500KW光伏逆变器软件方案设计

1、实用文案500KW 光伏逆变器软件设计方案编制：审核：标准化：批准:标准文档实用文案标准文档实用文案修订记录版本号日期撰写人更改内容简要说明标准文档实用文案标准文档实用文案500KW 光伏逆变器软件设计方案1. 概述1.1. 产品设计定位500KW 光伏逆变器及其可选配件， 配套 500KW 光伏发电系统使用， 使其获得最佳发电效率和发电质量。1.2. 总体方案概述500KW 光伏逆变器软件技术方案主要依据同类产品及相关产品规格书，以及公司现有的开发人员、 技术储备和测试装备的条件和产品开发计划的要求而编制的。 本方案主要阐述了软件的控制算法部分以及监测监控部分的软件方案。系统整体软件包括核心

2、控制软件、监测监控软件两个大的部分。其中控制软件包括 DSP部分的控制软件设计以及CPLD部分的逻辑软件设计；监测监控软件包括基于 ARM 系统的人机接口软件、基于ARM 系统的数据采集器软件以及基于 PC机部分的本地监控软件和基于服务器PC机的远程监控软件等三个部分。标准文档实用文案2. 核心控制软件设计Clarke 变换：对 abc 三相进行克拉克变换，如图2-5 所示：cqdab标准文档实用文案图 2-5克拉克变换由图示可得：x111xaxa222xbCabcxbx3133xcxc22可得轴状态方程如下L diR0i10u10edtdi0Ri01u01eLdtPark 变换：对 abc

3、三相进行克拉克变换，如图2-6 所示：qcUdab图 2-6帕克变换由图示可得：标准文档实用文案xdcostsintxxxqsintcostxCdq xxcostsintxdCdqxdxsintcostxqxq可得 dq 轴状态方程如下L did10udRL i d10eddtdi q01uqLRiq01eLqdt由上述分析可知：经过坐标旋转变换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中的直流量，简化了控制系统的设计， 但从 dq轴状态方程可以看出，这是一个强耦合系统，q 轴电流的变化对d 轴的电流有影响，而 d 轴电流的变化对 q 轴也有影响，即 d 、q 轴电流除受控制

4、量Ud 、U 。影响外，还受耦合项li q 、li d 扰动和网侧电压 ed 、 eq 的影响。标准文档实用文案2.2 三相桥式有源逆变器的调节器设计由 dq 轴的状态方程可得 :di dud10LRLi d1 0eddtuq01di qLRiq0 1eLqdt由于 dq 变换之后系统是一个强耦合系统且受网侧电压ed、 eq 的影响，因此需要采样前馈解耦控制策略。由于耦合相为Li q 、Li d 因此需对这两项解耦，同时加入 ed 、 eq 网压前馈。控制 ud 、 uq 采用 PI 控制。可设计 ud、 uq 的控制方程如下。ud(kipkii*id )Li qeds)(iduq(kipki

5、i)(iq*iq )Li deqs标准文档实用文案经运算可得 dq 轴最终状态方程如下di dR (kipkii )kiis0kip*dtLsididdi qR (kipkii)iqLi q*dt0sL控制框图如2-7 所示：U dc-+U dc* +id * +-SaPIPI-idwlSbiqPWMwl-+Sci q* +PI-+图 2-7解耦控制图标准文档实用文案2.3 矢量控制（ SVPWM ）原理性分析在 abc 三轴上电压表达式如下所示U A (t)2U m sin(t )U B (t)2U m sin(t2)3U C (t)2U m sin(t2)3矢量电压等于三相电压相加，如图2

6、-8 所示：标准文档实用文案U (t )2 U A (t ) U B (t )ej 2 / 3U C (t)ej 4 / 32U mej 2 ft3BuoAC图 2-8矢量电压图三相逆变器的开关信号 (Sa，Sb，Sc)可以产生 8 种基本工作状态，如图2-4所示，即： 100 、110 、010 、011 、001 、101 、 lll 、000 ，这八个矢量就称为基本电压矢量，可分别命名为U0(000) 、U1(001) 、 U2(010) 、U3(011) 、U4(100) 、U5(101) 、U6(110) 、U7(111), 如图 2-9 所示。图 2-9开关状态图在八种矢量中U0

7、、U7 称为零矢量， 其余六个基本电压矢量是有效的，称做非零矢量。如图 2-10 所示，将复平面分为6 个扇区。标准文档实用文案U2(010)U6(110)U3(011)U0(000)U7(111)U4(100)U1(001)U5(101)图 2-10扇区分布图实现矢量控制的算法首先要判断当前的电压矢量处在哪个扇区之中，由图2-10 可知：如果当前矢量处于第一扇区，则显然0 arctanU / U60 ，即可得条件：U0,UU30,U同理可得其他扇区条件，列举如下：标准文档实用文案Uref 落在第 扇区的充要条件 为 : U0,U0,U3UUref 落在第 扇区的充要条件 为 : U0, U3

8、 UUref 落在第 扇区的充要条件 为 : U0,U0,U3UUref 落在第 扇区的充要条件 为 : U0,U0,U3UUref 落在第 扇区的充要条件 为 : U0, U3 UUref 落在第 扇区的充要条件 为 : U0,U0,U3U进一步分析以上的条件，有可看出参考电压矢量Uref 所在的扇区完全由U，3U U，3U U三式与 0 的关系决定，可令：VVV123U3 U1 U223 U1 U22VVV1230,则A1反之 A00,则B1反之B00,则C1反之C0在令 N =A+2B+4C，由上述分析可得：当 N=3 时，Uref 位于第扇区；当N=1 时，Uref 位于第扇区；当 N

