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【摘要】光伏并网发电是太阳能资源利用的重要方式，具有无功补偿功能的光伏并网发电系统对改善供电质量，提高发电效率有重要意义。提出一种将逆变器和静止无功发生器相结合的三相光伏并网发电控制装置。该装置能够实时检测光伏阵列输出电压和电流、电网电压和负载电流，具有过压、欠压、过流、断相、短路等保护功能。
【关键词】并网发电;保护：设计
世界能源短缺和环境污染等问题日益严重，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注，光伏并网发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。在电网运行比较稳定的地区，实现以光伏并网发电功能为主，无功补偿功能为辅;在电网电能质量比较差的地区，实现对电网的无功补偿功能为主，并网发电为辅的功能。具有无功补偿功能的光伏并网发电系统可减轻电网负担、改善供电质量。中设计了一个具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统，实现太阳能电池最大功率点跟踪和实时补偿本地负载的无功电流，采用改进的干扰观测法。采用TMS320F2835为核心控制器，电压外环电流内环的双闭环控制方式，设计了一种直流输入功率为15kW的三电平并网逆变器。针对两级式并网系统和无功补偿器技术研究，实现并网逆变器输出电流谐波抑制和系统无功补偿功能。提出一种光伏并网参数检测系统，实现对光伏电池阵列输出电压和电流、电网电压和负载电流实时检测。
一、系统结构
系统由光伏阵列、逆变器、并网电抗器、控制器、信号采样模块和断路器等部分组成。逆变器在光伏并网发电系统中作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的直流电能转换为交流电能并且传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用。当系统增加对本地负载电流的采样环节后，可以实现静止无功补偿的功能。
二、控制系统硬件设计
控制系统的主要功能是调理实时监测信号、根据预设算法快速计算并最终向功率电路输出控制信号。在装置中，处理器选取TI公司的数字信号处理芯片TMS320F2812，根据设定的控制方式，对由传感器获取并经过模拟电路调理的主电路直流交流测电压电流信号进行计算、判断及输出，实现预设策略。同时控制系统还需要CPLD实现PWM信号逻辑组合。
2.1控制器选择
控制器是光伏并网系统的核心，需要完成复杂的计算、判断和控制输出功能。选取合适的控制芯片是系统正常高效运行的基础。本装置选取TMS320F2812处理器作为核心控制芯片，其具有强大的控制和信号处理能力，可实现复杂的控制算法。
2.2逻辑控制功能设计
CPLD（复杂可编程逻辑器件）是一种可根据需要而自行构建逻辑功能的数字集成电路。其设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，实现设计的数字系统。本装置采用Altera公司的EPM7128CPLD芯片实现通信和PWM控制的功能。
2.3模拟信号调理电路
在模拟信号调理电路中，首先将由霍耳传感器测得的电流信号经采样电阻转换为幅值为-1.5～+1.5V的电压信号，再经过一个电平移动环节，将输出信号电平调整到DSP可接收的0～+3V的范围内。
2.4系统断相保护
保护电路由二极管组成三相桥式整流电路，当电网侧三相电源正常时，整流电路输出高电压，光耦导通，AC_ERR信号为低电平;当电网侧三相电源发生断相故障时，整流电路输出电压发生断续，光耦周期性导通和关断，AC_ERR信号为方波信号，经过电阻分压输出到DSP。
2.5继电保护电路
从数字板传来的继电器动作信号经过放大器转换为驱动能力更强的信号RL_DRV，它的逻辑直接决定了继电器的工作状态。当输入信号为高电平时，继电器会自动动作，将逆变器电路从系统中分离出来，起到保护作用。
2.6看门狗复位
