500KW光伏逆變器軟件方案設(shè)計(jì)

1、實(shí)用文案500KW 光伏逆變器軟件設(shè)計(jì)方案編制：審核：標(biāo)準(zhǔn)化：批準(zhǔn):標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案修訂記錄版本號(hào)日期撰寫(xiě)人更改內(nèi)容簡(jiǎn)要說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案500KW 光伏逆變器軟件設(shè)計(jì)方案1. 概述1.1. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)定位500KW 光伏逆變器及其可選配件， 配套 500KW 光伏發(fā)電系統(tǒng)使用， 使其獲得最佳發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量。1.2. 總體方案概述500KW 光伏逆變器軟件技術(shù)方案主要依據(jù)同類(lèi)產(chǎn)品及相關(guān)產(chǎn)品規(guī)格書(shū)，以及公司現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)人員、 技術(shù)儲(chǔ)備和測(cè)試裝備的條件和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃的要求而編制的。 本方案主要闡述了軟件的控制算法部分以及監(jiān)測(cè)監(jiān)控部分的軟件方案。系統(tǒng)整體軟件包括核心

2、控制軟件、監(jiān)測(cè)監(jiān)控軟件兩個(gè)大的部分。其中控制軟件包括 DSP部分的控制軟件設(shè)計(jì)以及CPLD部分的邏輯軟件設(shè)計(jì)；監(jiān)測(cè)監(jiān)控軟件包括基于 ARM 系統(tǒng)的人機(jī)接口軟件、基于ARM 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器軟件以及基于 PC機(jī)部分的本地監(jiān)控軟件和基于服務(wù)器PC機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件等三個(gè)部分。標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案2. 核心控制軟件設(shè)計(jì)Clarke 變換：對(duì) abc 三相進(jìn)行克拉克變換，如圖2-5 所示：cqdab標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案圖 2-5克拉克變換由圖示可得：x111xaxa222xbCabcxbx3133xcxc22可得軸狀態(tài)方程如下L diR0i10u10edtdi0Ri01u01eLdtPark 變換：對(duì) abc

3、三相進(jìn)行克拉克變換，如圖2-6 所示：qcUdab圖 2-6帕克變換由圖示可得：標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案xdcostsintxxxqsintcostxCdq xxcostsintxdCdqxdxsintcostxqxq可得 dq 軸狀態(tài)方程如下L did10udRL i d10eddtdi q01uqLRiq01eLqdt由上述分析可知：經(jīng)過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后，三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系中的基波正弦變量將轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 但從 dq軸狀態(tài)方程可以看出，這是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)，q 軸電流的變化對(duì)d 軸的電流有影響，而 d 軸電流的變化對(duì) q 軸也有影響，即 d 、q 軸電流除受控制

4、量Ud 、U 。影響外，還受耦合項(xiàng)li q 、li d 擾動(dòng)和網(wǎng)側(cè)電壓 ed 、 eq 的影響。標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案2.2 三相橋式有源逆變器的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)由 dq 軸的狀態(tài)方程可得 :di dud10LRLi d1 0eddtuq01di qLRiq0 1eLqdt由于 dq 變換之后系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)且受網(wǎng)側(cè)電壓ed、 eq 的影響，因此需要采樣前饋解耦控制策略。由于耦合相為L(zhǎng)i q 、Li d 因此需對(duì)這兩項(xiàng)解耦，同時(shí)加入 ed 、 eq 網(wǎng)壓前饋?？刂?ud 、 uq 采用 PI 控制?？稍O(shè)計(jì) ud、 uq 的控制方程如下。ud(kipkii*id )Li qeds)(iduq(kipki

5、i)(iq*iq )Li deqs標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案經(jīng)運(yùn)算可得 dq 軸最終狀態(tài)方程如下di dR (kipkii )kiis0kip*dtLsididdi qR (kipkii)iqLi q*dt0sL控制框圖如2-7 所示：U dc-+U dc* +id * +-SaPIPI-idwlSbiqPWMwl-+Sci q* +PI-+圖 2-7解耦控制圖標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案2.3 矢量控制（ SVPWM ）原理性分析在 abc 三軸上電壓表達(dá)式如下所示U A (t)2U m sin(t )U B (t)2U m sin(t2)3U C (t)2U m sin(t2)3矢量電壓等于三相電壓相加，如圖2

6、-8 所示：標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案U (t )2 U A (t ) U B (t )ej 2 / 3U C (t)ej 4 / 32U mej 2 ft3BuoAC圖 2-8矢量電壓圖三相逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào) (Sa，Sb，Sc)可以產(chǎn)生 8 種基本工作狀態(tài)，如圖2-4所示，即： 100 、110 、010 、011 、001 、101 、 lll 、000 ，這八個(gè)矢量就稱為基本電壓矢量，可分別命名為U0(000) 、U1(001) 、 U2(010) 、U3(011) 、U4(100) 、U5(101) 、U6(110) 、U7(111), 如圖 2-9 所示。圖 2-9開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖在八種矢量中U0

