本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其是光伏逆變器開發(fā)研究領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種基于模型設(shè)計(jì)開發(fā)的光伏逆變器控制系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，由于全球能源緊缺與環(huán)境污染等問(wèn)題的影響，光伏發(fā)電引起了各國(guó)政府的重視。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件，光伏逆變器以及用電計(jì)量和配電系統(tǒng)組成。光伏組件利用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成直流電能，必須通過(guò)直流電轉(zhuǎn)換成交流電的轉(zhuǎn)換設(shè)備——光伏逆變器實(shí)現(xiàn)將光伏發(fā)電接入到電網(wǎng)及相應(yīng)的負(fù)載。光伏逆變器作為光伏陣列與電網(wǎng)的能量變換接口裝置，是光伏發(fā)電系統(tǒng)組成的核心部件，其控制系統(tǒng)必須同時(shí)具備調(diào)節(jié)光伏陣列輸出功率以及控制逆變器并網(wǎng)電流的功能，可靠穩(wěn)定的控制系統(tǒng)對(duì)光伏逆變器至關(guān)重要。

光伏逆變器控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)一般首先在MATLAB/Simulink軟件中進(jìn)行仿真研究，對(duì)控制算法進(jìn)行正確性驗(yàn)證，當(dāng)仿真結(jié)果滿意時(shí)再把算法改成C語(yǔ)言代碼在DSP控制芯片上實(shí)現(xiàn)，完成編程、編譯、調(diào)試等步驟。將仿真模型改寫為C語(yǔ)言編寫的DSP代碼將花費(fèi)較多時(shí)間，同時(shí)可能由于人工編寫算法代碼錯(cuò)誤、DSP寄存器配置不正確、算法在使用DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)數(shù)據(jù)精度、量化誤差有別于MATLAB等原因造成仿真算法無(wú)法在DSP中復(fù)現(xiàn)，使開發(fā)人員花費(fèi)大量精力進(jìn)行代碼修改及調(diào)試，影響開發(fā)速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為提高光伏逆變器的魯棒性，縮短光伏逆變控制系統(tǒng)的開發(fā)周期、降低成本，本發(fā)明提供一種基于模型設(shè)計(jì)開發(fā)的光伏逆變器控制系統(tǒng)與方法，引入模糊控制器，將控制系統(tǒng)Simulink模型直接自動(dòng)生成DSP控制代碼，燒寫到DSP控制芯片中，完成從概念構(gòu)思到代碼實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過(guò)程，縮短從仿真到編程調(diào)試的開發(fā)周期。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于模型設(shè)計(jì)開發(fā)的光 伏逆變器控制系統(tǒng)，包括：

鎖相環(huán)模塊，輸入端接收大電網(wǎng)電壓信號(hào)V_grid，用于完成光伏逆變器與大電網(wǎng)的頻率和相角的同步，向abc-dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊輸出大電網(wǎng)的頻率和相角θ；

abc-dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，用于根據(jù)大電網(wǎng)的頻率和相角，將逆變器輸出電流信號(hào)I_inverter從abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相dq靜止坐標(biāo)系下；

第一差值運(yùn)算模塊，用于將兩相dq靜止坐標(biāo)系下的q軸電流信號(hào)I_q與設(shè)定的q軸電流參考值I_{q_ref}做差運(yùn)算；

第一模糊控制器，用于根據(jù)第一差值運(yùn)算模塊輸出的q軸的電流差值I_{q_err}，得到q軸的指令電壓值V_q；

第二差值運(yùn)算模塊，用于將光伏直流電壓V_dc與設(shè)定的直流電壓參考值V_{dc_ref}做差運(yùn)算；

第二模糊控制器，用于根據(jù)第二差值運(yùn)算模塊輸出的直流電壓的差值V_{dc_err}，得到d軸的電流參考值I_{d_ref}；

第三差值運(yùn)算模塊，用于將兩相dq靜止坐標(biāo)系下的d軸電流信號(hào)I_d與第二模糊控制器輸出的d軸電流參考值I_{d_ref}做差運(yùn)算；

第三模糊控制器，用于根據(jù)第三差值運(yùn)算模塊輸出的d軸的電流差值I_{d_err}，得到d軸的指令電壓值V_d；

SVPWM生成器，根據(jù)第一模糊控制器輸出的q軸的指令電壓值V_q和第三模糊控制器輸出的d軸的指令電壓值V_d，計(jì)算得到PWM驅(qū)動(dòng)波；

