Design of A 1kW Photovoltaic Grid-connected Inverter

1　前言
　　隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們逐漸認(rèn)識(shí)到必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，太陽能必須完成從補(bǔ)充能源向替代能源的過渡。光伏并網(wǎng)是太陽能利用的發(fā)展趨勢(shì)，光伏發(fā)電系統(tǒng)將主要用于調(diào)峰電站和屋頂光伏系統(tǒng)。
　　在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是核心部分。目前并網(wǎng)型系統(tǒng)的研究主要集中于dc－dc和dc－ac兩級(jí)能量變換的結(jié)構(gòu)。dc－dc變換環(huán)節(jié)調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)使其跟蹤最大功率點(diǎn);dc－ac逆變環(huán)節(jié)主要使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，同時(shí)獲得單位功率因數(shù)。其中dc－ac是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，本文詳細(xì)介紹了小功率光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)。并對(duì)逆變器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　太陽能光伏并網(wǎng)逆變裝置的主原理圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用兩級(jí)式設(shè)計(jì)，前級(jí)為boost升壓斬波器，后級(jí)為全橋式逆變器。前級(jí)用于最大功率追蹤，后級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的控制。他們的控制都是由dsp芯片tms320f2812協(xié)調(diào)完成。

圖1　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　逆變器的設(shè)計(jì)
　　太陽能并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送入電網(wǎng)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)中間電壓的穩(wěn)定，便于前級(jí)boost升壓斬波器對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。并且具有完善的并網(wǎng)保護(hù)功能，保證系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行。圖2是并網(wǎng)逆變器的原理圖。

圖2　逆變器原理框圖

3.1控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　　控制系統(tǒng)以ti公司高性能dsp控制芯片tms320f2812為核心，可以實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)的處理和ad轉(zhuǎn)換、dc/dc變換器和pwm逆變器控制脈沖的產(chǎn)生、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和控制、故障保護(hù)和存儲(chǔ)、485通訊等功能。實(shí)際電路中的中間電壓vdc、網(wǎng)壓、并網(wǎng)電流和太陽能電池的電壓電流信號(hào)采樣后送至f2812控制板?？刂瓢逯饕ㄒ韵聨讉€(gè)部分:cpu及其外圍電路，信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理電路，驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路。其中信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理單元主要完成強(qiáng)弱電隔離、電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大及濾波等功能，以滿足dsp控制系統(tǒng)對(duì)各路信號(hào)電平范圍和信號(hào)質(zhì)量的要求。驅(qū)動(dòng)電路起到提高脈沖的驅(qū)動(dòng)能力和隔離的作用。保護(hù)邏輯電路則保證發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能從硬件上直接封鎖輸出脈沖信號(hào)。
3.2 控制方法
(1) 控制理論的推導(dǎo)
　　在實(shí)現(xiàn)同頻的條件下可用矢量進(jìn)行計(jì)算從圖2可以看出逆變器輸出端存在如圖3a所示的矢量關(guān)系對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器的輸入端存在如公式(1)的基本矢量關(guān)系式:
vac＝vs＋jωl·in＋rs·in (1)
式中， vac——電網(wǎng)基波電壓幅值;
vs——逆變器輸出端基波幅值。
　　在網(wǎng)壓vac(t)為一定的情況下in(t)幅值和相位僅由光伏并網(wǎng)逆變器輸出端的脈沖電壓中的基波分量vs(t)的幅值，及其與網(wǎng)壓vac(t)的相位差來決定。改變vs(t)的幅值和相位就可以控制輸入電流in(t)和vac(t)同相位。pwm整流器輸入側(cè)存在一個(gè)矢量三角形關(guān)系，在實(shí)際系統(tǒng)中rs值的影響一般比較小，通?？梢院雎圆挥?jì)得到如圖3b所示的簡(jiǎn)化矢量三角形關(guān)系。

圖3　控制矢量圖

　　在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對(duì)上式進(jìn)行周期平均并假設(shè)輸入電流能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)跟蹤電流指令即可推導(dǎo)出公式(3):

(3)

　　式中，k＝ l/tc，tc為載波周期。
　　從該模型即可以得到本系統(tǒng)所采用的圖3所示的控制框圖。此方法稱為基于改進(jìn)周期平均模型的固定頻率電流追蹤法。
(2) 逆變器控制框圖

