基于DSP光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器設(shè)計(jì)

謝維，陳小榮，肖瑩

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，北京　100176）

基于DSP光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器設(shè)計(jì)

謝維，陳小榮，肖瑩

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，北京100176）

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的典型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了5 kW額定功率級(jí)的光伏逆變器。采用TMS320F240為DSP核心，構(gòu)成了DC-DC、DC-AC的兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器。通過(guò)串聯(lián)多晶硅光伏電池陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，以及對(duì)反孤島效應(yīng)的控制功能。結(jié)果表明，采取基于DSP的電流跟蹤控制策略，正弦電流的基波分量約占輸出電流總量的99.6%，實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)電壓的同頻率同相位。

光伏系統(tǒng)；太陽(yáng)能；并網(wǎng)逆變器；最大功率點(diǎn)跟蹤；孤島效應(yīng)

太陽(yáng)能的大規(guī)模廣泛應(yīng)用是二十一世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是不采取蓄電池儲(chǔ)能，節(jié)省了投資，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。這種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要用于光伏屋頂系統(tǒng)及調(diào)峰光伏電站。當(dāng)前，發(fā)達(dá)國(guó)家的美國(guó)、歐盟以及日本，都已經(jīng)推出光伏屋頂計(jì)劃。其中，日本提出2020年其國(guó)內(nèi)家用的光伏電站，總裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到28GW。作為屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，并網(wǎng)逆變器開(kāi)發(fā)已經(jīng)得到工業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注［1］。

1　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變器的總體結(jié)構(gòu)圖［2］。光伏并網(wǎng)逆變器主要由兩部分組成：前級(jí)的直流變換器 （DCDC），及后級(jí)的直流-交流逆變器 （DC-AC）。兩部分是通過(guò)DClink連接，DClink環(huán)節(jié)為400 V電壓。在這個(gè)系統(tǒng)中，光伏電池板的輸出直流電壓的額定值為100～170 V，采用Boost結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器，DC-AC的部分采取全橋逆變電路，控制電路以TMS320F240為DSP核心。其中，由DC-DC變換器，完成最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的控制功能，DClink維持中間環(huán)節(jié)的電壓穩(wěn)定性，DC-AC逆變器變換電能并輸出220V/ 50Hz的正弦交流電源。該系統(tǒng)確保了并網(wǎng)逆變器的正弦輸出電流，維持了與電網(wǎng)的相電壓同頻率同相位。

圖1　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

1.2控制電路的設(shè)計(jì)

1.2.1控制板TMS320F240的設(shè)計(jì)

如圖2所示，為T(mén)MS320F240的控制面板。DSP的核心是TI公司的TMS320F240芯片，輔以外圍CPLD、模擬信號(hào)調(diào)理、數(shù)碼管顯示以及DA、串行E2PROM存儲(chǔ)器、通信電路，以完成產(chǎn)生PWM脈沖、電流與電壓信號(hào)采樣、與上位PC機(jī)通信、故障保護(hù)功能。

圖2　TMS320F240控制板的框圖

1.2.2電流與電壓信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

將強(qiáng)電轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，以便使DSP可以讀取該數(shù)字信號(hào)，是模擬信號(hào)檢測(cè)電路的功能。另外，應(yīng)確保在強(qiáng)、弱電之間進(jìn)行隔離。作者用HP公司的HCPL7800A型作為光電耦合器件，當(dāng)共模電壓為1 000 V時(shí)具有15 kV/μs的共模抑制能力，帶寬100 kHz，非線性度為0.004%，增益溫度漂移為0.000 25 V/℃。如圖3所示，為實(shí)際中隔離檢測(cè)電路的原理圖。

1.2.3驅(qū)動(dòng)電路IGBT的設(shè)計(jì)

