大功率光伏逆變系統的研究

1引言

自上個世紀90年代以來，隨著能源消費的增長、日益惡化的生態環境和人類環保意識的提高，世界各國都在積極尋找一種可持續發展且無污染的新能源。太陽能—作為一種高效無污染的新能源，一種未來世紀常規能源的替代品，尤其受到人類的重視。太陽能的直接應用主要有光熱轉換、光電轉換和光化學轉換三種形式，從目前來看，光電轉換即光伏技術是其中最有發展前途的一種。

2光伏逆變系統簡介

系統的總體框圖見圖1。

由圖1可知，整個系統主要包含兩個環節：充電環節和逆變環節；并且太陽電池是本系統賴以工作的基礎，它的效率直接決定系統的效率。

3系統結構及工作原理

主電路拓樸結構見圖2。

3?1充電控制

（1）太陽電池的特性

太陽電池作為光伏系統中最基本的部分，有著獨特的工作特性，它的工作電壓與電流和日照、太陽電池溫度等密切相關，太陽電池溫度在25℃時工作電壓、電流和日照的關系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，曲線上任一點處的功率為P=UI，其值除和U、I有關外，還與日照（S）、太陽電池溫度等有關。圖4給出了在太陽電池溫度為25℃時，太陽電池的輸出功率和日照（S）、U之間的曲線。由于太陽電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽電池面積上的功率之比，因此，為了提高本系統的工作效率，必須盡可能地使太陽電池工作在最大功率點處，以功率盡可能小的太陽電池獲得最多的功率輸出。在圖3和圖4中，對應不同日照的最大功率點為A、B、C、D、E點。

（2）太陽電池的最大功率點跟蹤（MPPT）

圖1光伏逆變系統框圖

圖2主電路原理圖

圖3太陽電池工作電壓、電流與日照關系曲線

圖4太陽電池輸出功率與日照、電壓關系曲線

圖5控制框圖

由圖1可知，本系統首先是用太陽電池陣列對蓄電池進行充電，以化學能的形式將太陽能量儲藏在蓄電池中。在這個過程中，采用自尋最優控制方式使太陽電池工作在最大功率點處。具體控制過程分為兩個階段：

第一階段確定出太陽電池工作在最大功率點時太陽電池的輸出電壓值Uref。

第二階段改變太陽電池對蓄電池的充電電流使太陽電池的輸出電壓穩定在Uref。

以上兩個階段的完成是由控制電路通過檢測太陽電池的輸出電壓和輸出電流，采用逐次比較法來實現的。

3.2逆變原理

（1）逆變電路

正弦波逆變環節采用單相全橋電路，用IGBT作逆變電路的功率器件，IGBT是電壓控制型器件，它集功率MOSFET和雙極型晶體管的優點于一體，具有驅動電路簡單、電壓和電流容量大、工作頻率高、開關損耗低、安全工作區大、工作可靠性高等優點。逆變器將蓄電池輸出的直流電壓轉換成頻率為50Hz的SPWM波，再經過濾波電感和工頻變壓器將其轉換為220V的標準正弦波電壓，采用這種方式系統結構簡單，并且能有效地抑制波形中的高次諧波成分。

逆變器的工作方式采用的是SPWM控制方式，預先將0～360°的正弦值制成表格存EPROM中。由于開關模式信號是利用正弦波參考信號與一個三角載波信號互相比較來生成的，常分為單極性和雙極性兩種情況，而且在開關頻率相同的情況下，由于雙極性SPWM控制產生的正弦波，其中的諧波含量和開關損耗均大于單極性，故本系統采用的是單極性SPWM控制。

（2）控制核心

控制框圖見圖5。

控制芯片采用INTEL80C196MC芯片，這是INTEL公司繼MCS96之后于1992年推出的新一代真正16位單片機，其數據處理能力更強，指令的執行速度更快，尤其是其內部集成了最具特色的三相波形

圖6系統穩壓控制框圖

圖7空載輸出電壓波形

圖8負載時輸出電壓波形

發生器(WFG)單元，大大簡化了用于SPWM波形發生軟件和外部硬件，從而使整個系統結構更加簡單，并且芯片內部的死區發生器電路能夠確保輸出信號和它的互補信號不可能同時有效，避免了同一橋臂上的IGBT上下直通，從而保護了IGBT。

（3）系統穩壓控制

系統穩壓控制框圖見圖6。

本控制過程是通過80C196MC芯片的片內外設裝置─波形發生器(WG)產生中斷來實現的，其中反饋電壓的測取是在中斷中完成的。同時控制方式采用反饋控制和前饋控制相結合的復合控制方式。另一方面，本系統在常規數字PI調節器的基礎上，提出了分段變系數PI調節器，即當系統的偏差較大時，積分系數(KI)和比例系數(KP)較大；當系統的偏差較小時，積分系數和比例系數也較小。實驗證明，這種控制方式既可保證系統的動態響應速度，又能滿足一定的靜態穩壓精度。

4系統的軟件設計

本系統軟件采用模塊化設計，主要包括主程序模塊、WG模塊、PI調節模塊和MPPT模塊等。

其中主程序模塊完成系統的初始化，各單元賦初值，判斷有無運行信號及對各種故障的判斷。同時為避免起動時出現過大的峰值電流，系統采用軟起動方式，使輸出電壓呈斜坡上升至給定值。

WG中斷模塊主要是從正弦表中取出相應的正弦值，然后送入WG－COMPX寄存器，從而得到不同脈寬的SPWM波。

PI調節模塊主要是使系統輸出電壓在突加負載時迅速穩定為220V。

MPPT模塊主要是完成太陽電池的最大功率點跟蹤。

5結語

根據上述控制思想開發研制出一系列大功率樣機，其中的10kW樣機效率η≥85％，頻率精度≤0.1％,輸出電壓精度≤0.5％。其空載和帶負載時的電壓波形分別見圖7和圖8。