系統(tǒng)保護(hù)模塊，根據(jù)大電網(wǎng)電壓信號(hào)V_grid和光伏逆變器輸出電流信號(hào)I_inverter、電壓信號(hào)V_inverter的狀態(tài)信息，與設(shè)定的保護(hù)閾值進(jìn)行比較，得到并網(wǎng)開關(guān)的控制信號(hào)。

所述abc-dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)下式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

其中，I_a,I_b,I_c為abc坐標(biāo)系下逆變器輸出三相交流電流值，鎖相模塊輸出的大電網(wǎng)相角θ，I_d,I_q為dq坐標(biāo)系下逆變器輸出電流值

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雙輸入單輸出模式，選取誤差值及其變化率作為輸入變量，設(shè)計(jì)模糊控制器隸屬函數(shù)，采用7個(gè)模糊子集，即{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，分別表示{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，輸入變量經(jīng)隸屬函數(shù)模糊化后按模糊規(guī)則處理，得到模糊控制量后，再對(duì)模糊控制量進(jìn)行解模糊處理得到輸出值。

一種基于模型設(shè)計(jì)開發(fā)的光伏逆變器方法，包括以下步驟：

根據(jù)光伏逆變系統(tǒng)的功率需求，確定該系統(tǒng)的硬件參數(shù)；

根據(jù)所述硬件參數(shù)搭建光伏逆變系統(tǒng)的Simulink仿真模型；

設(shè)計(jì)所述控制系統(tǒng)中的模糊控制器的參數(shù)，并調(diào)節(jié)所述控制系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)；

在仿真正確的情況下，由仿真模型自動(dòng)生成所述控制系統(tǒng)控制代碼；

對(duì)生成的控制系統(tǒng)代碼進(jìn)行軟件在環(huán)仿真測(cè)試；

在軟件在環(huán)仿真測(cè)試正確的情況下，生成DSP代碼；

將所述DSP代碼燒寫在DSP中，對(duì)光伏逆變系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件調(diào)試。

所述系統(tǒng)的硬件參數(shù)包括：光伏逆變器的容量、電壓電流等級(jí)，功率開關(guān)模塊型號(hào)、濾波電感電容值、電壓電流傳感器型號(hào)。

所述Simulink仿真模型為包括所述控制系統(tǒng)的模型。

所述軟件在環(huán)仿真測(cè)試，具體為：

把所述控制系統(tǒng)代碼由C代碼編譯成S-function，替換原來(lái)Simulink仿真中的控制系統(tǒng)模型，向原控制系統(tǒng)模型和由C構(gòu)成的S-function模塊中給定相同 的輸入信號(hào)，觀察輸出信號(hào)，如果S-function表現(xiàn)出來(lái)的功能和其對(duì)應(yīng)的仿真模型表現(xiàn)出來(lái)的功能完全一致，那么認(rèn)定控制系統(tǒng)模型生成的C代碼和原控制系統(tǒng)Simulink模型具有等效性。

所述DSP代碼為在控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上加入Target Preferences模塊，以及與DSP匹配的ADC、SCI Transmit、EPWM模塊、GPIO信號(hào)端口模塊后，重新生成的含有成DSP寄存器配置代碼的控制系統(tǒng)代碼；

所述ADC模塊負(fù)責(zé)采樣逆變輸出電流值、直流電壓值，將它們作為控制系統(tǒng)的輸入；

所述SCI Transmit模塊，利用串口將采樣值或其他需要觀測(cè)的變量傳輸給PC主機(jī)；

所述EPWM模塊，接收所述控制系統(tǒng)中的SVPWM模塊輸出的扇區(qū)導(dǎo)通時(shí)間，需要配置PWM通道、周期值、計(jì)數(shù)模式、動(dòng)作方式。

所述GPIO信號(hào)端口模塊，負(fù)責(zé)并網(wǎng)開關(guān)控制信號(hào)的輸出。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

1.光伏逆變器系統(tǒng)采用模糊控制器，使光伏逆變器具有良好的抗干擾能力和魯棒性，以克服逆變器參數(shù)變化難以預(yù)期的特性，對(duì)解決現(xiàn)有光伏逆變器控制克服擾動(dòng)和多場(chǎng)合穩(wěn)定性要求具有實(shí)踐價(jià)值。

