基于UC1825控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉龍，周文華，劉建華

（1. 江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，南昌 330100；2. 蘇州職業(yè)大學(xué)，蘇州 215104）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源緊缺環(huán)境惡化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，尋找綠色環(huán)保的新能源已成為人類(lèi)面臨的迫切課題。光伏并網(wǎng)發(fā)電就是一種很好的綠色新能源,它將太陽(yáng)能電池發(fā)出的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)有電網(wǎng)同頻、同相的交流電，供給負(fù)荷使用或送入電網(wǎng)。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通常采用工頻和高頻兩種結(jié)構(gòu)。高頻結(jié)構(gòu)是先通過(guò)DA/DA變換器將太陽(yáng)電池的直流電升壓或降壓轉(zhuǎn)化為滿足并網(wǎng)要求的直流電壓，然后通過(guò)橋式逆變后直接和電網(wǎng)相連。本系統(tǒng)采用工頻結(jié)構(gòu)方式，它先通過(guò)DA/AD變換，將太陽(yáng)電池直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，再經(jīng)過(guò)工頻變壓器的升壓和隔離，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電[1]。

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。一是逆變交流功率輸出與外界電網(wǎng)引入同步信號(hào)的頻率、相位同步問(wèn)題。太陽(yáng)能光伏電池經(jīng)逆變形成的交流電只有嚴(yán)格保證與電網(wǎng)頻率、同相一致，才能有效并入電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，否則就只能成為擾動(dòng)信號(hào)干擾電網(wǎng)的正常運(yùn)行。二是光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤問(wèn)題（MPPT）。它是保證向電網(wǎng)提供最大并網(wǎng)功率的關(guān)鍵。常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法有定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法、滯環(huán)比較法等，這些方法都是根據(jù)光伏電池特性曲線上的最大功率點(diǎn)的特點(diǎn)來(lái)搜索其最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓，處理方法各有特點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用擾動(dòng)觀測(cè)法算法 。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由太陽(yáng)能光伏電池陣列、控制部分、逆變器部分、濾波部分、交流升壓部分共五個(gè)部分組成。

為研究方便設(shè)計(jì)一光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，US=60V，RS=30Ω～36Ω；uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，頻率fREF為45Hz～55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，將uF作為輸出電流的反饋信號(hào)；負(fù)載電阻RL=30Ω～36Ω。要求系統(tǒng)具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，頻率、相位跟蹤功能。

圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖

在這個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)中，采用UC1825專用PWM芯片構(gòu)成逆變系統(tǒng)控制部分。利用UC1825芯片輸出的這兩路脈沖控制DC-AC全橋逆變器，再經(jīng)濾波得到與外界電網(wǎng)同頻、同相的正旋交流信號(hào)(fF=fREF)，通過(guò)變壓器升壓得到220V正旋交流輸出電壓驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成圖

如圖2所示,圖中對(duì)逆變輸出信號(hào)進(jìn)行取樣，通過(guò)反饋電路把處理后的取樣信號(hào)反饋到控制部分，通過(guò)PI控制策略，在控制電路里進(jìn)行比較，之后重新調(diào)整兩路輸出的PWM占空比，從而改變逆變輸出電壓，調(diào)整負(fù)載功率；以此循環(huán)，保證 。從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）跟蹤功能[2,3]。

2 主要功能模塊電路設(shè)計(jì)及分析

2.1 采用UC1825芯片實(shí)現(xiàn)的并網(wǎng)主控制模塊設(shè)計(jì)

本光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用UC1825芯片構(gòu)成頻率、相位與最大功率點(diǎn)跟蹤的主控制系統(tǒng)。

2.1.1 逆變器控制及頻率、相位跟蹤

UC1825是PWM控制器件,非常適合高頻開(kāi)關(guān)脈沖輸出和逆變器的脈沖頻率控制等應(yīng)用。UC1825芯片具有輸出雙路占空比互補(bǔ)的頻率脈沖功能，且該頻率受外界輸入脈沖的頻率控制。這使它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)逆變器的控制，正反兩路開(kāi)關(guān)不會(huì)短路，且具有頻率、相位的跟蹤功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光伏逆變器的有效控制。