圖4　逆變器控制框圖

　　圖4所示為逆變器的控制框圖。其中參考電壓vref與光伏電池實(shí)際輸出電壓vdc相比較后，誤差經(jīng)pi調(diào)節(jié)得到電流指令i*，再與正弦波形相乘得到正弦指令iref，iref與實(shí)際輸出的電流相比較后，誤差經(jīng)p調(diào)節(jié)后得到的值(物理意義上就相當(dāng)于逆變器輸出側(cè)電感上產(chǎn)生的電壓)與網(wǎng)壓vac(t)相加得到的波形與三角波比較，便產(chǎn)生了4路pwm波控制逆變器開關(guān)管的通斷，這樣就實(shí)現(xiàn)了光伏電池輸出電壓基本工作在vref附近，系統(tǒng)輸出正弦電流波形幅值為i*。
　　方案中對(duì)并網(wǎng)電流的采用了固定開關(guān)頻率的控制方法。固定開關(guān)頻率控制是將電流誤差p調(diào)節(jié)后作為調(diào)制波與三角載波比較產(chǎn)生pwm波。其缺點(diǎn)是必須與實(shí)際電流存在偏差才能產(chǎn)生pwm波。因此在固定開關(guān)頻率控制的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，加人了交流側(cè)網(wǎng)壓vac的計(jì)算，即電流誤差信號(hào)iref經(jīng)過pi調(diào)節(jié)后與vac相加，得到的值再與三角載波進(jìn)行比較。δi在物理意義上就相當(dāng)于逆變器輸出側(cè)電感上產(chǎn)生的電壓。δi×p與vac之和，就相當(dāng)于逆變器輸出脈沖電壓，這樣構(gòu)成的矢量圖與逆變器輸出向量圖一致。改進(jìn)的固定開關(guān)頻率的控制策略在保持原有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，電流跟蹤誤差顯著減小，改善了pwm整流器的電流跟蹤性能。

4　最大功率跟蹤和反孤島效應(yīng)的檢測(cè)
　　mppt控制的最終目的在于動(dòng)態(tài)的追尋太陽能電池板的最大功率點(diǎn)。常用的方法有固定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀測(cè)法、導(dǎo)納微增法和間歇掃描跟蹤法。本文采用的是最后一種方法。這種方法的原理是定時(shí)掃描太陽能電池板陣列的輸出功率，然后逐次比較，直到追蹤到最大功率點(diǎn)。由于電池板最大功率點(diǎn)受光照的影響變化不是很劇烈，所以本文作者對(duì)這種方法進(jìn)行了改進(jìn)，只需要在最大功率點(diǎn)附近搜索掃描即可找到最大功率點(diǎn)。改進(jìn)后的間歇掃描法控制及保持了跟蹤的控制精度有提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
　　所謂孤島效應(yīng)就是當(dāng)電力公司的供電系統(tǒng)，因故障事故或停電維修等原因而停止工作時(shí)，安裝在各個(gè)用戶端的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能即時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而迅速將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，因而形成了一個(gè)由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向周圍負(fù)載供電的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電孤島現(xiàn)象。
其具體實(shí)現(xiàn)思想就是:系統(tǒng)通過軟硬件電路周期性地檢測(cè)出相鄰兩次電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)的時(shí)刻，計(jì)算　出電網(wǎng)電壓的頻率f，然后在此頻率f的基礎(chǔ)上引入偏移量△f,最后將頻率(f士△f)作為輸出并網(wǎng)電流的給定頻率，并且在電網(wǎng)電壓每次過零時(shí)使輸出并網(wǎng)電流復(fù)位。那么，當(dāng)電網(wǎng)無故障時(shí)，負(fù)載上的電壓頻率即為電網(wǎng)電壓頻率，因此dsp每次檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓頻率基本不變;而當(dāng)市電脫網(wǎng)時(shí)，光伏陣列的輸出并網(wǎng)電流單獨(dú)作用于負(fù)載上，由于輸出并網(wǎng)電流頻率的逐周期偏移，所以，dsp每次檢測(cè)到的負(fù)載電壓頻率就會(huì)相應(yīng)地改變，這樣，就形成了給定輸出并網(wǎng)電流頻率的正反饋，使得負(fù)載電壓的頻率很快就會(huì)超過頻率保護(hù)的上、下限值從而使系統(tǒng)有效檢測(cè)出市電脫網(wǎng)，因此，主動(dòng)頻率偏移法使系統(tǒng)具有了良好的反孤島效應(yīng)功能。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，已在搭建完成額定功率1.5kw的光伏并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)裝置。輸入為100－300v，輸出并網(wǎng)電流為4.5a。輸出功率約為1kw，頻率為50hz。并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相同頻，功率因數(shù)接近為1。實(shí)驗(yàn)波形如圖５所示。

圖5　500w實(shí)驗(yàn)時(shí)輸出電流電壓波形

6　結(jié)束語
　　本文介紹的小功率光伏并網(wǎng)逆變器采用改進(jìn)的固定開關(guān)頻率的電流控制并網(wǎng)方案，使輸出功率因數(shù)接近為1。采用tms320f2812作為控制芯片，使系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)，保護(hù)完善，提高了并網(wǎng)效率。運(yùn)用了具有最大功率跟蹤和反孤島效應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，性能良好。