基于多能源集成控制的港口綠色照明系統(tǒng)逆變控制研究

張智華，徐 迪，易百萬

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010）

一、引言

港口所在區(qū)域一般太陽能和風(fēng)能的資源比較豐富，考慮采用風(fēng)能、太陽能及市電的多動(dòng)力源互補(bǔ)供電，該技術(shù)可以解決港口照明系統(tǒng)中電能利用率不高、能量消耗過大、費(fèi)用較多及浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象，因此在此背景下，設(shè)計(jì)一種多動(dòng)力源集成控制的港口綠色照明及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得港口照明系統(tǒng)的自動(dòng)控制程度提高，又達(dá)到既節(jié)約電能、保護(hù)環(huán)境及環(huán)境安全監(jiān)控提示的功能，則是將來的研究方向與熱點(diǎn)。同時(shí)可以進(jìn)一步加深綠色港口、信息化港口建設(shè)的需要，為后期智慧港口的建設(shè)打下基礎(chǔ)。風(fēng)光互補(bǔ)應(yīng)用系統(tǒng)，利用太陽能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)將發(fā)出的電能存儲(chǔ)到蓄電池或者超級(jí)電容組中，當(dāng)用戶需要用電時(shí)，逆變器將蓄電池或者超級(jí)電容組中儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，通過輸電線路送到用戶負(fù)載處。則逆變器控制策略的研究關(guān)系到電能質(zhì)量的穩(wěn)定控制[1-3]。

二、港口綠色照明系統(tǒng)逆變控制策略仿真分析

逆變器，作為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是將風(fēng)能、光伏、蓄電池或者超級(jí)電容組輸出的直流電能轉(zhuǎn)換成港口照明系統(tǒng)可用的交流電能，保證港口照明系統(tǒng)負(fù)載的正常運(yùn)行。因此，逆變器的控制策略及其重要，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過研究綠色照明系統(tǒng)的控制要求，確保電能質(zhì)量的穩(wěn)定，提出了雙閉環(huán)控制的控制策略，利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)建立了逆變控制模型，通過仿真結(jié)果的分析顯示，控制算法能夠使照明系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)負(fù)載電能質(zhì)量的穩(wěn)定。

(一)雙環(huán)控制方式

在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的工作模式是高頻的PWM開關(guān)模式，由式（1）可知，輸出端會(huì)產(chǎn)生大量的高頻諧波，為考慮電能質(zhì)量穩(wěn)定，考慮增設(shè)濾波環(huán)節(jié)，得以減少高頻諧波對(duì)負(fù)載的不良影響。然而如果逆變器的結(jié)構(gòu)和元件已經(jīng)確定，那么控制算法和策略便是決定性能優(yōu)劣的重要因素[4-5]。

對(duì)于離網(wǎng)模式下的逆變器，沒有外接電壓直接帶負(fù)載，只要用戶負(fù)載在合理范圍內(nèi)變動(dòng)，逆變器電壓應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定。因此可將逆變器視為電壓源，一般方法是控制負(fù)載端的電壓，這樣能夠保證交流負(fù)載的電壓幅值穩(wěn)定、高頻諧波盡量少。一般的雙閉環(huán)逆變控制系統(tǒng)是在假設(shè)逆變器輸入側(cè)直流母線電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，但是實(shí)際上由于風(fēng)速和風(fēng)向、光照和環(huán)境溫度的隨機(jī)性，系統(tǒng)前級(jí)發(fā)電功率是有波動(dòng)的。加上MPPT策略的應(yīng)用，獲得了最大功率的同時(shí)也決定了DC-DC升壓后的直流母線電壓不是恒定的，會(huì)隨著MPPT點(diǎn)的變化而波動(dòng)。那么如果逆變器輸入側(cè)的直流母線電壓仍采用恒壓控制，就無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)隨環(huán)境波動(dòng)下的MPPT。為此本文在常規(guī)雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，通過將輸入側(cè)直流母線電壓引入到閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)串聯(lián)而成，能夠快速響應(yīng)輸入電壓的波動(dòng)。

