光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置研制

摘要 文中研制了一套模擬并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤、最大功率跟蹤、相位跟蹤、輸入欠壓保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、反孤島效應(yīng)等功能；采用Atmega16高速單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部集成定時(shí)、計(jì)數(shù)器功能；利用定時(shí)器T／C2的快速PWM功能，實(shí)現(xiàn)SPWM信號(hào)的產(chǎn)生；采用T／C1的輸入捕獲功能，實(shí)現(xiàn)了頻率相位監(jiān)測(cè)和跟蹤以及對(duì)失真度、輸入電壓、輸出電流等物理量的檢測(cè)與控制。
關(guān)鍵詞 并網(wǎng)發(fā)電；單片機(jī)；SPWM；DG／AC

    隨著國(guó)際工業(yè)化的進(jìn)程，全球未來(lái)能源消耗預(yù)計(jì)以3％的速度增長(zhǎng)，常規(guī)能源面臨日益枯竭的窘境。人們開(kāi)始了可再生能源與新能源技術(shù)的開(kāi)發(fā)，最具發(fā)展前景的當(dāng)屬風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電，即光伏并網(wǎng)發(fā)電。

1 整體方案設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)采用Atmega16單片機(jī)為主體控制電路，工作過(guò)程為：與基準(zhǔn)信號(hào)同頻率、同相位正弦波經(jīng)過(guò)SPWM調(diào)制后，輸出正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電胳放大，驅(qū)動(dòng)H橋功率管工作，經(jīng)過(guò)濾波器和工頻變壓器產(chǎn)生于基準(zhǔn)信號(hào)通頻率、同相位的正弦波電流。其中，過(guò)流、欠壓保護(hù)由硬件實(shí)現(xiàn)，同步信號(hào)采集、頻率的采集、控制信號(hào)的輸出等功能，均由Atmega16完成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    分為DC／AC驅(qū)動(dòng)電路、DC／AC電路和濾波電路3部分和平滑電容C1，電路原理如圖2所示。

2．1 DC—AC驅(qū)動(dòng)電路
    是由R1、R2、R3、R4、R5、R6、Q3、Q4、P3和P4組成，其中P3和P4是控制信號(hào)輸入端，R3和R4為限流電阻。集電極的電流直接影響波形上升沿的陡峭度，集電極電流越大輸出的波形越陡峭。因?yàn)镽2和R1與集電極pn節(jié)的寄生電容形成了一個(gè)RC充放電的時(shí)間常數(shù)，集電極pn結(jié)的寄生電容無(wú)法改變，只有通過(guò)改變R1和R2的值來(lái)改變時(shí)間常數(shù)，所以R1和R2值越小，Q3和Q4的集電極電流就越大；RC的充電時(shí)間常數(shù)越小，波形的上升沿越陡峭，而增加集電極電流，會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，權(quán)衡利弊選擇一個(gè)合適的值。其次，射級(jí)pn結(jié)的寄生電容也會(huì)影響Q3和Q4的關(guān)斷時(shí)間和波形上升沿的陡峭度。所以在驅(qū)動(dòng)電路中各加了一個(gè)放電回路，即拉地電阻R5和R6，R5和R6的引入，加快了Q3和Q4的關(guān)閉速度，這樣就使集電極的波形更陡峭。同樣在保證基極射極pn不損壞的條件下，基極的電流也是越大越好，但也會(huì)帶來(lái)?yè)p耗問(wèn)題，權(quán)衡利弊選擇一個(gè)合適的值。關(guān)于兩個(gè)電阻的取值，這里假設(shè)三極管的放大倍數(shù)為β，基極電流Ib，集電極電流Ic，流過(guò)R5的電流為I5，流過(guò)R3的電流為I3，R3的壓降為V3，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為V，R5的壓降為V5，有
   
