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10kW光伏并网逆变器控制系统设计概要.doc
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目 录 摘要 3 1.概述 3 2. DC/DC控制系统设计 3 2.1 DC/DC建模 4 2.2 控制结构设计及控制器 5 2.3 仿真 5 3. INV控制系统设计 6 3.1 INV建模 6 3.2 控制结构设计 6 4. MPPT算法设计 7 4.1 MPPT简介 7 4.2 扰动观察法简介 7 5. AI算法设计 8 5.1 AI简述 8 5.2 GEFS策略介绍 9 5.3 GEFS策略改进 9 6. PLL设计 11 6.1 PLL简介 11 6.2 基于坐标变换的PLL原理 11 6.3 仿真 12 7. 直流量抑制策略设计 12 7.1 直流量简介 12 7.2 直流量产生的原因 13 7.3 直流量抑制策略设计 13 7.4 实施 13 8. 启动/关闭时序设计 14 8.1 启动时序 14 8.2 关闭时序 15 9. 故障保护策略设计 15 10. 相序自动检测 18 11. 频率自动检测及60Hz逆变控制参数设计 18 12. 绝缘阻抗检测算法设计 18 13. 风扇调速算法设计 20 14. Relay检测算法设计 21 12. 总
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1-22
10kW 光伏并网逆变器控制系统设计概要
第三版改动方式
内容
日期
人员
2-22
目 录
摘要............................................................................................................................................3
1.概述.........................................................................................................................................3
2. DC/DC 控制系统设计 ..........................................................................................................3
2.1 DC/DC 建模 .............................................................................................................4
2.2 控制结构设计及控制器...........................................................................................5
2.3 仿真...........................................................................................................................5
3. INV 控制系统设计 ...............................................................................................................6
3.1 INV 建模 .....................................................................................................................6
3.2 控制结构设计.............................................................................................................6
4. MPPT 算法设计 ....................................................................................................................7
4.1 MPPT 简介 ..................................................................................................................7
4.2 扰动观察法简介.........................................................................................................7
5. AI 算法设计 ..........................................................................................................................8
5.1 AI 简述 .....................................................................................................................8
5.2 GEFS 策略介绍........................................................................................................9
5.3 GEFS 策略改进........................................................................................................9
6. PLL 设计 .............................................................................................................................11
6.1 PLL 简介 ................................................................................................................11
6.2 基于坐标变换的 PLL 原理 ...................................................................................11
6.3 仿真.........................................................................................................................12
7. 直流量抑制策略设计.........................................................................................................12
7.1 直流量简介...............................................................................................................12
7.2 直流量产生的原因...................................................................................................13
7.3 直流量抑制策略设计...............................................................................................13
7.4 实施...........................................................................................................................13
