- 太陽能光伏發電系統簡介
- 500W 微網逆變器電路設計
- 軟件設計和測試結果
0 摘要
在20 世紀的世界能源結構中，人類所利用的能源主要是石油、天然氣和煤炭等一次性能源。隨著經濟的發展、人口的增加和社會生活水平的提高，能源消費量日益增長， 世界上已經出現了能源危機。世界各國都在積極尋找一種可持續發展且無污染的新能源，其中太陽能作為一種高效無污染且可持續發展的新能源，尤其受到廣泛的重 視。太陽能光伏利用的主要形式為太陽能光伏并網系統，在此背景下，本文在太陽能光伏并網系統的硬件設計、控制算法研究、系統仿真等方面進行了深入探索。
本文在充分分析近年來光伏發電領域重要研究成果的基礎上，設計了一套三相光伏發電并網系統，對系統的拓撲結構、控制電路給出了詳細的設計要點。以DSP TMS320F2812 為控制核心，實現了電路保護、數據采集、參數設置等功能，為各種光伏并網控制算法提供了靈活可靠的硬件平臺。在軟件方面介紹了SPWM 的控制算法，在分析現有最大功率跟蹤(MPPT)方法的基礎上，對現有方法進行了改進，把模糊控制引入到最大功率跟蹤中，并給出了模糊控制規則庫另外分析 了并網中存在的孤島效應問題，并改進了現有解決方法。
隨著人類社會的發展，能源的消耗量正在不斷增加，世界上的化石能源總有一天將達到極限。同時，由于大量燃燒礦物能源，全球的生態環境日益惡化，對人類的生 存和發展構成了很大的威脅。在這樣的背景下，太陽能作為一種巨量的可再生能源，引起了人們的重視，各國政府正在逐步推動太陽能光伏發電產業的發展。而在我 國，光伏系統的應用還剛剛起步，市場狀況尚不明朗。相信作為當今發展最迅速的高新技術之一，太陽能光伏發電技術，特別是光伏并網發電技術將為今后的電力工 業以及能源結構帶來新的變化。
太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來，隨著科學技術的不斷進步，太陽能及其相關產業成為世界發展最快的行業之一。因為它具有以下的特點:儲量豐富；清潔性和經濟性；分布范圍廣泛。
這些技術尤其在我國的北方和西部應用較廣并且成效顯著。以光伏電池技術為核心的光伏利用成為太陽能開發利用中最重要的應用領域，利用光伏發電，具有明顯的優點:
(l)結構簡單，體積小且輕。
(2)容易安裝運輸，建設周期短。
(3)維護簡單，使用方便。
(4)清潔、安全、無噪聲。
(5)可靠性高，壽命長，并且應用范圍廣。
2 太陽能光伏發電系統
2.1 光伏發電系統的分類
太陽能光伏發電系統按供電方式大致可以分為獨立發電系統、并網發電系統和混合發電系統三大類。
2.2 500W 微網逆變器系統設計
微網逆變器系統將可再生能源（如太陽能，風能，水能，地熱能，生物質能等）轉變為與電網同頻、同相的交流電，優先輸送給當地負荷供電，剩余的電能饋入電網。微網逆變器系統主要包括：光伏組件，蓄電池組，蓄電池充放電設備，DC/DC 變換器，微網逆變器，靜態開關等。
2.2.1 500W 微網逆變器系統結構圖
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2.2.2 微網逆變器設計
微網逆變器是微網逆變器系統中的關鍵部分。微網逆變器輸出為三相交流電，具有并網和獨立運行兩種工作模式。微網逆變器主電路采用智能功率模塊進行逆變，產生三相交流電通過三相變壓器
（Y ）進行隔離升壓，并變成三相四線輸出。
2.2.3 靜態開關和電能計量設計
靜態開關是微網逆變器系統中的重要組成部分。靜態開關由三組雙向可控硅、兩個空氣開關以及一個斷路器組成，其閉合和斷開的驅動信號由DSP 產生。
正常工作時，開關Switch1、Switch2、Switch3、Switch4 同時閉合，為當地負荷提供電能；當電網缺相、電壓嚴重跌落等非正常狀況時，由DSP 檢測出異常情況，做出判斷決策，并控制開關的開通與關斷。這時，開通Switch1 和Switch2，關斷Switch3，保證重要負荷的供電。當逆變器發生故障時，立即斷開Switch1，逆變器退出，同時斷開Switch4，由電網 對重要負荷供電。當逆變器故障消失時，再與電網同步后，開通Switch1，在閉合Switch4。恢復對當地負荷的供電。當需要檢修逆變器時，先斷開開 關Switch2，檢修完成后，重新閉合Switch2。