    實(shí)際中R3和R5應(yīng)該比計(jì)算值小，這樣是為了讓三極管工作在飽和狀態(tài)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2．2 DC-AC電路
    是由兩只p溝道MOSFET。Q1、Q2和兩只n溝道MOSFET Q5、Q6組成。在這里沒(méi)有采用4只n溝道MOSFET，原因是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，如果采用上面的驅(qū)動(dòng)電路接近電源的兩個(gè)導(dǎo)體管不能完全導(dǎo)通，發(fā)熱量為接近地一側(cè)導(dǎo)體管4倍以上，功耗增加，所以采用對(duì)管逆變即減小了功耗，而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。通過(guò)控制4個(gè)導(dǎo)體管的開(kāi)關(guān)速度再通過(guò)低通濾波器即可實(shí)現(xiàn)DC／AC功能。
2．3 濾波電路
    兩個(gè)肖特基整流二極管1N5822為續(xù)流二極管，這里為防止產(chǎn)生負(fù)電壓，C2、C3、C4、C5、L1、L2組成低通濾波器，其中C5、C6為瓷片電容，C2、C3用電解電容，充放電電流可以流進(jìn)地，L1、L2為帶鐵芯的電感，帶鐵芯的電感對(duì)高頻的抑制比空心電感更好，電感值更高。關(guān)于參數(shù)的選取和截止頻率的計(jì)算如下
   

3 采樣電路
3．1 電流采樣電路的設(shè)計(jì)
    由于終端負(fù)載一定，所以電流采樣實(shí)際等同于一個(gè)峰值檢測(cè)的過(guò)程，此電路實(shí)際是一個(gè)峰值檢測(cè)電路，P3為信號(hào)的2個(gè)輸入端，調(diào)整R10，R11和R17、R18取值來(lái)實(shí)現(xiàn)峰值測(cè)功能，電路中的阻值并不準(zhǔn)確，需要實(shí)際中根據(jù)信號(hào)的幅值來(lái)調(diào)整R10、R11和R17、R18阻值和比值。R14、R15、R19、R20的電流為模擬比較器內(nèi)部偏置電流的10倍以上，電阻的阻值盡可能大，這樣既減小了功耗也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Y3采用模擬比較器LM393，LM393內(nèi)部為開(kāi)集電極輸出，應(yīng)用的時(shí)候輸出端要接一個(gè)上拉電阻，電路如圖3所示。

3．2 MPPT采樣電路
    在光伏系統(tǒng)中，通常要求太陽(yáng)能電池的輸出功率始終最大，系統(tǒng)要能跟蹤太陽(yáng)電池輸出的最大功率點(diǎn)。如果負(fù)載不能工作在電池提供的最大功率點(diǎn)，就不能充分利用在當(dāng)前條件下電池所能提供的最大功率。因此，必須在太陽(yáng)能電池和負(fù)載之間加入阻抗變換器，使得變換后的工作點(diǎn)正好和太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)重合，使太陽(yáng)能電池以最大功率輸出，這就是太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤。即最大功率跟蹤MPPT，是本套光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置研究的一個(gè)重要方向。由于光伏電池的最大功率輸出點(diǎn)是隨光強(qiáng)、負(fù)載和溫度變化的。為充分利用太陽(yáng)能，系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。本套光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬采用恒定電壓控制方法，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，且可以跟蹤最大功率點(diǎn)。電路的工作原理：本模塊電路的核心也是模擬比較器LM393，TL431提供7．5 V的基準(zhǔn)電壓，在這里基準(zhǔn)電壓取值建議≥7．5 V，取值可以比7．5 V稍大，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)保證流過(guò)R3、R9的電流為模擬比較器LM393偏置電流的10倍以上，R3、R9的取值盡可能大。R1、R2并聯(lián)是為了調(diào)試方便，現(xiàn)實(shí)中很難找到阻值很合適的電阻，滑動(dòng)變阻器昂貴，所以用兩個(gè)電阻并聯(lián)調(diào)試效果比較理想。假設(shè)R為R1、R2并聯(lián)值，流過(guò)R的電流為I，則有
   