圖3　隔離檢測(cè)電路的原理

DSP的PWM控制電路產(chǎn)生的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，從而控制開(kāi)關(guān)管IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)。如圖4所示，作者用HP公司專(zhuān)用的HCPL3120型IGBT驅(qū)動(dòng)電路。輸出與輸入的驅(qū)動(dòng)電路互相隔離，驅(qū)動(dòng)電路具備電平轉(zhuǎn)換的控制功能。把DSP中+5 V電壓轉(zhuǎn)換為IGBT的+15 V驅(qū)動(dòng)電壓，其驅(qū)動(dòng)電源模塊選用金升陽(yáng)公司B0515作為電路的隔離電源。

圖4　IGBT的驅(qū)動(dòng)電路

1.2.4輔助電源的設(shè)計(jì)

為能夠給光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變器的信號(hào)采集電路、控制電路、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路提供不同級(jí)別的電源，需設(shè)計(jì)一個(gè)輔助電源并與主電路隔離開(kāi)。該輔助電源采用100VDC～170VDC的輸入電壓；以及+12VDC（2.5 W）、-12VDC（2.5 W）、+5VDC （5 W）的3路輸出電壓；且其輸出電壓的波動(dòng)小于1%。作者利用最新款TOPSwitch型TOP222系列電路來(lái)設(shè)計(jì)輔助電源［3］。如圖5所示，為單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輔助電源的主電路圖。

圖5　基于TOP222輔助電源的系統(tǒng)圖

2　最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT的控制

從本質(zhì)上講，MPPT為一種自尋優(yōu)過(guò)程［4］，其常用方法含擾動(dòng)觀察法、導(dǎo)納微增量法、固定電壓跟蹤法、及間歇掃描跟蹤法。在此，作者選用了間歇掃描跟蹤算法，核心的思想為定期掃描某段（通常是0.5～0.9倍開(kāi)路電壓）的陣列電壓，并同時(shí)記錄了不同的電壓下相應(yīng)的陣列輸出功率的值，然后再對(duì)不同點(diǎn)光伏電池陣列輸出功率進(jìn)行比較，從而獲得最大功率點(diǎn)。提出了改進(jìn)的間歇掃描跟蹤法，這是在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間間隔，狹窄的范圍內(nèi)跟蹤（Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc）掃描1次，其中Voc與Vm分別為光伏電池陣列最大功率點(diǎn)時(shí)的開(kāi)路電壓與工作電壓。然后每經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)時(shí)間，在整個(gè)的跟蹤范圍內(nèi)掃描1次各個(gè)工作點(diǎn)。對(duì)間歇掃描法控制的改進(jìn)，不僅可以保證跟蹤控制的精度，還能提高運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3　反孤島效應(yīng)的控制方法

孤島效應(yīng)定義為由于電氣故障、自然因素、及誤操作導(dǎo)致的電網(wǎng)供電被迫中斷，此時(shí)各用戶的光伏并網(wǎng)逆變電源不得不獨(dú)立地運(yùn)行。通常地說(shuō)，孤島效應(yīng)有可能會(huì)影響到整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)備和用戶設(shè)備的正常使用。其中包含并網(wǎng)逆變器繼續(xù)供電，有可能對(duì)電網(wǎng)線路工作人員造成生命安全的威脅；電網(wǎng)無(wú)法控制在孤島上的頻率與電壓，有損壞用戶用電設(shè)備的可能性存在［5］；甚至干擾到電網(wǎng)正常的合閘過(guò)程。故而，解決光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島這一問(wèn)題就變得尤其重要。在此，提出了一種反孤島檢測(cè)方法，即正反饋的頻率干擾。該方法的核心思想為首先要確定電網(wǎng)頻率電壓的漂移方向，進(jìn)而定周期地對(duì)輸出頻率電流加入對(duì)應(yīng)的干擾，并對(duì)實(shí)際輸出的頻率電流進(jìn)行觀察。當(dāng)輸出頻率電流能跟蹤干擾信號(hào)的變化，也就是說(shuō)輸出頻率電流可以被并網(wǎng)逆變器控制時(shí)，加倍地增加干擾量，從而實(shí)現(xiàn)了讓輸出頻率電流的快速變化，這就觸發(fā)了反孤島頻率檢測(cè)的功能。