2.光伏逆變器系統(tǒng)采用基于模型設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，有效解決了傳統(tǒng)開發(fā)模式中存在系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)與硬件脫節(jié)的弊病，避免了控制器仿真參數(shù)在實(shí)際硬件中無(wú)法使用，需要重新盲目調(diào)節(jié)的問(wèn)題，使研究人員可以將主要精力投入到控制算法的開發(fā)上，減少人工編寫控制代碼的工作量。

3.光伏逆變器系統(tǒng)采用基于模型設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制仿真與代碼編寫無(wú)縫銜接，有效縮短了光伏逆變器控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低系統(tǒng)成本。

附圖說(shuō)明

圖1是光伏逆變系統(tǒng)主回路框圖；

圖中：1-直流環(huán)節(jié)，2-功率開關(guān)管，3-濾波器，4-并網(wǎng)開關(guān)，5-控制系統(tǒng)，V_dc為直流電壓，V_grid,I_grid為大電網(wǎng)電壓、電流值，V_inverter,I_inverter為逆變器輸出電壓、電流值，V_load,I_load為系統(tǒng)所接負(fù)荷電壓、電流值；

圖2是光伏逆變系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖中：6-鎖相環(huán)模塊，7-abc-dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，8-第一差值運(yùn)算模塊，9-第一模糊控制器，10-第二差值運(yùn)算模塊，11-第二模糊控制器，12-第三差值運(yùn)算模塊，13-第三模糊控制器，14-SVPWM生成器模塊，15-系統(tǒng)保護(hù)模塊，V_{dc_ref}為直流電壓參考值，I_{d_ref},I_{q_ref}為dq軸電流參考值，V_d,V_q為電壓調(diào)制指令參考值；

圖3是模糊控制策略模糊化規(guī)則；

圖4是基于模型設(shè)計(jì)方法的光伏逆變控制系統(tǒng)開發(fā)流程；

圖5是用于生成DSP代碼的Simulink控制器模型。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，光伏逆變器包含直流環(huán)節(jié)1、功率開關(guān)管2、濾波器3、并網(wǎng)開關(guān)4、控制系統(tǒng)5。

所述的直流環(huán)節(jié)1連接光伏陣列，光伏陣列輸出連接DC-DC boost電路，由最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器控制，使光伏系統(tǒng)在不同光照情況下跟蹤最大功率點(diǎn)輸出合適的直流電壓給定值。

所述的功率開關(guān)管2由IGBT擔(dān)當(dāng)，完成直流到交流的功率變換功能。

所述的濾波器3采用LC濾波方式，消除交流輸出中高頻紋波。

所述的并網(wǎng)開關(guān)4控制光伏控制系統(tǒng)是否連接到公共電網(wǎng)上，負(fù)責(zé)完成光伏逆變器的并網(wǎng)和離網(wǎng)的切換操作。

所述的控制系統(tǒng)5是光伏逆變系統(tǒng)的核心，運(yùn)行逆變控制策略。本發(fā)明中采用DSP28335擔(dān)當(dāng)主控制芯片，完成信號(hào)采集以及控制器控制策略運(yùn)算，控制功 率開關(guān)管的開斷。

本發(fā)明采用模糊控制算法對(duì)光伏逆變器電壓、電流進(jìn)行控制，生成控制功率開關(guān)管開關(guān)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示包括鎖相環(huán)模塊6,abc-dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊7，第一差值運(yùn)算模塊8，第一模糊控制器9，第二差值運(yùn)算模塊10，第二模糊控制器11，第三差值運(yùn)算模塊12，第三模糊控制器13，SVPWM生成器模塊14，系統(tǒng)保護(hù)模塊15。

所述的鎖相環(huán)模塊6完成光伏逆變器與大電網(wǎng)的頻率和相角的同步。鎖相環(huán)模塊6可參考：龐浩,俎云霄,王贊基.一種新型的全數(shù)字鎖相環(huán)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(2).

