楊中國(guó)

(棗莊學(xué)院物理與電子工程系,山東棗莊 277160)

光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬系統(tǒng)

楊中國(guó)

(棗莊學(xué)院物理與電子工程系,山東棗莊 277160)

此光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬系統(tǒng)采用M SP430F449為核心控制芯片,采用全橋逆變電路作為DC-AC的核心電路,通過(guò)控制BUCK電路實(shí)現(xiàn)M PPT最大功率點(diǎn)跟蹤,單片機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)控制逆變電路產(chǎn)生正負(fù)交替的工頻交流信號(hào).逆變電源具備各種保護(hù)功能,如輸入直流極性接反保護(hù),交流輸出短路保護(hù)、過(guò)熱、電流電壓過(guò)載保護(hù)等.利用邏輯器件輸出的pwm波形控制逆變電路,輸出含有較多的諧波分量,因此要加濾波輸出正弦波電流.

M SP430F449;PWM;逆變電路;光伏并網(wǎng)＊

0 引言

光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)是新能源領(lǐng)域最近十多年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)重要方向,它將光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)相連,省掉了體積大,易損耗的蓄電池;在城市中安裝,光伏陣列可以實(shí)現(xiàn)與建筑的一體化,節(jié)省安裝成本;分散發(fā)電,就地使用,避免了輸配電損失,減少了溫室氣體的排放.因此,太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展,分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為太陽(yáng)能利用的主要方式之一.

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)而言,其中最主要的問(wèn)題是如何提高系統(tǒng)的發(fā)電效率以及整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性.因此如何使光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),較高的效率和穩(wěn)定性,成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.控制時(shí)既要考慮跟蹤太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn),也要同時(shí)保證對(duì)電網(wǎng)輸出電流符合電網(wǎng)要求.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 structure of system

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以M SP430F449單片機(jī)為核心,控制電壓、電流檢測(cè)以及各部分驅(qū)動(dòng)電路,用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池,產(chǎn)生直流電壓,通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的PWM信號(hào),PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)由直流到交流的逆變,逆變后經(jīng)過(guò)濾波輸出正弦交流電.通過(guò)單片機(jī)控制引入?yún)⒖茧妷?經(jīng)過(guò)精密整流及過(guò)零檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)輸出電壓與電網(wǎng)電壓同相位.M SP430F449采用16位R ISC結(jié)構(gòu),具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲(chǔ)器,它具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力,超低的功耗:能夠在1. 8V～3.6V的電壓下工作;具有工作模式(AM)和5種低功耗模式(LPM).在低功耗模式下,CPU可以被中斷喚醒,響應(yīng)時(shí)間小于6p s.還有豐富的片上外設(shè),決定了430系列單片機(jī)的性價(jià)比是非常高的.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

單片機(jī)電路保證M SP430F449工作在8M hz時(shí)鐘頻率下,完成PWM脈沖發(fā)送,經(jīng)光電隔離驅(qū)動(dòng)逆變輸出電路.分別由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和LCD顯示電路組成.逆變的具體方法是通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生2路按正弦規(guī)律進(jìn)行變化的PWM信號(hào),PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路,從而實(shí)現(xiàn)直流電到正弦交流電的逆變.使用M SP430F449作為逆變控制器,不僅可使硬件電路大大簡(jiǎn)化,而且提高了靈活性和可靠性.并且該芯片價(jià)格便宜,編程方便,故本系統(tǒng)選用此方案.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 硬件原理圖Fig.2 Hardware structure

2.1 DC-AC逆變主電路的的設(shè)計(jì)

正弦波輸出的逆變器控制集成電路,正弦波輸出的逆變器,其控制電路可采用微處理器控制,如杭州利爾達(dá)生產(chǎn)的M SP430系列單片機(jī),以及D SP等,這些微處理器都具有多路PWM發(fā)生器,并可設(shè)定上、上橋臂之間的死區(qū).隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,正弦波輸出的逆變技術(shù)已經(jīng)成熟.