（二）逆變控制仿真分析

通過搭建Matlab/Simulink控制仿真模型，驗(yàn)證提出的控制策略。SPWM采用單極性調(diào)制，其中仿真參數(shù)設(shè)置為：濾波電容Co=1000uf，濾波電感Lo=5mH，逆變系統(tǒng)開關(guān)頻率選取為20kHz。仿真算法采用步長為ode23t，誤差為1e-3。

圖1 逆變器控制的Simulink仿真模型

仿真模型中如圖1所示產(chǎn)生可變直流電壓Vbus，作為直流側(cè)輸入電壓，電壓范圍在60V-80V、 RL額定功率為200W；Subsystem2表示控制模塊；開關(guān)Breaker表示負(fù)載的變化情況；仿真結(jié)果見圖2所示。

負(fù)載電壓URL的幅值和頻率基本穩(wěn)定，其中電壓U為100V/格，電流為2A/格，從結(jié)果中可以看出，逆變器仿真波形能夠滿足負(fù)載的要求。

圖2 逆變器離網(wǎng)控制的仿真結(jié)果

三、 系統(tǒng)逆變控制單元硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括控制電路板一塊，信號(hào)采樣電路板一塊，PWM驅(qū)動(dòng)電路板一塊，電源電路板一塊，主電路一塊。

（一）控制系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

電源板電路主要用來為系統(tǒng)中其他電路板的芯片供電，所以需要輸出功率比較大的一款電源芯片，電源電路以NI的電源管理芯片LM5010為主芯片。由于LM5010具有為6伏到76伏寬度的輸入電源范圍，并且可管理將近1A的電流，所以選擇LM5010作為電源管理芯片。

電路板都需要5V電壓對(duì)芯片進(jìn)行供電，并且在模擬電壓和數(shù)字電壓中都要用到5V電壓，所以電源板電路中用到4塊的5V電源芯片。

（二）直流側(cè)濾波電容設(shè)計(jì)

直流電容容量的設(shè)計(jì)是基于直流母線的電壓，和直流母線的容量功率P和直流母線的紋波Vr-r參數(shù)來設(shè)計(jì)的。其中對(duì)于系統(tǒng)來說功率P=250W，電壓V=96V，紋波Vr-r=1V，調(diào)制開關(guān)頻率為20kHz。

電容C的大?。?/p>

其中，RL負(fù)載電阻，C濾波電容一般采用電解電容，電容器耐壓應(yīng)大于，通常取2～3倍的直流側(cè)電壓U2。系統(tǒng)電容計(jì)算公式如下：

電容取2～3倍，則取為330uF電解電容。電容耐壓一般取為2～3倍的U2，則最大耐電壓取為1000V。

（三）逆變輸出濾波器設(shè)計(jì)

逆變系統(tǒng)采用二階LC濾波，濾波電感電流紋波最大值的計(jì)算公式為：

其中，Lf為濾波電感，fs為開關(guān)頻率、取值為20Hz，Vdc_bus輸入側(cè)直流母線電壓。

一般在選擇濾波電容Cf時(shí)，認(rèn)為濾波器的截止頻率fn遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于調(diào)制開關(guān)頻率fs。取截止頻率fn大于工頻頻率f0的10倍，為fs的0.1倍，即

把以上計(jì)算得到的fs和Lf代入上式，得到Cf≥3.2μF?？紤]到需要抑制低次諧波，同時(shí)不能讓電流應(yīng)力太大，Cf常取理論值的5-7倍。由此可取Cf=22uF。

（四）信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)

