歐 燁

(國(guó)電南瑞深圳分公司，廣東 深圳 518054)

雙模式光伏控制系統(tǒng)研究

歐 燁

(國(guó)電南瑞深圳分公司，廣東 深圳 518054)

光伏發(fā)電在引入電力系統(tǒng)后，除能夠保障用電需求得到滿足以外，還可在緩解能源緊張問(wèn)題方面發(fā)揮相應(yīng)的價(jià)值。根據(jù)這一背景，對(duì)雙模式光伏控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，就其優(yōu)勢(shì)以及硬軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開(kāi)分析探討，望能引起各方高度關(guān)注與重視。

雙模式光伏控制系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；硬件；軟件；設(shè)計(jì)

0 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)于其他發(fā)電系統(tǒng)而言，具有投資少、占地面積小、節(jié)能環(huán)保等多個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)高峰期電力負(fù)荷而言，能夠更加經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行管理。目前，在整個(gè)電力市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)下，我國(guó)分布式發(fā)電系統(tǒng)下的光伏發(fā)電系統(tǒng)勢(shì)必迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展空間，其所對(duì)應(yīng)的發(fā)展?jié)摿σ彩秋@而易見(jiàn)的。本文將重點(diǎn)圍繞雙模式光伏控制系統(tǒng)這一中心問(wèn)題展開(kāi)分析與探討。

1 雙模式光伏控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

在現(xiàn)階段的技術(shù)條件支持下，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)有3種基本類(lèi)型：(1) 獨(dú)立供電光伏系統(tǒng)；(2) 并網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)；(3) 并網(wǎng)、獨(dú)立雙模式運(yùn)行光伏系統(tǒng)。

其中，前兩種模式的光伏系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛，但在實(shí)踐應(yīng)用中也表現(xiàn)出了一定的局限性。首先，對(duì)于獨(dú)立供電的光伏系統(tǒng)而言，為了滿足負(fù)載方面的能源需求，往往需要配置相當(dāng)高功率水平的光伏電池陣列或者是蓄電池組，太陽(yáng)能資源無(wú)法得到高效的利用，且造價(jià)較高，成本效益不夠理想。更加關(guān)鍵的是，在供電過(guò)程中所產(chǎn)生的多余電能無(wú)法通過(guò)本系統(tǒng)供給遠(yuǎn)程負(fù)載使用，造成了能源的浪費(fèi)。其次，對(duì)于并網(wǎng)發(fā)電的光伏系統(tǒng)而言，其最大的問(wèn)題在于：在電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障的情況下，無(wú)法支持本地負(fù)載的持續(xù)性供電。

對(duì)比以上兩種模式，并網(wǎng)運(yùn)行模式、獨(dú)立運(yùn)行模式相結(jié)合的光伏控制系統(tǒng)綜合優(yōu)勢(shì)更加顯著。首先，在電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，光伏電池陣列所發(fā)出的最大能量能夠通過(guò)逆變器完整傳遞至電網(wǎng)系統(tǒng)；其次，在電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障的情況下，雙模式光伏控制系統(tǒng)能夠自行切斷與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，逆變器轉(zhuǎn)為獨(dú)立工作模式，為本地負(fù)載持續(xù)性供電，確保重要負(fù)載運(yùn)行的高度可靠及穩(wěn)定。

2 雙模式光伏控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

(1) 在供電電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到整個(gè)雙模式光伏控制系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下需要通過(guò)芯片內(nèi)AD部件實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，為了確保采集的精確性，降低采集期間的干擾影響，要求在對(duì)系統(tǒng)供電電源進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中引入兩個(gè)電源模板：數(shù)字電源及模擬電源。

同時(shí)，系統(tǒng)芯片對(duì)供應(yīng)電源的電壓要求為1.8/3.3 V。根據(jù)這一要求，為了確保上電過(guò)程中復(fù)位以及運(yùn)行的正常，需要在供電電源設(shè)計(jì)中靈活處理上電→掉電的控制程序：從上電程序的角度來(lái)說(shuō)，首先需要確保3.3 V供電電壓電路模塊先供電，然后再提供1.8 V電壓；從掉電程序的角度來(lái)說(shuō)，要求處理器復(fù)位引腳在供電電壓下降至1.5 V之前，插入8.0 μs以上的低電平。為了滿足這一控制要求，通過(guò)電源管理芯片來(lái)完成對(duì)上電程序的控制。數(shù)字信號(hào)處理模塊電源電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字信號(hào)處理模塊電源電路結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 在采樣電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，從整個(gè)雙模式光伏控制系統(tǒng)運(yùn)行及其功能實(shí)施的角度來(lái)說(shuō)，采樣電路直接作用于被控制信號(hào)，使其轉(zhuǎn)化形成系統(tǒng)芯片可接收的電壓信號(hào)(對(duì)應(yīng)電壓水平控制在3.0 V范圍之內(nèi))。根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行屬性特點(diǎn)，要求采樣電路設(shè)計(jì)期間重點(diǎn)關(guān)注光伏電池電壓、電流采樣方面的問(wèn)題。從這一角度來(lái)說(shuō)，采樣的對(duì)象主要為系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，光伏電池陣列所對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)以及電流數(shù)據(jù)，通過(guò)采樣電路對(duì)光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。光伏電池電壓、電流采樣電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏電池電壓、電流采樣電路結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合圖2來(lái)看，光伏電池電壓、電流采樣電路首先經(jīng)過(guò)R6、R14兩個(gè)電阻分壓，通過(guò)R1電阻以及C1電容，在流過(guò)有源低通濾波器后，對(duì)電路采樣電壓以及電流信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

