畢業(yè)設計(論文)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設計

摘要隨著社會生產(chǎn)的日益發(fā)展，對能源的需求量在不斷增長，全球范圍內(nèi)的能源危機也日益突出。地球中的化石能源是有限的，總有一天會被消耗盡。隨著化石能源的減少，其價格也會提高，這將會嚴重制約生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高?？稍偕茉词菨M足世界能源需求的一種重要資源，特別是對于我們這個人口大國來講更加重要。其中太陽能資源在我國非常豐富，其應用具有很好的前景。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并通過并網(wǎng)逆變器將直流電變?yōu)榕c市電同頻同相的交流電，并回饋電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心技術是并網(wǎng)逆變器，在本文中對于單相并網(wǎng)逆變器硬件進行了建摸及設計。給出了硬件主回路并對各部分的功能進行了分析，同時選用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作為控制CPU，闡述了芯片特點及選擇的原因。并對并網(wǎng)逆變器的控制及軟件實現(xiàn)進行了研究。文中對于光伏電池的最大功率跟蹤(MPPT)技術作了闡述并提出了針對本設計的實現(xiàn)方法。最后對安全并網(wǎng)的相關問題進行了分析探討。文章的主要內(nèi)容如下:1.目前國內(nèi)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展前景，并對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功能、分類和特點作了簡單介紹，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建立了一個總體認識。2.研究了光伏電池的基本發(fā)電原理和輸出特性。重點研究了光伏電池的輸出特性和其影響因素，并得出相應的結(jié)論。3.并網(wǎng)逆變器主要包括DC/DC及DC/AC兩部分，文中分析了各部分設計重點，明確了選用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作為控制CPU的原因及優(yōu)點，同時給出了控制及軟件實現(xiàn)方法。4.光伏電池發(fā)電輸出是非線性的，存在輸出最大功率(CMPPT)跟蹤問題。本文闡述了常用的最大功率點跟蹤方法，并結(jié)合本設計提出了改進方法。使光伏電池工作于最大輸出功率點上，獲得高效功率輸出。5.在實際太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池的輸出及電網(wǎng)的電壓是不斷波動的，如何實現(xiàn)安全并網(wǎng)以及在運行中對各種故障的檢測及報警進行了探討，重點對“孤島效應”進行了分析。關鍵詞：光伏電池;并網(wǎng)安全;光伏逆變器;最大功率點跟蹤;DSP目錄TOC\o"1-5"\h\z\u15433致謝42 3245791緒論 3136681.1光伏系統(tǒng)的應用發(fā)展前景 324991.2光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 732201.3本課題所做的工作 9194612.單相光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理及總體設計 1079212.1光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理 10306242.2光伏并網(wǎng)逆變器的總體設計 11106722.2.1單相光伏并網(wǎng)逆變器的基本結(jié)構(gòu) 1135482.2.2硬件設計中的各部分介紹 1197792.2.3控制電路設計 13130032.2.4逆變部分的主回路設計 15244722.3CPU控制芯片的選擇 16100182.3.1DSP技術概括 16219272.3.2DSP芯片特點 18117422.3.3TMS320F2812型DSP芯片的性能簡介 19246603.最大功率跟蹤及其實現(xiàn) 2092973.1最大功率跟蹤的常用方法 20246233.2光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的最大功率跟蹤 2218573.2.1DC/DC變換器控制方案 23275143.2.2最大功率跟蹤的實現(xiàn) 24138784.單相光伏并網(wǎng)逆變器控制及實現(xiàn) 2594004.1DC/AC逆變器控制方案 2536474.1.1電壓相量圖及其分析 2538294.1.2控制單元框圖結(jié)構(gòu) 27326754.2軟件設計與實現(xiàn) 2854024.2.1系統(tǒng)軟件總體設計 2877754.2.2系統(tǒng)主程序流程圖 29258614.2.3SPWM波的實現(xiàn)方法 30274934.2.4主要元器件選擇與試驗波形 3210875.光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的“孤島效應”分析 34176495.1孤島效應的產(chǎn)生及危害 34295755.2光伏系統(tǒng)孤島效應的特點 3577975.3孤島監(jiān)測和系統(tǒng)保護方法 3580726.總結(jié)與展望 37258316.1總結(jié) 3742156.2展望 3823155參考文獻： 38致謝391緒論1.1光伏系統(tǒng)的應用發(fā)展前景隨著社會生產(chǎn)的日益發(fā)展，對能源的需求量在不斷增長，全球范圍內(nèi)的能源危機也日益突出。地球中的化石能源是有限的，總有一天會被消耗盡。隨著化石能源的減少，其價格也會提高，這將會嚴重制約生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高。據(jù)測算，全世界能源消耗的大部分被家庭所占，改善家庭的能源消耗方式便可改善全球的環(huán)境質(zhì)量，節(jié)約大量的化石能源，用于化工等他用，而不只是當作燃料使用。因此自然能發(fā)電技術的應用受到越來越普遍的重視，潔凈廉價的太陽能正適合于作為可再生的替代能源。太陽能是一種自然資源，將太陽能進行采集、轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)榭煽仉娔艿南到y(tǒng)，即為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。這項技術由美國貝爾實驗室于上世紀五十年代初研究成功，最初僅用于航天等高科技領域。上世紀七十年代爆發(fā)的全球性能源危機，促使該技術向民用方面迅速推廣。經(jīng)過三十多年的不斷改進與發(fā)展，目前己經(jīng)形成一套完整而成熟的技術，隨著全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，世界各國都在大力鼓勵太陽能光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)報道，日本1992年啟動了新陽光計劃，到2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。德國新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價，大大推動了光伏市場和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。中國的常規(guī)能源儲量遠遠低于世界的平均水平，大約只有世界總儲量的10%。2007年能源消費總量約為19.8億噸，比2006年增長13%，其中:煤炭占67.1%,石油占22.7%、天然氣占2.8%、水電等占7.3%。2007年石油進口達到9900萬噸，約占中國總石油消耗4096。由于能源需求的強勁增長，煤炭在能源消費結(jié)構(gòu)中的比例有所提高，比2006年提高1個百分點。按照目前的經(jīng)濟發(fā)展趨勢和中國的資源情況，2010年和2020年的電力供應單靠傳統(tǒng)的煤、水、核是不夠的，尚存在一定的缺口，需要由可再生能源發(fā)電來填補。我國地處北半球，土地遼闊，幅員廣大，國土總面積達960萬平方公里。在我國廣闊富饒的土地上，有著豐富的太陽能資源。全國各地的年太陽輻射總量為928-2333kWh/㎡，中值為1626kWh/㎡。從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4kWh/㎡.