基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统与方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统与方法。该发明专利技术采用基于模型设计方法实现模糊控制策略的控制器代码生成，开发光伏逆变器控制系统。模糊控制器通过调节直流电压、系统电流，保证了光伏输出电压、电流的稳定可靠性。基于模型设计的光伏逆变器控制系统，采用MATLAB/Simulink与DSP联合开发方法，完成控制系统从仿真模型到DSP(数字信号处理器)控制代码自动生成的步骤，有效解决了传统开发模式中存在系统算法设计与硬件脱节的弊病，避免了控制器仿真参数在实际硬件中无法使用，需要重新盲目调节的问题，实现了数字控制仿真与代码编写无缝衔接，有效缩短了光伏逆变器控制系统的开发周期。

【技术实现步骤摘要】
基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统与方法
本专利技术涉及电力电子
，尤其是光伏逆变器开发研究领域，具体的说是一种基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统与方法。
技术介绍
近年来，由于全球能源紧缺与环境污染等问题的影响，光伏发电引起了各国政府的重视。光伏发电系统主要由光伏组件，光伏逆变器以及用电计量和配电系统组成。光伏组件利用光电效应将光能转换成直流电能，必须通过直流电转换成交流电的转换设备——光伏逆变器实现将光伏发电接入到电网及相应的负载。光伏逆变器作为光伏阵列与电网的能量变换接口装置，是光伏发电系统组成的核心部件，其控制系统必须同时具备调节光伏阵列输出功率以及控制逆变器并网电流的功能，可靠稳定的控制系统对光伏逆变器至关重要。光伏逆变器控制系统的开发设计一般首先在MATLAB/Simulink软件中进行仿真研究，对控制算法进行正确性验证，当仿真结果满意时再把算法改成C语言代码在DSP控制芯片上实现，完成编程、编译、调试等步骤。将仿真模型改写为C语言编写的DSP代码将花费较多时间，同时可能由于人工编写算法代码错误、DSP寄存器配置不正确、算法在使用DSP实现时数据精度、量化误差有别于MATLAB等原因造成仿真算法无法在DSP中复现，使开发人员花费大量精力进行代码修改及调试，影响开发速度。
技术实现思路
为提高光伏逆变器的鲁棒性，缩短光伏逆变控制系统的开发周期、降低成本，本专利技术提供一种基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统与方法，引入模糊控制器，将控制系统Simulink模型直接自动生成DSP控制代码，烧写到DSP控制芯片中，完成从概念构思到代码实现的整个过程，缩短从仿真到编程调试的开发周期。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统，包括：锁相环模块，输入端接收大电网电压信号Vgrid，用于完成光伏逆变器与大电网的频率和相角的同步，向abc-dq坐标转换模块输出大电网的频率和相角θ；abc-dq坐标转换模块，用于根据大电网的频率和相角，将逆变器输出电流信号Iinverter从abc坐标系转换到两相dq静止坐标系下；第一差值运算模块，用于将两相dq静止坐标系下的q轴电流信号Iq与设定的q轴电流参考值Iq_ref做差运算；第一模糊控制器，用于根据第一差值运算模块输出的q轴的电流差值Iq_err，得到q轴的指令电压值Vq；第二差值运算模块，用于将光伏直流电压Vdc与设定的直流电压参考值Vdc_ref做差运算；第二模糊控制器，用于根据第二差值运算模块输出的直流电压的差值Vdc_err，得到d轴的电流参考值Id_ref；第三差值运算模块，用于将两相dq静止坐标系下的d轴电流信号Id与第二模糊控制器输出的d轴电流参考值Id_ref做差运算；第三模糊控制器，用于根据第三差值运算模块输出的d轴的电流差值Id_err，得到d轴的指令电压值Vd；SVPWM生成器，根据第一模糊控制器输出的q轴的指令电压值Vq和第三模糊控制器输出的d轴的指令电压值Vd，计算得到PWM驱动波；系统保护模块，根据大电网电压信号Vgrid和光伏逆变器输出电流信号Iinverter、电压信号Vinverter的状态信息，与设定的保护阈值进行比较，得到并网开关的控制信号。所述abc-dq坐标转换模块根据下式进行坐标转换：其中，Ia,Ib,Ic为abc坐标系下逆变器输出三相交流电流值，锁相模块输出的大电网相角θ，Id,Iq为dq坐标系下逆变器输出电流值所述第一模糊控制器、第二模糊控制器、第三模糊控制器采用双输入单输出模式，选取误差值及其变化率作为输入变量，设计模糊控制器隶属函数，采用7个模糊子集，即{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，输入变量经隶属函数模糊化后按模糊规则处理，得到模糊控制量后，再对模糊控制量进行解模糊处理得到输出值。一种基于模型设计开发的光伏逆变器方法，包括以下步骤：根据光伏逆变系统的功率需求，确定该系统的硬件参数；根据所述硬件参数搭建光伏逆变系统的Simulink仿真模型；设计所述控制系统中的模糊控制器的参数，并调节所述控制系统中的各个参数；在仿真正确的情况下，由仿真模型自动生成所述控制系统控制代码；对生成的控制系统代码进行软件在环仿真测试；在软件在环仿真测试正确的情况下，生成DSP代码；将所述DSP代码烧写在DSP中，对光伏逆变系统进行软硬件调试。所述系统的硬件参数包括：光伏逆变器的容量、电压电流等级，功率开关模块型号、滤波电感电容值、电压电流传感器型号。所述Simulink仿真模型为包括所述控制系统的模型。