光伏逆變電源系統(tǒng)的設計

摘 要：設計了一種集充電和逆變功能于一體的大功率光伏逆變電源系統(tǒng)。系統(tǒng)是以Inlel80C196MC芯片為控制核心，采用自尋最優(yōu)控制方式實現太陽電池的最大功率點跟蹤(MPPT)；同時逆變器使用SPWM控制方式和新型PI調節(jié)器將直流電迅速逆變?yōu)?20V／50Hz的標準正弦波單相交流電源。
關鍵詞：光伏逆變電源系統(tǒng)；80C196MC單片機；最大功率點跟蹤；SPWM控制

0 引言
    隨著能源消費的增長、日益惡化的生態(tài)環(huán)境和人類環(huán)保意識的提高，世界各國都在積極尋找一種可持續(xù)發(fā)展且無污染的新能源。太陽能作為一種高效無污染的綠色新能源，一種未來常規(guī)能源的替代品，尤其受到人們的重視。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，光電轉換(即光伏技術)是最有發(fā)展前途的一種。

1 系統(tǒng)的工作原理及其電路設計
    光伏系統(tǒng)的總體框圖如圖l所示。

    由圖1可知，整個系統(tǒng)包含充電和逆變兩個主要環(huán)節(jié)。太陽電池是本系統(tǒng)賴以工作的基礎，它的效率直接決定系統(tǒng)的效率。

l.1 充電控制部分
l.l.1 太陽電池的工作特性
    太陽電池作為光伏系統(tǒng)的摹礎，其工作特性，包括工作電壓和電流與日照、太陽電池溫度等有著密切的關系，圖2、圖3分別給出了太陽電池溫度在25℃時，工作電壓、電流和日照的關系曲線及太陽電池的輸出功率和日照(S)、U之間的曲線。

    從圖2可以看出，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。由圖3進一步可知，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，為了提高本系統(tǒng)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，這樣就可以以功率盡可能小的太陽電池獲得最多的功率輸出。在圖2和圖3中，A、B、C、D、E點分別對應不同日照時的最大功率點。

1.1.2 太陽電池的最大功率點跟蹤(MPPT)
    由圖l可知，系統(tǒng)首先采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儲存在蓄電池中。在這個過程中，通常采用自尋最優(yōu)控制方式使太陽電池在最大功率點處工作。整個控制過程可以分解成兩個階段進行：
    1)確定出太陽電池工作在最大功率點時的輸出電壓值Uref。
    2)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(wěn)定在Uref。

    這兩個階段是由控制電路通過檢測太陽電池的輸出電壓和電流，采用逐次比較法來實現的。

1．2逆變器設計
l.2.l 逆變電路設計
    正弦波逆變環(huán)節(jié)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(yōu)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(qū)大、工作可靠性高等優(yōu)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(tǒng)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SPWM控制方式，預先將O～360。的正弦值制成表格預存在EPROM中。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，主要有單極性和雙極性兩種類型，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(tǒng)采用的是單極性SPWM控制。

l.2.2 控制核心
    圖4是系統(tǒng)的控制框圖，控制芯片80C196MC是INTEL公司繼MCS96之后，于1992年推出的真正16位單片機，其數據處理能力更強，指令的執(zhí)行速度更快，尤其是其內部集成了最具特色的三相波形發(fā)生器(WG)單元，大大簡化了用于SPWM波形發(fā)生的軟件和外部硬件，從而使整個系統(tǒng)結構更加簡單。為了使輸出信號和它的互補信號不致同時有效，在芯片的內部設有死區(qū)發(fā)生器電路，從而避免了同一橋臂上的IGBT上下直通，保護了IGBT。

1．2．3 系統(tǒng)穩(wěn)壓控制
    為了提供滿足精度要求的電壓，必須采取相應的系統(tǒng)穩(wěn)壓控制方法，其控制框圖見圖5。

    穩(wěn)壓控制是通過在80C196MC的片內外設裝置——波形發(fā)生器(WG)產生中斷來實現的，其中反饋電壓的測取是在中斷時完成的。其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。再者，本系統(tǒng)在常規(guī)數字PI調節(jié)器的基礎上，提出了分段變系數PI調節(jié)器，即當系統(tǒng)的偏差較大時，積分系數(K1)和比例系數(Kp)較大；當系統(tǒng)的偏差較小時，積分系數和比例系數也較小。所以，這種控制方式既可保證系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，又能滿足一定的靜態(tài)穩(wěn)壓精度。

2 系統(tǒng)的軟件設計
    本系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，包括主程序模塊、WG模塊、PI調節(jié)模塊和MPPT模塊等。

    其中主程序模塊完成系統(tǒng)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，為避免啟動時出現過大的峰值電流，系統(tǒng)采用軟啟動方式，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(jié)模塊主要是使系統(tǒng)輸出電壓在突加負載時訊速穩(wěn)定為220V。

    MPPT模塊主要是完成太陽電池的最大功率點跟蹤。

3 試驗結果
    基于上述控制思想，已成功研制出一系列大功率樣機。對于lOkW的樣機，其效率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如圖7和圖8所示。

4 結語
    實驗證明此種設計方法是可行的。