光伏組件逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武衛(wèi)革，翟志強(qiáng)，趙志強(qiáng)，徐 璞

(1.保定天威集團(tuán)有限公司 電工技術(shù)研究所，河北 保定 071056;2.保定天威北方電氣自動(dòng)化有限公司，河北 保定 071051)

0 引言

太陽(yáng)能是人類可利用的最直接的清潔能源之一，也是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，與集中式逆變器不同，光伏組件逆變器直接安裝在每塊電池板上，針對(duì)每個(gè)光伏組件進(jìn)行精確MPPT控制，即使在周圍樹(shù)、煙囪、建筑等陰影遮擋、云霧變化、污垢積累和組件效率衰減不均等不理想條件下，也能保證每個(gè)光伏組件以最大功率輸出，從而提高了光伏系統(tǒng)的整體效率。另外光伏組件逆變器具有體積小、安裝方便、可靠性高、適合規(guī)?；a(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。[1，2]

本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)字控制的光伏組件逆變器的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由數(shù)字鎖相環(huán)、電流控制環(huán)、最大功率點(diǎn)追蹤、孤島檢測(cè)等構(gòu)成。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中測(cè)試，該控制系統(tǒng)性能良好，逆變器能夠成功并網(wǎng)運(yùn)行。

1 光伏組件逆變器系統(tǒng)

如圖1所示，光伏組件逆變器系統(tǒng)由晶硅電池組件接口電路、DC/DC升壓電路、DC/AC工頻換向電路、濾波器電路、微處理器電路組成。晶硅電池組件的直流電壓加在DC/DC升壓電路，在反激輸出的電容上產(chǎn)生整流的正弦輸出電壓，DC/AC工頻換向電路以工頻進(jìn)行開(kāi)關(guān)工作，將整流輸出電壓轉(zhuǎn)換成正弦電壓。濾波器電路濾除高頻開(kāi)關(guān)諧波，保證并網(wǎng)電流的質(zhì)量。微處理器電路通過(guò)對(duì)電池組件電壓、電流采樣，使電池組件以最大功率方式輸出，數(shù)字鎖相環(huán)使得逆變器的輸出電流與電網(wǎng)同步。[3]

圖1 光伏組件逆變器系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Block diagram of micro-inverter

2 光伏組件逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器基于DSPIC33FJ16GS504開(kāi)發(fā)，該控制器提供專為功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用而設(shè)計(jì)的功率外設(shè)，包括高速PWM模塊、高速10位ADC模塊和高速模擬比較器模塊。控制系統(tǒng)的功能如下:

(1)最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT)。為了保證光伏組件以最大功率輸出，通常情況下逆變器采用觀測(cè)擾動(dòng)法來(lái)進(jìn)行MPPT。MPP追蹤器通過(guò)將太陽(yáng)能電池的電壓定期增大或減小來(lái)工作，如果給定擾動(dòng)導(dǎo)致電池板輸出功率增大 (減小)，則會(huì)在相同 (反)方向上產(chǎn)生后續(xù)擾動(dòng)。傳統(tǒng)的MPPT控制算法雖然能夠快速追蹤最大功率點(diǎn)，但無(wú)法最終穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，光伏組件的輸出電壓和功率也處于反復(fù)震蕩中，其與理想的最大功率存在一定的偏差，為此本文采樣變步長(zhǎng)觀測(cè)擾動(dòng)法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤控制算法，其流程圖如圖 2 所示[4]。UPV(k)、IPV(k)、P(k)分別表示光伏組件第k次采樣的電壓、電流和功率。

(2)孤島檢測(cè)功能。孤島會(huì)威脅電網(wǎng)維修人員的安全，會(huì)影響配電系統(tǒng)的保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作程序，在重合閘時(shí)可能對(duì)用電設(shè)備造成損壞等。本系統(tǒng)采用被動(dòng)式檢測(cè)方法與主動(dòng)相結(jié)合的方法，減小了檢測(cè)盲區(qū)，提高了孤島檢測(cè)的效果。[5]

