小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

陳文杰 李偉倫 湯啟洪 劉佐濂

廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510006

小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

陳文杰 李偉倫 湯啟洪 劉佐濂

廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510006

設(shè)計開發(fā)一套500W小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。控制器電路采用DC-DC-AC架構(gòu)，該并網(wǎng)逆變器能實現(xiàn)最大功率跟蹤和反孤島效應(yīng)控制功能，控制芯片采用LM3S618，外電壓跟蹤采用雙閉環(huán)方式實現(xiàn)與網(wǎng)壓同步的正弦電壓輸出，構(gòu)建了實驗室樣機(jī)，通過實驗測試逆變器輸出的電流基本與電網(wǎng)電壓同頻同相，并網(wǎng)的功率因數(shù)近似為1。

光伏并網(wǎng)發(fā)電；DC-DC-AC架構(gòu)；最大功率點跟蹤

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)的屋頂光伏計劃，日本提出到2010年要累計安裝總?cè)萘窟_(dá)50000MW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 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)可工作于獨立運行和并網(wǎng)運行兩種方式。MPPT電路和交流逆變電路采用DC/DC/AC架構(gòu)，其中DC/DC采用Boost電路拓?fù)?，DC/AC采用四開關(guān)管橋式逆變結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要包括八塊100W串聯(lián)的太陽能電池板、基于ARM7架構(gòu)的單片機(jī)核心控制器、DC/DC電路、DC/AC逆變電路。太陽能電池板輸出的100V-150V直流電壓送到DC/DC電路，在DC/DC電路里完成系統(tǒng)的最大功率點跟蹤，DC/DC電路輸出的約400V母線電壓送到逆變電路由逆變電路逆變成230V，50HZ的交流電壓，最后送到電網(wǎng)負(fù)載?？刂破髟O(shè)計有RS 232接口，可以把系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)（如：太陽能電池輸出電壓、電流、MPPT輸出電壓、電流；負(fù)載數(shù)據(jù)等）傳到上位機(jī)，并可以通過上位機(jī)控制控制器工作或修改相關(guān)的參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 核心硬件電路設(shè)計

2.1 DC/DC電路

電路如圖2，在DC/DC電路中有兩個電流閉環(huán)控制器件，型號為MAX4080。其中一個用于太陽能電池板輸出電流監(jiān)測，控制器輸出的電流值與電阻R2、R20的分壓電路輸出的電壓分別送到LM3S618的ADC0和ADC1完成太陽能電池板實時輸出電壓和電流的監(jiān)測，為MPPT跟蹤提供實時數(shù)據(jù)。另一個電流閉環(huán)控制器件主要完成升壓后直流母線的電流監(jiān)測，與R21、R3的分壓電路輸出的電壓分別送到LM3S618的ADC5和ADC4以完成逆變器直流側(cè)的電流電壓穩(wěn)定，L1、Q1、Q12、Q13、Q2、D21、D1、R28、R42、C46組成Boost拓?fù)涞腄C/DC電路。MPPT (Maximum power point tracking)的PWM脈沖從LM3S618的36腳輸出，單片機(jī)根據(jù)兩路閉環(huán)電流電壓的大小進(jìn)行算法運算最終調(diào)節(jié)脈沖占空比完成最大功率點的跟蹤。

2.2 核心控制電路

電路如圖3，本電路主控CPU采用LM3S618的ARM Cortex-M3內(nèi)核控制器，支持最大主頻為50 MHz，32 KByte FLASH,8 KByte SRAM，集成正交編碼器、ADC、帶死區(qū)PWM、溫度傳感器、模擬比較器、UART、SSI、通用定時器，I2C、CCP等外設(shè)。

系統(tǒng)人機(jī)交換界面有兩部分，LCD顯示界面顯示太陽能電池板的輸出電流電壓和逆變器輸出的電流電壓及逆變器的效率，上位機(jī)通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)電池板的輸出功率，逆變器輸出功率，保護(hù)狀態(tài)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作狀態(tài)等。LM3S618通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比從而調(diào)節(jié)Boost電路的開關(guān)狀態(tài)，使電池板輸出功率達(dá)到最大值，實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT）。系統(tǒng)采用逐次逼近法，不斷地改變PWM信號的占空比，實時監(jiān)測太陽能電池板的輸出功率把前次輸出與下次輸出的功率進(jìn)行比較，當(dāng)電池板的輸出功率增大時減少PWM信號的占空比，否則向反方向調(diào)節(jié)，采樣頻率為500HZ。系統(tǒng)通過JTAG口下載控制算法軟件，便于系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)。系統(tǒng)具備有聲光告警功能，如出現(xiàn)過壓或過流、超限時相應(yīng)的發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器告警。

圖2 DC/DC電路

圖3 核心控制電路

2.3 DC/AC電路

系統(tǒng)的DC/AC電路主要包括饅頭波產(chǎn)生電路，50HZ方波產(chǎn)生電路，SPWM發(fā)生器，延遲電路，電流電壓檢測電路，全橋功率電路等組成，電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)直接影響系統(tǒng)的輸出波形和效率。電路原理框圖如圖4所示。

圖 4 DC/AC電路框圖

如圖5，在饅頭波產(chǎn)生電路中輸入信號可以通過開關(guān)SW1選擇，當(dāng)系統(tǒng)處于獨立發(fā)電時開關(guān)接到50HZ的文氏電橋電路，當(dāng)要并網(wǎng)發(fā)電時開關(guān)接到電網(wǎng)輸入端，電網(wǎng)輸入端外接一個3W的小變壓器把220V交流電壓變成5V的交流電壓作為外接參考電平。信號通過C55耦合到運放U9A完成阻抗變換，再送到由U12A、U12B、U10A組成的零電平整流電路把50HZ的交流信號整流成饅頭波，最后把信號送到加法器U10B把饅頭波信號電平抬高2.5V，同時全橋功率電路輸出的并網(wǎng)電流相位通過檢測電路取樣后送到單片機(jī)進(jìn)運算后得到一直流電平與饅頭波相加，最后送到SPWM產(chǎn)生芯片SG3525的第二腳用以產(chǎn)生SPWM調(diào)制信號，

如圖6，從SG352513腳輸出的SPWM信號通過與非門選通然后送到延遲電路對信號進(jìn)行延遲，信號最后送到全橋逆變電路逆變成235V,50HZ交流信號再接到電網(wǎng)負(fù)載。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電先檢測太陽能電池板輸出的電壓電流看是否符合DC/DC電路輸入設(shè)定值的范圍，如果不符合，通過單片機(jī)關(guān)閉DC/DC電路的輸出，啟動報警和顯示電路，如果在設(shè)定范圍之內(nèi)系統(tǒng)啟動交流輸出。同時把監(jiān)測到的電池板的輸出電壓電流值進(jìn)行功率運算啟動最大功率點的控制。系統(tǒng)有完善的軟硬件保護(hù)功能，使系統(tǒng)運行于安全狀態(tài)。程序流程圖如圖7。

3 結(jié)語

本文提出了一種基于LM3S618控制的單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的設(shè)計方法，分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理，設(shè)計了最大功率跟蹤MPPT算法和鎖相環(huán)的軟件，構(gòu)建了實驗室樣機(jī)，以ARM為核心的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)具有響應(yīng)快、超調(diào)小、無靜差等優(yōu)點，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，是光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域的一個較佳的方案。

圖 7 程序流程圖

圖5 饅頭波產(chǎn)生電路

圖6 全橋逆變電路

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.010