所述的abc-dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊7將逆變器輸出三相電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下，電壓環(huán)中直流電壓與直流電壓參考值做差得到誤差送至第二模糊控制器11中產(chǎn)生電流參考值；電流環(huán)中逆變輸出電流值經(jīng)變換后與電流參考值做差得到誤差值送入第一模糊控制器9個(gè)第三模糊控制器13中進(jìn)行電流調(diào)節(jié)控制。

所述第一模糊控制器9采用雙輸入單輸出模式，電流誤差I(lǐng)_{d_err}及其誤差變化率ΔI_{d_err}作為輸入變量，d軸的指令電壓值V_d作為輸出變量。所述第二模糊控制器11采用雙輸入單輸出模式，電流誤差V_{dc_err}及其誤差變化率ΔV_{dc_err}作為輸入變量，d軸的指令電壓值V_d作為輸出變量。所述第三模糊控制器13采用雙輸入單輸出模式，電流誤差I(lǐng)_{q_err}及其誤差變化率ΔI_{q_err}作為輸入變量，q軸的軸的指令電壓值V_q作為輸出變量。設(shè)計(jì)模糊控制器隸屬函數(shù)，采用7個(gè)模糊子集，即{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，分別表示{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。輸入量經(jīng)隸屬函數(shù)模糊化后按模糊規(guī)則處理。模糊規(guī)則以if-then語(yǔ)句形式建立數(shù)字控制規(guī)則，共計(jì)49條，如圖3所示。解模糊處理采用加權(quán)平均法得出判決結(jié)果。

所述的SVPWM生成器14基于模糊控制器輸出的電壓參考值進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 波調(diào)制，生成SVPWM波輸出給功率開關(guān)管2，開關(guān)頻率為10kHz。SVPWM生成器14可參考：王妍,杜軍紅,陶偉宜,等.基于DSP的空間電壓矢量法PWM的研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2000(02)98-101.

所述的系統(tǒng)保護(hù)模塊15根據(jù)電網(wǎng)電壓、光伏逆變器電壓、電流采樣值等信息完成過(guò)壓、過(guò)流、電網(wǎng)故障隔離保護(hù)措施，輸出開關(guān)信號(hào)給并網(wǎng)開關(guān)。

根據(jù)上述光伏逆變控制系統(tǒng)各模塊的實(shí)際硬件參數(shù)，基于模型設(shè)計(jì)方法，完成光伏逆變器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)由仿真模型自動(dòng)生成DSP控制代碼(C語(yǔ)言形式)，應(yīng)用到DSP控制芯片中。圖4所示為基于模型設(shè)計(jì)方法開發(fā)光伏逆變器，實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)建模到硬件控制的步驟。

1.根據(jù)系統(tǒng)功率需求，設(shè)計(jì)、選定硬件參數(shù)。

2.系統(tǒng)建模。在MATLAB/Simulink中搭建如圖1所示光伏逆變器Simulink模型，并根據(jù)選定的硬件實(shí)物設(shè)置模型中各模塊的參數(shù)。

3.控制器模型設(shè)計(jì)及參數(shù)調(diào)節(jié)。按照模糊控制策略搭建控制系統(tǒng)5中所包含的6-15所有模塊，調(diào)整模糊控制器參數(shù)，使逆變器輸出電壓和電流為50Hz的正弦波形，得到合理匹配的控制器參數(shù)。

4.對(duì)6-15所有模塊進(jìn)行自動(dòng)代碼生成，生成控制C語(yǔ)言代碼。

5.對(duì)生成的控制代碼進(jìn)行SIL軟件在環(huán)測(cè)試。

6.生成DSP主控芯片控制代碼及工程，工程內(nèi)包含由Simulink仿真模型自動(dòng)生成的控制C語(yǔ)言代碼及相關(guān)頭文件等。

7.將DSP工程代碼燒寫到DSP控制芯片中，應(yīng)用于實(shí)際光伏逆變器系統(tǒng)硬件平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試。

8.使用基于模型設(shè)計(jì)自動(dòng)生成的控制代碼完成對(duì)光伏逆變系統(tǒng)實(shí)物的控制。

基于模型設(shè)計(jì)的光伏逆變器控制系統(tǒng)5的主控芯片選用TMS320F28335浮點(diǎn)型DSP，該款DSP信號(hào)處理器可直接進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，與MATLAB的雙精度浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換起來(lái)更為直接、方便。此外還需準(zhǔn)備配套DSP仿真器及 CCS5.5版本DSP集成開發(fā)環(huán)境。為支持高版本(CCS4及以上版本)的DSP開發(fā)環(huán)境，選用MATLAB2012b。

不同于CCS3.3版本在與低版本的MATLAB配合使用時(shí)可以直接自動(dòng)連接生成代碼和DSP工程，在使用高版本的CCS5.5及MATLAB2012時(shí)，需要提前在MATLAB中對(duì)Makefile進(jìn)行配置，在MATLAB窗口中執(zhí)行xmakefile setup命令，配置CCS版本、安裝路徑、編譯路徑等相關(guān)信息，建立起CCS5.5和MATLAB的連接，為基于模型設(shè)計(jì)的自動(dòng)代碼生成做好準(zhǔn)備。