9、=5 时， Uref 位于第扇区；当 N=4 时， Uref 位于第扇区；当 N=6 时， Uref 位于第扇区；当 N=2 时， Uref 位于第标准文档实用文案扇区。可得表格如下：N315462扇区当判断完成电压矢量所处扇区，而后需要进行基本矢量的作用时间分析。U2(010)U6(110)T6/T Z *U 6UrefU3(011)U0(000)U7(111)T4/T Z *U 4U4(100)U1(001)U5(101)图 2-11伏秒平衡法由图 2-11 可得：U 4* T4 U 6 * T6 * cos60 U * TZU 6* T6 * sin 60 U * TZ标准文档实用文案U

10、* TZU* TZ3TZ* 3U3UT4U 42U DCT62U* TZ3U* TZ3* U6U DCTT1 TTT072Z46X 3TS UVDCY 3TS3U U2VDCZ3TS3U U2VDC扇区Tx-ZZX-X-YYTyXY-YZ-Z-X标准文档实用文案TON1TON2TON3T0TXTYT7T7TYTXT0ABC图 2-12矢量作用时间图由图 2-12 可得：TaTzTxTy / 2TbTaTxTcTaTy扇区TonTaTbTcTcTbTa1TonTbTaTaTbTcTc2TonTcTcTbTaTaTb标准文档实用文案3通过 Tonl ， Ton2 ，Ton3 与周期为 Ts 的三角

11、载波进行比较，在时间段0 ，Tonx 和Ts Tonx ，Ts内输出低电平“ 0" ，时间段 Tonx ， Ts-Tonx 内输出高电平“ 1”，这样就得到了六个扇区下逆变器功率管的开关状态，即可得到每个扇区下的 SVPWM 波。2.4 矢量控制（ SVPWM ）锁相原理分析SPLL 的基本原理是将三相电压Ua ，Ub ， Uc 转换到静止的,坐标系中，再从静止的 ,坐标系变换到旋转的d ， q 坐标系中，得到交流电压的直流分量Ud ， Uq 。u2111ua22ubu3330u c22udsintcostuudsincosuuqcostsintuuqcossinu如 dq 变换中的

12、就是 SPLL 的相位输出， 如果锁相角和电网电压相同，则直流分量 Ud为额定值而 Uq 为零，因此可以将参考值0 与 Uq 相减得到误差信号再经PI 之后得到误差信号再与理论角频率2 f 相加后得到实际角频率，最后经过一积分环节即得到当前的电网相位，整个 SPLL 构成一个反馈，通过 PI 调节达到锁相目的。当电网电压平衡时成为三相对称系统，三相对称系统的瞬态表达式为U A2Ucos(t )U B2Ucos(t120 )U C2U cos(t240 )标准文档实用文案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引入复数因子ae j120 ，则 ae j120 包含以下特性：aej 120ej 240a2ea3ej 240e j120j360ej 01acos(120 )j sin(120 )e j 120则三相对称系统也可表达为U AU 0Uej 0a0UU BU120Ue j120a2UU CU240Ue j 240aU如果电网电压不平衡时（大小不相同，相差不是120度但频率是相同）电网为不对称系统，三相电网电压的瞬态表达式为：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()标准文档实用文案U AU a 0U ae j 0U BUbU be jU CU cU ce j不对称系统由正序分量、负序分量和零序分量3 个部分合成。U AU AU AU A 0U BU BU BU B 0U CU CU CUC 0UA，UB， U C构成对称正序系统 UUUA ，UB ，UC构成对称负序系统 U UU A0， U B 0， U C0构成对称零序系统 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由坐标变换原理可知，三相不平衡电压经过,坐标变换后，由变换式,变换公式u2111ua22,ub 推理可得，零序分量经过坐标变换后为零，再将u3330uc22正序分量和零序分量分离。这样软件锁相的输出可以不受负序和零序的影响，可以保证软件锁相跟踪的是正序基波分量，从而达到抑制畸变电压的目的。,三相不平衡电压经过坐标变换后，正负序分量表达如下：U (t ) U U (t ) Uppcos( tp )U n cos(tn )sin(tp )U

16、n sin(tn )其中， U(t ) ， U (t) 为此刻轴上的幅值， Up ， Un 为正负序分量的幅值。T/4 周期前的不对称矢量表示为标准文档实用文案U (tT ) U p cos( tp)42U n cos(tU (tT ) U p sin( t4U n sin(tnpn)2)2)2简化运算后可得：U (tT ) U p sin( tp )U n sin(tn )4U (tT )U p cos( tp )U n cos(tn )4结合上式和正负序分量表达式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锁相框图如图2-13所示：标准文档实用文案UgaU延时法U -Ugbabc/正负UgcU序分离U -U +U +1/2 fUd+2f2 /dq+0Uq+ -LPPI+w 01/SModF+Uq_ref=0SinCos图 2-13软件锁相框图2.5 矢量控制（ SVPWM ）直流电压利用率分析标准文档实用文案U2(010)U6(110)3U dcUref31U d

18、c3U3(011) U0(000)1/6Pi2U dc3U7(111)U4(100)U1(001)U5(101)图 2-14 直流电压利用率如图 2-14所示，最大相电压给定为内切圆半径，U4 长度为 2U dc ，因此内3切圆半径为3 U dc ，可得线电压最大为3 U dc *3 = U dc 。因此直流电压33利用率最大为 1 。与 SPWM 方式的比较采用 SPWM 调制方式时，波形如图2-15 所示：v c0vA 00vB 00vC 0tttt0标准文档实用文案图 2-15正弦脉宽波形由图可知，相电压基波为U A2U m sin(t )U B2U m sin(t2)3线电压 U AB 计算过程如下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