2.2 逆變電源主電路功率器件的選擇

逆變電源的主功率元件的選擇至關(guān)重要,目前使用較多的功率元件有達(dá)林頓功率晶體管(BJT),功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET),絕緣柵晶體管(BT)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)等,在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET,因?yàn)镸OSFET具有較低的通態(tài)壓降和較高的開(kāi)關(guān)頻率,在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用絕緣柵晶體管模塊,這是因?yàn)镸O SFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大,而絕緣柵晶體管在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì),而在特大容量(100KVA以上)系統(tǒng)中,一般均采用GTO作為功率元件.

綜上所述,本系統(tǒng)方案逆變電路用功率場(chǎng)效應(yīng)管最為適宜,本系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比挑選場(chǎng)管IRF530為開(kāi)關(guān)管器件,驅(qū)動(dòng)芯片選取IR 2101.驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3.

圖3 驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.3 D river circuit

2.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析及同頻同相控制方法

1、用單片機(jī)控制BUCK電路,利用過(guò)零檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn).具體如下:在本模擬電路中,設(shè):Uf和UREF同相位.(如圖2所示)由J1引入的參考電壓經(jīng)過(guò)精密整流,及過(guò)零檢測(cè)電路④測(cè)出其相位,來(lái)同步逆變電路的相位θ.而逆變電路的相位由反饋繞組輸出的電壓⑥再整流、過(guò)零檢測(cè)而來(lái).由J1引入的參考電壓經(jīng)過(guò)精密整流,再經(jīng)過(guò)D 2、C3濾波,測(cè)出其幅值,根據(jù)比例控制逆變電路的占空比D u ty,測(cè)試反饋繞組輸出的電壓⑥經(jīng)過(guò)精密整流、濾波后的電壓⑤來(lái)校正.根據(jù)給定參數(shù),本設(shè)計(jì)中設(shè)定參考電壓整流濾波后的③點(diǎn)和反饋的⑤點(diǎn)電壓比例為1:2.這樣輸出就可以跟蹤給定電壓的幅值和相位了要實(shí)現(xiàn)Ud= Us/2,需要DC/AC模塊的輸入阻抗是可變的,所以本方案DC/AC模塊前級(jí)加入B uck電路.調(diào)整B uck電路的占空比,使⑨的電壓為U s的一半.

2、整體參數(shù)計(jì)算

過(guò)流保護(hù)測(cè)試:考慮到要求,需要測(cè)試輸出保護(hù)電流1.5A,已有功率電阻為30Ω、36Ω(30W),所以選擇兩個(gè)36Ω,并聯(lián)做測(cè)試.

本設(shè)計(jì)額定負(fù)載為26.6W,30歐姆1個(gè),電流0.94A.

本設(shè)計(jì)中設(shè)定參考電壓整流濾波后的③點(diǎn)和反饋的⑤點(diǎn)電壓比例為1:2.

參考電壓的峰峰值為2V,則有效值為0.707V,可反推出反饋繞組輸出的電壓⑥的有效值為0.1414V,則:⑦點(diǎn)電壓有效值為14.14V.⑧點(diǎn)電壓有效值為28.28V.輸出功率符合要求.

2.4 M PPT的控制方法與參數(shù)計(jì)算

并網(wǎng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能,并將其饋送給電網(wǎng).并網(wǎng)逆變器的另一個(gè)作用是使模擬光伏電池的最大功率獲得控制.真正的光伏系統(tǒng)都希望電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出盡可能多的電能,以提高其發(fā)電效率,這也就是理論和實(shí)踐上的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking).

方案一:擾動(dòng)觀察法

光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際中常用的M PPT法的基本思想都是調(diào)整系統(tǒng)的輸出電壓,從而達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)工作點(diǎn).在最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程中,就是要不斷調(diào)整輸出電壓,使得dP/dU= 0(P表示光伏系統(tǒng)輸出功率,U表示光伏系統(tǒng)輸出電壓).