如圖3所示：UC18255芯片在上電后，其OUTa（11腳）和OUTb（14腳）同時(shí)輸出頻率為10HZ～10KHZ（可調(diào)）、但相位完全相反的方波脈沖，用來(lái)控制逆變電路中兩路開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止，產(chǎn)生正向和反向電流，實(shí)現(xiàn)DC→AC的逆變控制。OUTa、OUTb腳輸出脈沖的頻率和相位受RAMP（7腳）和TC（6腳）輸入脈沖的控制，因此，我們只要將同步信號(hào)經(jīng)處理轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)后輸入RAMP和TC腳，就能使OUTa、OUTb腳輸出脈沖的頻率、相位與外界同步信號(hào)同步了。從而也實(shí)現(xiàn)了逆變輸出交流信號(hào)與外界電網(wǎng)引入同步信號(hào)的頻率、相位同步[4]。

圖3 逆變器控制及頻率、相位跟蹤圖

2.1.2 同步信號(hào)處理與輸入

UC1825芯片的同步脈沖來(lái)源于外界同步信號(hào)的處理和整型。外界同步信號(hào)來(lái)源于供電單位，它可以是電網(wǎng)的工頻正弦波信號(hào)，也可以是某一確定頻率、相位的方波脈沖信號(hào)。無(wú)任是哪種外界同步信號(hào)，經(jīng)過(guò)整流和電壓比較器電路，轉(zhuǎn)化成與其頻率、相位完全一致的方波脈沖信號(hào)（即同步脈沖），并將其引入U(xiǎn)C1825 的RAMP和TC腳實(shí)現(xiàn)對(duì)OUTa、OUTb腳輸出脈沖的頻率、相位的同步控制。從而實(shí)現(xiàn)了OUTa、OUTb腳輸出的兩路占空比互補(bǔ)脈沖的頻率、相位與同步信號(hào)的同步。

2.1.3 采樣信號(hào)處理與反饋

如圖4所示：逆變電流除經(jīng)互感器進(jìn)行功率輸出以外，還有一路感應(yīng)電流作為輸出電流的采樣信號(hào)uF，uF為工頻隔離變壓器n3線圈端取出電壓，經(jīng)如圖所示全橋整流電路處理后，轉(zhuǎn)化成正相的全波脈沖信號(hào)，其頻率、相位與逆變輸出電流完全一致，幅值則與之成正比關(guān)系。經(jīng)處理后的采樣信號(hào)反饋給UC1825，UC1825將對(duì)交流輸出功率作出相應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤功能[5]。

2.2 逆變模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的逆變模塊采用全橋逆變電路。其開(kāi)關(guān)頻率和相位受UC1825芯片輸出的雙路占空比互補(bǔ)脈沖控制，采用四個(gè)MOS4603驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管，實(shí)現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，再經(jīng)電容和電感構(gòu)成的濾波電路作用，形成正弦交流電，完成逆變[5,6]。

全橋逆變電路如圖5所示（V1、V2分別接UC1825的OUTa、OUTb腳）：

圖4 采樣信號(hào)處理與反饋圖

圖5 全橋逆變電路圖

當(dāng)UC1825OUTa輸出正脈沖、OUTb輸出負(fù)脈沖時(shí)，MOS場(chǎng)效應(yīng)管1、3導(dǎo)通，MOS場(chǎng)效應(yīng)管2、4截止，如圖6A所示，互感器T1形成正向電流；當(dāng)UC1825OUTb輸出正脈沖、OUTa輸出負(fù)脈沖時(shí)，MOS場(chǎng)效應(yīng)管2、4導(dǎo)通，MOS場(chǎng)效應(yīng)管1、3截止，如圖6B所示，互感器T1形成負(fù)向電流。在UC1825的OUTa和OUTb交替輸出的脈沖控制下，四個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成的兩個(gè)回路交替導(dǎo)通，且交替頻率完全與UC1825的OUTa和OUTb交替輸出的脈沖同步，從而在互感器T1上得到交替變化的正、反向電流，且電流變化頻率與UC1825的OUTa和OUTb交替輸出的一致。在如圖5所示由電容和電感構(gòu)成的濾波電路作用下，就形成了正反變化的交流正旋交流電。再經(jīng)功率變壓器的升壓，完成直流到交流的逆變過(guò)程。且得到的正弦交流電的相位、頻率是與UC1825的OUTa和OUTb交替輸出的脈沖一致的，也既與外界引入的電網(wǎng)同步信號(hào)的頻率和相位是一致的。

采用四個(gè)MOS功率場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的全橋逆變電路可以由四單元封裝的IGBT模塊替代，效果將更好。

2.3 MPPT原理分析

圖6 MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理圖

MPPT控制原理實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)自尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)對(duì)逆變輸出電壓、電流的檢測(cè)，將其與前一時(shí)刻值相比較，調(diào)整輸出功率。當(dāng)外界因素使輸出功率改變時(shí)，系統(tǒng)則需進(jìn)行再次尋優(yōu)[7,8]。

