500W光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

摘要：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。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(huì)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(shì)。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(chǔ)能，因而節(jié)省了投資，系統(tǒng)簡(jiǎn)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(guó)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(jí)DC-DC變換器和后級(jí)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(hào)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(hào)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(hào)檢測(cè)電路
    模擬信號(hào)檢測(cè)電路的功能是把強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為DSP可以讀取的弱電數(shù)字信號(hào)，同時(shí)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(shí)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(cè)電路如圖3所示。  

2.2.3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路
　　DSP控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)先通過驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電路的輸入和輸出是相互隔離的，驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)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(hào)采集電路及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路等提供各種工作電源，需要設(shè)計(jì)1個(gè)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(dòng)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。  

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(dòng)觀測(cè)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(shí)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(shí)記錄不同電壓下對(duì)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(duì)間歇掃描法進(jìn)行了改進(jìn)，即在較短時(shí)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(zhǎng)時(shí)間后再在整個(gè)跟蹤范圍內(nèi)對(duì)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(shí)各個(gè)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(duì)整個(gè)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(dòng)的反孤島檢測(cè)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(duì)輸出電流頻率施以相應(yīng)的擾動(dòng)。同時(shí)觀測(cè)實(shí)際輸出電流頻率。當(dāng)輸出電流頻率跟隨擾動(dòng)信號(hào)變化即輸出電流頻率可由并網(wǎng)逆變器控制時(shí)，就成倍增加擾動(dòng)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(cè)的目的。

5 實(shí)驗(yàn)
    筆者對(duì)500W光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量。

　　測(cè)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(cè)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(dòng)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(cè)孤島效應(yīng)的發(fā)生。