，但只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出的功率能达到最大值，这时光伏阵列的工作点也就达到最大功率点。在光伏发电系统中，提高系统的整体效率的一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使其始终工作在最大功率点附近。

太阳能光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转化为直流电能，再通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，并入电网，在将直流电能经逆变转换为交流电能的过程中，会产生大量谐波。谐波的危害主要表现在以下几个方面：

(1)对电力系统的影响。谐波使电能的生产、传输和利用效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪音，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。

(2)造成谐振现象。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，是谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。

(3)谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使仪表计量不准确。

(4)谐波对通信系统产生干扰，严重时会使通信系统无法正常工作。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制精度高、适应性强的基于数字控制技术的三相逆变器装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于数字控制技术的三相逆变器装置，该装置接在太阳能电池和电网之间，其特征在于，所述的三相逆变器装置包括三相逆变器、滤波电路、开关、DSP、远程通信接口、输出同步检测电路，所述的太阳能电池、三相逆变器、滤波电路、开关、电网依次连接，所述的DSP分别与三相逆变器、开关、远程通信接口、输出同步检测电路连接，所述的输出同步检测电路与电网连接；

所述的DSP包括SVPWM输出电压控制模块、FFT电压电流实时测量分析模块和MPPT电池动态功率调节模块；

所述的SVPWM输出电压控制模块用于控制三相逆变器进行变频输出；

所述的FFT电压电流实时测量分析模块将从三相逆变器中采集的畸变波形分解成基频分量和各次谐波分量，通过频谱分析各次谐波分量的幅值和相位来描述波形畸变水平；

所述的MPPT电池动态功率调节模块用于调节太阳能电池的最大功率点工作电压。

所述的SVPWM输出电压控制模块控制过程具体如下：

三相逆变器结构中引入开关状态函数，定义每一桥臂上管开通时为1，下管开通时为0，通过控制三相逆变器的6只开关管，得到8种开关状态：0(000)、1(001)、2(010)、3(011)、4(100)、5(101)、6(110)、7(111)，每种状态对应唯一的输出线电压瞬时值矢量；其中有两个状态为零矢量，其余6种状态为非零矢量，共分为6个扇区；

三相电压瞬时值用一个以角速度w＝2∏f的空间旋转电压矢量来表示；当

遍历圆轨迹时，形成三相瞬时输出电压；

当

落入某一子扇区后，用该子扇区的两个边界矢量和零矢量去合成

可得到最佳合成效果，具体公式如下：

设一个开关周期T_s内，

按逆时针方向旋转，一个边界矢量作用时间为T_x，另一边界矢量

作用时间为T_y，零矢量作用时间为T_o；则有T_s＝T_x+T_y+T_o；根据伏秒平衡原理可得 $\stackrel{\·}{U}{T}_s={\stackrel{\·}{U}}_x{T}_x+{\stackrel{\·}{U}}_y{T}_y+0\×T_o,$ 即 $\stackrel{\·}{U}={\stackrel{\·}{U}}_x\frac{T_x}{T_s}+{\stackrel{\·}{U}}_y\frac{T_y}{T_s},$ 这就是一般空间电压矢量的合成公式，其关键在于T_x、T_y、T_o的计算。

所述的FFT电压电流实时测量分析模块将畸变波形分解成基频分量和各次谐波分量，通过频谱分析各次谐波分量的幅值和相位来描述波形畸变水平。

快速傅里叶变换FFT是一种快速有效地计算离散傅立叶变换DFT的方法，离散傅里叶变换同时满足以下关系：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{kn}},k=\mathrm{0,1,2},...,N-1$

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(n\right)W_N^{-\mathrm{kn}},n=\mathrm{0,1,2},...,N-1$

式中

在通常情况下，序列x(n)和它的离散傅里叶变换X(k)都是复数，因此直接计算DFT及离散傅里叶逆变换(Inverse Discrete FourierTransform，IDFT)需要N²次复数乘法和N(N-1)次复数加法。由于一次复数乘法要作4次实数乘法和2次实数加法，一次复数加法要作两次实数加法，所以作一次离散傅里叶变换总共需要作4N²次实数乘法和2N(2N-1)次实数加法。

所述的MPPT电池动态功率调节模块用于调节太阳能电池的最大功率点工作电压具体如下：

根据光伏阵列的P-V曲线是一个单峰曲线，并且最大功率点是峰值，其功率对电压的导数为0的特点，在输出功率最大点，功率对电压的导数为零，来寻找最大功率点；在功率对电压的导数大于零的区域将最大功率点工作电压增加设定电压调整值，在功率对电压的导数小于零的区域将最大功率点工作电压减去设定电压调整值，在导数等于零时，最大功率点工作电压保持不变。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)32位高精度三重化SVPWM空间矢量控制策略，提高了系统控制精度；

