戶用多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計

摘要：本文針對戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點和要求進行了系統(tǒng)的研究與設(shè)計。將獨立逆變與并網(wǎng)逆變相結(jié)合，使系統(tǒng)既可以工作在獨立逆變狀態(tài)， 將儲存在蓄電池組中的能量直接逆變?yōu)檎医涣麟姙樨?fù)載供電， 也可以工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)， 將太陽能量直接回饋到電網(wǎng)或者將儲存在蓄電池中的多余能量回饋到電網(wǎng)。系統(tǒng)采用32位DSP芯片TMS320F2812構(gòu)成控制核心，利用單片機PIC16F877A構(gòu)成系統(tǒng)的人機界面。設(shè)計的系統(tǒng)具有完善的保護功能、鍵盤通訊和液晶顯示功能， 為家庭使用提供了方便。實驗結(jié)果驗證了方案的可行性。 敘詞：光伏發(fā)電 獨立逆變 并網(wǎng)逆變 人機界面 Abstract：This paper provides system research on and design of photovoltaic power generation system. It combines independent inverter and grid-connected inverter, so that the system can function under independent inverter condition, which inverts directly power in the battery into sinusoidal AC power to load power, and it also can function under grid-connected condition, which can turn solar power into the grid or turn surplus power in battery to the grid. The system adopts 32 digits DSP chip TMS320F2812 as its control center, and applies SCM PIC16F877A as its human-machine interface. The system has complete protection function, keyboard communications and LCD, which makes it convenient for household use. Lab experiments prove the feasibility of the scheme. Keyword：Photovoltaic Power Generation, Independent Inverter, Grid-connected Inverter, Human-machine Interface
1 引言

隨著環(huán)境污染、生態(tài)破壞及資源枯竭的日趨嚴(yán)重，近年來世界各國競相實施可持續(xù)發(fā)展的能源政策，其中利用太陽能電池發(fā)電最受矚目。由于太陽能電池發(fā)電具有安全可靠，無污染、無需消耗燃料、無機械轉(zhuǎn)動部件，故障率低，維護方便等獨特優(yōu)點，尤其是可與建筑物相結(jié)合，構(gòu)成光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)，因此受到各國高度重視和加強[5]。而隨著應(yīng)用的普及，家用光伏發(fā)電裝置相應(yīng)的也將會越來越多，家用光伏發(fā)電裝置既要滿足用戶的需求，又要有可靠性和安全性?；诖?，本文針對獨立與并網(wǎng)的雙重功能進行了研究與設(shè)計，實驗結(jié)果證明了設(shè)計方案的可行性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

逆變系統(tǒng)是將直流電變換成交流電，其核心是逆變電路，即通過電力電子器件的開通與關(guān)斷，完成逆變功能。電力電子器件的開通與關(guān)斷需要合適的控制信號。根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，本文所設(shè)計的逆變系統(tǒng)主要由主電路、控制電路、保護電路、通訊電路、輔助電源、輸入濾波、輸出濾波等幾部分組成。逆變系統(tǒng)采用的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，控制核心選用TI公司TMS320F2812 DSP芯片。

3 主電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

逆變器的主電路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，根據(jù)本系統(tǒng)的控制目標(biāo)，采用單相全橋型帶有工頻隔離變壓器的主電路結(jié)構(gòu)，輸入端加入了防反二極管與限流電阻，主電路原理圖如圖2所示。

當(dāng)工作在獨立逆變模式的時候，采用LC濾波；當(dāng)逆變器工作在并網(wǎng)模式的時候，為了減少電容濾波對相位的影響采用L濾波，將電容C通過開關(guān)斷開。

考慮到容量與頻率等因素，系統(tǒng)主電路的開關(guān)管選擇電力MOSFET。其中，濾波電感的選擇要盡可能濾除調(diào)制波的高次諧波分量，提高輸出波形質(zhì)量，濾波電感的高頻阻抗與濾波電容的高頻阻抗相比不能過低，即濾波電感的感值不能太小。為滿足輸出波形質(zhì)量，要求一個采樣周期中，電感電流的最大變化量小于允許的電感電流紋波△ILfmax。濾波電容的作用是和濾波電感一起濾除輸出電壓中的高次諧波，從而改善輸出電壓的波形，濾波電容越大輸出電壓的THD值越小。然而從電路來看，在輸出電壓不變的情況下，增大濾波電容會使濾波電容的電流增加，逆變器的無功能量增大，損耗增加，效率降低，因此，濾波電容又不宜太大。所以，濾波電容的選取原則是在保證輸出電壓的THD值滿足要求的情況下，取值盡量小。同時應(yīng)盡可能使用高頻特性較好、損耗較小的CBB電容[4]。本文設(shè)計的逆變器的功率器件開關(guān)頻率為15kHz，設(shè)計截止頻率fC為2kHz?？紤]到系統(tǒng)裕量，經(jīng)計算與綜合考慮，選擇濾波電感9mH，濾波電容3μF。

4 控制電路結(jié)構(gòu)及控制策略

控制電路主要包含：信號檢測電路，驅(qū)動電路，保護電路，通訊電路四個部分，如圖3所示。

控制策略主要采用PI控制。其中，獨立逆變采用電壓平均值外環(huán)和電壓瞬時值內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方案，實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出；并網(wǎng)逆變采用CVT型最大功率點跟蹤，通過電壓的實時跟蹤產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的參考電流，電流內(nèi)環(huán)采用瞬時值反饋實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的跟蹤控制，實現(xiàn)太陽能量饋入電網(wǎng)。