天以上，西藏最高達7kWh/㎡天。與同緯度的其它國家相比，和美國類似，比歐洲、日本優(yōu)越得多。而這里正是我國人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、邊遠的廣大西北地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展較為落后。因此可充分利用當?shù)刎S富的太陽能資源，采用太陽光發(fā)電技術，發(fā)展經(jīng)濟，提高人民生活水平。中國光伏產(chǎn)業(yè)在國家大型工程項目、推廣計劃和國際合作項目的推動下，以前所未有的速度迅速發(fā)展。到2003年底，中國太陽能光伏系統(tǒng)累計安裝量約達到了55兆瓦，主要為邊遠地區(qū)居民及交通、通訊等領域提供電力，現(xiàn)在己開始進行并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的試驗和示范工作。全國己有太陽能電池生產(chǎn)及組裝廠10多家，制造能力超過100MWp。到2003年底，全國太陽熱水器使用量為5200萬平方米，約占全球使用量的40%，年生產(chǎn)量為1200萬平方米。太陽能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領域較多，形式比較單一;而光伏發(fā)電可以把太陽能轉(zhuǎn)換為當今最普遍的能源利用形式一電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢，光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)點:(1)它的能源取之不盡用之不竭，而且清潔無污染。(2)沒有動作部件，不會產(chǎn)生噪聲，運行更可靠。(3)輕便，易安裝維護;(4)分布極其廣泛，凡是太陽光能照到的地方就能發(fā)電。(5)無論規(guī)模大小，其發(fā)電效率幾乎是相同的。(6)能在用電的現(xiàn)場發(fā)電。光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用可根據(jù)用戶情況分成三大類:專業(yè)性應用、家電設備方面的應用和農(nóng)村應用。一些邊遠或孤立的地區(qū)對電力的需求問題可以依靠光伏系統(tǒng)來解決，如我國西藏、新疆等的一些邊遠偏僻的區(qū)。這種市場的主要特點是能源需求量小，因此無論是通過擴展電網(wǎng)，還是利用柴油發(fā)電機，所提供的常規(guī)電力的價格都很高。而光伏發(fā)電系統(tǒng)受用電規(guī)模的影響則不大。此外，維修量小是光伏發(fā)電系統(tǒng)的另一個優(yōu)點。有些地區(qū)游牧居民較多，由于居住比較分散且不固定，所以適于使用分布式電源，尤其適于用光伏電源系統(tǒng)或者風能發(fā)電系統(tǒng)，但風能發(fā)電裝置易損壞，并且維護量大，不如光伏電源適合戶用。光伏發(fā)電市場發(fā)展的另一個特點是光伏聯(lián)網(wǎng)市場增長迅猛。據(jù)有關方面調(diào)查，世界聯(lián)網(wǎng)市場用戶從2000年的1zoMw增長到2001年的2MMW。單晶硅和名晶硅電池繼續(xù)占據(jù)光伏市場的主導地位。澳大利亞一家名為IntegralEnergy的公司己開始銷售適合于家庭和辦公樓使用的、可與大電網(wǎng)聯(lián)接的太陽能成套設備。最小的太陽能成套設備發(fā)電出力為150W，包括安裝費在內(nèi)的零售價是290美元，占澳大利亞普通家庭每年耗電量的5%，每年可減少溫室氣體排放350kg。更大的太陽能發(fā)電設備出力為2.5kW，零售價為20000美元，完全能滿足澳大利亞一般家庭的用電需求。目前.最大的太陽能發(fā)電裝置出力己達到lOMW。1kW的太陽能發(fā)電裝置每年發(fā)電量為1670kWh，這意味著在澳大利亞每年可節(jié)省160美元的電費。表1-1為光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，可以看出光伏發(fā)電價格還比較高，但維修費用很少，隨著發(fā)電價格的下降，其優(yōu)勢將逐漸體現(xiàn)出來。由于環(huán)保和能源持續(xù)供應的需要，太陽能光伏發(fā)電(即光伏電池)近年來始終保持30-40%的年增長量，因而被譽為全世界增長最快的能源。1999年世界光伏電池總產(chǎn)量為202MW,2001年增為375MW，隨著美國“百萬個太陽屋頂計劃”、“歐洲可再生能源白皮書”和“日本新陽光計劃“的實施，到2010年世界光伏電池容量將達20000MW。目前全球20億無電人口將從中得益。我國于1958年開始研究太陽能電池，于1971年首次成功地應用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上。于1973年開始將太陽能電池用于地面(天津港航標燈)。我國的光伏工業(yè)在80年代以前尚處于雛形，太陽能電池的年產(chǎn)量一直徘徊在IOKW以下，價格也很昂貴。由于受到價格和產(chǎn)量的限制，市場的發(fā)展很緩慢，除了作為衛(wèi)星電源，在地面上太陽能電池僅用于小功率電源系統(tǒng)，如航標燈、鐵路信號系統(tǒng)、高山氣象站的儀器用電、電圍欄、黑光燈、直流日光燈等，功率一般在幾瓦到幾十瓦之間。在“六五”(1981一1985)和“七五”(1986一1990)期間，國家開始對光伏工業(yè)和光伏市場的發(fā)展給以支持，中央和地方政府在光伏領域投入了一定資金，使得我國十分弱小的太陽能電池工業(yè)得到了鞏固并在許多應用領域建立了示范，如微波中繼站、部隊通信系統(tǒng)、水閘和石油管道的陰極保護系統(tǒng)、農(nóng)村載波系統(tǒng)、小型戶用系統(tǒng)和村莊供電系統(tǒng)等。同時，在“七五”期間，國內(nèi)先后從國外引進了多條太陽能電池生產(chǎn)線，除了一條1MWP的非晶硅電池生產(chǎn)線外，其它全是單晶硅電池生產(chǎn)線，使得我國太陽能電池的生產(chǎn)能力猛增到4.5MWP/年(實際年銷售量達到0.5MWP)，售價也由“七五”初期的80元/WP下降到40元/WP左右，這對于光伏市場的開拓起到了積極的推動作用。太陽能電池己不再僅僅用于小功率電源系統(tǒng)，而開始廣泛用于通信、交通、石油、農(nóng)村電氣化、民用產(chǎn)品等各個領域，光伏發(fā)電不但列入到國家的攻關計劃，而且列入到國家的電力建設計劃，同時也在一些重大工程項目中得到采用，如國家計委的“光明工程”、電力部的西藏無電縣建設計劃、西藏阿里光電計劃、林業(yè)部的森林防火通信工程、郵電部的光纜工程、石油部的管道陰極保護工程、廣電部的村村通工程等。2001年，我國的太陽能電池年實際年銷售量已達4.5MWP,累計用量超過20MWP。2002年，原國家計委啟動了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”，即“送電到鄉(xiāng)”工程，通過光伏和小型風力發(fā)電的方式，最終解決了西部七省區(qū)(西藏、新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙、陜西和四川近800個無電鄉(xiāng)的用電問題，光伏組件用量達到19.6MWp，風力發(fā)電機840KWp。另外，中科院電工所先后建成了西藏雙湖25kW,安多100kW、班戈70kW、和尼瑪40kW光伏電站的建設。這大大刺激了光伏工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)建起了幾條太陽能電池的封裝線，使我國太陽能電池組件的年生產(chǎn)能力迅速達到100MWP(組件封裝能力)，2002年當年銷售量為20MWP。截止到2003年底，我國太陽能電池的累計裝機已經(jīng)達到55MWpo1995年以后，大部分非晶硅太陽能電池出口到國外，2003年，我國晶體硅太陽能電池也有一部分出口。隨著《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約國簽訂的《京都議定書》在2005年2月16日正式生效，簽署的國家已達185個?！蹲h定書》對中國的環(huán)境保護、新能源和可再生能源開發(fā)提出了更高的要求。北京申辦2008年奧運成功，提出了“綠色奧運、人文奧運、科技奧運”的指導思想。要把2008年奧運會辦成最好的一屆奧運會，太陽能發(fā)電應用必然要擔當一個重要的角色，在奧運村和運動場館規(guī)劃中，太陽能利用及太陽能發(fā)電站的建設均占主要的地位。