光伏并网逆变器的电能质量分析-solarbe文库

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第 1 期2013 年 1 月电源学报Journal of Power Supply No.1Jan.2013吴辉袁林芳袁刘鸿鹏袁王卫渊哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院袁黑龙江哈尔滨 150001冤摘要院准确尧实时地检测电网电压及并网电流对光伏并网逆变器的可靠运行具有重要的指导意义遥着重分析了Z 源光伏并网逆变器的电能质量分析系统的软件实现方法袁通过对电网电压及并网电流的数据采样和处理袁得到有效值尧有功功率尧无功功率等电力参数袁并采用快速傅里叶变换渊 FFT冤算法实现并网电流 THD 的计算遥实验结果证明了理论分析和软件设计方案的正确性遥关键词院光伏并网逆变器曰电力参数曰快速傅里叶变换曰并网电流中图分类号院 TM615 文献标志码院 A 文章编号院 2095-2805 渊 2013 冤 01-0084-05收稿日期院 2011-09-29作者简介院吴辉 1965- 袁男袁副教授袁硕士生导师袁主要研究方向院电力电子技术尧脉冲功率技术尧特种开关电源等遥不论是从现在倡导的可持续发展之路来审视袁还是从解决现实能源供应问题出发袁开发和利用储量丰富尧无需运输尧清洁无污染的太阳能资源都具有重大的战略意义 [1-3]遥太阳能光伏利用是太阳能的最主要利用形式袁通过野光生伏特冶效应可直接将太阳光转换成电能遥光伏发电的应用形式主要有离网式光伏发电和并网式光伏发电袁其中并网式光伏发电是太阳能光伏发电产业中最重要的形式袁成为当今光伏发电产业的研究重点 [4]遥并网逆变器作为整个光伏并网发电系统的核心部件袁占据系统成本比例 1015 之间袁其主要功能是将产生的交流电流注入到电网中袁而并网电流中的谐波含量会对电网的电能质量产生影响袁故对光伏并网逆变器的电能质量进行检测对更好地指导光伏并网过程具有一定的实际应用意义遥以 Z 源光伏并网逆变器为平台袁本文主要对电网电压有效值尧并网电流有效值尧视在功率尧有功功率尧无功功率尧功率因数尧总谐波畸变率渊 THD冤等电力参数进行测量和计算遥其中袁着重分析了基 -2 时间抽取 FFT 即位运算的原理袁并在理论分析的基础上对系统进行软件设计袁通过实验证明了系统设计的正确性遥一个工频周期电压信号有效值的计算如下1式中院 u 为 t 时刻的电压信号瞬时值曰 T 为电压信号的周期值曰 U 为电压信号有效值遥周期电压信号通过采样尧保持后成为一个离散的数字信号袁即2式中院驻T 为相邻两次采样的时间间隔曰 un 为第n 个时间间隔的电压采样瞬时值曰 N 为一个工频周期内的采样点数遥若相邻两次采样的时间间隔都相等袁驻T 为常数袁 N T驻T 袁则得电压信号有效值3电流信号的有效值计算方法同上袁计算结果为4式中院 in 为第 n个时间间隔的电流采样瞬时值曰N为一个工频周期内的采样点数遥当考虑电压尧电流各次谐波的情况时袁有功功率的表达为5离散化后袁得6功率因数为71.2.1 基 -2 时间抽取 FFT 的即位运算现有的交流信号谐波分析方法包括基于三相瞬时无功功率理论的谐波检测法尧快速傅立叶测量法渊 FFT冤尧自适应滤波检测法尧基于神经网络谐波检测法和小波变换谐波检测法袁其中快速傅立叶测量法是目前应用最广泛的一种方法 [7]遥存储器是实现 FFT 算法所需要的重要硬件设备袁其容量的大小会影响 FFT 算法所取的点数遥故本文使用基 -2 时间抽取 FFT 的即位运算渊同址运算冤原理袁将缓冲区与计算结果设置为同一存储区域袁从而使存储器具有更高的使用效率遥基 -2 时间抽取 FFT渊 DIT 冤是将 N 点的输入序列xn 渊n 0,1,2, 噎,N/2 -1 冤分解为偶序列和奇序列遥偶序列院 x0,x2,x4, 噎,xN -2; 奇序列院 x1,x3,x5, 噎,xN-1 遥因此袁 xn的 N 点 FFT 可以表示为8由于9代入式 8可得10整理得11其中1213由于 Y k和 Zk的周期为 N/2 袁故上式中 k 的范围为 0N/2-1 遥由 WNkN/2- WNk 和 WN jN1 渊j 为整数冤可知袁当 k 的范围为 N/2N-1 时袁可得14以同样的方式进一步抽取袁就可得 N/4 点的DFT 袁重复这个抽取过程袁最终可使 N 点的 DFT 用一组 2 点的 DFT 来计算遥基 -2 DIT FFT 的蝶形运算如图 1a所示遥若将输入样本集记为 X 0[l] 袁对于第 m 级计算而言袁可以认为 X m-1 [l]是输入列袁 X m[l]是输出列遥利用这种表示法袁可将图 1a中蝶形计算的输入和输出标记为图 1b所示那样遥从图 1b中可知要计算第 m级中 p 和 q 位置上的节点值袁只需知道第 m-1 级中p 和 q 位置上的节点值即可遥因此袁若将 X m[p]和 Xm[q]分别存放在原存放 Xm-1[p]和 Xm-1[q]的同一存储寄存器中并不影响 FFT 的运算袁此时实现全部计算只需要一列存储 N 个复数的寄存器遥这种计算通常称为即位计算或同址运算遥a 基 -2 DIT FFT 的蝶形运算b 相邻两级间的蝶形运算图 1 基 -2 DIT FFT 运算原理图1.2.2 谐波测量内容电流总谐波畸变率渊 THDi冤是指周期性交流电流谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比院15式中院 I1为电流基波有效值曰 I h 为第 h 次谐波电流遥利用 FFT 