為縮小傳感器電路板體積，沒有選用霍爾傳感器，傳感器芯片選為安華科技的模擬半導(dǎo)體器件ACPL-C785，ACPL-C785的輸出是交流信號(hào)，但后級(jí)信號(hào)處理電路中的運(yùn)放為單電源電路，所以ACPL-C785輸出的交流信號(hào)電壓需抬高，并且由于信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放處理之后送給DSP，所以運(yùn)放電源為3.3伏，以防止信號(hào)高于3.3V時(shí)損傷DSP。

直流信號(hào)處理，在系統(tǒng)中需要采集直流信號(hào)：直流側(cè)母線電壓信號(hào)。由于光伏電池電壓與微處理器DSP為共地，并且為低壓，所以不需要隔離芯片，采用一般的運(yùn)放電路處理即可。光伏電池電壓經(jīng)過分壓電阻后，與1.65V電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果用于管理光伏系統(tǒng)中的電源。由電源管理芯片LM5010可知，當(dāng)輸入電源小于5伏時(shí)，芯片不工作，光伏系統(tǒng)處于休眠，當(dāng)光伏電池的電壓大于5伏時(shí)，電源管理芯片被激活，光伏系統(tǒng)電源帶電。

四、 逆變系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）逆變主程序流程

圖3 主程序流程圖

主程序開始對(duì)處理器的外設(shè)進(jìn)行初始化，流程如圖3所示，對(duì)使用的EVA/B事件管理器進(jìn)行開啟，對(duì)使用的GPIO口進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)程序內(nèi)。

（二）PWM算法實(shí)現(xiàn)

整個(gè)逆變控制系統(tǒng)共需要4路占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，對(duì)4路單極性SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的全橋逆變開關(guān)管進(jìn)行控制。系統(tǒng)中的三角載波發(fā)生器選取DSP2812的EVA的T1定時(shí)器，使用COMP1、COMP2全比較單元分別產(chǎn)生兩組互補(bǔ)的PWM信號(hào)進(jìn)行對(duì)全橋逆變開關(guān)管的控制。由COMP1產(chǎn)生的PWM1和PWM2控制高頻橋臂的功率管S3和S4；由COMP2產(chǎn)生的PWM3和PWM4控制低頻橋臂的功率管S1和S2。

在控制算法中，SPWM的控制信號(hào)為Msinθ，調(diào)制度M=0～0.9。逆變器輸出電壓Uc與PI電流調(diào)節(jié)器的輸出之和，再除以直流側(cè)母線電壓Vbus，得到M，然后查詢正弦表得到CMPR1值。定時(shí)器T1在下溢中斷時(shí)將該值加載到CMPR1，產(chǎn)生的PWM1和PWM2分別來控制高頻橋臂的S3、S4開關(guān)管。

五、系統(tǒng)調(diào)試與分析

在以上硬件和軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，搭建了1kW的離網(wǎng)逆變器，包括主電路板，電源板，驅(qū)動(dòng)板，處理器控制板。通過測(cè)試平臺(tái)的檢測(cè)，逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖波形如圖4所示。

圖4 逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖波形

圖4（a）所示為逆變器驅(qū)動(dòng)波形，由于逆變器在SPWM輸出工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形占空比是連續(xù)從0到0.9變化的。在DSP中，設(shè)置PWM輸出載波比為0.9，所以圖4（a）只是逆變器SPWM工作時(shí)一個(gè)瞬間的上下峭壁的波形。圖4（b）所示逆變器交流側(cè)輸出電壓波形。

六、結(jié)論

通過對(duì)系統(tǒng)中逆變器側(cè)的濾波元件的參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，分析設(shè)計(jì)了濾波器的參數(shù)。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)使用的控制軟件進(jìn)行了詳細(xì)的研究，主要分析了系統(tǒng)中典型的應(yīng)用程序，包括主程序，SPWM程序，PI控制子程序。最后對(duì)系統(tǒng)軟硬件綜合調(diào)試，得到系統(tǒng)輸出波形，對(duì)的輸出波形進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的控制策略。為設(shè)計(jì)基于多能源集成控制的港口綠色照明系統(tǒng)提供了研究基礎(chǔ)。