500W光伏并網(wǎng)逆變器方案設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。根據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套額定功率為500W的光伏并網(wǎng)逆變器,該并網(wǎng)逆變器能實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和反孤島效應(yīng)控制功能,控制部分采用基于TMS320F240型DSP的電流跟蹤控制策略,實(shí)現(xiàn)了與網(wǎng)壓同步的正弦電流輸出。

    關(guān)鍵詞：太陽能;光伏系統(tǒng);最大功率點(diǎn)跟蹤;孤島效應(yīng);并網(wǎng)逆變器

    1 引言

　　太陽能的大規(guī)模應(yīng)用將是21世紀(jì)人類社會進(jìn)步的重要標(biāo)志,而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是不用蓄電池儲能,因而節(jié)省了投資,系統(tǒng)簡化且易于維護(hù)。這類光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要用于調(diào)峰光伏電站和屋頂光伏系統(tǒng)。目前,美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國家都推出了相應(yīng)的屋頂光伏計(jì)劃,日本提出到2010年要累計(jì)安裝總?cè)萘窟_(dá)50 000MW的家用光伏發(fā)電站。作為屋頂光伏系統(tǒng)的核心,并網(wǎng)逆變器的開發(fā)越來越受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注[1]。

    2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏并網(wǎng)逆變器主要由二部分組成：前級DC-DC變換器和后級DC-AC逆變器。這2部分通過DClink相連接,DClink的電壓為400V。在本系統(tǒng)中,太陽能電池板輸出的額定直流電壓為100V～170V。DC—DC變換器采用boost結(jié)構(gòu),DC—AC部分采用全橋逆變器,控制電路的核心是TMS320F240型DSP。其中DC-DC變換器完成最大功率跟蹤控制(MPPT)功能,DC-AC逆變器維持DClink中間電壓穩(wěn)定并將電能轉(zhuǎn)換成220V／50Hz的正弦交流電。系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同頻和同相。 

    2.2 控制電路設(shè)計(jì)

    2.2.1 TMS320F240控制板

　　TMS320F240控制板如圖2所示,以TI公司的TMS320F240型DSP為核心,外圍輔以模擬信號調(diào)理電路、CPLD、數(shù)碼管及DA顯示、通信及串行E2PROM,完成電壓和電流信號的采樣、PWM脈沖的產(chǎn)生、與上位機(jī)的通信和故障保護(hù)等功能。

   
 2.2.2 電壓和電流信號檢測電路

    模擬信號檢測電路的功能是把強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換為DSP可以讀取的弱電數(shù)字信號,同時要保證強(qiáng)電和弱電的隔離。筆者選用惠普公司的HCPL7800A型光電耦合器,其非線性度為0.004％,共模電壓為l 000V時的共模抑制能力為15kV／lμs,增益溫漂為0.000 25V／℃,帶寬為100kHz。具體隔離檢測電路如圖3所示。

    2.2.3 IGBT驅(qū)動電路

　　DSP控制電路產(chǎn)生的PWM信號先通過驅(qū)動電路,然后控制IGBT開關(guān)管的開通狀態(tài)。筆者選用惠普公司的HCPL3120型專用IGBT驅(qū)動電路,如圖4所示。驅(qū)動電路的輸入和輸出是相互隔離的,驅(qū)動電路還有電平轉(zhuǎn)換功能,將DSP的+5V控制電壓轉(zhuǎn)換為+15V的IGBT驅(qū)動電壓,驅(qū)動電路電源采用金升陽公司的B0515型隔離電源模塊。

    2.2.4 輔助電源

　　為了給光伏并網(wǎng)逆變器的控制電路、信號采集電路及開關(guān)管驅(qū)動電路等提供各種工作電源,需要設(shè)計(jì)1個與主電路隔離的輔助電源。輔助電源的輸入電壓為100VDC～170VDC;輸出的3路電壓分別為+15VDC(2.5W)、-15VDC(2.5W)和+5VDC(5W);輸出電壓波動小于1％。筆者采用最新的Topswitch系列FOP222型電路進(jìn)行輔助電源的設(shè)計(jì)[3]。輔助電源主電路采用單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖5所示。