算法可得到基波和各次谐波幅值的吴辉袁等院光伏并网逆变器的电能质量分析第 1 期 85电源学报总第 45 期平方袁结合式 15即可得出电流的总谐波畸变率遥图 2 是系统总体设计框图遥首先袁由TMS320F2812 片内 12 bit 的 ADC 完成模拟量采集的工作曰其次袁采样得到的数字量经过 DSP 的处理袁得到电压电流有效值尧有功功率尧功率因素等曰最后袁利用 256 点的基 -2 DIT FFT 算法计算电流总谐波畸变率渊 THD i冤遥系统的软件设计需实现电网频率的检测尧信号采集和运算尧 SPWM波形生成和故障保护等功能遥整个并网系统的中断服务子程序主要包括两部分院捕获中断子程序和周期中断子程序遥捕获中断子程序主要完成电网电压同步锁相尧 THDi 值的计算功能遥周期中断子程序完成系统主要参数的采集和处图 2 系统总体设计框图理尧控制算法的实现及 PWM 波形的产生遥电网电压的硬件采样电路与软件锁相环节配合完成系统的锁相功能遥首先袁为捕捉单元分配一个定时器袁并设定为递增计数模式遥当 DSP的捕捉引脚检测到与电网电压同步的方波信号上升沿时袁即产生捕获中断遥将相邻两次进入捕捉中断时计数器的值相减袁就为电网的周期值遥若电网的频率和有效值连续 200 次合格袁那么就开启逆变器工作遥根据电力参数测量原理袁计算获得交流电压尧电流的有效值尧有功功率尧功率因数等曰每隔 100 个电网周期时间袁对上一次捕捉周期内获得的 256 个点进行 FFT 算法从而得到并网电流的 THD 值遥本系统设计中袁采用交流等点采样法袁利用软件锁相环同步环节直接控制采样保护电路来获得更高的同步精度遥根据对正弦波的采样原则袁当采样频率大于或等于最高次谐波的 3 倍时袁才能保证被采样信号频谱的无混叠失真袁但是如果采样频率过高则会增加处理器的负担袁影响实时性遥故基于光伏并网逆变器的工作效率尧谐波分析及 FFT 计算要求渊采样点数是 2 的幂次方冤等因素袁将采样频率设为 12.8 kHz遥在周期中断子程序中袁根据捕获中断计算所得的电压频率将每个正弦信号周期等分成 256 点袁利用定时器中断通过 ADC 采样电压和电流值袁并实时计算瞬时功率遥为方便用户编程袁 TI公司已经完成用汇编语言图 3 THD 值计算流程图86实现 FFT袁并把源代码组成了一个库渊 FFTLibrary 冤袁用户可以在工程中直接调用库中的源代码袁非常方便实用袁并且执行速度快遥FFT 计算中可能会出现频谱混叠情况袁虽说可通过加窗来得到一定缓解袁但窗函数系数将对有限的存储空间造成一定负担袁故在本系统 FFT 计算中没有采用加窗方法而是通过严格使采样频率为采样点的整数倍的方法来解决遥FFT 算法计算 THD 值的软件流程图见图 3 遥其中袁为了节省存储空间袁直接将每次的 AD 转换结果存入 FFT 的计算缓冲区渊 inplace computationbuffer 袁 ipcb 冤中遥为了验证上述原理和系统软件设计的正确性袁本文在 Z 源光伏并网逆变器的基础上进行了实验验证遥图 4a为逆变器并网时电压尧电流的实验波形遥并网电流波形在 CCS 中进行 FFT 分析得到的频谱图见图 4b 遥其中袁 FFT分析结果的每个点渊除第一个点直流分量之外冤的模值是原始信号峰值的 N/2 倍袁而第一个点的模值是直流分量的 N 倍遥a 并网电流和电网电压波形 b CCS中 FFT 的频谱图图 4 实验波形为了验证系统电力参数测量的精度袁实验采用YOKOGAWA WT230 作为标准测量仪袁将实验数据与标准仪器测量结果相比较袁比较结果见表 1遥从表中可以看出袁两者总体误差数据平均不超过 5袁达到了叶电能质量公用电网谐波曳对 B 级测量仪器的要求袁说明了系统设计的可行性遥本系统应用 TMS320F2812 对光伏并网逆变器的并网电力参数进行检测和分析袁实验结果表明系统具有采样精度高尧实时性强尧可靠性高等优点遥本系统的软件设计方案应用于电能质量分析系统中袁可实现对电力参数快速尧精确的监测袁并完成 256点的 FFT 运算获得较精确的 THD 值袁从而达到了系统设计要求遥参考文献院[1] 张耀明 . 中国太阳能光伏发电产业的现状与前景 [J]. 能源研究与应用 , 2007, 1 院 1-6.[2] 刘鸿鹏袁王卫袁吴辉 . 光伏逆变器的调制方式分析与直流分量抑制 [J]. 中国电机工程学报袁 2010 袁 309 院 27-32.[3] Wu Tsai-Fu, Nien Huang-shou, Shen Chih-Lung, et al. ASingle-phase Inverter System for PV Power Injection andActive Power Filtering with Nonlinear Inductor测量项目 U/V I/A THDi / cos渍 P/kW Q/var实验数据 219.54 6.98 3.28 0.95 1.45 480.91标准仪器测量结果 220.12 7.002 3.4 0.953 1.469 466.974相对误差 / 0.263 0.314 3.529 0.315 1.293 -2.984表 1 电力参数测量结果吴辉袁等院光伏并网逆变器的电能质量分析第 1 期 87电源学报总第 45 期渊上接第 83 页冤Research on Commutation Strategy for Two-Stage Matrix ConverterSONG Wei-zhang 1, ZHONG Yan-ru 1, YUAN Yue1, WANG Feng-ge 2, WANG Wei 1, WANG Zhao11. Department of