4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

作者實(shí)驗(yàn)測(cè)試了5 kW的光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變器，使用了8套500 W額定功率的多晶硅光伏電池陣列進(jìn)行串聯(lián)連接，100VDC～170VDC的輸入電壓，220VAC的交流輸出電壓，50 Hz的輸出頻率。分別用電流表與電壓表測(cè)量輸入端的光伏電池輸入電流與電壓，選用FLUKE43B電能質(zhì)量分析儀檢測(cè)并網(wǎng)逆變器輸出端，即輸出的交流電流與電壓的波形、參數(shù)。由于輸出電流值太小，所以在測(cè)量之前，在電流探頭上繞上8匝。測(cè)試結(jié)果為光伏電池的輸出電流約20 A，輸出電壓約在122 V附近，則輸出功率約2.44 kW。從測(cè)試結(jié)果當(dāng)中能看到，逆變器輸出電壓230.9 V，輸出功率14.5 kW/8=1.812 kW，因此逆變器的效率為74%，逆變器的總效率包含DC-DC變換、DC-AC變換、及輔助電源的效率總和。逆變器的功率因數(shù)輸出是0.97，基波分量的輸出電流約為99.6%的電流總量，與電網(wǎng)電壓基本上維持了同頻率同相位。輸出電能的質(zhì)量獲得了令人滿意的效果。

5　結(jié)　論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的波形能夠看到，該次的光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變器設(shè)計(jì)，達(dá)到了性能的良好、工作的穩(wěn)定。設(shè)計(jì)當(dāng)中基于TMS320F240的DSP控制電路的選用，使得系統(tǒng)具備了良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。軟件設(shè)計(jì)具備反孤島效應(yīng)、最大功率點(diǎn)跟蹤的控制功能，所以可以太陽(yáng)能的光伏電池性能得到充分的利用，并且可以準(zhǔn)確檢測(cè)出孤島效應(yīng)。

［1］趙玉文.我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)和思考［J］.世界科技研究與發(fā)展，2003，25（4）：31-38.

［2］謝維.基于AVR單片機(jī)的光伏發(fā)電量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，31（3）：95-98.

［3］付登萌，陶生桂.基于TOPSwitch的反激式DC/DC電源設(shè)計(jì)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32（5）：680-684.

［4］Patcharaprakiti N.Maximum power point tracking using adaptive fuzzy logic control for grid-connected photovoltaic system［C］.IEEE，2002：372-377.

［5］Hudson R M.Implementation and testing of antislanding algorithms for IEEE 929-2000 complianceof single phase photovoltaic inverters［C］.Photovoltaic Specialists Conference，2002：1414-1419.

［6］張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1999.

Design on inverter for photovoltaic grid-connected system based on DSP

XIE Wei，CHEN Xiao-rong，XIAO Ying
（School of Automation Engineering，Beijing Polytechnic，Beijing 100176，China）

Grid-connected system is the trend of development of solar energy photovoltaic system.According to the typical characteristics of the photovoltaic power generation system，a photovoltaic inverter of 5 kW level rated power is designed. Using TMS320F240 as the DSP core，constitutes the two stage grid-connected inverter，i.e.DC-DC and DC-AC.Through the experiment carried out by a series of polycrystalline silicon PV array，maximum power point tracking（MPPT）is realized，as well as the control function of anti-islanding effect.The results show that，based on DSP current tracking control strategy，the fundamental component of the sine-wave current is about 99.6 percentage of the total output current，which achieve the same frequency and phase with the grid voltage.

photovoltaic system；solar energy；grid-connected inverter；maximum power point tracking；islanding effect

TN7；TP273.5

A

1674－6236（2016）06-0152-03

2015-04-17稿件編號(hào)：201504180

北京市教委科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（KM201510858004）；北京電子科技職業(yè)學(xué)院重點(diǎn)課題（YZKB2014008）

謝 維（1971—），男，陜西西安人，博士研究生，教授。研究方向：可再生能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)、電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、智能電網(wǎng)體系架構(gòu)。