根據(jù)光伏陣列的容量等設(shè)計(jì)需求，確立光伏逆變器的容量、電壓電流等級(jí)，選擇合適的功率開關(guān)模塊、濾波電感電容、電壓電流傳感器等硬件設(shè)備。

根據(jù)確定的硬件設(shè)備參數(shù)在MATLAB/Simulink中搭建圖1所示的光伏逆變系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)圖2所示搭建控制器控制模型，內(nèi)含鎖相環(huán)模塊6、abc-dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊7、模糊控制算法模塊9、11、13、SVPWM生成器14、系統(tǒng)保護(hù)模塊。仿真中設(shè)置固定仿真步長(zhǎng)5e-6，選擇離散化求解器。調(diào)整模糊控制器參數(shù)，使光伏控制器模型輸入50Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓及電流信號(hào)。

在得到Simulink環(huán)境下正確的仿真結(jié)果后，下一步對(duì)控制器5模型進(jìn)行SIL(Software in the Loop)軟件在環(huán)測(cè)試。把控制器模型生成的C代碼編譯成S-function，替換原來(lái)仿真中的控制器模型，向原模型和由C構(gòu)成的S-function模塊中給定相同的輸入信號(hào)，觀察輸出信號(hào)，如果S-function表現(xiàn)出來(lái)的功能和其對(duì)應(yīng)的仿真模型表現(xiàn)出來(lái)的功能完全一致，那么我們可以推理控制器模型生成的C代碼和原控制器Simulink模型具有等效性。

仿真結(jié)果和SIL在環(huán)測(cè)試驗(yàn)證了控制算法的正確性以及代碼生成的正確性，接下來(lái)執(zhí)行控制算法部分自動(dòng)轉(zhuǎn)化為DSP代碼操作。在原仿真控制器模型中加入Target Preferences模塊，以及與28335匹配的ADC、SCI Transmit、EPWM模塊，用于生成DSP寄存器配置代碼。ADC模塊負(fù)責(zé)采樣逆變輸出電流值、直流電壓值等，將它們作為控制算法的輸入。加入SCI Transmit模塊，利用串口將采樣值或其他需要觀測(cè)的變量通過(guò)一定的波特率傳輸給PC 主機(jī)，在主機(jī)中搭建主機(jī)模型，用串口接收模塊接收數(shù)據(jù)，將實(shí)際物理數(shù)據(jù)應(yīng)用于Simulink控制對(duì)象模型中觀測(cè)結(jié)果，與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，另外也可以在主機(jī)中利用Scope直接觀測(cè)控制算法中的各種變量值，直觀方便。SVPWM模塊輸出的扇區(qū)導(dǎo)通時(shí)間，連接DSP的EPWM模塊，模塊需要配置PWM通道、周期值、計(jì)數(shù)模式、動(dòng)作方式等。整體模型如圖5所示。

利用MATLAB的代碼優(yōu)化功能，進(jìn)行優(yōu)化類型設(shè)置，包括提高執(zhí)行效率、減少RAM、ROM使用量及執(zhí)行時(shí)間等，避免直接執(zhí)行自動(dòng)代碼生成指令時(shí)生成的代碼存在代碼冗長(zhǎng)、繁瑣、執(zhí)行效率低的問(wèn)題。

執(zhí)行自動(dòng)代碼生成操作，即可在MATLAB的當(dāng)前文件夾下生成代碼了。生成的各類文件，包括主程序、使用到的DSP相關(guān)模塊寄存器配置子程序、算法子程序、各類頭文件等均存放于文件名稱為“模型名_ticcs”的文件夾中。在CCS5.5環(huán)境中建立新的DSP工程，導(dǎo)入由MATLAB生成的控制代碼及相關(guān)頭文件，再進(jìn)行控制算法的調(diào)試驗(yàn)證。

將生成的控制代碼下載到DSP控制芯片中，連接光伏逆變器系統(tǒng)硬件平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。

基于模型設(shè)計(jì)方法完成整套光伏逆變控制系統(tǒng)從概念構(gòu)思、需求設(shè)計(jì)到代碼實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過(guò)程，縮短從仿真到編程調(diào)試的開發(fā)周期。