1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)概述太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型框圖見1-2，其主要由以下四部分構(gòu)成：圖1-2光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)框圖1.光伏電池陣列光伏電池是組成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最基本的單位。但單體光伏電池發(fā)出的電能很小，而且是直流電，在大多數(shù)情況下很難滿足實際應用的需要。為了獲得足夠大的發(fā)電量，需要將單體光伏電池連接成電池組件，再由電池組件組合連接成為太陽能光伏陣列。2.儲能系統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)只是在日間有陽光的時候才能發(fā)電，但一般來說，人們主要在夜間大量用電，這樣系統(tǒng)中就需要有儲能單元(蓄電池)將白天所發(fā)出的電能儲存起來供夜間使用。3.逆變器光伏電池陣列所發(fā)出的電能為直流電，但是大多數(shù)用電設備以交流供電方式為主，所以系統(tǒng)中需要逆變單元將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供負載使用，逆變器的效率將直接影響到整個系統(tǒng)的效率，因此光伏系統(tǒng)逆變器的控制技術具有重要的研究意義。4.直流控制系統(tǒng)在電能從光電陣列到儲能單元，再到逆變單元間的傳輸和交換過程，為了保持系統(tǒng)的高效與安全運行，還需要直流控制系統(tǒng)對整個過程進行調(diào)整、保護和控制，如最大功率點跟蹤(MPPT)控制技術。實際應用中的光伏發(fā)電系統(tǒng)因?qū)ο蟮牟煌?，會比這個典型的結(jié)構(gòu)多出或省略某個部分，但大體上都是從這個典型結(jié)構(gòu)中演變而來的。從結(jié)構(gòu)特征上看，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要可分為兩種類型:獨立運行、并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。1.獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-3示，在獨立運行系統(tǒng)中，蓄電池作為儲能單元一般是不可以少的，它將由日照時發(fā)出的剩余的電能儲存起來供日照不足或沒有日照時使用。為了延長蓄電池的壽命，直流控制中應具有一個調(diào)節(jié)和保護環(huán)節(jié)來控制蓄電池的充放電過程的速率和深度。2.并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)在有公用電網(wǎng)的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以同電網(wǎng)連接，這要求逆變器具有同電網(wǎng)連接的功能，其結(jié)構(gòu)見圖1-4，并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)可以省去蓄電池而將電網(wǎng)作為自己的儲能單元，當日照很強時，系統(tǒng)將所發(fā)的多余電力回饋入電網(wǎng)，而當需要用電時再從電網(wǎng)輸出電力。省去蓄電池后光伏發(fā)電系統(tǒng)的造價可以大幅度降低。圖1-3獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)圖1-4并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)1.3本課題所做的工作通過以上分析，可以認識到目前利用可再生能源代替化石燃料是當務之急。而作為可充分利用太陽能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，除了可以給本身所帶的交流負載提供電能之外，還可以將多余電力回饋電網(wǎng)。由于本系統(tǒng)本身不帶蓄電池，成本較低，體積較小，適合推廣應用，目前我國大力發(fā)展此種并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心為并網(wǎng)型逆變器。并網(wǎng)型逆變器是影響和決定整個系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定、安全、可靠、高效地運行的一個主要因素，同時也是影響整個系統(tǒng)使用壽命的主要因素。其關鍵技術設計對提高光伏發(fā)電效率、降低成本有重要意義。特別是那些使用資源有限的化石燃料發(fā)電的地區(qū)，這更是當務之急。這也是當今世界范圍內(nèi)研究和開發(fā)的一個課題。提高光伏發(fā)電效率、降低成本必須選擇以下一種或多種途徑:1.最大限度輸出功率。2.提高并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換效率。3.安全并網(wǎng)。本課題正是基于這三個途徑來展開研究的，從多個方面采取措施來降低發(fā)電成本:1.采用DC/DC轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)最大功率跟蹤，以使光伏電池工作于最大輸出功率點上，獲得高效功率輸出。2.DC/AC逆變器電路采用閉環(huán)控制技術:電壓反饋控制技術，提高了系統(tǒng)的效率和動態(tài)性能。3.并網(wǎng)輸出電流為失真度較小的正弦波，并且“孤島”檢測保護響應快、可靠性好。2.單相光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理及總體設計2.1光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理光伏并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)運行有兩個基本要求必須滿足:(1)輸出的電壓與電網(wǎng)的電壓同頻率同相位同幅值;(2)功率因數(shù)為1，也就是輸出的電流必須與電網(wǎng)的電壓同頻率同相位。光伏并網(wǎng)逆變器的輸出控制有電壓控制方式和電流控制方式兩種。由于電網(wǎng)可視為容量無窮大的交流電壓源，因此逆變器的輸出采用電流控制方式，控制逆變器的輸出電流相位跟蹤電網(wǎng)電壓的相位，幅值保持正弦輸出，即可達到并網(wǎng)運行的目的。因光伏組件既有恒流源特性，同時也有恒壓源特性，所以光伏組件輸出需經(jīng)電感穩(wěn)流和電容穩(wěn)壓后輸送給逆變橋。逆變橋的輸出經(jīng)L2濾波和變壓器升壓隔離，通過并網(wǎng)電感接人電網(wǎng)。單相光伏并網(wǎng)逆變器采用全橋逆變電路，其原理如圖2-1所示:圖2-1光伏并網(wǎng)逆變器原理圖設Un為隔離變壓器的輸出電壓，Lg為并網(wǎng)電感，Ig為并網(wǎng)電流，Ugrid為電網(wǎng)電壓，則它們滿足如下關系:Ugrid=Un+jwLgIg2.2光伏并網(wǎng)逆變器的總體設計2.2.1單相光伏并網(wǎng)逆變器的基本結(jié)構(gòu)在實際應用中，單相逆變器適用于小功率的用電場合。例如:太陽能路燈、草坪燈、家用電器及普通照明電路中。而對于功率在5KW以上的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來說，應采用三相互聯(lián)電路形式?；谝陨显?，本文設計了一個700W并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，建立如圖2-2所示的單相光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖。圖2-2單相光伏并網(wǎng)逆變器基本構(gòu)成圖2.2.2硬件設計中的各部分介紹該逆變器主要由輸入斷路器、直流噪音濾波器、電容電感(L1,C1),DC/DC升壓器、DC/AC逆變器、LC濾波器、單相變壓器，交流噪音濾波器、電能表、接觸器、輸出斷路器等部分構(gòu)成。逆變器控制部分包括DSPCPU控制板、驅(qū)動檢測回路、儀表開關、控制電源等。各主要部分的具體功能及特點如下:1.斷路器斷路器分別用于分斷直流輸入，交流輸出，為用戶提供安全保證。2.噪音濾波器NFL主要功能為濾除逆變器主回路開關器件在工作時產(chǎn)生的高頻電磁噪音和共模干擾，以保證并網(wǎng)逆變器在運行時不對電網(wǎng)中其它設備產(chǎn)生不良影響。3.DC/DC升壓單元DC/DCBoost升壓回路。通過控制該回路中IPM功率器件的導通與關斷，將太陽能電池板輸出的低壓直流電升壓成高壓直流電，為DC/AC逆變器的工作提供前提條件。