大功率光伏逆变系统的研究

1引言

自上个世纪90年代以来，随着能源消费的增长、日益恶化的生态环境和人类环保意识的提高，世界各国都在积极寻找一种可持续发展且无污染的新能源。太阳能—作为一种高效无污染的新能源，一种未来世纪常规能源的替代品，尤其受到人类的重视。太阳能的直接应用主要有光热转换、光电转换和光化学转换三种形式，从目前来看，光电转换即光伏技术是其中最有发展前途的一种。

2光伏逆变系统简介

系统的总体框图见图1。

由图1可知，整个系统主要包含两个环节：充电环节和逆变环节；并且太阳电池是本系统赖以工作的基础，它的效率直接决定系统的效率。

3系统结构及工作原理

主电路拓朴结构见图2。

3?1充电控制

（1）太阳电池的特性

太阳电池作为光伏系统中最基本的部分，有着独特的工作特性，它的工作电压与电流和日照、太阳电池温度等密切相关，太阳电池温度在25℃时工作电压、电流和日照的关系曲线，如图3所示。

由图3可知，曲线上任一点处的功率为P=UI，其值除和U、I有关外，还与日照（S）、太阳电池温度等有关。图4给出了在太阳电池温度为25℃时，太阳电池的输出功率和日照（S）、U之间的曲线。由于太阳电池的工作效率等于输出功率与投射到太阳电池面积上的功率之比，因此，为了提高本系统的工作效率，必须尽可能地使太阳电池工作在最大功率点处，以功率尽可能小的太阳电池获得最多的功率输出。在图3和图4中，对应不同日照的最大功率点为A、B、C、D、E点。

（2）太阳电池的最大功率点跟踪（MPPT）

图1光伏逆变系统框图

图2主电路原理图

图3太阳电池工作电压、电流与日照关系曲线

图4太阳电池输出功率与日照、电压关系曲线

图5控制框图

由图1可知，本系统首先是用太阳电池阵列对蓄电池进行充电，以化学能的形式将太阳能量储藏在蓄电池中。在这个过程中，采用自寻最优控制方式使太阳电池工作在最大功率点处。具体控制过程分为两个阶段：

第一阶段确定出太阳电池工作在最大功率点时太阳电池的输出电压值Uref。

第二阶段改变太阳电池对蓄电池的充电电流使太阳电池的输出电压稳定在Uref。

以上两个阶段的完成是由控制电路通过检测太阳电池的输出电压和输出电流，采用逐次比较法来实现的。

3.2逆变原理

（1）逆变电路

正弦波逆变环节采用单相全桥电路，用IGBT作逆变电路的功率器件，IGBT是电压控制型器件，它集功率MOSFET和双极型晶体管的优点于一体，具有驱动电路简单、电压和电流容量大、工作频率高、开关损耗低、安全工作区大、工作可靠性高等优点。逆变器将蓄电池输出的直流电压转换成频率为50Hz的SPWM波，再经过滤波电感和工频变压器将其转换为220V的标准正弦波电压，采用这种方式系统结构简单，并且能有效地抑制波形中的高次谐波成分。

逆变器的工作方式采用的是SPWM控制方式，预先将0～360°的正弦值制成表格存EPROM中。由于开关模式信号是利用正弦波参考信号与一个三角载波信号互相比较来生成的，常分为单极性和双极性两种情况，而且在开关频率相同的情况下，由于双极性SPWM控制产生的正弦波，其中的谐波含量和开关损耗均大于单极性，故本系统采用的是单极性SPWM控制。

（2）控制核心

控制框图见图5。

控制芯片采用INTEL80C196MC芯片，这是INTEL公司继MCS96之后于1992年推出的新一代真正16位单片机，其数据处理能力更强，指令的执行速度更快，尤其是其内部集成了最具特色的三相波形

图6系统稳压控制框图

图7空载输出电压波形

图8负载时输出电压波形

发生器(WFG)单元，大大简化了用于SPWM波形发生软件和外部硬件，从而使整个系统结构更加简单，并且芯片内部的死区发生器电路能够确保输出信号和它的互补信号不可能同时有效，避免了同一桥臂上的IGBT上下直通，从而保护了IGBT。

（3）系统稳压控制

系统稳压控制框图见图6。

本控制过程是通过80C196MC芯片的片内外设装置─波形发生器(WG)产生中断来实现的，其中反馈电压的测取是在中断中完成的。同时控制方式采用反馈控制和前馈控制相结合的复合控制方式。另一方面，本系统在常规数字PI调节器的基础上，提出了分段变系数PI调节器，即当系统的偏差较大时，积分系数(KI)和比例系数(KP)较大；当系统的偏差较小时，积分系数和比例系数也较小。实验证明，这种控制方式既可保证系统的动态响应速度，又能满足一定的静态稳压精度。

4系统的软件设计

本系统软件采用模块化设计，主要包括主程序模块、WG模块、PI调节模块和MPPT模块等。

其中主程序模块完成系统的初始化，各单元赋初值，判断有无运行信号及对各种故障的判断。同时为避免起动时出现过大的峰值电流，系统采用软起动方式，使输出电压呈斜坡上升至给定值。

WG中断模块主要是从正弦表中取出相应的正弦值，然后送入WG－COMPX寄存器，从而得到不同脉宽的SPWM波。

PI调节模块主要是使系统输出电压在突加负载时迅速稳定为220V。

MPPT模块主要是完成太阳电池的最大功率点跟踪。

5结语

根据上述控制思想开发研制出一系列大功率样机，其中的10kW样机效率η≥85％，频率精度≤0.1％,输出电压精度≤0.5％。其空载和带负载时的电压波形分别见图7和图8。