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500W光伏并網(wǎng)逆變器設計
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統是光伏系統發(fā)展的趨勢。根據光伏并網(wǎng)發(fā)電系統的特點(diǎn),設計了一套額定功率為500W的光伏并網(wǎng)逆變器,該并網(wǎng)逆變器能實(shí)現最大功率跟蹤和反孤島效應控制功能,控制部分采用基于TMS320F240型DSP的電流跟蹤控制策略,實(shí)現了與網(wǎng)壓同步的正弦電流輸出。
??? 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;光伏系統;最大功率點(diǎn)跟蹤;孤島效應;并網(wǎng)逆變器
??? 1 引言
太陽(yáng)能的大規模應用將是21世紀人類(lèi)社會(huì )進(jìn)步的重要標志,而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統是光伏系統的發(fā)展趨勢。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統的最大優(yōu)點(diǎn)是不用蓄電池儲能,因而節省了投資,系統簡(jiǎn)化且易于維護。這類(lèi)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統主要用于調峰光伏電站和屋頂光伏系統。目前,美、日、歐盟等發(fā)達國家都推出了相應的屋頂光伏計劃,日本提出到2010年要累計安裝總容量達50 000MW的家用光伏發(fā)電站。作為屋頂光伏系統的核心,并網(wǎng)逆變器的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注[1]。
??? 2 光伏并網(wǎng)系統設計
??? 2.1 系統結構
??? 光伏并網(wǎng)逆變器的結構如圖1所示。光伏并網(wǎng)逆變器主要由二部分組成：前級DC-DC變換器和后級DC-AC逆變器。這2部分通過(guò)DClink相連接,DClink的電壓為400V。在本系統中,太陽(yáng)能電池板輸出的額定直流電壓為100V～170V。DC—DC變換器采用boost結構,DC—AC部分采用全橋逆變器,控制電路的核心是TMS320F240型DSP。其中DC-DC變換器完成最大功率跟蹤控制(MPPT)功能,DC-AC逆變器維持DClink中間電壓穩定并將電能轉換成220V／50Hz的正弦交流電。系統保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同頻和同相。?
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??? 2.2 控制電路設計
??? 2.2.1 TMS320F240控制板
TMS320F240控制板如圖2所示,以TI公司的TMS320F240型DSP為核心,外圍輔以模擬信號調理電路、CPLD、數碼管及DA顯示、通信及串行E2PROM,完成電壓和電流信號的采樣、PWM脈沖的產(chǎn)生、與上位機的通信和故障保護等功能。
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??? 2.2.2 電壓和電流信號檢測電路
??? 模擬信號檢測電路的功能是把強電信號轉換為DSP可以讀取的弱電數字信號,同時(shí)要保證強電和弱電的隔離。筆者選用惠普公司的HCPL7800A型光電耦合器,其非線(xiàn)性度為0.004％,共模電壓為l 000V時(shí)的共模抑制能力為15kV／lμs,增益溫漂為0.000 25V／℃,帶寬為100kHz。具體隔離檢測電路如圖3所示。
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??? 2.2.3 IGBT驅動(dòng)電路
DSP控制電路產(chǎn)生的PWM信號先通過(guò)驅動(dòng)電路,然后控制IGBT開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通狀態(tài)。筆者選用惠普公司的HCPL3120型專(zhuān)用IGBT驅動(dòng)電路,如圖4所示。驅動(dòng)電路的輸入和輸出是相互隔離的,驅動(dòng)電路還有電平轉換功能,將DSP的+5V控制電壓轉換為+15V的IGBT驅動(dòng)電壓,驅動(dòng)電路電源采用金升陽(yáng)公司的B0515型隔離電源模塊。
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??? 2.2.4 輔助電源