升壓回路通過脈寬調(diào)制技術(PWM)，可在直流輸入電壓大范圍變化的情況下，保證高壓側(cè)直流的穩(wěn)定輸出，并同時實現(xiàn)MPPT控制功能。4.DC/AC逆變單元DC/AC逆變單元是該并網(wǎng)逆變器的核心部分，根據(jù)CPU控制回路發(fā)出PWM開關信號控制單相IPM功率器件的開通和關斷，實現(xiàn)將高壓直流電逆變成單相交流電，并將其平穩(wěn)送入電網(wǎng)的功能。L2和C3構(gòu)成低通濾波器，濾除DC/AC產(chǎn)生的開關電流高次諧波，使流入變壓器的電流為50Hz的基波電流。5.單相隔離變壓器單相隔離變壓器，起隔離逆變器和電網(wǎng)的作用。由于有了變壓器的隔離，逆變器功率器件開關導致電位浮動所產(chǎn)生的漏電流，以及逆變器在控制中產(chǎn)生的微小直流電流均被有效隔離和抑制，從而不會對電網(wǎng)產(chǎn)生不良的影響。6.交流接觸器MC交流接觸器MC直接由CPU控制，通過MC的開閉實現(xiàn)并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)。在系統(tǒng)停電或逆變器內(nèi)部出現(xiàn)故障時由CPU控制斷開，以隔離太陽能發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)，避免造成嚴重故障。7.CPU控制回路采用TI公司的TMS320LF2407型DSP芯片實現(xiàn)逆變器控制，主要依靠DSP的事件管理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。事件管理模塊由通用定時器f提供時間基準、非對稱/對稱波形發(fā)生器、可編程的死區(qū)發(fā)生單元、輸出邏輯控制單元等組成，以實現(xiàn)SPWM波，同時還能夠完成MPPT跟蹤，故障保護等實時性，快速性要求很高的控制。A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣輸人的直流電壓、電算機，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳送，顯示和采集。網(wǎng)電壓并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。另外，通過屏蔽的RS232通信口，CPU控制回路可實現(xiàn)與顯示板和遠程控制計算機的通信。將并網(wǎng)逆變器的工作狀態(tài)，運行參數(shù)傳給顯示板和計8.驅(qū)動檢測回路負責逆變器主回路電壓電流等模擬信號的處理，及開關量的驅(qū)動傳送。另外，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時故障鎖定和硬件故障保護功能。在發(fā)生嚴重故障時能夠屏蔽掉CPU發(fā)出的PWM信號，保證IPM功率器件在故障期間不被誤觸發(fā)。2.2.3控制電路設計圖2-3系統(tǒng)控制原理框圖1.控制電路板總體設計光伏并網(wǎng)逆變器控制板總體設計框圖如圖2-4所示，以TI公司的TMS320F28I2型DSP芯片為核心，外圍輔以電壓電流檢測調(diào)節(jié)及過壓過流保護電路、電網(wǎng)電壓同步信號獲取電路、功率管柵極驅(qū)動電路、并網(wǎng)繼電控制電路、通信電路及液晶顯示電路。圖2-4TMS320F2812控制板框圖2.電壓電流信號隔離監(jiān)測電路電壓電流檢測電路的功能是把電流電壓強電信號轉(zhuǎn)換為DSP可以讀取的弱電壓信號，同時保證強電和弱電的隔離。本文采用惠普公司的HCPL7800A光電藕合器作為光電藕合隔離器件，其非線性度為0.004%，增益溫漂為0.00025V/℃，帶寬為1OOkHz。具體隔離檢測電路如圖2-5所示。圖2-5光電藕隔離檢測電路3功率管柵極驅(qū)動電路功率管選用的是K30N60型IGBT，它是電壓驅(qū)動型功率管。DSP控制器產(chǎn)生的PWM信號通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動功率管的電壓驅(qū)動信號，從而控制功率管的開通與關斷。選用日本東芝公司的LTP250功率管驅(qū)動芯片，該芯片具有光藕隔離功能，避免了對DSP芯片的干擾。具體電路如圖2-6所示。圖2-6IGBT柵極驅(qū)動電路4并網(wǎng)繼電控制電路光伏并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)是通過DSP控制器的通用輸出端口控制并網(wǎng)繼電器開關實現(xiàn)的。DSP芯片控制系統(tǒng)檢測光伏板電壓，如果滿足并網(wǎng)電壓要求，就在下一個電網(wǎng)電壓過零處輸出控制信號使繼電開關閉合進行并網(wǎng)。具體控制電路如圖2-7所示:圖2-7并網(wǎng)輸出繼電控制電路2.2.4逆變部分的主回路設計圖2-8為并網(wǎng)逆變器主回路結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可以看出，逆變器的主回路構(gòu)成為一個DC/DC直流升壓輸入單元和一個DC/AC單相逆變輸出單元，從而降低了主回路的成本，提高了控制性和可靠性。圖2-8逆變部分的主回路圖1.回路圖中，DC/DC設計成推挽式逆變電路，其輸入電壓由光伏系統(tǒng)中的太陽能電池組提供。2.DC/AC變換采用單相全橋變換電路。輸出經(jīng)電感L2及C3后，可濾除由于逆變器中開關頻率高帶來的高次諧波電流，從而起到平衡逆變器和電網(wǎng)基波(50Hz)之間的電壓差的作用。3.在DC/DCBoost升壓模塊及DC/AC逆變模塊，控制電路都以DSP芯片為核心。利用TMS320F2812型DSP芯片的兩路和四路50KHz的驅(qū)動信號，經(jīng)門極驅(qū)動來控制P1和P2以及S1到S4MOS管的開通與關斷，這樣實現(xiàn)直流升壓和直流電逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟姟?.從回路結(jié)構(gòu)來講，該逆變器主回路結(jié)構(gòu)為電壓型逆變器。其工作的基本模式是升壓脈寬調(diào)制方式。但通過交流電感電容濾波器，及瞬時電流控制方法，實際上從外部來看，該逆變器可被看作為電流源，通過輸出端向電網(wǎng)輸送正弦波交流電流。2.3CPU控制芯片的選擇CPU控制回路部分作為該逆變器的大腦部分，其功能為完成脈沖寬度調(diào)制波(PWM波)的生成和一些諸如MPPT、故障保護等重要的控制功能的實現(xiàn)。本設計選用美國TI公司的DSP芯片TMS320F2812作為控制CPU，下面將對其性能作一介紹，并同時闡述使用該芯片的理由。2.3.1DSP技術概括DSP又稱數(shù)字信號處理器，是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后進行高速實時處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快10-50倍。在當今的數(shù)字化時代背景下，DSP己成為通信、計算機、消費類電子產(chǎn)品等領域的基礎器件，被譽為信息社會革命的旗手。業(yè)內(nèi)人士預測，DSP將是未來集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品，并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素，它將徹底變革人們的工作、學習和生活方式。1.DSP技術的發(fā)展歷程數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。在DSP出現(xiàn)之前數(shù)字信號處理只能依靠CPU(微處理器)來完成。但CPU較低的處理速度無法滿足高速實時的要求。因此，直到70年代，有人才提出了DSP的理論和算法基礎。那時的DSP僅僅停留在教科書上，即便是研制出來的DSP系統(tǒng)也是由分立元件組成的，其應用領域僅局限于軍事、航空航天部門。世界上第一個單片DSP芯片應當是1978年AMI公司發(fā)布的52811,1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個主要里程碑。兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的UPD7720是第一個具有乘法器的商用DSP芯片。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，1982年，美國德州儀器公司(TexasInstruments-TI)推出第一代DSPTMS320010及其系列產(chǎn)品。