    式(9)中的，可以認(rèn)為是TL431的灌電流的最小值，流過(guò)R6的電流和模擬比較器LM393的偏置電流忽略不計(jì)。R6和R13阻值選取，應(yīng)參考TL431內(nèi)部1腳的偏置電流，流過(guò)R6和R13的電流應(yīng)該10倍于TL431內(nèi)部1腳的偏置電流，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下盡量減小功耗。
    輸出用了光電耦合器U4把控制電路和主電路隔離，防止主電路干擾控制電路，R4和R5的取值太大影響穩(wěn)定性，取值太小則使流過(guò)R4、R5的電流大功耗增加甚至損壞器件。
    模擬比較器LM393的正相輸入端3腳位固定電壓7．5 V，正常狀態(tài)下PD4采集到的為高電平，當(dāng)2腳的電壓高于7．5 V時(shí)輸出端1腳輸出低電平，光耦導(dǎo)通，PD4采集到的為低電平開(kāi)始處理SPWM信號(hào)調(diào)整輸出阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)恒電壓跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。電路如圖4所示。

3．3 欠壓采樣電路設(shè)計(jì)
    如圖5與圖4電路相似，模擬比較器的反相輸入端為基準(zhǔn)電壓7．5 V，而R22換成電位器，目的是為了便于調(diào)整使本裝置適用于不同欠壓值控制。輸出采用光電耦合器U4把控制電路和主電路隔離，防止主電路干擾控制電路，R22、R24的取值太大影響穩(wěn)定性，取值太小則使流過(guò)R22、R24的電流大功耗增加甚至損壞器件，R21、R23的取值大小參見(jiàn)4N25的輸入輸出特性曲線(xiàn)。
    模擬比較器LM393的反相輸入端6腳位固定電壓7．5 V，正常狀態(tài)下欠壓采樣輸出為高電平，當(dāng)5腳電壓<7．5 V時(shí)，輸出端7腳輸出為低電平，光耦導(dǎo)通，欠壓輸出端采集到的低電平欠壓保護(hù)電路開(kāi)始工作，切斷主電路供電，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。

4 欠壓過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
    電路如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，此過(guò)流保護(hù)的輸入端過(guò)流信號(hào)和欠壓即CD4011的1腳和2腳，檢測(cè)到的信號(hào)都是高電平，C04011的3腳輸出低電平，經(jīng)過(guò)U10B和U10C兩級(jí)反相最終CD4011的10腳輸出低電平，三極管2N3904截止，繼電器常閉端處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)輸出流過(guò)負(fù)載的電流過(guò)大或者輸入電壓不足時(shí)低電平觸發(fā)CD4011的1腳2腳，這時(shí)候3腳輸出高電平，電容C10充電經(jīng)過(guò)U10B和U10C兩級(jí)反相后10腳輸出高電平，三極管2N3904導(dǎo)通，繼電器的常閉端斷開(kāi)，主電路停止供電，處于保護(hù)狀態(tài)。由于主電路電源被切斷U10A的輸入端檢測(cè)到高電平，3腳輸出低電平，由于CD4011的高輸入阻抗和開(kāi)關(guān)二極管D6單向?qū)ㄗ饔?，C10的電荷只能通過(guò)R27釋放，當(dāng)U10B的輸入端電位低于門(mén)限電壓，經(jīng)過(guò)U10B和U10C兩級(jí)反相后，三極管2N3904關(guān)閉，主電路開(kāi)始供電。這樣實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)過(guò)流、欠壓故障排除后，裝置自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)。

    此部分電路的設(shè)計(jì)采用雙輸入四與非門(mén)CD4011做反相器、開(kāi)關(guān)二極管D6、電阻R27、電解電容C10、三極管2N3904和繼電器。R26的選取由繼電器的驅(qū)動(dòng)電流和2N3904的放大倍數(shù)β來(lái)決定，過(guò)小則增加功耗，過(guò)大則不能驅(qū)動(dòng)繼電器。R27和C10的放電時(shí)間就是系統(tǒng)過(guò)流欠壓保護(hù)后檢測(cè)的間隔時(shí)間。時(shí)間T=2×R27×C10。

5 結(jié)束語(yǔ)
    光伏并網(wǎng)發(fā)電是一個(gè)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和材料科學(xué)等綜合性學(xué)科的技術(shù)。光伏并網(wǎng)發(fā)電有廣闊的發(fā)展前景，而太陽(yáng)能利用將為環(huán)保事業(yè)、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴(lài)做出巨大貢獻(xiàn)。隨著風(fēng)電機(jī)組制造成本的不斷降低，化石燃料的逐步減少及其開(kāi)采成本的增加，將使風(fēng)電逐步增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。