基于SPWM的光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

喻小平　王鵬輝　葉剛

摘要：SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

關鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電系統(tǒng)；SPWM；光伏電池

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）07-

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由于安全可靠、無噪聲、無污染、維護簡單、使用壽命長、規(guī)模靈活、應用幾乎不受地域條件的限制、資源量非常豐富等優(yōu)點，越來越受到人們的青睞，被譽為21世紀的主要發(fā)展能源。世界各國紛紛投入巨額資金競相研究開發(fā)，并積極推進其產(chǎn)業(yè)化進程，20世紀80年代以來，光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。

1 課題分析

1.1 背景分析

我國于1958年開始太陽能電池的研究，1959年第一塊有實用價值的太陽能電池誕生，1971年首次應用太陽能電池到我國發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星上，并于1973年開始地面應用。20世紀80年代，我國政府開始給光伏產(chǎn)業(yè)以支持，做了一些示范工程，如太陽能無人值守微波中繼站等。80年代中期，隨著光伏電池生產(chǎn)線的引進，光伏電池價格的大幅下降，市場大為開拓。90年代以后，光伏電池應用領域已經(jīng)擴展到國民經(jīng)濟各個領域，光伏電池用量也以每年20%的速度遞增。2004年我國太陽能電池產(chǎn)量首次超過印度，達到50MW。隨著我國可再生能源法的頒布，將為光伏發(fā)電市場的發(fā)展提供良好的基礎。

1.2 特色及創(chuàng)新

1.2.1 設計了MPPT最大功率點跟蹤模塊?？梢宰钣行У貙⑻柲苻D化為電能，大大地提高了太陽能的轉換效率，使其比未使用MPPT時轉換效率提高20%～50%，這樣可以極大地減少開發(fā)成本，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣泛安裝提供了條件。

1.2.2 以微控制器為核心來控制形成SPWM波實現(xiàn)從DC到AC的轉換。用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

1.2.3 以微控制器為核心控制電路實現(xiàn)相位的檢測。通過微控制器XE166對逆變電路輸出的信號進行檢測和調(diào)整，直到檢測到經(jīng)過調(diào)整輸出后的信號的相位與市電的相位相同時才允許并網(wǎng)供電。

2 課題實現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)硬件框圖設計

2.2 各電路模塊實現(xiàn)原理

2.2.1 MPPT電路部分。利用爬坡法對太陽能電池板輸出的不穩(wěn)定的電能進行控制，將前一秒電流電壓的乘積與下一秒的電流電壓乘積進行比較，當不斷調(diào)整電流電壓乘積（即功率）的最大值，使其達到動態(tài)的最大值，從而使其每時每刻都達到最大功率。

2.2.2 DC-DC穩(wěn)壓電路（BUCK電路）。如圖2所示組成占空比為D的Buck變換器電路圖，S為全控型開關管，D為續(xù)流二極管，其開關速度與T同等級（常用快恢復二極管）。L、C分別為濾波電感和電容，組成低通濾波器，RL為負載。電路完成把直流電壓Vin轉換成直流電壓Vo的功能。這里采用典型BUCK電路來實現(xiàn)。

2.2.3 逆變電路。通過微處理器XE166的捕獲/比較單元CCU6模塊，使用CC60、CC61、CC62、COUT60、COUT61、COUT62作為PWM輸出，工作于互補輸出模式。在T12定時中斷中，使各個通道的占空比按照SPWM規(guī)律變化，從而來控制四路IGBT，實現(xiàn)有源逆變。

此模塊中兼容死區(qū)控制，以避免功率器件短路。

2.2.4 驅動控制電路（即逆變電路驅動）。采用英飛凌的高速、高壓2ED020I06-FI雙通道驅動芯片，實現(xiàn)四通道的PWM信號的驅動。2ED020I06-FI雙通道帶欠壓保護，CMOS施密特觸發(fā)輸入帶下拉，門驅動電流為+1/-2A，且低功耗，驅動的高側電壓可能直接

提供或通過一個自舉二極管和電容器來實現(xiàn)供電。

2.2.5 相位檢測電路（即并網(wǎng)電路）。相位檢測電路主要通過將模擬信號轉化為數(shù)字信號的方法來實現(xiàn)相位的檢測。以電網(wǎng)正弦交流電為參考，通過電流互感器得到的弱信號，將其通過二次過零比較，轉化離散信號，即方波，同樣通過逆變電能信號，經(jīng)過同樣的處理，再經(jīng)過異或處理。也即是，當兩者相位有差時，得到“1”高電平信號，否則，得到“0”低電平信號。將得到比較信號送給MCU對相應的電路部分進行控制，實現(xiàn)相位同步。

2.3 軟件實現(xiàn)

2.3.1 SPWM算法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

2.3.2 PI算法。在MPPT（最大功率點跟蹤）控制器中采用PI算法，使系統(tǒng)在擾動作用下，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使電動機的轉速達到靜態(tài)無差，從而實現(xiàn)了靜態(tài)無差。無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，PI調(diào)節(jié)器的比例部分使動態(tài)響應比較快（無滯后），積分部分使系統(tǒng)消除靜差。能夠實時偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值（VI），使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電。

2.3.3 MPPT電路軟件流程。爬坡法：通過比較兩個相鄰時刻t1、t2由光伏陣列輸出的電壓V與電流I的乘積P，當Pt1≥Pt2時，說明輸出電壓還未達到最有效值，則繼續(xù)增加占空比來提高輸出功率；當Pt1≤Pt2時，說明已經(jīng)達到最有效值，則不許再增加占空比，而應該減小占空比使輸出保持最有效，實時對光伏陣列輸出的功率不斷檢測。

3 結語

該系統(tǒng)以光生伏特效應為原理，利用太陽能電池將太陽能直接轉化為電能。由太陽能電池板產(chǎn)生變化的直流電，經(jīng)MPPT電路控制輸出最大功率的電能，使電能得到最有效的轉換；然后經(jīng)DC-DC電路達到穩(wěn)壓目的得到穩(wěn)定電壓輸出給逆變電路，再經(jīng)過逆變電路產(chǎn)生固定頻率（50Hz）的交流電壓；在并入電網(wǎng)之前，經(jīng)相位檢測（并網(wǎng)）電路，直到通過微處理器將相位調(diào)整到與市電同步才能進行并網(wǎng)，并將檢測到的信號傳到微處理器控制的LCD12864顯示。

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作者簡介：喻小平（1989-），男，湖北武漢人，就讀于長江大學東校區(qū)電子信息學院，研究方向：電氣工程及其自動化。

（責任編輯：黃銀芳）