5KW光伏并网逆变器

软件设计报告

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序号	版本	更新内容	修改者	日期	审核	日期

1 概述 4

1.1 目的 4

1.2 产品描述 4

1.3 产品功能和特性 4

2 软件系统介绍 4

2.1 软件系统框图 4

2.2 软件功能描述 5

2.2.1 数据采集模块 5

2.2.2 保护功能模块 5

2.2.3 人机接口模块 6

2.2.4 控制模块 6

3 控制系统介绍 7

3.1 Boost环路控制 7

3.1.1 电压外环： 7

3.1.2 电流内环： 7

3.2 逆变环路控制 7

3.2.1 电压外环 7

3.2.2 电流环 8

4 后续方向 8

概述

目的

根据机器基本硬件框架和具体功能需求，设计系统软件设计报告，为后续软件编码做准备。

产品描述

本产品是专门针对国内和欧洲市场研发的光伏并网逆变器，输入DC-DC为两路Boost电路，DC-AC逆变桥采用H6拓扑，并网额定输出功率5KW。

产品功能和特性

本产品并网运行时，其输出和电网直接连接，输出最大功率为5KW，最大转换效率可达97%以上。

软件系统介绍

软件系统框图

图1 软件系统框图

图2 主DSP固件框图

图3 从DSP固件框图

软件功能描述

软件功能从模块上分，可以分为：数据采集模块、保护功能模块、人机接口模块、控制模块以及其他。

数据采集模块

完成模拟信号量的采集、计算功能；主要是为保护功能模块和控制模块提供实时数据。当前ADC值采样频率为18Khz，对于周期性的信号，每个电网周期计算有效值或者平均值。

保护功能模块

完成规格所定义的保护功能，实现对各种意外情况的保护；保护分为快保护和慢保护两部分。

由于快保护对时间的要求比较严格，因此需要放在中断中来执行。快保护包括：

BUS过压： BusVoltAdc值超过520V，3个开关周期保护关闭输出；
BUS欠压： BusVoltAdc值低于市电峰值+10V，3个开关周期保护关闭输出；低于市电峰值+20V，5ms内保护关闭输出；
输出过流：InvCurrAdc超过40A，5个开关周期保护关闭输出；InvCurrAdc超过45A，3个开关周期保护关闭输出；
输出折断：GridVoltAdc值超过385V，5个开关周期保护关闭输出；

对于慢保护，可以放在任务级来执行。慢保护包括：

市电过欠压保护： 20%*V标称≤市电电压<50%*V标称，0.1s内关闭输出；50%*V标称≤市电电压<85%*V标称，2.0s内关闭输出；110%*V标称≤市电电压<135%*V标称，2.0s内关闭输出；135%*V标称≤市电电压，0.05s内关闭输出；
市电过欠频保护：市电频率≦48Hz，0.2s内保护； 48Hz<市电频率≦49.5Hz，10min内保护；50.2<市电频率≦50.5Hz，2min内保护；市电频率>50.5Hz，0.2s内保护；
输出电流直流分量保护：当输出直流分量超过额定输出交流的1%，需要在0.5s内关闭输出；
孤岛保护：当检测到电网掉电时，需要在2.0s内关闭输出并启动蜂鸣器
PV电压过欠压保护：当PV电压高于520V，必须在0.1s内关闭输出；当PV电压低于115V，0.5s内关闭输出；
过温度保护：当散热器温度高于90度降载处理，90-92度功率降额为80%额定功率，92-94度功率降额为60%额定功率，94-96功率降额为40%额定功率，超过96度则关机；
绝缘阻抗检测：自检过程中检测，若满足该路PV电压高于60V，分别检测该路PV+和PV-对地绝缘阻抗，如果绝缘阻抗<500kΩ，机器绝缘阻抗异常；
Boost电路检测：
逆变桥检测：
Relay检测：