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術制作，雖功耗和尺寸稍大，但運算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語音合成技術和編碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP芯片的問世是一個重要的里程碑，它標志著DSP應用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進了一大步。80年代后期，第三代DSP芯片問世，運算速度進一步提高，其應用范圍逐步擴大到通信、計算機等領域。90年代DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP器件。現(xiàn)在的DSP屬于第五代產(chǎn)品，它與第四代相比，系統(tǒng)集成度更高，將DSP芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計算機領域大顯身手，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM領域。經(jīng)過20多年的發(fā)展，DSP產(chǎn)品的應用己擴大到人們的學習、各個方面，并逐漸成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。目前，對DSP爆炸性需求的時代已經(jīng)來臨前景十分可觀。2.DSP的應用領域DSP應用廣泛，其主要應用市場為3C(Communication,Computer,Consumer-通信、計算機、消費類)領域，合計占整個市場需求90%。例如在數(shù)字蜂窩、Modem,PC機及消費類電子產(chǎn)品中處處可見DSP芯片的身影。3.DSP的市場規(guī)模DSP市場正處于高速成長的階段。在數(shù)字化、個人化和網(wǎng)絡化的推動下，1997年世界DSP市場營銷額超過32億美元，預計未來的年均增長率高達40%，按照這一增長速度，至2010年，世界DSP市場營銷額將突破600億美元。在全球DSP產(chǎn)品市場中，TI(TexasInstruments)公司獨占鰲頭，占世界市場45%的份額，其次是朗訊(28%),ADI(12%)、摩托羅拉(12%)、其他公司(3%)。2.3.2DSP芯片特點1．系統(tǒng)級集成是潮流縮小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術發(fā)展方向。當前的DSP多數(shù)基于RISC(精簡指令集計算)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進DSP芯核，并將幾個DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個芯片上，成為DSP系統(tǒng)級集成電路。TI公司的TMS320C80代表當今DSP領域中的最高水平，它在一塊芯片上集成了4個DSP,1個RISC處理器、1個傳輸控制器、2個視頻控制器。這樣的芯片通常稱之為MVP(多媒體視頻處理器)。它可支持各種圖像規(guī)格和各種算法，功能相當強。2.可編程DSP是主導產(chǎn)品可編程DSP給生產(chǎn)廠商提供了很大的靈活性。生產(chǎn)廠商可在同一個DSP平臺上開發(fā)出各種不同型號的系列產(chǎn)品，以滿足不同用戶的需求。同時，可編程DSP也為廣大用戶提供了易于升級的良好途徑。3.追求更高的運算速度目前一般的DSP運算速度為100MIPS，即每秒鐘可運算1億條指令。但仍嫌不夠快。由于電了設備的個人化和客戶化趨勢，DSP必須追求更高更快的運算速工作和生活的度，才能跟上電子設備的更新步伐。DSP運算速度的提高，主要依靠新工藝改進芯片結(jié)構(gòu)。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用VLIW(VeryLongInstructionWord超長指令字)結(jié)構(gòu)設計，其處理速度己高達2000MIPS，這是迄今為止的最高速度。當前DSP器件大都按照CMOS的發(fā)展趨勢，DSP的運算速度再提高100倍(達到1600MIPS)是完全有可能的。4.定點DSP是主流從理論上講，雖然浮點DSP的動態(tài)范圍比定點DSP大，且更適合于DSP的應用場合，但定點運算的DSP器件的成本較低，對存儲器的要求也較低，而且耗電較省。因此，定點運算的可編程DSP器件仍是市場上的主流產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計，目前銷售的DSP器件中的80%以上屬于16位定點可編程DSP器件，預計今后的比重將逐漸增大。2.3.3TMS320F2812型DSP芯片的性能簡介該逆變系統(tǒng)所選用的DSP芯片為TMS320F2812，是由美國TI公司(德州儀器公司)出品的數(shù)字信號處理器TMS320家族中的一員，屬于TMS320C2000系列。作為DSP控制器TMS320C24x系列的新成員，是TMS320C2000平臺下的一種定點DSP芯片。240x芯片為C2xxCPU功能強大的TMS320DSP結(jié)構(gòu)設計提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力。在與現(xiàn)存24xDSP控制芯片代碼兼容的同時，240x芯片具有處理性能更好、外設集成度更高、程序存儲器更大、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等特點。圖2-9TMS320F2812DSP方框圖如圖2-9所示，TMS320F2812DSP有以下一些具體的特點。采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗;30MIPS的執(zhí)行速度使得周期縮短到33ns(30MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力。基于TMS320C2xxDSP的CPU核C2xLP，保證了TMS320F2812的DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。片內(nèi)有高達32K字的FLASH程序存儲器，高達1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM,549字雙動態(tài)RAM(DARAM)和2K字的單靜態(tài)RAM(SAR.AM)。還有可擴展的外部存儲器總共為192K空間:64K程序存儲器空間;64K數(shù)據(jù)存儲器空間;64KI/0尋址空間。3.最大功率跟蹤及其實現(xiàn)光伏發(fā)電存在一個很大的問題是光伏電池的輸出特性受外界環(huán)境影響大，溫度和光照輻射強度的變化都可以導致輸出特性發(fā)生較大的變化；另外，光伏電池轉(zhuǎn)換效率低且價格昂貴，初期投入較大。因此，充分利用光伏電池所產(chǎn)生的能量是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本要求。而并網(wǎng)逆變控制的基本目的是通過控制逆變器輸出電壓的變化，達到控制送入電網(wǎng)的電流的目的，從而實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。同時，控制太陽能電池板的輸出功率，使其工作在最大功率輸出狀態(tài)(即MPPT技術)，提高發(fā)電效率。3.1最大功率跟蹤的常用方法一般情況下，光伏電源的最大功率跟蹤(MPPT)都是通過控制功率變換器來實現(xiàn)的，下面針對幾個常用的MPPT實現(xiàn)方法:定電壓跟蹤法、功率回授法、擾動觀察法、增量電導法及交點法進行分析。1.定電壓跟蹤法在日照強度較高時，該曲線的最大功率點幾乎分布于一條垂直線的兩側(cè)，這說明陣列的最大功率輸出點的對應電壓大致在某個值附近，在系統(tǒng)對MPPT的要求不高的情況下，可以用此特點簡化控制設計。其控制原理是，從生產(chǎn)廠商處獲得Vmax:值，通過控制使陣列的輸出電壓鉗位于V二值即可實現(xiàn)MPPT，也就是簡單的穩(wěn)壓控制。采用此方法較之不帶MPPT的直接藕合工作方式效果更好，對于一般光伏系統(tǒng)可望獲得多至20%的電能。但是這種方法忽略了溫度對陣列開路電壓的影響，在溫差較大的場所使用效果不佳。為克服溫度變化給系統(tǒng)帶來的影響，可以在其的基礎上加以改進:對給定的V.通過電位器手動按季節(jié)調(diào)節(jié)。這種辦法不夠精確，而且需要人工干預，不利于生活上使用，但具有簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點;事先將不同溫度下測得的Vmax值存儲于微處理器中，實際運行時，微處理器通過陣列上的溫度傳感器獲取陣列溫度，通過查表確定當前的Vmax值。