2.2.4 DC/DC 變換器方案設計
DC/DC 變換器采用Boost 拓撲，實現直流電壓的升壓功能和蓄電池的最大功率點跟蹤（MPPT）。PWM驅動信號由DSP 產生，通過采集太陽能電池板的輸出電壓和電流，計算瞬時輸出功率，不斷與前一時刻的輸出功率相比較，來跟蹤太陽能電池板的最大輸出功率。
2.2.5 蓄電池充放電設備設計
蓄電池充放電設備的硬件電路采用Buck-Boost 拓撲，驅動信號由PIC 單片機產生。充電時根據當前蓄電池狀態，啟用均充模式或者浮充模式，實現對蓄電池的智能化充電。當系統需要蓄電池放電時，由PIC 單片機產生PWM 驅動脈沖，實現蓄電池對負載的放電。
2.3 光伏并網系統逆變器要求
并網光伏發電系統的核心是并網逆變器，而此系統中需要專用的逆變器，以保證輸出的電力滿足電網電力對電壓、頻率等電性能指標的要求。因此并網時，對逆變器提出了較高的要求，主要有:
(1)要求逆變器輸出正弦波電流；
(2)要求逆變器在負載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行；
(3)要求逆變器能使光伏方陣工作在最大功率點；
(4)要求逆變器具有體積小、可靠性高的特點；
(5)可以在市電斷電情況下逆變器在日照時能夠單獨供電。
2.4 光伏并網系統的拓撲結構
光伏并網系統的拓撲結構可分為以下三類：
(1)單級式并網逆變器拓撲；
(2)兩級式并網逆變器拓撲；
(3)多級式并網逆變器拓撲。
3 500W 微網逆變器電路設計
系統的硬件總體圖如下：
3.1 主控制芯片的選擇
控制芯片要實現的功能有:對檢測信號進行A/D 轉換；產生PWM 波形；完成MPPT；電能計量和反孤島效應的計算過程。控制電路的核心器件采用美國 TI 公司的TMS320F2812DSP(簡稱2812)。
3.2 逆變器的設計
逆變器是光伏并網發電系統的核心部件，選擇高可靠性的逆變模塊是電路正常工作的必要條件。下面對IPM（智能功率模塊）組成逆變器和分離元件組成逆變器進行分別闡述。
3.2.1 IPM 逆變模塊介紹
IPM 是一種先進的功率開關器件，具有GTR (大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓特點，并具有MOSFET(場效應晶體管)高輸入阻抗高開關頻率和低驅動功率等優點。IPM 內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，不僅減小了系統的體積以及開發時間，也增強了系統的可靠性。
3.2.2 IPM 逆變模塊保護電路設計
IPM 故障輸出信號封鎖IPM 的控制信號通道，軟件保護不需要增加硬件，簡便易行，但可能受到軟件設計和計算機故障的影響；硬件保護則反應迅速，工作可靠。應用中軟件與硬件結合的方法能更好的彌補IPM 自身保護的不足，提高系統的可靠性。
3.2.3 由IR2130 組成逆變模塊電路設計
IR2130 是600V 以下高壓集成驅動器件，它具有六路輸入信號和六路輸出信號，且只需一個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6 個功率開關器件，一片IR2130 可替代3 片IR2110,使整個驅動電路更加簡單可靠。[page]
3.3 微網逆變器電源設計
微網逆變器電源系統直接影響逆變器輸出的輸出的三相交流電，整個系統的穩定性，所以一個穩定的電壓系統是逆變器穩定工作又一必要條件。對于蓄電池供電的電 源系統需要高效率，低紋波。下面分別闡述由外部220V 供電和蓄電池供電的電源設計。對于實驗時，可以先用外部220V 供電的電源系統，對于實驗完畢成為產品，為了簡化電路，需用內部只帶蓄電池供電。