(3) 在逆變系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合整個(gè)雙模式光伏控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需求來(lái)看，逆變系統(tǒng)電路所對(duì)應(yīng)的輸出電壓?jiǎn)挝粸镈C400 V，同步對(duì)應(yīng)的輸出電壓以及額定功率取值分別為AC220 V以及200 W。該主電路中所選擇的功率管標(biāo)準(zhǔn)為1 200 V(最大反向電壓標(biāo)準(zhǔn))。在對(duì)逆變系統(tǒng)主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先需要考慮的問(wèn)題是如何確保緩沖電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠與合理，避免因設(shè)計(jì)偏差對(duì)整個(gè)逆變系統(tǒng)主電路造成的損耗及功率管損耗問(wèn)題。在對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行處理的過(guò)程中，需要遵循的設(shè)計(jì)思路為：考慮功率管所對(duì)應(yīng)的等效反并聯(lián)二極管，計(jì)算整個(gè)線路運(yùn)行期間所對(duì)應(yīng)的引線電感取值情況，考慮緩沖電路對(duì)電壓尖峰的吸收，根據(jù)緩沖電容計(jì)算對(duì)應(yīng)的功率大小，配備適宜的緩沖電路。針對(duì)本文所研究的雙模式光伏控制系統(tǒng)，選擇電阻值為60.0 Ω、功率為5.0 W的功率電阻，反向阻斷恢復(fù)時(shí)間控制在65.0 ns范圍內(nèi)。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，所給出的逆變系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 逆變系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)示意圖

(4) 在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求按照設(shè)計(jì)方案所構(gòu)建的驅(qū)動(dòng)電路能夠根據(jù)控制電路的信號(hào)指令，正確執(zhí)行功率管開(kāi)通或關(guān)斷方面的動(dòng)作，需要注意的是：對(duì)雙模式光伏控制系統(tǒng)中的電壓控制型器件而言，考慮到功率管與極間電容的關(guān)系，要求對(duì)應(yīng)設(shè)置合理的電流輸出能力。根據(jù)這一需求，選擇驅(qū)動(dòng)電路的隔離電壓值為2 500.0 V，輸出電流取值為1.5 A，開(kāi)關(guān)時(shí)間為1.5 μs。

3 雙模式光伏控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)雙模式光伏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，軟件調(diào)試平臺(tái)選擇為德州儀器公司所提供的CCSV4平臺(tái)。本調(diào)試工作平臺(tái)能夠支持包括T1數(shù)字處理器編譯器、代碼編輯器、程序調(diào)試以及程序模擬在內(nèi)的多種功能，提供配置層面、調(diào)試層面、分析層面的程序工具，可支持完成對(duì)整個(gè)雙模式光伏控制系統(tǒng)程序的動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析作業(yè)。在這一平臺(tái)干預(yù)下，雙模式光伏控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)可以作如下概括：

(1) 在最大功率點(diǎn)跟蹤算法的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采取擾動(dòng)觀察算法。本算法的主要思路為：周期性地增加或減少光伏陣列工作電壓，達(dá)到最大功率點(diǎn)。在本算法中，本次采樣電壓等于前一次采樣電壓取值與電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)取值的和。在這一算法下，對(duì)其進(jìn)行控制的核心策略在于：每間隔一定的時(shí)間，對(duì)光伏電池包括工作電壓、輸出電流在內(nèi)的相關(guān)變量進(jìn)行擾動(dòng)施加作業(yè)，根據(jù)擾動(dòng)后輸出功率所產(chǎn)生的變化確定下一階段對(duì)控制變量的擾動(dòng)方案。為了能夠顯著改善整個(gè)雙模式光伏控制系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法的效率，可以持續(xù)不斷地重復(fù)對(duì)控制變量的擾動(dòng)過(guò)程，達(dá)到最大功率點(diǎn)后，在最大功率點(diǎn)附近振蕩。

(2) 在全橋逆變電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入了基于SPWM的控制策略。在并網(wǎng)工作模式下，控制系統(tǒng)逆變器通過(guò)并網(wǎng)電流單閉環(huán)的方式進(jìn)行控制，根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤算法計(jì)算此階段的并網(wǎng)電流參考值，同時(shí)，通過(guò)數(shù)字控制器對(duì)并網(wǎng)電流的實(shí)際取值進(jìn)行采樣，兩者在PID運(yùn)算下，根據(jù)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋逆變器開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)的控制；而在獨(dú)立工作模式下，控制系統(tǒng)逆變器通過(guò)電感電流內(nèi)環(huán)以及輸出電壓外環(huán)的方式進(jìn)行控制，根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤算法，在解耦后進(jìn)行控制。PID運(yùn)算期間的電流參考值直接由系統(tǒng)設(shè)定，同樣根據(jù)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋逆變器開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)的控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先針對(duì)雙模式光伏控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，進(jìn)而從供電電源設(shè)計(jì)、采樣電路設(shè)計(jì)、逆變系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)四方面入手，探討了該系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)中的技術(shù)要點(diǎn)；從最大功率點(diǎn)跟蹤算法設(shè)計(jì)、全橋逆變電路設(shè)計(jì)兩方面入手，分析了該系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)中的技術(shù)要點(diǎn)，希望能有助于雙模式光伏控制系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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2014-06-05

歐燁(1985—)，女，貴州人，助理工程師，主要從事風(fēng)光功率控制和變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作。