Electrical Engineering, Xi 爷 anUniversity of technology,Xi 爷 anShanxi 710048,China; 2. NorthwestInstitute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang Shanxi 712099,ChinaAbstract 院 Aiming at the special commutation problem of two -stage matrix converter TSMC, a commutation strategy isstudied, which makesTSMC work safelyand reliably. The commutation principle was deduced with an experimental setup.At last,anexperimental prototype was establishedbasedon XE164CPLD. The experimental resultsindicate that the four-step commutation is asafeand reliable commutation method, which would not affect the input and output performance, but also makesTSMC work safelyand reliably.Key words 院 two-stage matrix converter; modulation strategy;commutation strategyConsideration[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2005, 414 1075-1083.[4] Szymanski B J, Roslaniec L, Dmowski A 袁 etal. Operation ofPhotovoltaic Power Systems with Energy Storage [C].Compatibility and Power Electronics CPE, 2011 7thInternational Conference-Workshop, 2011 院 86-91.[5] Qiufeng Shang, Chonggao Du. A Novel MeasurementSystem of Electric Power ParametersBased on DSP andARM [C]. 2009 International Conference on MeasuringTechnology,20093 353-356.[6] Dehui Liu, Gaohua Liao. Multi-functional Power ParameterHarmonic Detection System [C]. Information EngineeringICIE, 2010 WASE International Conferenceon, 20104173-176.[7] 蒋正友袁李阳袁秦静 . 谐波检测方法综述 [J]. 变频器世界袁20112 院 107-110.Analysis of Power Quality for Grid-connected Photovoltaic InverterWU Hui, LIN Fang, LIU Hong-peng, WANG WeiSchool of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150001, ChinaAbstract 院 The accurateand real-time detections of grid voltage and current from PV inverter have great guide significance forthe reliable operation of PV grid-connected inverter. The software realization methods of power quality analysissystembasedon Z-sourcePV grid-connected inverter was analyzed.RMS, active power, reactive power and other power parameterswere obtained bysampling and processinggrid voltage and grid-connected current. FastFourier Transform FFT algorithm was proposed to calculateTHD of the grid-connected current. Experimental results demonstratethe availability and correctnessof the theoretical analysisandsoftwaredesign.Key words 院 PV grid-connected inverter; power parameter; FFT; grid-connected current88