系统采用看门狗芯片MAX706实现监控掉电功能，若输入电平PFI降落到阈值之下，由PFO引脚输出为低电平信号，向DSP发出中断请求。如果在设定时间内DSP未向WDI发出信号脉冲，WDO引脚输出为低电平信号。
三、无功补偿控制方法
为了能够实现对无功电流的实时补偿，需要装置的输出电流能够自动跟踪计算所得到的参考电流。系统通过瞬时无功功率理论的控制算法可实现对无功电流实时检测，得到需要补偿的无功电流。通过对三角波控制方法与滞流环控制方法的分析，系统采用滞流环控制方法实现无功电流补偿。
3.1三角波控制方法
三角波控制方法的原理是将检测得到的电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波比较，得到PWM脉冲作为逆变器控制各开关器件的信号，在逆变器输出端口检测获得所需电流。由于调节器参数由系统参数决定，并且系统参数难以完全准确地获得，因此参数很难准确确定，需要补偿的无功电流很难准确补偿。电流实际值与参考值之间的偏差须经过调节器转换为电压号后才能与三角载波相比较。调节器可以是比例调节器，也可以是比例积分调节器。
3.2滞流环控制方法
滞流环控制方法是将补偿电流的参考值与逆变器实际电流输出值的差输入到具有滞流环特性的比较器中，通过比较器的输出来控制开关的开合，从而实现逆变器输出值实时跟踪补偿电流参考值的目的。由于装置是通过电抗器与电网相连，此时装置输出电流的变化率与电抗上的电压差存在线性关系。因此在需要增大补偿电流的时候可控制开关器件使直流侧电压正串在系统电压上，从而增大向系统注入的电流;需要减小补偿电流的时候，控制开关器件使直流侧电压反串在系统电压上，从而减小向系统注入的电流。由于这种线性对应关系，采用滞流环控制方法时不需得到装置输出电压电流之间具体的比例和相位关系，因此较简单实现其补偿功能。
四、结论
设计了一种具有逆变器和静止无功发生器功能的三相光伏并网发电控制装置。该控制装置以数字信号处理器TMS320F2812为控制核心，根据设定的控制方式对由传感器获取并经过模拟电路调理的信号进行计算和判断，通过CPLD实现PWM信号逻辑组合，最终向并网逆变器输出控制信号。控制装置还具有过压、欠压、过流、断相、短路等保护功能。对新能源利用和绿色电网的和谐发展具有重要的现实意义。
【关键词】并网发电;保护：设计
世界能源短缺和环境污染等问题日益严重，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注，光伏并网发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。在电网运行比较稳定的地区，实现以光伏并网发电功能为主，无功补偿功能为辅;在电网电能质量比较差的地区，实现对电网的无功补偿功能为主，并网发电为辅的功能。具有无功补偿功能的光伏并网发电系统可减轻电网负担、改善供电质量。中设计了一个具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统，实现太阳能电池最大功率点跟踪和实时补偿本地负载的无功电流，采用改进的干扰观测法。采用TMS320F2835为核心控制器，电压外环电流内环的双闭环控制方式，设计了一种直流输入功率为15kW的三电平并网逆变器。针对两级式并网系统和无功补偿器技术研究，实现并网逆变器输出电流谐波抑制和系统无功补偿功能。提出一种光伏并网参数检测系统，实现对光伏电池阵列输出电压和电流、电网电压和负载电流实时检测。
一、系统结构
系统由光伏阵列、逆变器、并网电抗器、控制器、信号采样模块和断路器等部分组成。逆变器在光伏并网发电系统中作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的直流电能转换为交流电能并且传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用。当系统增加对本地负载电流的采样环节后，可以实现静止无功补偿的功能。
二、控制系统硬件设计