(2)电压、电流实时FFT测量分析，快速准确的获得系统运行参数；

(3)快速二阶微分MPPT跟踪算法很好适应了电池组件功率动态变换的特点。

附图说明

图1为本实用新型的主体结构示意图；

图2为本实用新型的MPPT电池动态功率调节模块流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于数字控制技术的三相逆变器装置，该装置接在太阳能电池7和电网6之间，所述的三相逆变器装置包括三相逆变器1、滤波电路2、开关CB、DSP3、远程通信接口4、输出同步检测电路5，所述的太阳能电池7、三相逆变器1、滤波电路2、开关CB、电网6依次连接，所述的DSP3分别与三相逆变器1、开关CB、远程通信接口4、输出同步检测电路5连接，所述的输出同步检测电路5与电网6连接；

所述的DSP3包括SVPWM输出电压控制模块、FFT电压电流实时测量分析模块和MPPT电池动态功率调节模块；所述的SVPWM输出电压控制模块用于控制三相逆变器进行变频输出；所述的FFT电压电流实时测量分析模块将从三相逆变器中采集的畸变波形分解成基频分量和各次谐波分量，通过频谱分析各次谐波分量的幅值和相位来描述波形畸变水平；所述的MPPT电池动态功率调节模块用于调节太阳能电池的最大功率点工作电压。

(1)SVPWM输出电压控制模块实现方法

用DSP控制器的空间矢量状态机来实现变频要求时，需要求出在一个调制周期T_s内2个有效空间矢量

和

的持续时间T_x和T_y，以及零矢量的作用时间T_o。空间矢量状态机实现变频的关键公式：

$\frac{T_y}{T_s}=k_v\sin (\mathrm{wt}-x),$

其中

x为每个子扇区逆时针方向的起始边缘矢量，则x分别为0°、60°、120°、180°、240°、300°。可以看出，改变K_V可以调节输出电压幅值；改变w可以调节输出电压的频率。并且只要事先建好正弦表，就可以进行编程了。

(2)FFT电压电流实时测量分析模块

TMS320F2812是定点的数字信号处理器，因而在用TMS320F2812实现FFT时，应考虑防止中间结果产生溢出的问题。解决这个问题的方法就是对中间数值进行归一化。

在用DSP实现FFT时，为了计算方便，一般都把输入归一化表示，即输入的实部和虚部的幅值都小于1。考虑到大多数情况下是实数序列的FFT，所以P_m+1＝PR_m+UR_m+j(PI_m+UI_m)(1)，Q_m+1＝PR_m-UR_m+j(PI_m-UI_m)(2)，式1和式2的最大幅度不超过2。这样可以在每一级用2归一化。运用DSP芯片的移位特性来实现2的归一化，不增加任何运算量。对于M级FFT，输出结果相当于原结果除以2^M(N＝2^M)。

(3)MPPT电池动态功率调节模块

MPPT实质是一个自寻优过程，常用的方法有固定电压跟踪法、扰动观测法和导纳微增法。本文采用导纳微增法，首先根据采集的太阳电池阵列输出电压和功率的变化关系判断太阳电池阵列当前运行在哪个工作区，然后根据不同的工作区采取相应的控制修改指令的方法。当检测工作点在电流源区时就增加V_MAX的值，当检测工作点在电压源区时就减小V_MAX的值，然后根据所得的V_MAX值生成PWM控制脉冲，使太阳电池阵列的输出电压跟踪V_MAX的值。具体MPPT的算法流程图如图2所示。其中V_OLD和I_OLD分别表示太阳电池的输出电压和电流的第k-1次的值，V_MAX为假定的太阳电池最大功率点工作电压，dert为常数，是最大功率工作点工作电压的调整量。

Claims (2)

1.一种基于数字控制技术的三相逆变器装置，该装置接在太阳能电池和电网之间，其特征在于，所述的三相逆变器装置包括三相逆变器、滤波电路、开关、DSP、远程通信接口、输出同步检测电路，所述的太阳能电池、三相逆变器、滤波电路、开关、电网依次连接，所述的DSP分别与三相逆变器、开关、远程通信接口、输出同步检测电路连接，所述的输出同步检测电路与电网连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字控制技术的三相逆变器装置，其特征在于，所述的DSP包括SVPWM输出电压控制模块、FFT电压电流实时测量分析模块和MPPT电池动态功率调节模块。

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