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    3 最大功率跟蹤控制MPPT

　　MPPT的實(shí)質(zhì)是一種自尋優(yōu)過程[4],常用的方法有固定電壓跟蹤法、擾動觀測法、導(dǎo)納微增法和間歇掃描跟蹤法。筆者采用的是間歇掃描跟蹤法。其核心思想是定時掃描一段(一般為0.5倍～0.9倍的開路電壓1陣列電壓,同時記錄不同電壓下對應(yīng)的陣列輸出功率值,然后比較不同點(diǎn)太陽電池陣列的輸出功率,得出最大功率點(diǎn)。筆者對間歇掃描法進(jìn)行了改進(jìn),即在較短時間間隔內(nèi)只在縮小的跟蹤范圍內(nèi)(Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc)掃描1次。其中Vm和Voc分別是太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)工作電壓和陣列開路電壓。每隔一段較長時間后再在整個跟蹤范圍內(nèi)對各工作點(diǎn)掃描1次。

　　改進(jìn)后的間歇掃描法控制既保持了跟蹤的控制精度又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

    4 反孤島效應(yīng)控制方法

    孤島效應(yīng)是指由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網(wǎng)中斷供電時各個用戶端的太陽能光伏并網(wǎng)逆變器仍獨(dú)立運(yùn)行的現(xiàn)象。一般來說,孤島效應(yīng)可能對整個配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶的設(shè)備造成不利的影響,包括并網(wǎng)逆變器持續(xù)供電可能危機(jī)電網(wǎng)線路維護(hù)人員的生命安全：干擾電網(wǎng)的正常合閘過程：電網(wǎng)不能控制孤島中的電壓和頻率?？赡茉斐捎脩粲秒娫O(shè)備的損壞[5]。因此解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島問題顯得尤為重要。

　　筆者提出了一種正反饋頻率擾動的反孤島檢測方法。該方法的主要思想是首先判斷當(dāng)前電網(wǎng)電壓頻率的漂移方向,然后周期性地對輸出電流頻率施以相應(yīng)的擾動。同時觀測實(shí)際輸出電流頻率。當(dāng)輸出電流頻率跟隨擾動信號變化即輸出電流頻率可由并網(wǎng)逆變器控制時,就成倍增加擾動量。以達(dá)到使輸出電流頻率快速變化而觸發(fā)反孤島頻率檢測的目的。

    5 實(shí)驗(yàn)

    筆者對500W光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了測試。采用8塊額定功率為50W的多晶硅太陽電池陣列串連,輸入電壓為100VDC-170VDC,輸出電壓為220VAC,輸出頻率為50Hz。輸入側(cè)分別用安培表和伏特表測量太陽電池的輸入電壓和電流,輸出側(cè)采用FLUKE 43B型電能質(zhì)量分析儀檢測并網(wǎng)逆變器輸出交流電壓和電流的參數(shù)和波形。由于輸出交流電流值太小,因此采用在電流探頭上繞8匝后測量。

　　測試結(jié)果是太陽電池的輸出電壓基本在122V左右,輸出電流為2A,輸出功率為244W。由測試結(jié)果可以看出。逆變器的輸出電壓為230.9V,輸出功率為1.45kW／8=181.2W,所以逆變器的效率為0.74,逆變器的效率包括DC-DC變換和DC-AC變換及輔助電源的總效率。逆變器輸出功率因數(shù)為0.97,基本保持與網(wǎng)壓同頻和同相。輸出電流的基波分量占電流總量的99.6％,輸出的電能質(zhì)量是令人滿意的。

    6 結(jié)束語

    由實(shí)驗(yàn)波形可以看出,所設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)逆變器工作穩(wěn)定。性能良好。由于采用了以TMS320F240型：DSP為主的控制電路,系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性。采用了具有最大功率跟蹤和反孤島控制功能的軟件設(shè)計(jì),因而能充分利用太陽能電池的能源且能檢測孤島效應(yīng)的發(fā)生。