7、、U7 稱為零矢量， 其余六個(gè)基本電壓矢量是有效的，稱做非零矢量。如圖 2-10 所示，將復(fù)平面分為6 個(gè)扇區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案U2(010)U6(110)U3(011)U0(000)U7(111)U4(100)U1(001)U5(101)圖 2-10扇區(qū)分布圖實(shí)現(xiàn)矢量控制的算法首先要判斷當(dāng)前的電壓矢量處在哪個(gè)扇區(qū)之中，由圖2-10 可知：如果當(dāng)前矢量處于第一扇區(qū)，則顯然0 arctanU / U60 ，即可得條件：U0,UU30,U同理可得其他扇區(qū)條件，列舉如下：標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案Uref 落在第 扇區(qū)的充要條件 為 : U0,U0,U3UUref 落在第 扇區(qū)的充要條件 為 : U0, U3

8、 UUref 落在第 扇區(qū)的充要條件 為 : U0,U0,U3UUref 落在第 扇區(qū)的充要條件 為 : U0,U0,U3UUref 落在第 扇區(qū)的充要條件 為 : U0, U3 UUref 落在第 扇區(qū)的充要條件 為 : U0,U0,U3U進(jìn)一步分析以上的條件，有可看出參考電壓矢量Uref 所在的扇區(qū)完全由U，3U U，3U U三式與 0 的關(guān)系決定，可令：VVV123U3 U1 U223 U1 U22VVV1230,則A1反之 A00,則B1反之B00,則C1反之C0在令 N =A+2B+4C，由上述分析可得：當(dāng) N=3 時(shí)，Uref 位于第扇區(qū)；當(dāng)N=1 時(shí)，Uref 位于第扇區(qū)；當(dāng) N

9、=5 時(shí)， Uref 位于第扇區(qū)；當(dāng) N=4 時(shí)， Uref 位于第扇區(qū)；當(dāng) N=6 時(shí)， Uref 位于第扇區(qū)；當(dāng) N=2 時(shí)， Uref 位于第標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案扇區(qū)?？傻帽砀袢缦拢篘315462扇區(qū)當(dāng)判斷完成電壓矢量所處扇區(qū)，而后需要進(jìn)行基本矢量的作用時(shí)間分析。U2(010)U6(110)T6/T Z *U 6UrefU3(011)U0(000)U7(111)T4/T Z *U 4U4(100)U1(001)U5(101)圖 2-11伏秒平衡法由圖 2-11 可得：U 4* T4 U 6 * T6 * cos60 U * TZU 6* T6 * sin 60 U * TZ標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案U

10、* TZU* TZ3TZ* 3U3UT4U 42U DCT62U* TZ3U* TZ3* U6U DCTT1 TTT072Z46X 3TS UVDCY 3TS3U U2VDCZ3TS3U U2VDC扇區(qū)Tx-ZZX-X-YYTyXY-YZ-Z-X標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案TON1TON2TON3T0TXTYT7T7TYTXT0ABC圖 2-12矢量作用時(shí)間圖由圖 2-12 可得：TaTzTxTy / 2TbTaTxTcTaTy扇區(qū)TonTaTbTcTcTbTa1TonTbTaTaTbTcTc2TonTcTcTbTaTaTb標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案3通過(guò) Tonl ， Ton2 ，Ton3 與周期為 Ts 的三角

11、載波進(jìn)行比較，在時(shí)間段0 ，Tonx 和Ts Tonx ，Ts內(nèi)輸出低電平“ 0" ，時(shí)間段 Tonx ， Ts-Tonx 內(nèi)輸出高電平“ 1”，這樣就得到了六個(gè)扇區(qū)下逆變器功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即可得到每個(gè)扇區(qū)下的 SVPWM 波。2.4 矢量控制（ SVPWM ）鎖相原理分析SPLL 的基本原理是將三相電壓Ua ，Ub ， Uc 轉(zhuǎn)換到靜止的,坐標(biāo)系中，再?gòu)撵o止的 ,坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)的d ， q 坐標(biāo)系中，得到交流電壓的直流分量Ud ， Uq 。u2111ua22ubu3330u c22udsintcostuudsincosuuqcostsintuuqcossinu如 dq 變換中的

12、就是 SPLL 的相位輸出， 如果鎖相角和電網(wǎng)電壓相同，則直流分量 Ud為額定值而 Uq 為零，因此可以將參考值0 與 Uq 相減得到誤差信號(hào)再經(jīng)PI 之后得到誤差信號(hào)再與理論角頻率2 f 相加后得到實(shí)際角頻率，最后經(jīng)過(guò)一積分環(huán)節(jié)即得到當(dāng)前的電網(wǎng)相位，整個(gè) SPLL 構(gòu)成一個(gè)反饋，通過(guò) PI 調(diào)節(jié)達(dá)到鎖相目的。當(dāng)電網(wǎng)電壓平衡時(shí)成為三相對(duì)稱系統(tǒng)，三相對(duì)稱系統(tǒng)的瞬態(tài)表達(dá)式為U A2Ucos(t )U B2Ucos(t120 )U C2U cos(t240 )標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案U AU cos(0 ) j sin(0 )U BU cos(120 )j sin(120)U CU cos(240 )j s