4.1獨立逆變控制

獨立逆變采用電壓平均值外環(huán)、電壓瞬時值內(nèi)環(huán)反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制框圖如圖4所示。其中，電壓平均值外環(huán)調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)，電壓瞬時值內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器為P調(diào)節(jié)。輸出電壓平均值反饋值Uf和電壓給定信號Ug的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器形成電壓內(nèi)環(huán)的幅值給定，然后乘以離散的正弦表格數(shù)據(jù)，形成離散的正弦電壓信號作為電壓瞬時值內(nèi)環(huán)的給定，電壓瞬時值給定值與反饋值的誤差信號再經(jīng)過P調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM控制信號，將此信號寫入到DSP內(nèi)部的比較寄存器CMPR1、CMPR2，與三角載波比較后產(chǎn)生4路PWM1~ PWM4開關(guān)信號，控制主電路中功率器件的通斷。產(chǎn)生的高頻SPWM信號經(jīng)過輸出LC濾波器濾波后產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波輸出電壓，然后經(jīng)升壓變壓器升壓至220V/50Hz，保證了輸出電壓的穩(wěn)定。

4 獨立逆變控制框圖

4.2 并網(wǎng)逆變控制

（1）太陽能光伏并網(wǎng)

并網(wǎng)逆變采用直流電壓外環(huán)、并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制策略。其中，直流電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)太陽能光伏組件的最大功率點跟蹤，其輸出為并網(wǎng)電流的幅值給定。系統(tǒng)首先檢測電網(wǎng)電壓頻率、相位，經(jīng)過鎖相環(huán)節(jié)使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位，并網(wǎng)電流給定值乘以離散的正弦表格數(shù)據(jù)作為并網(wǎng)電流給定值 ，電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器。將P調(diào)節(jié)器的輸出值寫入CMPR1、CMPR2，與三角載波比較后產(chǎn)生4路PWM1~PWM4信號，控制主電路中功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，產(chǎn)生的高頻SPWM信號經(jīng)過電感L濾波后產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦并網(wǎng)電流，經(jīng)電感L濾波后向電網(wǎng)輸入同頻同壓的并網(wǎng)電流，并網(wǎng)逆變控制框圖如圖5所示。

（2）蓄電池并網(wǎng)

為了將蓄電池中多余的能量回饋到電網(wǎng)，必須使系統(tǒng)工作在蓄電池并網(wǎng)狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，并網(wǎng)電流大小是由蓄電池的放電曲線決定的[8]。為了合理保護蓄電池，防止放電電流過大和蓄電池過放，本文通過實時采樣蓄電池的端電壓和放電電流，將蓄電池能量回饋到電網(wǎng)。蓄電池并網(wǎng)控制框圖見圖6所示。

5 通訊部分

通訊部分主要是完成系統(tǒng)的狀態(tài)顯示與參數(shù)設(shè)定，本系統(tǒng)中上位機采用Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機PIC16F877A，它與TMS320F2812的串口通訊采用RS-485通信協(xié)議，通過兩個MAX485芯片來實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交換，通訊原理示意圖如圖7所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括四個部分：主程序，定時器中斷程序，捕捉中斷程序，功率保護中斷程序。其中，主程序主要是檢測裝置的運行狀態(tài)是否正常及上位機發(fā)來的命令，同時等待中斷的到來；定時器中斷主要是完成AD檢測及SPWM的產(chǎn)生；捕捉中斷主要是完成并網(wǎng)逆變中的鎖相目的，保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同步。

7 實驗結(jié)果與結(jié)論

逆變器處于獨立逆變時，帶電阻性負(fù)載，輸出功率約為210W，逆變器輸出電壓、電流波形如圖8所示。逆變器處于并網(wǎng)模式工作時，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形如圖9所示，圖中紫色為電網(wǎng)電壓波形，綠色為并網(wǎng)電流波形，兩者同頻同相，實現(xiàn)了并網(wǎng)的單位功率因數(shù)。

由圖8可知，逆變器工作在獨立逆變狀態(tài)時，可以輸出理想的正弦電壓波形；從圖9可知，逆變器并網(wǎng)時的輸出電流與電網(wǎng)電壓基本同頻同相，實現(xiàn)了并網(wǎng)時的單位功率因數(shù)。

附注

安徽省科技廳年度重點計劃項目：家庭太陽能光伏電源的應(yīng)用開發(fā)（06022010）；

國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：50707003）。
參考文獻

[1] 王兆安等. 電力電子技術(shù)[M]. 機械工業(yè)出版社, 2002.

[2] 陳道煉. DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 機械工業(yè)出版社, 2005.

[3] 李學(xué)海. PIC單片機實用教程- 基礎(chǔ)篇[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.01.

[4] 張占松. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M]. 電子工業(yè)出版社, 2004.

[5] 趙為. 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究. 合肥工業(yè)大學(xué)博士論文, 2003.

[6] A.K. Mukerjee, Nivedita Dasgupta.DC power supply used as photovoltaic simulator for

testing MPPT algorithms[J]. Renewable Energy 32 (2007) 587–592.

[7] Zheng shicheng, Liu We. Research and implementation of photovoltaic charging system

with maximum power point tracking[C]. ICIEA2008.

[8] 歐陽名三, 余世杰等. 一種太陽能電池 MPPT 控制器實現(xiàn)及測試方法的研究[M]. 電子測量與儀器學(xué)報, 18(2): 30~34.

作者簡介

鄭詩程，男，1972年生，博士，副教授，研究方向新能源發(fā)電技術(shù)、電力電子功率變換技術(shù)。

張高玉，女，1985年生，碩士研究生。

劉 偉，男，1982年生，碩士研究生?！?/p>