為了給光伏并網(wǎng)逆變器的控制電路、信號采集電路及開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電路等提供各種工作電源,需要設計1個(gè)與主電路隔離的輔助電源。輔助電源的輸入電壓為100VDC～170VDC;輸出的3路電壓分別為+15VDC(2.5W)、-15VDC(2.5W)和+5VDC(5W);輸出電壓波動(dòng)小于1％。筆者采用最新的Topswitch系列FOP222型電路進(jìn)行輔助電源的設計[3]。輔助電源主電路采用單端反激式拓撲結構,如圖5所示。
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??? 3 最大功率跟蹤控制MPPT
MPPT的實(shí)質(zhì)是一種自尋優(yōu)過(guò)程[4],常用的方法有固定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀(guān)測法、導納微增法和間歇掃描跟蹤法。筆者采用的是間歇掃描跟蹤法。其核心思想是定時(shí)掃描一段(一般為0.5倍～0.9倍的開(kāi)路電壓1陣列電壓,同時(shí)記錄不同電壓下對應的陣列輸出功率值,然后比較不同點(diǎn)太陽(yáng)電池陣列的輸出功率,得出最大功率點(diǎn)。筆者對間歇掃描法進(jìn)行了改進(jìn),即在較短時(shí)間間隔內只在縮小的跟蹤范圍內(Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc)掃描1次。其中Vm和Voc分別是太陽(yáng)能電池陣列的最大功率點(diǎn)工作電壓和陣列開(kāi)路電壓。每隔一段較長(cháng)時(shí)間后再在整個(gè)跟蹤范圍內對各工作點(diǎn)掃描1次。
改進(jìn)后的間歇掃描法控制既保持了跟蹤的控制精度又提高了系統運行的穩定性。
??? 4 反孤島效應控制方法
??? 孤島效應是指由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網(wǎng)中斷供電時(shí)各個(gè)用戶(hù)端的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變器仍獨立運行的現象。一般來(lái)說(shuō),孤島效應可能對整個(gè)配電系統設備及用戶(hù)的設備造成不利的影響,包括并網(wǎng)逆變器持續供電可能危機電網(wǎng)線(xiàn)路維護人員的生命安全：干擾電網(wǎng)的正常合閘過(guò)程：電網(wǎng)不能控制孤島中的電壓和頻率?？赡茉斐捎脩?hù)用電設備的損壞[5]。因此解決光伏并網(wǎng)系統的孤島問(wèn)題顯得尤為重要。
筆者提出了一種正反饋頻率擾動(dòng)的反孤島檢測方法。該方法的主要思想是首先判斷當前電網(wǎng)電壓頻率的漂移方向,然后周期性地對輸出電流頻率施以相應的擾動(dòng)。同時(shí)觀(guān)測實(shí)際輸出電流頻率。當輸出電流頻率跟隨擾動(dòng)信號變化即輸出電流頻率可由并網(wǎng)逆變器控制時(shí),就成倍增加擾動(dòng)量。以達到使輸出電流頻率快速變化而觸發(fā)反孤島頻率檢測的目的。
??? 5 實(shí)驗
??? 筆者對500W光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了測試。采用8塊額定功率為50W的多晶硅太陽(yáng)電池陣列串連,輸入電壓為100VDC-170VDC,輸出電壓為220VAC,輸出頻率為50Hz。輸入側分別用安培表和伏特表測量太陽(yáng)電池的輸入電壓和電流,輸出側采用FLUKE 43B型電能質(zhì)量分析儀檢測并網(wǎng)逆變器輸出交流電壓和電流的參數和波形。由于輸出交流電流值太小,因此采用在電流探頭上繞8匝后測量。
測試結果是太陽(yáng)電池的輸出電壓基本在122V左右,輸出電流為2A,輸出功率為244W。由測試結果可以看出。逆變器的輸出電壓為230.9V,輸出功率為1.45kW／8=181.2W,所以逆變器的效率為0.74,逆變器的效率包括DC-DC變換和DC-AC變換及輔助電源的總效率。逆變器輸出功率因數為0.97,基本保持與網(wǎng)壓同頻和同相。輸出電流的基波分量占電流總量的99.6％,輸出的電能質(zhì)量是令人滿(mǎn)意的。
??? 6 結束語(yǔ)
??? 由實(shí)驗波形可以看出,所設計的光伏并網(wǎng)逆變器工作穩定。性能良好。由于采用了以TMS320F240型：DSP為主的控制電路,系統具有較好的動(dòng)態(tài)響應特性。采用了具有最大功率跟蹤和反孤島控制功能的軟件設計,因而能充分利用太陽(yáng)能電池的能源且能檢測孤島效應的發(fā)生。
工商網(wǎng)監
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