13、in(240)U AU 0Ue j 0U BU120Ue j120U CU240Ue j 240引入復(fù)數(shù)因子ae j120 ，則 ae j120 包含以下特性：aej 120ej 240a2ea3ej 240e j120j360ej 01acos(120 )j sin(120 )e j 120則三相對(duì)稱系統(tǒng)也可表達(dá)為U AU 0Uej 0a0UU BU120Ue j120a2UU CU240Ue j 240aU如果電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)（大小不相同，相差不是120度但頻率是相同）電網(wǎng)為不對(duì)稱系統(tǒng)，三相電網(wǎng)電壓的瞬態(tài)表達(dá)式為：U A2U a cos(t )U B2U b cos(t)U C2U c c

14、os(t)U AU a cos(0 )j sin(0 )U BU b cos()j sin()U CU c cos()j sin()標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案U AU a 0U ae j 0U BUbU be jU CU cU ce j不對(duì)稱系統(tǒng)由正序分量、負(fù)序分量和零序分量3 個(gè)部分合成。U AU AU AU A 0U BU BU BU B 0U CU CU CUC 0UA，UB， U C構(gòu)成對(duì)稱正序系統(tǒng) UUUA ，UB ，UC構(gòu)成對(duì)稱負(fù)序系統(tǒng) U UU A0， U B 0， U C0構(gòu)成對(duì)稱零序系統(tǒng) U 0UU AU AU AU A0U U U0U BU BU BU B 0a2U aU U 0U

15、CU CU CU C 0aU a2U U 0A U ， U B a 2U ，U C aUA U ，U B aU ， U C a2UA0U B0 U C0U 0由坐標(biāo)變換原理可知，三相不平衡電壓經(jīng)過(guò),坐標(biāo)變換后，由變換式,變換公式u2111ua22,ub 推理可得，零序分量經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后為零，再將u3330uc22正序分量和零序分量分離。這樣軟件鎖相的輸出可以不受負(fù)序和零序的影響，可以保證軟件鎖相跟蹤的是正序基波分量，從而達(dá)到抑制畸變電壓的目的。,三相不平衡電壓經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，正負(fù)序分量表達(dá)如下：U (t ) U U (t ) Uppcos( tp )U n cos(tn )sin(tp )U

16、n sin(tn )其中， U(t ) ， U (t) 為此刻軸上的幅值， Up ， Un 為正負(fù)序分量的幅值。T/4 周期前的不對(duì)稱矢量表示為標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案U (tT ) U p cos( tp)42U n cos(tU (tT ) U p sin( t4U n sin(tnpn)2)2)2簡(jiǎn)化運(yùn)算后可得：U (tT ) U p sin( tp )U n sin(tn )4U (tT )U p cos( tp )U n cos(tn )4結(jié)合上式和正負(fù)序分量表達(dá)式U (t)U p cos( tp ) U n cos(tn )U (t)U p sin(tp ) U n sin(tn )可得U

17、UUUU p cos(tp )1(t )U (tT/4)p(U2pU p sin(tp )1 (U(tT/4)U (t )2U n cos(tn )1(t )U(tT/4)n(U2U n sin(n )1nt(U(t)U(tT /4)2鎖相框圖如圖2-13所示：標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案UgaU延時(shí)法U -Ugbabc/正負(fù)UgcU序分離U -U +U +1/2 fUd+2f2 /dq+0Uq+ -LPPI+w 01/SModF+Uq_ref=0SinCos圖 2-13軟件鎖相框圖2.5 矢量控制（ SVPWM ）直流電壓利用率分析標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案U2(010)U6(110)3U dcUref31U d

18、c3U3(011) U0(000)1/6Pi2U dc3U7(111)U4(100)U1(001)U5(101)圖 2-14 直流電壓利用率如圖 2-14所示，最大相電壓給定為內(nèi)切圓半徑，U4 長(zhǎng)度為 2U dc ，因此內(nèi)3切圓半徑為3 U dc ，可得線電壓最大為3 U dc *3 = U dc 。因此直流電壓33利用率最大為 1 。與 SPWM 方式的比較采用 SPWM 調(diào)制方式時(shí)，波形如圖2-15 所示：v c0vA 00vB 00vC 0tttt0標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案圖 2-15正弦脈寬波形由圖可知，相電壓基波為U A2U m sin(t )U B2U m sin(t2)3線電壓 U AB 計(jì)算過(guò)程如下U AB2U m sin( t )2U m sin( t2)3tt2U m * 2* cos22U m * 2* sin( ) * cos(32U m *3 * cos( t)32t23t* sin32t )3由于2