大功率光伏逆變系統(tǒng)的研究

1引言

自上個世紀(jì)90年代以來，隨著能源消費的增長、日益惡化的生態(tài)環(huán)境和人類環(huán)保意識的提高，世界各國都在積極尋找一種可持續(xù)發(fā)展且無污染的新能源。太陽能—作為一種高效無污染的新能源，一種未來世紀(jì)常規(guī)能源的替代品，尤其受到人類的重視。太陽能的直接應(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)簡介

系統(tǒng)的總體框圖見圖1。

由圖1可知，整個系統(tǒng)主要包含兩個環(huán)節(jié)：充電環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)；并且太陽電池是本系統(tǒng)賴以工作的基礎(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)見圖2。

3?1充電控制

（1）太陽電池的特性

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

由圖3可知，曲線上任一點處的功率為P=UI，其值除和U、I有關(guān)外，還與日照（S）、太陽電池溫度等有關(guān)。圖4給出了在太陽電池溫度為25℃時，太陽電池的輸出功率和日照（S）、U之間的曲線。由于太陽電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽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電池工作在最大功率點處，以功率盡可能小的太陽電池獲得最多的功率輸出。在圖3和圖4中，對應(yīng)不同日照的最大功率點為A、B、C、D、E點。

（2）太陽電池的最大功率點跟蹤（MPPT）

圖1光伏逆變系統(tǒng)框圖

圖2主電路原理圖

圖3太陽電池工作電壓、電流與日照關(guān)系曲線

圖4太陽電池輸出功率與日照、電壓關(guān)系曲線

圖5控制框圖

由圖1可知，本系統(tǒng)首先是用太陽電池陣列對蓄電池進行充電，以化學(xué)能的形式將太陽能量儲藏在蓄電池中。在這個過程中，采用自尋最優(yōu)控制方式使太陽電池工作在最大功率點處。具體控制過程分為兩個階段：

第一階段確定出太陽電池工作在最大功率點時太陽電池的輸出電壓值Uref。

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

以上兩個階段的完成是由控制電路通過檢測太陽電池的輸出電壓和輸出電流，采用逐次比較法來實現(xiàn)的。

3.2逆變原理

（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)點于一體，具有驅(qū)動電路簡單、電壓和電流容量大、工作頻率高、開關(guān)損耗低、安全工作區(qū)大、工作可靠性高等優(yōu)點。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。由于開關(guān)模式信號是利用正弦波參考信號與一個三角載波信號互相比較來生成的，常分為單極性和雙極性兩種情況，而且在開關(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，其數(shù)據(jù)處理能力更強，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)載時輸出電壓波形

發(fā)生器(WFG)單元，大大簡化了用于SPWM波形發(fā)生軟件和外部硬件，從而使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，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和它的互補信號不可能同時有效，避免了同一橋臂上的IGBT上下直通，從而保護了IGBT。

（3）系統(tǒng)穩(wěn)壓控制

系統(tǒng)穩(wěn)壓控制框圖見圖6。

本控制過程是通過80C196MC芯片的片內(nèi)外設(shè)裝置─波形發(fā)生器(WG)產(chǎn)生中斷來實現(xiàn)的，其中反饋電壓的測取是在中斷中完成的。同時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，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，積分系數(shù)和比例系數(shù)也較小。實驗證明，這種控制方式既可保證系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，又能滿足一定的靜態(tài)穩(wěn)壓精度。

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，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，判斷有無運行信號及對各種故障的判斷。同時為避免起動時出現(xiàn)過大的峰值電流，系統(tǒng)采用軟起動方式，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)載時迅速穩(wěn)定為220V。

MPPT模塊主要是完成太陽電池的最大功率點跟蹤。

5結(jié)語

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