大功率光伏逆變系統(tǒng)的研究

1引言

自上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著能源消費(fèi)的增長(zhǎng)、日益惡化的生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的提高，世界各國(guó)都在積極尋找一種可持續(xù)發(fā)展且無(wú)污染的新能源。太陽(yáng)能—作為一種高效無(wú)污染的新能源，一種未來(lái)世紀(jì)常規(guī)能源的替代品，尤其受到人類(lèi)的重視。太陽(yáng)能的直接應(yīng)用主要有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種形式，從目前來(lái)看，光電轉(zhuǎn)換即光伏技術(shù)是其中最有發(fā)展前途的一種。

2光伏逆變系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)的總體框圖見(jiàn)圖1。

由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)主要包含兩個(gè)環(huán)節(jié)：充電環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)；并且太陽(yáng)電池是本系統(tǒng)賴(lài)以工作的基礎(chǔ)，它的效率直接決定系統(tǒng)的效率。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

主電路拓樸結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

3?1充電控制

（1）太陽(yáng)電池的特性

太陽(yáng)電池作為光伏系統(tǒng)中最基本的部分，有著獨(dú)特的工作特性，它的工作電壓與電流和日照、太陽(yáng)電池溫度等密切相關(guān)，太陽(yáng)電池溫度在25℃時(shí)工作電壓、電流和日照的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3所示。

由圖3可知，曲線(xiàn)上任一點(diǎn)處的功率為P=UI，其值除和U、I有關(guān)外，還與日照（S）、太陽(yáng)電池溫度等有關(guān)。圖4給出了在太陽(yáng)電池溫度為25℃時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出功率和日照（S）、U之間的曲線(xiàn)。由于太陽(yáng)電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽(yáng)電池面積上的功率之比，因此，為了提高本系統(tǒng)的工作效率，必須盡可能地使太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)處，以功率盡可能小的太陽(yáng)電池獲得最多的功率輸出。在圖3和圖4中，對(duì)應(yīng)不同日照的最大功率點(diǎn)為A、B、C、D、E點(diǎn)。

（2）太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

圖1光伏逆變系統(tǒng)框圖

圖2主電路原理圖

圖3太陽(yáng)電池工作電壓、電流與日照關(guān)系曲線(xiàn)

圖4太陽(yáng)電池輸出功率與日照、電壓關(guān)系曲線(xiàn)

圖5控制框圖

由圖1可知，本系統(tǒng)首先是用太陽(yáng)電池陣列對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，以化學(xué)能的形式將太陽(yáng)能量?jī)?chǔ)藏在蓄電池中。在這個(gè)過(guò)程中，采用自尋最優(yōu)控制方式使太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)處。具體控制過(guò)程分為兩個(gè)階段：

第一階段確定出太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)時(shí)太陽(yáng)電池的輸出電壓值Uref。

第二階段改變太陽(yáng)電池對(duì)蓄電池的充電電流使太陽(yáng)電池的輸出電壓穩(wěn)定在Uref。

以上兩個(gè)階段的完成是由控制電路通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)電池的輸出電壓和輸出電流，采用逐次比較法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.2逆變?cè)?

（1）逆變電路

正弦波逆變環(huán)節(jié)采用單相全橋電路，用IGBT作逆變電路的功率器件，IGBT是電壓控制型器件，它集功率MOSFET和雙極型晶體管的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、電壓和電流容量大、工作頻率高、開(kāi)關(guān)損耗低、安全工作區(qū)大、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。逆變器將蓄電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為50Hz的SPWM波，再經(jīng)過(guò)濾波電感和工頻變壓器將其轉(zhuǎn)換為220V的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓，采用這種方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能有效地抑制波形中的高次諧波成分。

逆變器的工作方式采用的是SPWM控制方式，預(yù)先將0～360°的正弦值制成表格存EPROM中。由于開(kāi)關(guān)模式信號(hào)是利用正弦波參考信號(hào)與一個(gè)三角載波信號(hào)互相比較來(lái)生成的，常分為單極性和雙極性?xún)煞N情況，而且在開(kāi)關(guān)頻率相同的情況下，由于雙極性SPWM控制產(chǎn)生的正弦波，其中的諧波含量和開(kāi)關(guān)損耗均大于單極性，故本系統(tǒng)采用的是單極性SPWM控制。

（2）控制核心

控制框圖見(jiàn)圖5。

控制芯片采用INTEL80C196MC芯片，這是INTEL公司繼MCS96之后于1992年推出的新一代真正16位單片機(jī)，其數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，指令的執(zhí)行速度更快，尤其是其內(nèi)部集成了最具特色的三相波形

圖6系統(tǒng)穩(wěn)壓控制框圖

圖7空載輸出電壓波形

圖8負(fù)載時(shí)輸出電壓波形

發(fā)生器(WFG)單元，大大簡(jiǎn)化了用于SPWM波形發(fā)生軟件和外部硬件，從而使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，并且芯片內(nèi)部的死區(qū)發(fā)生器電路能夠確保輸出信號(hào)和它的互補(bǔ)信號(hào)不可能同時(shí)有效，避免了同一橋臂上的IGBT上下直通，從而保護(hù)了IGBT。

（3）系統(tǒng)穩(wěn)壓控制

系統(tǒng)穩(wěn)壓控制框圖見(jiàn)圖6。

本控制過(guò)程是通過(guò)80C196MC芯片的片內(nèi)外設(shè)裝置─波形發(fā)生器(WG)產(chǎn)生中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中反饋電壓的測(cè)取是在中斷中完成的。同時(shí)控制方式采用反饋控制和前饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制方式。另一方面，本系統(tǒng)在常規(guī)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，提出了分段變系數(shù)PI調(diào)節(jié)器，即當(dāng)系統(tǒng)的偏差較大時(shí)，積分系數(shù)(KI)和比例系數(shù)(KP)較大；當(dāng)系統(tǒng)的偏差較小時(shí)，積分系數(shù)和比例系數(shù)也較小。實(shí)驗(yàn)證明，這種控制方式既可保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，又能滿(mǎn)足一定的靜態(tài)穩(wěn)壓精度。

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序模塊、WG模塊、PI調(diào)節(jié)模塊和MPPT模塊等。

其中主程序模塊完成系統(tǒng)的初始化，各單元賦初值，判斷有無(wú)運(yùn)行信號(hào)及對(duì)各種故障的判斷。同時(shí)為避免起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的峰值電流，系統(tǒng)采用軟起動(dòng)方式，使輸出電壓呈斜坡上升至給定值。

WG中斷模塊主要是從正弦表中取出相應(yīng)的正弦值，然后送入WG－COMPX寄存器，從而得到不同脈寬的SPWM波。

PI調(diào)節(jié)模塊主要是使系統(tǒng)輸出電壓在突加負(fù)載時(shí)迅速穩(wěn)定為220V。

MPPT模塊主要是完成太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。

5結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述控制思想開(kāi)發(fā)研制出一系列大功率樣機(jī)，其中的10kW樣機(jī)效率η≥85％，頻率精度≤0.1％,輸出電壓精度≤0.5％。其空載和帶負(fù)載時(shí)的電壓波形分別見(jiàn)圖7和圖8。