圖2 MPPT流程圖Fig.2 Flow chart of MPPT

(3)不同工作模式逆變器狀態(tài)機(jī)。光伏組件逆變器軟件用狀態(tài)機(jī)來(lái)確定系統(tǒng)的工作模式。當(dāng)系統(tǒng)剛開(kāi)啟時(shí)，狀態(tài)機(jī)會(huì)檢查輸入和輸出條件以及故障，如果輸入和輸出在指定范圍內(nèi)且沒(méi)有故障，系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入啟動(dòng)模式。然后狀態(tài)機(jī)會(huì)在啟動(dòng)模式下再次檢查系統(tǒng)條件，并將所有必須變量和外設(shè)初始化進(jìn)入白天模式。若電網(wǎng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入錯(cuò)誤模式。如果電網(wǎng)正常但電池板電壓沒(méi)有在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)入夜間模式。各個(gè)工作模式狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 狀態(tài)機(jī)Fig.3 State machine block diagram

(4)數(shù)字鎖相環(huán) (PLL)

PLL是光伏組件逆變器重要組成部分，產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的頻率和相位角以便控制輸出與電網(wǎng)同步。PLL產(chǎn)生的電網(wǎng)電壓頻率和相位角不僅用于控制信號(hào)的生成，還用于孤島模式檢測(cè)等功能。

(5)電流控制環(huán)

電流控制環(huán)是一個(gè)比例積分控制器，是控制系統(tǒng)的核心。此控制環(huán)可以校正參考電流和輸出電流之間的誤差。確保輸出電流跟隨參考電流變化。如圖4所示。有MPPT模塊和PLL模塊共同形成電流的參考值，然后與反饋電流相減，兩者的誤差通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，其輸出結(jié)果去控制PWM占空比，從而實(shí)現(xiàn)逆變器并網(wǎng)發(fā)電。

圖4 控制環(huán)框圖Fig.4 Control loop block diagram

光伏組件逆變器控制系統(tǒng)采用中斷的方式進(jìn)行，包括ADC中斷和定時(shí)器中斷。ADC中斷和定時(shí)中斷流程見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 ADC中斷流程圖Fig.5 Flow chart of ADC interrupt

圖6 定時(shí)器中斷流程圖Fig.6 Flow chart of timer interrupt

3 控制系統(tǒng)驗(yàn)證

該控制系統(tǒng)運(yùn)用于220 W光伏組件逆變器系統(tǒng)中，用TOPCON可編程高精度直流電源模擬光伏組件的輸出，用WT3000高精度功率分析測(cè)試逆變器的輸入、輸出功率、效率及并網(wǎng)電流波形。從圖7可以看出，TOPCON模擬電源的輸出功率是211.083 W，輸出功率是191.402 W，逆變器的效率是90.676%。圖8中，U1，I1分別是模擬電源輸出電壓和電流，U2是電網(wǎng)電壓，I2是逆變器的并網(wǎng)電流，可以看出并網(wǎng)電流能夠跟隨電網(wǎng)電壓，能夠并網(wǎng)工作。

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7 Experimental data

圖8 實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)字控制的光伏組件逆變器的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由數(shù)字鎖相環(huán)、電流控制環(huán)、最大功率點(diǎn)追蹤、孤島檢測(cè)等模塊構(gòu)成。通過(guò)220 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中測(cè)試表明，該控制系統(tǒng)控制性能良好，逆變器能夠成功并網(wǎng)運(yùn)行。

[1]G R Walker，P C Sernia.Cascaded DC-DC converter of photovoltaic modules[J].IEEE Trans Power Electron.，2004，19(4):1130-1139.

[2]E Roman，R Alonso，P Ibanez，et al.Intelligent PV module for grid-connected PV systems[J].IEEE Trans Ind Electron，2006，53(4):1066-1073.

[3]舒杰，傅誠(chéng)，陳德明，等.高頻并網(wǎng)光伏逆變器的主電路拓 撲 技 術(shù)[J].電 力 電 子 技 術(shù)，2008，42(7):79-82.Shu Jie，F(xiàn)u Cheng，Chen Deming，et al.A review of main circuit topology for high-frequency grid connected PV Inverters[J]. PowerElectronics，2008，42(7):79-82.

[4]張建坡，張紅艷，馬朝暉.光伏系統(tǒng)變步長(zhǎng)最大功率跟蹤策略仿真研究[J].可再生能源，2009，27(5):10-14.Zhang Jianpo，Zhang Hongyan，Ma Zhaohui.Studies on the variable step MPPT control algorithms of solar energy system[J].Renewable Energy Resources，2009，27(5):10-14.

[5]廖紅偉，林永君.光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島的檢測(cè)[J].電力科學(xué)與工程，2010，26(11):1-4.Liao Hongwei，Lin Yongjun.Islanding detection based on photovoltaic power generation system[J].Electric Power Science and Engineering，2010，26(11):1-4.