基于C-MEX建模的全数字单相并网逆变器的研究.pdf

第４１卷第２４期２０１３年１２月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｏ１．４１ＮＯ．２４Ｄｅｃ．１６．２０１３基于Ｃ－ＭＥＸ建模的全数字单相并网逆变器的研究唐云龙，杨恢宏，王若醒，雷振锋（许继集团微电网系统公司，河南许昌４６１０００）摘要：介绍了一种基于Ｍａｔ１ａｂ中Ｃ－ＭＥＸ建模的全数字单相并网逆变器的研制方法。在Ｍａｔ１ａｂ环境下由分立器件搭建主电路，由Ｃ－ＭＥＸ进行建模，整机开发手段采用ｃ语言源代码编译，可直接移植入嵌入式开发平台，有效提高开发效率。整机直流侧ＭＰＰＴ采用扰动观测法，交流侧采用电压外环、电流内环的控制方式，其中亦包含了直流偏磁抑制方法、虚拟单相锁相环以及ＰＲ调节等控制方法。最后在该仿真建模的基础上，研制了一台３ｋＷ的单相光伏并网逆变器，将Ｃ－ＭＥＸ中的Ｃ源代码移植入ＤＳＰ嵌入式开发平台，经试验测试，验证了该仿真建模的正确性及该开发模式的优越性。关键词：并网逆变器；全数字；Ｍａｔ１ａｂ；Ｃ－ＭＥＸ；Ｃ源代码Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｌｌ－－ｄｉｇｉｔａｌｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＣ・－ＭＥＸｍｏｄｅｌｉｎｇ———ＴＡＮＧＹｕｎｌｏｎｇ，ＹＡＮＧＨｕｉｈｏｎｇ，ＷＡＮＧＲｕｏｘｉｎｇ，ＬＥＩＺｈｅｎ－ｆｅｎｇ（ＭｉｃｒｏｇｒｉｄＳｙｓｔｅｍＣｏｍｐａｎｙｏｆＸＪＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｘｕｃｈａｎｇ４６１０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｏｎｅｋｉｎｄｏｆｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＭＡＴＬＡＢＣ・－ＭＥＸｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒａｌｌ－－ｄｉｇｉｔａｌｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｉｓｂｕｉｌｔｂｙｄｉｓｃｒｅｔｅｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄｔｈｅｍｏｄｕｌｅｏｆＣＭＥＸｉｓｃｏｍｐｉｌｅｄｗｉｔｈｔｈｅＣｌａｎｇｕａｇｅｓｏｕｒｃｅｃｏｄｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｉｎｔｏｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆＭＰＰＴａｔＤＣｓｉｄｅｉｓｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆＡＣｓｉｄｅｉｓｂａｓｅｄｏｎｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｅｒｌｏｏｐｓ—ａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｍａｌｌｏｏｐｓ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｏｆＤＣｍａｇｎｅｔｉｃｂｉａｓｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｖｉｒｔｕａｌｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄ—ｌｏｏｐａｎｄｔｈｅＰＲｒｅｇｕｌａｔｏｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｉｓｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａ３ｋＷｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅＣｓｏｕｒｃｅｃｏｄｅｉｓｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄｉｎｔｏＤＳＰｅｍｂｅｄｄｅｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｏｆｔｈｉｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐａｔｔｅｒｎａｎｄｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｃｏｒｒｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒｉｄ－－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｆｕｌｌｄｉｇｉｔａｌ；Ｍａｔｌａｂ；Ｃ－－ＭＥＸ；Ｃｓｏｕｒｃｅｃｏｄｅ中图分类号：ＴＭ４６４文献标识码：Ａ———文章编号：１６７４３４１５（２０１３）２４０１４００４０引言近年来，光伏发电系统的发展日新月异，正成为炙手可热的研究方向，而光伏并网逆变器则成为首当其冲的开发对象。对于开发人员来说，建立一套简单实用且易移植的开发平台可大大缩短开发进度，减少开发工作量，从而达到事半功倍的效果。而Ｍａｔｌａｂ作为专业仿真软件为光伏系统的开发提供—了便利的仿真环境，尤其是其中的ＣＭＥＸ仿真模块，可直接进行Ｃ源代码编程，直接移植入嵌入式开发平台。