8. 启动/关闭时序设计 ...........................................................................................................14
8.1 启动时序...................................................................................................................14
8.2 关闭时序...................................................................................................................15
9. 故障保护策略设计.............................................................................................................15
10. 相序自动检测...................................................................................................................18
11. 频率自动检测及 60Hz 逆变控制参数设计....................................................................18
12. 绝缘阻抗检测算法设计...................................................................................................18
13. 风扇调速算法设计...........................................................................................................20
14. Relay 检测算法设计 .........................................................................................................21
12. 总结...................................................................................................................................23
3-22
摘要
为建立 XX20kW 光伏并网逆变器控制系统框架,从 17 方面简单界定和介绍了设计目标
及所采用的方法。设计结果对于了解光伏并网逆变器控制系统有一定帮助,同时从系统层面
为进一步细化设计给出了指导。
关键词 光伏并网逆变器 控制系统框架 概要设计
1.概述
XX20kW 光伏并网逆变器硬件总体设计方案已经确定,需要实现的控制功能可以做概
要设计。已经知道 10kW 系统由 Boost(DC/DC)和三相三线全桥逆变组成,如图 1 所示。
基于此拓扑结构的光伏并网逆变器,可能应该具有图 2 中描述的 14 种功能,其中灰色背景
的功能是必须的,其它功能是可选的。必须的功能包括:DC/DC 控制、INV 控制、MPPT、
Anti-islanding、PLL、逆变输出直流量抑制、启动/关闭时序、故障保护、相序自动检测和频
率自动识别;可选的功能包括:模式切换、风扇调速、均流控制和环流控制。文中将给出这
些功能模块的概要设计。
PV
L
S
V
pv1
+ +
_
_
i
pv1
i
L1
PV
L
S
V
pv2
V
Bus
+ +
_
_
i
pv2
i
L2
三相INV桥
La
Lb
Lc
U
a
U
b
U
c
N
V
c
V
b
V
a
P
o
i
a
i
b
i
c
图 1 系统拓扑图
2. DC/DC 控制系统设计
前级 DC/DC 部分采用了 Boost 拓扑结构。当系统运行在整机模式(与旁路模式或者单
级模式对应),主要功能包括两方面:,一是把较低的 PV 电压抬升使得满足逆变器正常工作;
二是完成对 PV(Photovoltaic Panel)的 MPPT。在整机模式,即 DC/DC 和 INV 器同时工作
的模式,周期相对较长的 MPPT 算法在执行完成一次算法后,会给出 PV 的参考电压。通过
Boost 闭环控制,使得 PV 电压无差追踪此 PV 参考电压。当 PV 参考电压等于最大功率点的
电压时,PV 工作在最大功率点。
对于 Boost 电路来讲,当输入电压恒定时,输出电压相对输入电压是被抬高了;而当输
出恒定时,则输入电压相对输出电压被降低了。所以从 Bus 电压往 PV 电压方向看,Boost
电路起的是降压的作用。在光伏并网逆变器中,Bus 电压是由 INV 控制的,通过控制 Bus
4-22
来控制功率的流动。Bus 电压对于 Boost 电路来讲是输出电压,是相对恒定的量,所以 PV
电压相对 Bus 电压是被降低了。并且此时,Boost 闭环控制是控制 PV 电压去追踪 MPPT 电
压(即 MPPT 算法给出的 PV 工作电压)。这点与常规的 Boost 控制有较大的差别,需特别
注意。
Boost 控制系统的设计可分成三步:建模、控制结构及控制器设计、仿真。
光伏并网逆变器
控制系统
3,MPPT
2,INV闭
环控制
1,DC/DC
闭环控制
8,故障保
护
7,启动/关
闭时序
9,相序自
动检测
4,Anti-
islanding
5,PLL
10,频率自
动识别
直6,流量
抑制
11,ISO检
测
12,风扇调
速
13,Relay
检测
16,无功补偿和MPPT算法自学习
14,整机单
级模式切
换
15,第2
路路
Boost切
入策略
图 2 光伏并网逆变器功能框图(蓝色背景为第 3 版增加)
2.1 DC/DC 建模
参考图 3 所示的 Boost 电路图及符号定义,依据电感电压伏秒平衡原理(即电感电流在
开关周期内等于常量)和电容电荷平衡原理(即电容电压在开关周期内等于常量),可建立
平均状态方程如式(1)所示。通过 Laplace 变换,可得图 4 所示 Boost 模型框图。
2
1
1
1
0
0
(1 )
1
1
0
0
pv pv dc
pv
pv
dc pv
L L
v v V
C
d
C
V d i
dt
i i
L
L
é ù
-
é ù
é ù
ê ú
-
é ù é ù
ê ú
ê ú
ê ú
= + - +
ê ú ê ú
ê ú
ê ú
-
ê ú
ë û ë û
ê ú
ë û
ë û
ê ú
ë û
(1)
其中:v
pv
为 PV 电压,i
L
为电感电流,C
pv
为 PV 电容,L 为 Boost 电感,i
pv
为 PV 电流,V
dc1
=
V
dc2
为稳态时 Bus 电压,d 为控制量 Duty。
5-22
PV
L
S1
V
pv
+
+
_
_
i
pv1
i
L
V
dc1
C
pv
L
S2
+
+
_
_
i
L
V
dc2
图 3 Boost 电路图及符号定义
1
pv
sC
L
i
�
pv
v
pv
i
1
2
dc
V
sL
1 2
1
pv dc dc
dc
v V V
V
� �
d
�
�
-1
�
图 4 Boost 模型框图
2.2 控制结构设计及控制器
根据图 4 所示的模型框图,可设计出 DC/DC 控制结构如图 5 所示。控制器采用 PI 控制,
其参数可通过频率域中对称最优方法设计得到。
1
pv
sC
L
i
�
pv
v
pv
i
2
Bus
V
sL
1 2
1
pv dc dc
dc
v V V
V
� �
d
�
�
-1
�
PI-1PI
+
_
+ +
_
1
Bus
V
_
1 2
1
pv dc dc
dc
v V V
V
� �
pv
v
�
_
+
图 5 Boost 控制系统结构
2.3 仿真
控制结构设计好后,需要通过仿真方法来验证或调整设计。一般仿真的流程包括:一,
连续域数学模型仿真;二,连续域物理模型仿真;三,离散域物理模型仿真。其中第三步仿
真是最关键的,当后期仿真成熟后,可跳过前两步,直接进行第三步。通过这些仿真,最后
可得到方便移植的源代码。
这里提到的仿真不仅针对 DC/DC 控制部分,在控制系统设计的过程中都应该有仿真的
过程,以降低直接上功率平台实验的风险。 本版本已经重新设计,并且仿真结果如附件。
2组串联型Boost并
联仿真091028.doc
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