人机接口模块

整机对外提供的通讯口为全双工485串口。通过通讯可以完成：参数的修改、实时数据和状态的显示、调试数据的读取等。由于参数存取和实时信息都在控制DSP中进行，因此在接口DSP主要实现的是通讯数据的传递。

LED灯用来指示机器当前的工作状态。

由于数据的显示采用7段数码管，因此显示内容有限，主要有：功率、发电量，以及一些参数的设定。操作采用按键方式实现。

控制模块

图4 系统控制系统图

机器控制系统图如图4所示，主要包括前级2路Boost DC/DC变换器和后级H6逆变实现机器并网发电；

系统前级DC/DC变换器为双路交错并联Boost，主要实现母线升压和MPPT功能；控制上采用MPPT环路、PV电压环和Boost电流环路组成；MPPT环路采用变步长扰动观察法，MPPT控制周期为400ms，分别计算控制周期内PV1和PV2输入功率，根据PvRef变化和输入功率变化确定机器扰动方向，实现最大功率跟踪；Mppt环给出PvRef值，PV电压环根据实时PvVolt采样，进行环路控制，得到PV电压环输出即Boost电流环参考，Boost电流环根据实时Boost电流采样进行环路控制最终控制Boost变换器实现母线升压和Mppt功能；

系统后级H6逆变桥，主要实现机器并网电流控制，PF=1时实现入网电流与市电电压同频同相；控制上采样Bus电压外环和逆变电流内环组成，其中Bus电压外环根据市电电压峰值计算出BusRef（当前为GridVoltPeak+70V）和实时采样的Bus电压根据环路得到逆变电流幅值参考；逆变电流内环将逆变电流幅值参考×电网电压锁相相位Cosθ得到逆变电流参考，与实时采样的逆变电流经过环路计算得到机器输出，最终机器输出为逆变电流环路输出与电网电压前馈值相加送给PWM模块，实现并网电流控制；

控制系统介绍

Boost环路控制

图5 Boost控制框图

其中：Gi(s)为Boost电流内环控制对象；Gv(s)为Boost电压外环控制对象；Kf为母线电压扰动前馈给定系数；

电压外环：

，其中Cin为输入电容，Kpv为PV曲线电导；Hu为Pv电压采样系数；Hi为Boost电流采样系数；

电压外环设计加入PI控制器后，设计穿越频率为20Hz左右，相位裕度在80度左右；

电流内环：

，其中Ug为母线电压；Vm为PWM载波幅值；

电流内环设计加入PI控制器后，根据Pv曲线特性和输入电感衰减特性，内环穿越频率设计在1.5Khz左右，相位裕度约80度左右；

逆变环路控制

图6 逆变控制环路

电压外环

逆变电压外环为母线电压环，母线电压根据PV电压确定，若PV电压低于设定Bus电压，一般去BusSet=GridVoltPeak+60V，前级工作在Boost模式，此时逆变电压外环参考即BusSet值，与实时Bus电压每个电网周期进行PI环路控制，得到电流环幅值参考；电压外环控制频率为电网频率，保证一个电网周期中电流幅值一定，提高机器并网谐波；电压外环截止频率一般设定在10Hz左右；

电流环

电流内环根据电压外环输出与电网锁相得到电流环参考，与实时采样的逆变电流经环路控制，当前环路为嵌入式重复控制器，即比例控制器+重复控制器组成，该控制器可以保证电流环动态性能和提高机器并网谐波；

机器输出为内环输出+前馈补偿，前馈补偿=GirdVoltAdc*PwmPeriod/BusVolt；系统增加电网前馈用于提高机器谐波和动态性能，在电网突变时有较好效果；

后续方向

机器后续方向为（1）前级双路Boost动态Mppt优化，提升机器动态Mppt效率；（2）机器在DC源老化情况下稳定性；（3）电网谐波较差时机器并网电流谐波优化；（4）H6逆变桥在电网低电压穿越、零点压穿越时运行；

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