方案二:占空比擾動(dòng)法

在模擬光伏系統(tǒng)的應(yīng)用中,模擬光伏陣列和負(fù)載之間的接口通常采用PWM型的DC/AC逆變器,在這種電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,占空比D就是可以控制的變量.一種基于PV光伏陣列輸出功率與占空比之間關(guān)系的M PPT法——占空比擾動(dòng)法.M PPT控制器通過(guò)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比D來(lái)調(diào)節(jié)變換器的輸入/輸出關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的功能.

目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了多種M PPT算法.擾動(dòng)觀察法由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,需要測(cè)量的參數(shù)少,是目前光伏系統(tǒng)中最為常用的M PPT方法,但是該方法在系統(tǒng)達(dá)到最大功率點(diǎn)后,會(huì)在其左右振蕩,造成較大的能量損耗,尤其是在氣候條件變化緩慢時(shí),情況更為嚴(yán)重,所以我們采用了方案二.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.4 The main program flow chart of systerm

該系統(tǒng)采用IAR Em bedded Workbench應(yīng)用軟件進(jìn)行程序開(kāi)發(fā).系統(tǒng)各模塊初始化后通過(guò)設(shè)置低功耗模式開(kāi)啟進(jìn)入中斷,循環(huán)模式進(jìn)行采樣捕獲.其主程序如下:

vo id m ain()

{

W D TCTL=W D TPW+W D THOLD;

D e lay(300);

In it_D a ta(); //內(nèi)存變量初始化

In it(); //各功能模塊初始化

IE2|=BT IE; //使能中斷

FLL_CTL 0|=XCA P14PF;

//Con figu re loadcap s

B TCTL=B T_ADLY_1000;

//1 sin te rrup tB T=Fc lk2/128=1 s,CLK 2=ACLK/256128分頻

W D TCTL=W D T_ARST_1000;

ADC 12CTL 0|=ADC 12SC; //Sta rtconve rsion

_E IN T(); //允許中斷

w h ile(1)

{

W D TCTL=W D T_ARST_1000;

Ge tDD a ta();//取數(shù)據(jù)

D ataPro();//數(shù)據(jù)處理

D isp lay(); //d isp lay

4 結(jié)束語(yǔ)

從能源短缺的現(xiàn)實(shí)狀況和能源的可持續(xù)發(fā)展對(duì)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的突出影響,可以看出光伏并網(wǎng)發(fā)電是解決此類問(wèn)題的有效途徑,將有著更加廣闊的發(fā)展空間.并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件越來(lái)越引起人們的重視,它的發(fā)展將對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)起著不可估量的作用.本模擬裝置取得了很好的效果,為未來(lái)光伏發(fā)電系統(tǒng)的更加完善和成熟創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)條件,對(duì)一些核心控制技術(shù)的改善和提高取得了很好的效果.

[1]梁雪峰等.3KW光伏并網(wǎng)逆變器硬件設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù),2008,(08).

[2]汪海寧等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率跟蹤控制[J].電力電子技術(shù),2004,(09).

[3]秦龍.M SP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[4]劉剛.基于M SP430F449的三相正弦逆變變頻電源設(shè)計(jì)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(01).

Abstract:The grid simulator using M SP430F449 as the core control chip,using full-bridge DC-AC inverter circuitas the core of the circuit,by controlling the BUCK circuit MPPT maximum power point tracking,single-chip inverter circuit to send PWM signal control produce alternating positive and negative-frequency AC signal.Inverter with various protection features, such as DC input reverse polarity protection,out put short circuit protection exchange,thermal,current and voltage overload protection and so on.

Keywords:M SP430F449;PWM;Inverter Circuit;Photovoltaic grid

Grid-connected Photovoltaic Power Simulation System

YANG Zhong-guo
(Department of Physics and Electronic Engineering,Zaozhuang University,Zaozhuang 277160,China)

TP23

A

1004-7077(2010)02-0088-05

2009-09-05

楊中國(guó)(1980-),男,山東臨沂人,棗莊學(xué)院物理與電子工程系助教,工學(xué)碩士,主要從事智能檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的研究.

[責(zé)任編輯:陳慶朋]