本文以Ｍａｔｌａｂ为仿真平台，以Ｃ．ＭＥＸ为实现工具，建立了单相并网逆变器的仿真平台，该并网逆变器以扰动观测法实现ＭＰＰＴｌ１Ｊ，以ＰＲ调节实现电压外环电流内环ＩｚＪ的有机调节，以虚拟锁相环实现锁频锁相，并且具备直流偏磁抑制功能钔。在该平台的基础之上，研制了一台单相并网逆变器样机，—将ＣＭＥＸ文件中的Ｃ源代码直接移植入样机的ＣＰＵ中，经过对样机的测试证明了该仿真建模及该开发模式的正确性与优越性。１单相并网逆变器控制系统１．１单相并网逆变器主电路及控制拓扑本文所搭建的单相并网逆变器的主电路及控制拓扑结构图如图１所示Ｌ５Ｊ。首先对光伏电池板的电压和电流进行采样，采用扰动观测法实现ＭＰＰＴ＿６Ｊ，计算出的直流电压给定值与实际电压比较后再经电压外环得出并网电流给定值Ｊ。与正弦表格相乘作为电流内环给定值，虚拟软件锁相环为正弦表格提供电网电压过零点位唐云龙，等基于Ｃ。ＭＥＸ建模的全数字单相并网逆变器的研究．１４１．图１单相并网逆变器主电路及控制拓扑结构图Ｆｉｇ．１Ｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ置。电流内环由ＰＲ调节器实现并网电流的快速跟踪，达到调节输出功率的目的Ｉ圳。同时对变压器原边电流采样，以实现对直流偏磁的抑制，保护变压器不受损坏，并保证并网电流的平滑。在交流侧采样电网电压，经处理后作为电网电压的前馈量，其目的是使电网电压对输出电流的影响为零，ＰＲ调节器的主要作用是在保证系统稳定性的基础上，实现对并网基波电流的无静差控制Ｊ。电流内环输出、偏磁抑制环输出与电网电压前馈合成调制波，送给ＳＰＷＭ模块，生成控制逆变器功率开关器件通断的脉冲。１．２基于Ｃ－ＭＥＸ建模的Ｃ源代码实现在Ｍａｔｌａｂ中可调用的Ｃ或Ｆｏｒｔｒａｎ语言程序称为ＭＥＸ文件，其具有强大的回调函数功能和访问内部数据结构的能力，因而Ｃ．ＭＥＸ文件可模拟嵌入式平台特性，比如可模拟ＤＳＰ、ＡＲＭ等ＣＰＵ芯—片的功能。因此可用ＣＭＥＸ文件方便地实现对逆变器的Ｃ源代码控制。本文所建立的单相并网逆变器Ｃ．ＭＥＸ文件的Ｃ源代码整机实现流程如图２所示。图２单相并网逆变器Ｃ－ＭＥＸ文件的Ｃ源代码整机流程图—Ｆｉｇ．２ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅＣｓｏｕｒｃｅｃｏｄｅｏｆｔｈｅＣＭＥＸｆｉｌｅｆｏｒ—ｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ２仿真建模与样机试验验证２．１单相并网逆变器建模的仿真验证以Ｍａｔｌａｂ为仿真环境，以Ｃ．ＭＥＸ文件为控制手段，本文建立了隔离型单相并网逆变器的仿真模型，如图３所示为该单相并网逆变器的主电路拓扑结构图。在该模型中，所有模拟量计算及控制信号的发送完全由Ｃ．ＭＥＸ文件执行。蝈ｌ＇ｅｄｅＩｂ…ｎｎ＿＾、、、－．．．＝＝：占Ｌ＿］一ｐＶＡｒｒａｙ匝ｉ匮▲．ｔ－ｉ＿－］Ｉ竺竺：叫竺兰！｝－Ｊ１Ｉ：广＿］匝．：例＋ｊＩ卜曰＝＃一．．Ｊ嵇Ｉ｛ｉＩ］ＴＩＩ￣ｌｌｔ］一ｉＲ●ＶＵ．１：［强Ｖ。ｖＶ－．．压ｌ图３单相并网逆变器模型主电路拓扑结构图—Ｆｉｇ．３Ｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｔｏｐｏｌｏｇｙｍｏｄｅｌｏｆｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ唐云龙，等基于Ｃ．ＭＥＸ建模的全数字单相并网逆变器的研究．１４３．由图９可知并网电流与电网电压的相位基本一致，且波形光滑、上下对称，频率为５０．０９Ｈｚ，满足并网逆变器技术性能指标。３结论Ｃ．ＭＥＸ建模平台可有效模拟嵌入式开发平台的各项功能，在此基础上，可以为主电路参数的选取、控制方法的取舍以及源代码的修改提供极大的帮助，减轻了开发人员的工作量，提高了开发效率。本文以Ｃ．ＭＥＸ为建模平台建立了单相并网逆变器样机，从实验结果可以看出，该样机运行良好，满足各项企业标准，证明了该开发模式的正确性与优越性，为光伏逆变器的研发提供了一种有力的工具。参考文献［１］丁新平，卢燕，钱照明，等．Ｚ源逆变器光伏并网系统光伏电池ＭＰＰＴ和逆变器并网的单级控制ｆＪ１．电工技术学报，２０１０，２５（４）：１２２．１２８，１４１．——ＤＩＮＧＸｉｎｐｉｎｇ，ＬＵＹａｎ，ＱＩＡＮＺｈａｏｍｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｓｉｎｇｌｅ－・ｓｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆＭＰＰＴａｎｄｇｒｉｄ－－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｏｎＺ－ｓｏｔｌｒｃｅｉｎｖｅｒｔｅｒＰＶｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａ—ＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１０，２５（４）：１２２１２８，１４１．［２］王成山，肖朝霞，王守相．微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制策略［Ｊ］．电工技术学报，２００９，２４（２）：ｌ０Ｏ．１０７．ＷＡＮＧＣｈｅｎｇ・ｓｈａｎ，ＸＩＡＯＣｈａｏ－ｘｉａ，ＷＡＮＧ—Ｓｈｏｕｘｉａｎｇ．