3.4 微網逆變器信號調理電路設計
由于DSP 不能輸入負電壓，故逆變器的輸出線電壓和線電流，電網端的線電壓和線電流總共12 路信號要通過信號調理才能送入DSP。
3.4.1 電壓互感器的選擇
此系統輸出是三相交流電，輸出線電壓為380V，故選擇TV19E 電壓互感器，其輸出負載電阻可以接0～500 歐，輸出交流電壓0～2.5V，此系統采用240 歐的電阻，輸出電壓-1.2V～1.2V。滿足DSP 的輸入要求。電路如圖3.5 所示。
3.4.2 電流互感器的選擇
此系統輸出電流小于1A，故選擇最大可以測量1A 的電壓型電流互感器TA1410，負載電阻用是200歐，輸出電壓為-1～1V 的交流電壓。電路如圖3.6 所示。
3.4.3 電平提升電路的設計
由于DSP 輸入端不能輸入負電平，故要對電壓互感器和電流互感器的信號進行+1.25V 的提升，使輸入信號在0～3.3V 之間。
3.5 微網逆變器開關驅動電路設計
為了實現微網逆變器、負載、電網間的連接，當電路出現故障，需要快速的切換，故電路中使用了靜態開關（晶閘管），交流接觸器，空氣開關。
3.6 微網逆變器電能計量電路設計
本系統采用兩塊ATT7022B 分別對逆變器側和電網側進行電能計量ATT7022B 是一款高精度三相電能專用計量芯片，集成了6 路差分輸入二階 sigma-delta ADC，適用于三相三線和三相四線應用，在輸入動態工作范圍(1000：1)內非線性測量誤差小于0.1％。主要功能包括：電能計量、參數測量、數字接 口和數字校準。
3.7 微網逆變器DC-DC 電路設計
為了輸入實現MPPT，輸入DC-DC 采用BOOST 電路。采用SG3525 作為主控芯片。
3.8 微網逆變器蓄電池充放電電路設計
智能充放電器采用升降壓拓撲結構，并用PIC 單片機進行智能控制，電路既包括智能充電電路，也包括智能發電電路。
3.9 微網逆變器變壓器設計
本系統逆變其輸出三相交流電線電壓為190V，結果三相升壓變壓器（變比1:2）升壓到380V，并采用△-Ｙ接法，功率500W。此變壓器起升壓作用，另外起隔離作用。
4 軟件設計和測試結果
根據前面分析討論，研制一套基于TI 公司的DSP 芯片TMS320LF2812 的500W 光伏并網發電裝置，由于DSP 強大的控制能力和數據處理能力，使整機硬件結構較為簡單，除了主電路、取樣檢測電路和驅動電路外，所有的運算、數據處理均由DSP 完成。因此合理有效的控制策略和簡潔軟件構架是該系統可靠運行的有力保證。根據前面的分析和光伏并網發電系統的基本要求，DSP 應該完成最大功率點跟蹤控制、獨立供電運行控制、同步鎖相與并網控制、孤島檢測保護控制及相應的其它保護。本章主要根據上述要求給出相應的軟件架構及主要 實驗結果。
4.1 系統的整體軟件構架
微網逆變光伏發電系統的目的是將光伏器件產生的電能優先供給本地負載使用，多余的電量回饋給電網，軟件的設計不僅要準確可靠地體現控制思想，而且要保證系統穩定可靠，防止干擾信號對系統的影響。
4.2 同步鎖相控制
光伏并網發電系統要實現并網，必須使逆變輸出與電網電壓的幅度、相位與頻率達到一致，否則將會使電網諧波增加、電能質量下降，并產生并網環流，甚至造成光 伏發電系統的損壞。因此在并網過程中必須進行同步鎖相控制、輸出電壓幅度控制以滿足并網的要求。根據IEEE Std 1547-2003 規定最大相位誤差為20 度，瞬時電壓誤差不能超過電網電壓的10%、最大頻率誤差不能超過0.3Hz。圖片4-1為獨立工作模式時純電阻負載兩端的電壓波形。
4.3 孤島檢測與保護
孤島效應是包括光伏發電在內的分布式能源必須重視的一個重要問題。所謂孤島效應(Islanding)是指在分布式能源系統逆變器并網工作過程中，當市電輸入被人為斷開或出現故障而停止供電時，逆變器仍持續向局部電網供電從而使本地負載的供電電源繼續處于工作狀態。
