光伏逆變電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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)污染的綠色新能源，一種未來(lái)常規(guī)能源的替代品，尤其受到人們的重視。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，光電轉(zhuǎn)換（即光伏技術(shù)）是最有發(fā)展前途的一種。
1 系統(tǒng)的工作原理及其電路設(shè)計(jì)
光伏系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)的總體框圖
由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)包含充電和逆變兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。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。
1.1 充電控制部分
1.1.1 太陽(yáng)電池的工作特性
太陽(yáng)電池作為光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其工作特性，包括工作電壓和電流與日照、太陽(yáng)電池溫度等有著密切的關(guān)系，圖2、圖3分別給出了太陽(yáng)電池溫度在25℃時(shí)，工作電壓、電流和日照的關(guān)系曲線及太陽(yáng)電池的輸出功率和日照（S）、U之間的曲線。
從圖2可以看出，曲線上任一點(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)。由圖3進(jìn)一步可知，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，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，這樣就可以以功率盡可能小的太陽(yáng)電池獲得最多的功率輸出。在圖2和圖3中，A、B、C、D、E點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)不同日照時(shí)的最大功率點(diǎn)。
圖2 工作電壓、電流和日照關(guān)系曲線
圖3 輸出功率和日照關(guān)系曲線
1.1.2 太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）
由圖1可知，系統(tǒng)首先采用太陽(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)能儲(chǔ)存在蓄電池中。在這個(gè)過(guò)程中，通常采用自尋最優(yōu)控制方式使太陽(yáng)電池在最大功率點(diǎn)處工作。整個(gè)控制過(guò)程可以分解成兩個(gè)階段進(jìn)行：
1）確定出太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)時(shí)的輸出電壓值Uref；
2）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。
這兩個(gè)階段是由控制電路通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)電池的輸出電壓和電流，采用逐次比較法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
1.2 逆變器設(shè)計(jì)
1.2.1 逆變電路設(shè)計(jì)
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SPWM控制方式，預(yù)先將0～360°的正弦值制成表格預(yù)存在EPROM中。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，主要有單極性和雙極性?xún)煞N類(lèi)型，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。
1.2.2 控制核心
圖4是系統(tǒng)的控制框圖，控制芯片80C196MC是INTEL公司繼MCS96之后，于1992年推出的真正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發(fā)生器(WG)單元，大大簡(jiǎn)化了用于SPWM波形發(fā)生的軟件和外部硬件，從而使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。為了使輸出信號(hào)和它的互補(bǔ)信號(hào)不致同時(shí)有效，在芯片的內(nèi)部設(shè)有死區(qū)發(fā)生器電路，從而避免了同一橋臂上的IGBT上下直通，保護(hù)了IGBT。
圖4 控制框圖
1.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)壓控制
為了提供滿(mǎn)足精度要求的電壓，必須采取相應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)壓控制方法，其控制框圖見(jiàn)圖5。
圖5 系統(tǒng)穩(wěn)壓控制框圖
穩(wěn)壓控制是通過(guò)在80C196MC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)取是在中斷時(shí)完成的。其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。再者，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。所以，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。
完整的主電路拓樸結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 主電路拓樸結(jié)構(gòu)
2 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)，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)，為避免啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的峰值電流，系統(tǒng)采用軟啟動(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。
3 試驗(yàn)結(jié)果
基于上述控制思想，已成功研制出一系列大功率樣機(jī)。對(duì)于10kW的樣機(jī)，其效率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)的電壓波形分別如圖7和圖8所示。
圖7 空載時(shí)的電壓波形
圖8 帶負(fù)載時(shí)的電壓波形
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