Ｍｕｌｔｉｐｌｅｆｅｅｄｂａｃｋｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｆｏｒｉｎｖｅｒｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｏｕｒｃｅｉｎｍｉｃｒｏｇｒｉｄｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２００９，—２４ｆ２：１００１０７．［３］杨勇，阮毅，汤燕燕，等．基于锁相环和虚拟电网磁链的三相并网逆变Ｎｐ］．电工技术学报，２０１０，２５（４）：—１０９１１４．—ＹＡＮＧＹｏｎｇ，ＲＵＡＮＹｉ，ＴＡＮＧＹａｎｙａｎ，ｅｔａ１．——ＴｈｒｅｅｐｈａｓｅｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎＰＬＬａｎｄｖｉｒｔｕａｌｇｒｉｄｆｌｕｘ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａ—ＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１０，２５（４）：１０９１１４．［４］周林，杨冰，郭珂，等．光伏并网系统中直流注入问题最新进展及发展趋势［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１２，４０ｆ６）：１４８－１４９．ＺＨＯＵＬｉｎ，ＹＡＮＧＢｉｎｇ，ＧＵＯＫｅ，ｅｔａ１．ＴｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅＤＣｉｎｊｅｃｔｉｏｎｉｓｓｕｅｉｎＰＶ—ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ—Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１２，４０（６）：１４８１４９．［５］杨恢弘，沈定坤，蒋怀贞，等．基于改进软件锁相环的单相光伏并网逆变器研制【ｊ］．电力电子技术，２０１１，４５（７）：Ｉ１－１３．———ＹＡＮＧＨｕｉｈｏｎｇ，ＳＨＥＮＤｉｎｇｋｕｎ，ＪＩＡＮＧＨｕａｉｚｈｅｎ，ｅｔａ１．—Ｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄ——ｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１１，４５（７）：１ｌ－１３．［６］李军红，洪镇南．三相光伏并网系统的滑模变结构控制［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１２，４０（１２）：８３．８７，９４．——ＬＩＪｕｎｈｏｎｇ，ＨＯＮＧＺｈｅｎｎａｎ．Ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｖａｒｉａｂｌｅ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｔｈｒｅｅ－・ｐｈａｓｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ—Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１２，４０（１２）：８３８７，９４．［７］王雪，张建成．可调度型单相光伏并网逆变器控制策—略研究【ＪＪ＿电力系统保护与控制，２０１２，４０（１６）：９５１００．—ＷＡＮＧＸｕｅ，ＺＨＡＮＧＪｉａｎｃｈｅｎｇ．ＳｔｕｄｙｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｄｉｓｐａｔｃｈａｂｌｅＰＶｇｒｉｄ－－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｉｎｇｌｅ・・ｐｈａｓｅｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＰＯｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１２，４０（１６１：９５・１０Ｏ．［８］张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制【Ｍ】．北京：机械工业出版社．２００３．—ＺＨＡＮＧＣｈｏｎｇｗｅｉ，ＺＨＡＮＧＸｉｎｇ．ＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｒｏｌ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＭａｃｈｉｎｅＰｒｅｓｓ，２００３．［９］黄挚雄，徐保友，沈玲菲，等．ＬＣＬ并网逆变器新型电流双闭环控制策略研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１２，４０（１７）：１－５．——ＨＵＡＮＧＺｈｉｘｉｏｎｇ，ＸＵＢａｏ－ｙｏｕ，ＳＨＥＮＬｉｎｇｆｅｉ，ｅｔａ１．ＮｅｗｃｕｒｒｅｎｔｄｏｕｂｌｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆＬＣＬ—ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ—Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１２，４０（１７）：１５．收稿日期：２０１３－０４－１５；修回日期：２０１３－０６－１４作者简介：唐云龙（１９７６一），男，硕士，Ｎ￣－ｒ－程师，从事分布式电源及微电网领域研究及相关电力电子设备开发工作。—Ｅｍａｉｌ：ｙｕｎｌｏｎｇｔ＠ｘｊｇｃ．ｃｏｍ