此法能夠自動調(diào)節(jié)Vmax，但存入的數(shù)值是固定的，在設備狀態(tài)有變化時將會出現(xiàn)較大的誤差?？偟恼f來，CVT控制簡單，易實現(xiàn)，對系統(tǒng)控制要求不高;可靠性高，系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩，有很好的穩(wěn)定性;受溫度的影響較大。2.功率回授控制法功率回授控制法的原理是通過采集光伏電池陣列的輸出電壓值和電流值，然后計算出當前的輸出功率，再由當前的輸出功率P和上次儲存的輸出功率P'相比較，通過判斷比較的結(jié)果來控制調(diào)整輸出電壓值，是一種被動式尋找最大功率法。因為在同一功率值下光伏電池陣列輸出電壓和電流值不唯一，此控制法的控制器要設計成單值控制模式，即只以P-V曲線頂點右側(cè)為控制范圍。這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)較為簡單方便，但缺點是可靠性和穩(wěn)定性均不佳，所以在實際應用中較少采用。3.擾動觀察法擾動觀察法主要根據(jù)光伏電池的P-V特性，通過擾動端電壓來尋找MPPT，是目前實現(xiàn)MPPT常用的方法之一。其原理是先擾動輸出電壓值(Upv+△U)，再測量其功率變化，與擾動之前功率值相比，若功率值增加，則表示擾動方向正確，可朝同一方向擾動△U;若擾動后的功率值小于擾動前，則往相反方向擾動△U。通過不斷擾動使陣列工作于最大功率點附近。此法的最大優(yōu)點在于其結(jié)構(gòu)簡單，被測參數(shù)少。其缺點是由于始終有△U的存在，其輸出會有一定的微小波動，在最大功率跟蹤過程中將導致些微功率損失，并且跟蹤速度較慢;有時會發(fā)生程序在運行中的失序(“誤判”)現(xiàn)象;初始值及跟蹤步長的選擇比較重要，跟蹤步長大跟蹤速度就大，但精度較小;跟蹤步長小時，情況正好相反，所以方法的關鍵是選好步長和初始值。4.電導增量法電導增量法也是MPPT控制常用的算法。通過光伏電池陣列P-V曲線可知最大功率點Pmax處的斜率為零，即(3-1),(3-2)式成立，將(3-2)式進行推算便得到(3-3)式。（3-1）（3-2）（3-3）(3-3)式就是達到最大功率點的條件，即當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值盯，陣列工作于最大功率點。若不相等，則要判斷是大大于零或者小于零，以確定擾動的方向。該控制方法的實現(xiàn)方法為，將新檢測的電壓、電流值計算與原值進行比較，先判斷電壓差值是否為零，若為零則再判斷電流差值是否為零，若都為零則表示阻抗一致，變換器占空比D保持不變。若電壓差值為零，電流差值不為零，則表示照度有變化，電流差值大于零增大D，電流差值小于零減小D;當電壓差值不為零時，比較電導變化量與負電導值的關系，若式(3-3)成立則表示在最大功率點處，若電導變化量大于負電導值，則表示此處功率曲線斜率為正，增大D，反之減小D。此跟蹤法最大的優(yōu)點，是當光伏電池上的照度產(chǎn)生變化時，輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，電壓波動較擾動觀察法小;缺點是其算法較為復雜，且在跟蹤的過程中需花費相當多的時間去執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。5.交點法其原理是利用光伏電池P-I曲線和最大功率點曲線相交確定MPPT。根據(jù)光伏電池的V-I特性公式推導出P-I公式，由此得到一組與各照度相對應的P-I曲線，其形狀與P-V曲線類似P-I曲線上也存在最大值，在最大值處等式成立在P-I坐標中為近似為正比例函數(shù)，其圖形為直線，這樣此直線就是最大功率點的軌跡。與各P-I曲線的交點即為各照度下的最大功率點。本方法的優(yōu)點是，無需電壓擾動，實現(xiàn)容易。但它需要把各照度下的V-I曲線和最大功率點軌跡信息存入微機，由微機求出其交點。這樣就需要較大的存儲空間，并且微機控制能力要強。圖3-1光伏電池P-I曲線3.2光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的最大功率跟蹤在一般的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，最大功率點跟蹤多用于陣列后端的升壓變換器(亦稱Boost變換器)或降壓變換器(亦稱Buck變換器)，如圖3-2所示，此時可直接控制其輸出電壓以調(diào)節(jié)輸出功率，借此來獲得擾動觀察信號實現(xiàn)MPPT控制。圖3-2DC/DCBoost及MPPT控制3.2.1DC/DC變換器控制方案太陽能光伏陣列輸出電壓和輸出電流的檢測對最大功率跟蹤功能的實現(xiàn)是至關重要的，精確的電壓、電流測量值有助于提高最大功率點跟蹤的準確性。本文中采用動態(tài)響應快，可交直流兼用的電流和電壓霍爾傳感器作控制直流電壓電流，交流電壓電流的傳感器，通過霍爾傳感器測出電路的電壓值UP和電流值IPV即在電路中直流電壓霍爾信號和電流霍爾信號作為DC/DC單元的MPPT控制和直流電壓控制的反饋信號。本文中DC/DC變換器的逆變電路采用推挽式電路結(jié)構(gòu)。DC/DC變換器由推挽逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電感構(gòu)成，它將太陽能電池板輸出的138V的直流電壓轉(zhuǎn)換成400V左右的直流電壓。為使DC/DC變換器輸出的電壓穩(wěn)定，將檢測到的輸出電壓與指令電壓進行比較，該誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后控制DSP芯片輸出驅(qū)動信號的占空比。該控制電路還具有限制輸出過流過壓的保護功能。當檢測到DC/DC變換器輸出電流過大時，DSP芯片將減小門極脈沖的寬度，降低輸出電壓，進而降低了輸出電流。當輸出電壓過高時，會停止DC/DC變換器的工作。圖3-3DC/DC變換器控制框圖由于推挽式電路容易因直流偏磁導致變壓器飽和，因此，推挽式電路的設計難點在于如何防止變壓器的磁飽和。在本電路中，除了注意電路的對稱性之外，還設計了磁檢測電路，當流經(jīng)推挽電路的兩個支路電流失衡時，就會啟動DSP的軟啟動功能，使DC/DC變換器重新啟動，變壓器得以復位。偏磁檢測電路如圖3-4所示。圖中只畫出了磁環(huán)的副邊。原邊兩個線圈接在主電路變壓器原邊的兩個繞組上，流過兩個線圈中的電流方向要相反。當變壓器發(fā)生偏磁時，某一方向的電流異常大，通過電流互感器檢測，可在互感器的輸出電阻R1上產(chǎn)生一個電壓，如果該電壓足夠大，可以使穩(wěn)壓二極管D5導通，在電位器上產(chǎn)生壓降，將電位器的值調(diào)到合適的阻值，使電位器上的壓降大于三極管的門限電壓，使三極管導通，接在芯片DSP的RST腳與地之間的電容放電，然后DSP中的恒流源對它充電，DSP重新啟動，從而使變壓器磁心復位。圖3-4偏磁檢測電路3.2.2最大功率跟蹤的實現(xiàn)在太陽能電池板電壓輸出端與一大電容并聯(lián)時，由于太陽能電池本身的I/V特性，其輸出的電壓與電流均有一定的波動，并且此波動與日照強度成正比，當日照強度低時，波動會變得很平緩。又從圖3-1的太陽能電池陣列的P/I特性曲線可以看出，當電池陣列的輸出功率達到P~時，其曲線的斜率應為零，故有如下式子。由推出：（3-4）既，得到：（3-5）所以要判斷是否達到最大功率點，須判斷式3-5是否成立。如果不成立，則要判斷式3-4中dp/du的值是大于零還是小于零。此控制方法的流程為:(先設定Vnwe,Inew，為新測得的電壓與電流值;而Vold,Iold為存儲器中存儲的舊值)。(1)開始讀入新值后，先比較與舊值間的差值。由于du要作分母，故需要判斷其是否為零。當du為零時，再判斷di是否為零。如果di為零，說明擾動前后阻抗值不變，擾動值不變;di不為零，則說明此時由于日照強度的變化，太陽能電池的特性曲線的位置上下產(chǎn)生了位移，需要相應的增大或減小擾動值。(2)若du不為零，即可以作分母，就要判斷式子是否成立。如果成立，表明此時P/U曲線的斜率為零，達到了最大功率點;如不成立，而是di/du的值大于-I/U的值，說明此時的曲線斜率大于零，需要增加擾動:反之，則說明此時的曲線斜率小于零，則需要減少擾動。以上討論了這種方法的實現(xiàn)過程，其中對于輸出電壓值與電流值的獲得可以通過10位的A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。但存在的缺點是當日照強度很低時，太陽能電池輸出的電壓值與電流值的變化會很不明顯，這時對于轉(zhuǎn)換精度的要求會很高，需要仔細的來選取，并且對于擾動步長的選擇也同樣要謹慎。4.單相光伏并網(wǎng)逆變器控制及實現(xiàn)4.1DC/AC逆變器控制方案4.1.1電壓相量圖及其分析圖2-7所示的逆變器主回路，在功率因數(shù)為1的條件下，基波電壓向量可由圖4-1表示。