如圖7所示，當(dāng)一個(gè)內(nèi)阻不為零的電源和負(fù)載相連,負(fù)載的電阻值和電源內(nèi)阻值相等（即時(shí),負(fù)載上獲得最大功率。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)控制脈沖的占空比，可以使MPPT電路從輸人端看進(jìn)去的等效電阻發(fā)生改變，進(jìn)而達(dá)到阻抗匹配的目的，就可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤。

圖7 MPPT控制原理圖

如上圖所示，通過(guò)采樣電路對(duì)當(dāng)前逆變輸出電壓、功率進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，將處理后的采樣信號(hào)反饋到UC1825的1、9腳。UC1825芯片內(nèi)部機(jī)構(gòu)具有對(duì)OUTa和OUTb輸出脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能，該調(diào)節(jié)受1、9腳輸入的采樣反饋信號(hào)控制。當(dāng)輸出功率增大時(shí)采樣信號(hào)的幅值也將增大，該信號(hào)將使UC1825輸出的兩路脈沖占空比發(fā)生改變，從而負(fù)載等效電阻發(fā)生變化。負(fù)載RL功耗的增大，導(dǎo)致 減小。該過(guò)程反之亦然。因此，改變輸出脈沖的占空比，實(shí)質(zhì)上是改變了光伏電源的負(fù)載；使負(fù)載的電阻值和電源內(nèi)阻值相等，從而使實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

3.1 系統(tǒng)頻率與相位跟蹤性能測(cè)試

用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，RS=30Ω～36Ω；uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，其峰峰值為2V，當(dāng)頻率fREF為45Hz～55Hz范圍內(nèi)變化時(shí)；用示波器觀察正弦波uF和參考正弦波uREF的頻率相位偏差，可算出相位偏差絕對(duì)值相對(duì)頻率偏差絕對(duì)值四次測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示[9]：

表1 頻率相位偏差測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)論：當(dāng)fREF在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，頻率相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于1%；相位偏差絕對(duì)值?d不大于5°。

3.2 系統(tǒng)變換器轉(zhuǎn)換效率性能測(cè)試

模擬光伏電池US=60V（直流穩(wěn)壓電源替代），當(dāng)RS=RL=30Ω時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定后用萬(wàn)用表測(cè)試輸入電壓輸入電流和輸出電壓輸出電流測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)下表[10]：

表2 DC-AC變換器效率測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)論：當(dāng)光伏電池US=60V，RS=RL=30Ω時(shí)，該系統(tǒng)DC-AC變換器的效率 ≥80%。

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能因其環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，正受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注和重視，而光伏并網(wǎng)發(fā)電將成為太陽(yáng)能發(fā)電的主要趨勢(shì)。本文介紹的基于UC1825的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，很好地實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電的同頻、同相和最大功率點(diǎn)跟蹤。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際硬件系統(tǒng)的模擬和數(shù)據(jù)測(cè)試，證明本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤的目標(biāo)，達(dá)到了較好的并網(wǎng)發(fā)電效果。該光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)省去獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的貯能環(huán)節(jié)，在電網(wǎng)斷電的情況下能夠獨(dú)立運(yùn)行，具有一定的推廣應(yīng)用前景。

；

[1] 劉利成.光伏太陽(yáng)能在變電站直流系統(tǒng)的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展,2008.4 .

[2] 趙為.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[M].合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[3] 楊海柱,金新民.最大功率跟蹤的光伏并網(wǎng)逆變器研究[J],北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,2.

[4] 李晶,竇偉,徐正國(guó),等.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤算法的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2007,28.

[5] 吳貴輝.大力發(fā)展清潔能源推進(jìn)電力可持續(xù)發(fā)展[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008,9.

[6] 張國(guó)榮,項(xiàng)國(guó)軒.光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究[J].能源工程,2009,1:13-16.

[7] 焦在強(qiáng),許洪華.單極式并網(wǎng)光伏逆變器[J].可再生能源,2004.5.

[8] 余世杰,何會(huì)若.光伏水泵系統(tǒng)中CVT與MPPT的控制比較[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),1998.4.

[9] 陳建勇,廖曉鐘 .單神經(jīng)元在PV最大功率跟蹤控制中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006.10.

[10] Nopporn Patcharaprakiti.Maximum power point tracking using adaptive fuzzy logic control for grid-connected photovoltaic system[J]. Renewable Energy 30 (2005).