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(gè)重要結(jié)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(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，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(kāi)關(guān)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(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)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(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光伏發(fā)電系統(tǒng)；SPWM；光伏電池

中圖分類(lèi)號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）07-

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由于安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、維護(hù)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、規(guī)模靈活、應(yīng)用幾乎不受地域條件的限制、資源量非常豐富等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞，被譽(yù)為21世紀(jì)的主要發(fā)展能源。世界各國(guó)紛紛投入巨額資金競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)，并積極推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，20世紀(jì)80年代以來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。

1 課題分析

1.1 背景分析

我國(guó)于1958年開(kāi)始太陽(yáng)能電池的研究，1959年第一塊有實(shí)用價(jià)值的太陽(yáng)能電池誕生，1971年首次應(yīng)用太陽(yáng)能電池到我國(guó)發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星上，并于1973年開(kāi)始地面應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，我國(guó)政府開(kāi)始給光伏產(chǎn)業(yè)以支持，做了一些示范工程，如太陽(yáng)能無(wú)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(jìn)，光伏電池價(jià)格的大幅下降，市場(chǎng)大為開(kāi)拓。90年代以后，光伏電池應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，光伏電池用量也以每年20%的速度遞增。2004年我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量首次超過(guò)印度，達(dá)到50MW。隨著我國(guó)可再生能源法的頒布，將為光伏發(fā)電市場(chǎng)的發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)。

1.2 特色及創(chuàng)新

1.2.1 設(shè)計(jì)了MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤模塊?？梢宰钣行У貙⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，大大地提高了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率，使其比未使用MPPT時(shí)轉(zhuǎn)換效率提高20%～50%，這樣可以極大地減少開(kāi)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(lái)控制形成SPWM波實(shí)現(xiàn)從DC到AC的轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)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(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)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(shí)現(xiàn)相位的檢測(cè)。通過(guò)微控制器XE166對(duì)逆變電路輸出的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，直到檢測(cè)到經(jīng)過(guò)調(diào)整輸出后的信號(hào)的相位與市電的相位相同時(shí)才允許并網(wǎng)供電。

2 課題實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)硬件框圖設(shè)計(jì)

2.2 各電路模塊實(shí)現(xiàn)原理

2.2.1 MPPT電路部分。利用爬坡法對(duì)太陽(yáng)能電池板輸出的不穩(wěn)定的電能進(jìn)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(jìn)行比較，當(dāng)不斷調(diào)整電流電壓乘積（即功率）的最大值，使其達(dá)到動(dòng)態(tài)的最大值，從而使其每時(shí)每刻都達(dá)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(kāi)關(guān)管，D為續(xù)流二極管，其開(kāi)關(guān)速度與T同等級(jí)（常用快恢復(fù)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(fù)載。電路完成把直流電壓Vin轉(zhuǎn)換成直流電壓Vo的功能。這里采用典型BUCK電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 逆變電路。通過(guò)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(bǔ)輸出模式。在T12定時(shí)中斷中，使各個(gè)通道的占空比按照SPWM規(guī)律變化，從而來(lái)控制四路IGBT，實(shí)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(qū)動(dòng)控制電路（即逆變電路驅(qū)動(dòng)）。采用英飛凌的高速、高壓2ED020I06-FI雙通道驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)四通道的PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。2ED020I06-FI雙通道帶欠壓保護(hù)，CMOS施密特觸發(fā)輸入帶下拉，門(mén)驅(qū)動(dòng)電流為+1/-2A，且低功耗，驅(qū)動(dòng)的高側(cè)電壓可能直接

提供或通過(guò)一個(gè)自舉二極管和電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。

2.2.5 相位檢測(cè)電路（即并網(wǎng)電路）。相位檢測(cè)電路主要通過(guò)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)相位的檢測(cè)。以電網(wǎng)正弦交流電為參考，通過(guò)電流互感器得到的弱信號(hào)，將其通過(guò)二次過(guò)零比較，轉(zhuǎn)化離散信號(hào)，即方波，同樣通過(guò)逆變電能信號(hào)，經(jīng)過(guò)同樣的處理，再經(jīng)過(guò)異或處理。也即是，當(dāng)兩者相位有差時(shí)，得到“1”高電平信號(hào)，否則，得到“0”低電平信號(hào)。將得到比較信號(hào)送給MCU對(duì)相應(yīng)的電路部分進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相位同步。

2.3 軟件實(shí)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(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，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(kāi)關(guān)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(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)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(diǎn)跟蹤）控制器中采用PI算法，使系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到靜態(tài)無(wú)差，從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)無(wú)差。無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)中，PI調(diào)節(jié)器的比例部分使動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快（無(wú)滯后），積分部分使系統(tǒng)消除靜差。能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)太陽(yáng)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(duì)蓄電池充電。

2.3.3 MPPT電路軟件流程。爬坡法：通過(guò)比較兩個(gè)相鄰時(shí)刻t1、t2由光伏陣列輸出的電壓V與電流I的乘積P，當(dāng)Pt1≥Pt2時(shí)，說(shuō)明輸出電壓還未達(dá)到最有效值，則繼續(xù)增加占空比來(lái)提高輸出功率；當(dāng)Pt1≤Pt2時(shí)，說(shuō)明已經(jīng)達(dá)到最有效值，則不許再增加占空比，而應(yīng)該減小占空比使輸出保持最有效，實(shí)時(shí)對(duì)光伏陣列輸出的功率不斷檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)以光生伏特效應(yīng)為原理，利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能。由太陽(yáng)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(zhuǎn)換；然后經(jīng)DC-DC電路達(dá)到穩(wěn)壓目的得到穩(wěn)定電壓輸出給逆變電路，再經(jīng)過(guò)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(cè)（并網(wǎng)）電路，直到通過(guò)微處理器將相位調(diào)整到與市電同步才能進(jìn)行并網(wǎng)，并將檢測(cè)到的信號(hào)傳到微處理器控制的LCD12864顯示。

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作者簡(jiǎn)介：喻小平（1989-），男，湖北武漢人，就讀于長(zhǎng)江大學(xué)東校區(qū)電子信息學(xué)院，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）