圖中Ua為逆變器輸出電壓的基波有效值，UL為電感L1;兩端電壓的基波有效值，Un為電網(wǎng)電壓。圖4-1Ua,UL,Un電壓相量圖從上圖可知，當Ua較Un超前角度;固定不變時，設逆變器工作在P2N2點，此時逆變器送至電網(wǎng)的功率為Po，由圖4-1的關系可知:，，據(jù)三角關系有?？梢?，前角度，在電感數(shù)值和電網(wǎng)電壓確定的條件下，依據(jù)給定的功率，可以確定超即可以確定逆變器控制信號的相位。設電網(wǎng)電壓在N2點為標準220V，當它降低(從N2到N1})或升高〔從N2到N3)時，逆變器的輸出電壓也會隨之變化(從P2到P1、或從P2到P3)，從而可以保證逆變器工作在單位功率因數(shù)。當然逆變器向電網(wǎng)送出的功率也會隨之變化。由于電網(wǎng)電壓波動不大，因此功率變化不會很大。這個調(diào)節(jié)過程的關系也可以由圖4-1直觀得出因為SPWM逆變器有上式中:m為調(diào)制比;Ud為逆變器輸入側(cè)直流母線電壓。由兩式得：當逆變器直流輸出電壓較電網(wǎng)電壓超前角度不變時，根據(jù)實時檢測到的直流側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓，通過改變調(diào)制比m，可以使得電路在直流母線電壓和電網(wǎng)電壓波動時，一直工作在單位功率因數(shù)。當超前角度從增大到時，若其它條件不變，逆變器輸出功率會隨之增大。因此，我們可以通過外圍電路設定值，從而達到輸出功率的調(diào)節(jié)。4.1.2控制單元框圖結(jié)構(gòu)DC/AC逆變器的主電路采用全橋式結(jié)構(gòu)，由4個Los管(該管內(nèi)部寄生了反并聯(lián)的二極管)構(gòu)成，它將400V的直流電轉(zhuǎn)換成為220V/50Hz的工頻交流電。DC/AC逆變器控制框圖如圖4-2所示。核心控制芯片采用了TI公司的TMS320F2812。盡管單片機也能實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的脈寬調(diào)制，但是DSP實時處理能力更強大，因此可以保證系統(tǒng)有更高的開關工作頻率。從圖4-2可以清楚看出系統(tǒng)輸入和輸出信號的情況。由圖2-2可知，主電路與電網(wǎng)通過標準工頻單相升壓變壓器隔離和升壓。由控制目標可知，系統(tǒng)為輸出電流受控的電壓型有源逆變器，逆變器的輸出側(cè)呈現(xiàn)受控電流源特性。系統(tǒng)的控制部分采用TI公司生產(chǎn)的高速DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，電網(wǎng)電壓過零檢測主要是利用DSP的CAP捕捉單元來實現(xiàn)鎖相。以檢測到的過零時刻作為基準，控制脈沖超前此基準時刻角度。過流及電網(wǎng)電壓過大波動的保護是由電流間接控制，為電流開環(huán)控制，因此，應根據(jù)所需的功率大小以及器件的額定值設好保護點。當發(fā)生過流時，通過交流接觸器MC斷開主電路，使逆變器脫離電網(wǎng)。當檢測到的電網(wǎng)電壓超出波動范圍時，也使逆變器停止工作，并給出相應的故障指示信號。系統(tǒng)采用單極性SPWM控制方式，單相全橋結(jié)構(gòu)的兩個橋臂分別輸出相位差互為180°的高頻SPWM波，經(jīng)過電感濾波后，去除高頻載波信號，向電網(wǎng)饋入高質(zhì)量的正弦電流波形。由圖2-3可知，DC/DC輸出的高壓直流先經(jīng)過全橋逆變和電感小電容濾波，再由升壓變壓器隔離，升壓后以受控電流源的方式并入電網(wǎng)，整個系統(tǒng)和電網(wǎng)隔離，運行安全可靠。圖4-2DC/AC逆變器控制框圖4.2軟件設計與實現(xiàn)4.2.1系統(tǒng)軟件總體設計本系統(tǒng)對控制的實時性要求較高，對于時間性要求不高的部分程序，在主程序中順序循環(huán)執(zhí)行，而對時間要求嚴格的部分則放在中斷服務程序中，這樣一旦滿足了中斷觸發(fā)條件之后，該部分程序?qū)⒘⒓吹玫綀?zhí)行，從而保證了控制的實時性?？刂栖浖饕瓿梢韵鹿δ?(1)對主電路輸入/輸出電壓、電流等信號量進行檢測和處理。(2)Boost電路的MPPT控制。(3)生成固定頻率的三角載波并與調(diào)制波比較從而產(chǎn)生相應的PWM信號全橋逆變器的SPWM控制，使輸出電流和電網(wǎng)同頻同相。(4)電網(wǎng)同步信號的檢測。(5)對光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)進行故障檢測和處理。程序采用模塊化設計，在流程上比較簡潔，主要由以下幾部分構(gòu)成:(1)主程序:完成系統(tǒng)的初始化，各部分的配置以及在主循環(huán)中進行系統(tǒng)工作狀態(tài)檢測。(2)定時器TO中斷處理程序:這是系統(tǒng)軟件的核心，用于產(chǎn)生控制開關器件的固定頻率的PWM波。(3)同步處理程序:用于對IF弦表指針的復位從而達到校正電流相位的能力。(4)A/D采樣處理子程序:對輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等信號進行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波。(5)電流環(huán)處理子程序:完成電流環(huán)的信號采集與實時運算。(6)電壓環(huán)處理子程序:完成電壓環(huán)的信一號采集與PI調(diào)節(jié)的運算處理。(7)故障檢測及處理子程序:進行故障檢測，發(fā)生故障后系統(tǒng)的保護、恢復、重試等功能。系統(tǒng)總的流程框圖如圖4-3所示:圖4-3逆變器控制軟件框圖4.2.2系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電后，從主程序開始執(zhí)行。首先關閉中斷位，屏蔽所有中斷，然后初始化CPU，設置時鐘頻率，初始化中斷向量，然后初始化各種外設:包括事件管理器(EVA,EVB),ADC模塊、串行外設接口(SPI)模塊，以及對I/O端口進行初始化設置。完成初始化設置之后，DSP的各個模塊開始正常工作。使能CPUTIMERO定時器周期中斷，打開中斷屏蔽位，接下來進入系統(tǒng)主循環(huán)程序。在主循環(huán)程序運行中，如果CPUTIMERO定時器周期到，會暫停當前主循環(huán)運行的程序，響應CPUTIMERO定時器中斷子程序，在運行完定時器中斷子程序后，再回到主循環(huán)繼續(xù)運行下面的程序。主程序流程圖如圖4-4。圖4-4主程序流程圖4.2.3SPWM波的實現(xiàn)方法本逆變器的控制方式是在倍頻式SPWM基礎上，結(jié)合DSP的PWM輸出特性產(chǎn)生的，如圖4-3所示。實際中，三角波的頻率與工頻的比值為240，為簡單起見，圖4-3中的比值為12。產(chǎn)生波形的過程如下:DSP的通用定時器1采用連續(xù)增/減計數(shù)模式，而且在定時器下溢中斷后立即裝載比較寄存器CMPR1和CMPR2的值，CMPR1決定Ug1,和Ug4,CMPR2決定Ug3和Ug2。在DSP的數(shù)據(jù)存儲區(qū)有90°的正弦表的查表程序，對應360個點，此程序作相應調(diào)整后，可以產(chǎn)生90°-360°。的正弦值對照表，而裝載值是在每個三角波中心時刻所對應的正弦值。圖4-3開關器件的驅(qū)動波形和逆變器的輸出波形在一個工頻周期，定時器1產(chǎn)生240次下溢中斷，設第M次中斷時裝載的值對應正弦表中第K個值，在4個不同的象限時，M和K的關系如下:圖4-4定時器中斷子程序流程圖M的初值決定了圖4-1中超前角度的大小。例如，M=0表示=0;M=4,則表示=6°，因此，我們可以通過改變M的初值實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。市電過零檢測對應的CAP捕捉中斷子程序中設定所需的M初始值。由圖5-3可以看出，在0~180°之間，CMPR1在M為偶數(shù)時裝載查表所得值，PWM輸出產(chǎn)生跳變，而在M為奇數(shù)時裝載大于周期寄存器里面的值，使之不產(chǎn)生跳變，CMPR2與之相反;在180°-360°之間時，CMPR1和CMPR2的裝載情況剛好與前面相反。這就使得在180°和240°時存在輸出方式的變換:如在M=120(即180°)時，Ug1，由低有效變?yōu)閺娭频?，而當M=121后，全部是高有效。而Ug3在M=120時先強制低，緊接著高有效。這需要作特別處理。由于調(diào)制比m隨著直流母線電壓和電網(wǎng)電壓的波動而改變，所以，通過查表結(jié)果裝載到CMPR1和CMPRZ的值還必須乘以m的值。