济南市技师学院 山东 济南 250032
摘 要：微型电力网有两种工作模式：并网运行模式和独立运行模式。在含有光伏发电装置的微型电力网独立运行模式下，为保持微型电力网内的电压和频率稳定，必须保持各微源和负载之间的有功功率平衡和无功功率平衡，因此光伏发电装置有时需要工作在可控功率输出模式下（而不是工作在通常的最大功率输出模式下）。本文首先分析了光伏电池组的输出特性，根据光伏电池组的输出特性制定了并网光伏逆变器的输出功率控制策略，仿真结果证实了控制策略的有效性。根据此控制策略，制作了基于DSP芯片TMS320F2403A的单相光伏并网逆变器。在输出电流相位跟踪方法上，摒弃了传统的电压相位计算方法，利用DSP芯片的特殊指令结构结合傅立叶分析的方法实现了基波电压相位的实时快速跟踪。采用快速开关的MOSFET而不是IGBT作为功率输出级，将开关频率提高到100KHz，有效地减小了连接电感的体积。实验结果验证了仿真结果。
关键词：微型电力网 并网光伏逆变器 傅立叶分析
一、光伏电池组的输出电流和输出电压的关系
由于光伏电池组的输出电流和输出电压的关系和单个光伏电池的输出电流和输出电压的关系在表现形式上相似，区别仅在于等效公式参数上的不同，因此完全可以用单个光伏电池的经典等效公式代替光伏电池组的等效公式，即有：
对此公式进行求导，得：
根据公式(2),很明显 <0。由此可得I和U的关系是单调变化的，可以通过调节输出电压U达到调节输出电流I的目的，进而达到调节输出功率的目的。
电压-电流仿真曲线和电压-功率仿真曲线示于图1和图2中:
图1.输出电压和输出电流的仿真曲线
图2.输出电压和输出功率的仿真曲线
二、光伏发电装置的输出功率调节模式
单相光伏并网发电装置的原理框图示于图3:
图3.光伏发电装置原理框图
1.输出功率的简单调节模型。在光伏电池组输出特性曲线上，最大功率点左侧电流几乎保持不变，通过改变输出电压，可以有效改变输出功率。这种方式实现简单，但在接近最大功率点和最大功率点右侧则由于电流变化率增大，使用此种方法调节输出功率的误差变大。
2.精确的输出功率调节模式。由于简单的输出功率调节模式在接近最大功率点时误差较大，因而需要研究精确的输出功率调节模式。本方法的思路是利用反馈的概念，对采样的输出到电网的电流和电网电压进行实时计算，由此计算出光伏发电系统的实时输出功率，将计算得到的输出功率与给定的光伏发电系统进行比较，利用比较得到的差值再去控制输出电流的增加或减少，从而控制电容上电压的高低以控制光伏电池组的输出功率。在这种控制中需要注意一个问题，就是在最大功率点的两侧电压的控制方向是不同的。当然，在下面的实验样机中由于采用了DSP芯片和成熟的MPPT算法，计算出在最大功率点的左右位置并不困难。
基于精确输出功率调节模式，使用PSPICE得到的仿真结果见图4。在图4中，当t=0.2s时，指令输出功率由700W变为1000W。
图4.仿真结果
三、实验样机制作与实验验证
基于上述思路制作了一台实验样机。样机基于TI的DSP芯片TMS320F2403A。在本样机中，电流跟踪的PI环节、相位跟踪环节等均通过芯片程序实现。实验结果验证了上述控制策略的可行性。实验过程中，台式机通过串行口将功率指令信号发给逆变器，逆变器基于上述控制策略实现了输出功率的调节。
在逆变器的设计过程中，除实现了上述控制策略的验证外，还在以下几个方面对逆变器进行了改进：
1.使用傅立叶级数的方法实现了快速相位跟踪。电信号的傅立叶级数是假定一个周期信号是由基波和基波的高次谐波组成，则这个信号可以分解为基波和高次谐波的一个无穷级数。
x（t）=A0+ （Akmcoskωt+Bkmsinkωt）（3）
因电压基波信号为50HZ左右的余弦信号，而光伏发电输出电流跟随电压基波的变化，因此在上式中只取电压基波即可。设电压基波信号为x1(t)，则有：
x1（t）=A1mcosωt+B1msinωt （4）
其中：
A1m=x（t）cosωtdt （5）
B1m=x（t）sinωtdt （6）
设每周期采样点数为N，dt≈ 。将上式离散化后，得：
A1m=x（ ）cos （7）
B1m=x（ ）sin （8）
本样机使用这种DSP芯片内部自带的AD转换器采样电压数据，使用捕获单元计算工频频率，每个工频周期采样512点。为快速完成计算，正弦和余弦均存储在程序存储器单元中，形成正弦和余弦表。
在其汇编语言程序中，用这样两条特殊指令完成了A1m的计算：
rpt rpt_counter
mac cos_table,*+
计算B1m时采用正弦表进行计算，计算过程与上面指令类似。这种方法之所以以前没有大范围使用是因为用普通的MCU计算耗费时间太长，做不到实时计算。而使用DSP的这两条特殊指令则解决了计算速度的问题。
经过实际测试，计算出所需要的A1m和B1m共消耗了大约27微秒的时间，因而使用这种方法完全可以做到实时计算而不影响其他功能程序的运行。计算出A1m和B1m后，则基波的相位就能很容易地求出来。
2.在逆变器中使用了线性光电耦合器检测输出交流电流，避免了使用电磁式互感器会出现的直流电流偏磁影响损坏功率器件。
3.使用了高频率的MOSFET作为开关器件，而没有使用工作频率较低的IPM或IGBT，从而有效地减小了电感体积并降低了输出谐波。
四、结论
本文讨论了一种控制单相光伏并网逆变器输出功率的控制策略。经过实验验证，证明了这种控制策略的可行性。在逆变器中，采用了一些改进算法提高了逆变器的性能。仿真和实验结果证明，本文讲述的方法可应用到实际的微电网中并对微电网的正常运行起到重要作用。
参考文献
[1]Lasseter B. Microgrids (distributed power generation) in，Power Engineering Society Winter Meeting, IEEE，2001，146-149。
[2]D.Dondi D.Brunelli L.Benini et al. Photovoltaic cell modeling for solar energy powered sensor networks in，Advances in Sensors and Interface, 2007，IWASI 2007，2nd International Workshop on 26-27，June，2007， 1-6。
[3]Gong Yulei Li Qingmin Duan Yubing Wang Hui Research on a PSPICE-based Equivalent Model of the Cascaded Photovoltaic Cells in Series-parallel Commection in.2008 Doctorial Forum of China (Electrical Engineering) on Nov，7-10, 2008，543-548。
[4]Rodriguez. P Luna. A Teodorescu. R et al. Control of a three-phase four-wire shunt-active power filter based on DC bus energy regulation，Optimization of Electrical and Electronic Equipment, 2008，OPTIM 2008，11th International Conference on 22-24，May，2008，227-234。
[5]王蔼 基本电路理论[M].上海科学技术文献出版社，2002。
论文作者:兰文
论文发表刊物:《教育学文摘》2017年2月总第220期
论文发表时间:2017/2/28
标签：电压论文; 光伏论文; 基波论文; 输出功率论文; 逆变器论文; 傅立叶论文; 电池组论文; 《教育学文摘》2017年2月总第220期论文;