所述软件在环仿真测试，具体为：把所述控制系统代码由C代码编译成S-function，替换原来Simulink仿真中的控制系统模型，向原控制系统模型和由C构成的S-function模块中给定相同的输入信号，观察输出信号，如果S-function表现出来的功能和其对应的仿真模型表现出来的功能完全一致，那么认定控制系统模型生成的C代码和原控制系统Simulink模型具有等效性。所述DSP代码为在控制系统模型的基础上加入TargetPreferences模块，以及与DSP匹配的ADC、SCITransmit、EPWM模块、GPIO信号端口模块后，重新生成的含有成DSP寄存器配置代码的控制系统代码；所述ADC模块负责采样逆变输出电流值、直流电压值，将它们作为控制系统的输入；所述SCITransmit模块，利用串口将采样值或其他需要观测的变量传输给PC主机；所述EPWM模块，接收所述控制系统中的SVPWM模块输出的扇区导通时间，需要配置PWM通道、周期值、计数模式、动作方式。所述GPIO信号端口模块，负责并网开关控制信号的输出。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.光伏逆变器系统采用模糊控制器，使光伏逆变器具有良好的抗干扰能力和鲁棒性，以克服逆变器参数变化难以预期的特性，对解决现有光伏逆变器控制克服扰动和多场合稳定性要求具有实践价值。2.光伏逆变器系统采用基于模型设计方法实现控制系统的开发与实现，有效解决了传统开发模式中存在系统算法设计与硬件脱节的弊病，避免了控制器仿真参数在实际硬件中无法使用，需要重新盲目调节的问题，使研究人员可以将主要精力投入到控制算法的开发上，减少人工编写控制代码的工作量。3.光伏逆变器系统采用基于模型设计方法实现控制系统的开发与实现，实现了数字控制仿真与代码编写无缝衔接，有效缩短了光伏逆变器控制系统的开发周期，降低系统成本。附图说明图1是光伏逆变系统主回路框图；图中：1-直流环节，2-功率开关管，3-滤波器，4-并网开关，5-控制系统，Vdc为直流电压，Vgrid,Igrid为大电网电压、电流值，Vinverter,Iinverter为逆变器输出电压、电流值，Vload,Iload为系统所接负荷电压、电流值；图2是光伏逆变系统控制系统结构框图；图中：6-锁相环模块，7-abc-dq坐标转换模块，8-第一差值运算模块，9-第一模糊控制器，10-第二差值运算模块，11-第二模糊控制器，12-第三差值运算模块，13-第三模糊控制器，14-SVPWM生成器模块，15-系统保护模块，Vdc_ref为直流电压参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统，其特征在于，包括：锁相环模块(6)，输入端接收大电网电压信号V

【技术特征摘要】
1.一种基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统，其特征在于，包括：锁相环模块(6)，输入端接收大电网电压信号Vgrid，用于完成光伏逆变器与大电网的频率和相角的同步，向abc-dq坐标转换模块(7)输出大电网的频率和相角θ；abc-dq坐标转换模块(7)，用于根据大电网的频率和相角，将逆变器输出电流信号Iinverter从abc坐标系转换到两相dq静止坐标系下；第一差值运算模块(8)，用于将两相dq静止坐标系下的q轴电流信号Iq与设定的q轴电流参考值Iq_ref做差运算；第一模糊控制器(9)，用于根据第一差值运算模块(8)输出的q轴的电流差值Iq_err，得到q轴的指令电压值Vq；第二差值运算模块(10)，用于将光伏直流电压Vdc与设定的直流电压参考值Vdc_ref做差运算；第二模糊控制器(11)，用于根据第二差值运算模块(10)输出的直流电压的差值Vdc_err，得到d轴的电流参考值Id_ref；第三差值运算模块(12)，用于将两相dq静止坐标系下的d轴电流信号Id与第二模糊控制器(11)输出的d轴电流参考值Id_ref做差运算；第三模糊控制器(13)，用于根据第三差值运算模块(12)输出的d轴的电流差值Id_err，得到d轴的指令电压值Vd；SVPWM生成器(14)，根据第一模糊控制器(9)输出的q轴的指令电压值Vq和第三模糊控制器(13)输出的d轴的指令电压值Vd，计算得到PWM驱动波；系统保护模块(15)，根据大电网电压信号Vgrid和光伏逆变器输出电流信号Iinverter、电压信号Vinverter的状态信息，与设定的保护阈值进行比较，得到并网开关的控制信号。2.根据权利要求1所述的基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统，其特征在于，所述abc-dq坐标转换模块(7)根据下式进行坐标转换：其中，Ia,Ib,Ic为abc坐标系下逆变器输出三相交流电流值，锁相模块输出的大电网相角θ，Id,Iq为dq坐标系下逆变器输出电流值。3.根据权利要求1所述的基于模型设计开发的光伏逆变器控制系统，其特征在于，所述第一模糊控制器(9)、第二模糊控制器(11)和第三模糊控制器(13)采用双输入单输出模式，选取误差值及其变化率作为输入变量，设计模糊控制器隶属函数，采用7个模糊子集，即{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，分别表示{负大，负...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞晶，臧传治，曾鹏，于海斌，徐石明，赵有健，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21