控制系统的主要功能是调理实时监测信号、根据预设算法快速计算并最终向功率电路输出控制信号。在装置中，处理器选取TI公司的数字信号处理芯片TMS320F2812，根据设定的控制方式，对由传感器获取并经过模拟电路调理的主电路直流交流测电压电流信号进行计算、判断及输出，实现预设策略。同时控制系统还需要CPLD实现PWM信号逻辑组合。
2.1控制器选择
控制器是光伏并网系统的核心，需要完成复杂的计算、判断和控制输出功能。选取合适的控制芯片是系统正常高效运行的基础。本装置选取TMS320F2812处理器作为核心控制芯片，其具有强大的控制和信号处理能力，可实现复杂的控制算法。
2.2逻辑控制功能设计
CPLD（复杂可编程逻辑器件）是一种可根据需要而自行构建逻辑功能的数字集成电路。其设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，实现设计的数字系统。本装置采用Altera公司的EPM7128CPLD芯片实现通信和PWM控制的功能。
2.3模拟信号调理电路
在模拟信号调理电路中，首先将由霍耳传感器测得的电流信号经采样电阻转换为幅值为-1.5～+1.5V的电压信号，再经过一个电平移动环节，将输出信号电平调整到DSP可接收的0～+3V的范围内。
2.4系统断相保护
保护电路由二极管组成三相桥式整流电路，当电网侧三相电源正常时，整流电路输出高电压，光耦导通，AC_ERR信号为低电平;当电网侧三相电源发生断相故障时，整流电路输出电压发生断续，光耦周期性导通和关断，AC_ERR信号为方波信号，经过电阻分压输出到DSP。
2.5继电保护电路
从数字板传来的继电器动作信号经过放大器转换为驱动能力更强的信号RL_DRV，它的逻辑直接决定了继电器的工作状态。当输入信号为高电平时，继电器会自动动作，将逆变器电路从系统中分离出来，起到保护作用。
2.6看门狗复位
系统采用看门狗芯片MAX706实现监控掉电功能，若输入电平PFI降落到阈值之下，由PFO引脚输出为低电平信号，向DSP发出中断请求。如果在设定时间内DSP未向WDI发出信号脉冲，WDO引脚输出为低电平信号。
三、无功补偿控制方法
为了能够实现对无功电流的实时补偿，需要装置的输出电流能够自动跟踪计算所得到的参考电流。系统通过瞬时无功功率理论的控制算法可实现对无功电流实时检测，得到需要补偿的无功电流。通过对三角波控制方法与滞流环控制方法的分析，系统采用滞流环控制方法实现无功电流补偿。
3.1三角波控制方法
三角波控制方法的原理是将检测得到的电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波比较，得到PWM脉冲作为逆变器控制各开关器件的信号，在逆变器输出端口检测获得所需电流。由于调节器参数由系统参数决定，并且系统参数难以完全准确地获得，因此参数很难准确确定，需要补偿的无功电流很难准确补偿。电流实际值与参考值之间的偏差须经过调节器转换为电压号后才能与三角载波相比较。调节器可以是比例调节器，也可以是比例积分调节器。
3.2滞流环控制方法
滞流环控制方法是将补偿电流的参考值与逆变器实际电流输出值的差输入到具有滞流环特性的比较器中，通过比较器的输出来控制开关的开合，从而实现逆变器输出值实时跟踪补偿电流参考值的目的。由于装置是通过电抗器与电网相连，此时装置输出电流的变化率与电抗上的电压差存在线性关系。因此在需要增大补偿电流的时候可控制开关器件使直流侧电压正串在系统电压上，从而增大向系统注入的电流;需要减小补偿电流的时候，控制开关器件使直流侧电压反串在系统电压上，从而减小向系统注入的电流。由于这种线性对应关系，采用滞流环控制方法时不需得到装置输出电压电流之间具体的比例和相位关系，因此较简单实现其补偿功能。
四、结论
设计了一种具有逆变器和静止无功发生器功能的三相光伏并网发电控制装置。该控制装置以数字信号处理器TMS320F2812为控制核心，根据设定的控制方式对由传感器获取并经过模拟电路调理的信号进行计算和判断，通过CPLD实现PWM信号逻辑组合，最终向并网逆变器输出控制信号。控制装置还具有过压、欠压、过流、断相、短路等保护功能。对新能源利用和绿色电网的和谐发展具有重要的现实意义。