4.2.4主要元器件選擇與試驗波形推挽式電路MOS管選用的是IRFP350(耐壓400V，額定電流為16A)。橋式逆變電路MOS管選用的是IRFPC40(耐壓600V，額定電流為6.8A)。DC/DC濾波電感L1選用1.2mH,DC/AC濾波電感L2選用5mH。圖4-5輸出側(cè)電壓和電流波形圖4-5(a)是電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流波形(為了便于觀看，電流信號反相)，電網(wǎng)側(cè)電壓為220士10%，電流的有效值為1A左右。圖4(b)是電感上的電壓波形。DC/AC逆變器為全橋逆變電路，是用DSP來控制的，由于DSP的運算速度比較高，因此逆變器的輸出電流能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓波形。該光伏并網(wǎng)逆變器控制方案的有效性在實驗室得到驗證。該控制系統(tǒng)能確保逆變電源的輸出功率因數(shù)接近1，輸出電流為正弦波形。5.光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的“孤島效應”分析5.1孤島效應的產(chǎn)生及危害光伏系統(tǒng)越來越多地被利用，尤其是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。隨著這類系統(tǒng)被越來越多地安裝運行，安全問題被加以關注。孤島問題是一個被廣泛討論的特殊課題，孤島效應是指并網(wǎng)型逆變電源在電網(wǎng)斷電時，逆變器仍然保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。這樣電力孤島效應區(qū)域會發(fā)生電壓和頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象，有可能對外部設備造成損壞或發(fā)生觸電安全事故。孤島效應也被用于表示由于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的存在使電壓崩潰有一定的延時。圖5-1為孤島效應的發(fā)生機理。正常供電時，開關A閉合，逆變電源和電網(wǎng)同時給負載供電。當電網(wǎng)突然停電，即從A處斷開，若這時負載阻抗正好與輸出電流相匹配，則在電網(wǎng)斷開時，負載電壓不會有任何變化，采用常規(guī)檢測電壓方法，系統(tǒng)無法判斷電網(wǎng)停電，仍然繼續(xù)向負載供電，即產(chǎn)生了孤島效應。圖5-1孤島效應發(fā)生機理“孤島效應”發(fā)生后，電壓波動、頻率波動、諧波可能會同時出現(xiàn)，或都不出現(xiàn)。負載、PV系統(tǒng)設置、結(jié)構(gòu)、運行情況及其它一些情況都會影響上述現(xiàn)象。所以定義任何一個能總是伴隨“孤島效應”出現(xiàn)的現(xiàn)象是不可能的。同時，必須在盡可能短的時間內(nèi)阻斷“孤島效應”，因為如一部分電網(wǎng)中發(fā)生孤島現(xiàn)象，將會發(fā)生如下問題:(1)當驅(qū)動電源為如下情況時，將使施加于負載的“孤島效應”延長擴大。①非三相運行②較大的諧波含量③頻率不穩(wěn)。(2)孤島的電壓相量會相對于主網(wǎng)趨向于漂移，這可能會干擾重聯(lián)網(wǎng)。(3)如在重合閘前還未消除“孤島現(xiàn)象”，將會導致不同步并網(wǎng)。如果在孤島與電網(wǎng)相量不重合時聯(lián)網(wǎng)，那么接口處會產(chǎn)生很大的電流，導致可能有損壞逆變器或附近設備的擾動產(chǎn)生。(4)對在孤島電網(wǎng)中進行檢修工作的人員形成安全危害。5.2光伏系統(tǒng)孤島效應的特點(1)正常運行時，電網(wǎng)控制著電壓和頻率。當電網(wǎng)被斷開后，電壓和頻率將不再受調(diào)節(jié)、控制。對于旋轉(zhuǎn)式發(fā)電分布系統(tǒng)，頻率由轉(zhuǎn)速決定，并且由于旋轉(zhuǎn)磁場的原因，電壓波形近似為正弦。因此旋轉(zhuǎn)發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應不被視為主要問題。相反，逆變器是靜止式發(fā)電設備，沒有如旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機中的轉(zhuǎn)子一樣的動態(tài)部分，因此，不能提供阻止發(fā)電機快速停車的轉(zhuǎn)動慣量。光伏系統(tǒng)使用逆變器送電，由逆變器產(chǎn)生的孤島效應與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)無可比性。因為，在此系統(tǒng)中，頻率是跟蹤孤島電網(wǎng)中的主要頻率的，或者逆變器本身就設定了一個頻率。(2)電網(wǎng)中存在旋轉(zhuǎn)負載的情況下，陽光照射較低，光伏系統(tǒng)孤島效應持續(xù)時間較長，這是由于慣性所發(fā)的電能比光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能多，有效地控制著孤島的持續(xù)時間。5.3孤島監(jiān)測和系統(tǒng)保護方法鑒于孤島效應的危害，對其進行檢測并采取相應的保護措施是必要的。對孤島效應的識別有多種方式，可以分為主動式和被動式兩類。一般規(guī)定并網(wǎng)逆變電源本機應同時具有主動和被動識別能力，以提高孤島效應識別的可靠性，并且要求識別響應時間應小于1s。主動式孤島效應的識別方式有主動頻率偏移、有功功率變動、無功功率變動等。被動式方式有電壓相位跳動、三次電壓諧波變動、頻率變化等。分析如下:①過壓、欠壓跳閘保護這是一種被動式保護方法，如果逆變器電壓超過設定的電壓范圍一定時間，就要使它與電網(wǎng)斷開。逆變器的端電壓將會略高于聯(lián)網(wǎng)接口處電壓，設計系統(tǒng)時，要求端電壓和接口電壓之間的電壓升高不要超過2%。中速電壓保護跳閘也被利用，如電網(wǎng)線電壓低于額定電壓的80%,10個周波后要把系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。當PV所帶負載大大高于其功率時，孤島期間的跳閘都能夠?qū)崿F(xiàn)。選擇10個周波是為了在故障后20個周波的快速重合閘之前斷開聯(lián)結(jié)。如果在二分之一周波中，電網(wǎng)線電壓升高到125%以上或下降到25%以下，則要關掉電源。②頻率保護頻率跳閘保護也是一種被動式防孤島方法。如果電網(wǎng)頻率超出所設范圍100個周波，則要關閉電源;如低于59Hz或高于63Hz多于7個周波，也要關閉。③空載保護當逆變器與電網(wǎng)斷開，并且無負荷時，或者光伏電源與負載功率比為5:1時，PV電源在1個周波之內(nèi)關閉。④頻率偏差法此法適于對輸出電流進行獨立控制的逆變器。輸出電流的參考信號被置成與測得的電壓波有一定的周期偏差。當電網(wǎng)斷開時，如果電流參考量周期比電壓長，逆變器被稱為頻率漂移降低;如果電流參考量周期比電壓短，逆變器被稱為頻率漂移升高。在每個電壓過零點，都要重置參考信號的相量。頻率偏差量值對電流THD有影響，因此為了不超過5%THD，對偏差量的大小有個限制。把電容加到孤島負載上時，孤島頻率趨向于減小;而加電感于負載上時，孤島頻率趨向于上升。加大PV發(fā)電功率與負載的比率，也會提高孤島頻率;否則相反‘這也就是為什么無論有多大的頻率偏差，常常都能夠加入電容或電感來抵消頻率偏差量的原因。頻率偏差法必須與其它的方法搭配使用，才能提供準確的孤島保護。⑤變輸出功率法孤島效應存在的條件之一就是輸出功率與孤島內(nèi)的負載功率大致相匹配。因為逆變器運行于單位功率因數(shù)，因此孤島負載也要接近于單位功率因數(shù)。是兩象限逆變器，并能夠提供足夠的無功，所以，要產(chǎn)生孤島效應，負載大體上必須是阻性的。如依靠升降孤島電壓來改變輸出功率，那么可以算出一個確保電壓跳閘保護發(fā)生的功率波動范圍，這個電壓范圍是0.86到1.10(標么值)。變輸出功率法沒有實際用途，由于相互影響，在有大量分布發(fā)電系統(tǒng)的地方將不能有效工作。⑥擾動觀察法連續(xù)地向電網(wǎng)中注入輕微的擾動并監(jiān)測孤島期間它們明顯的影響效果。電網(wǎng)斷開后，擾動會造成孤島電網(wǎng)各參數(shù)發(fā)生大的變化，據(jù)此可檢測出孤島是否發(fā)生。但絕大部分主動法有缺陷。⑦變結(jié)構(gòu)法此法也是主動法。就是往孤島網(wǎng)中加入一定阻抗，目的是通過加入阻抗來使負載和電源輸出之間的平衡發(fā)生變動。電容器便宜，體積小，并且誤加入也不會損壞電網(wǎng);再者，加入電容不但補償了工頻無功功率，而且還有效地改變了諧波諧振電路的平衡條件，因此是有效的反孤島法。原則上，每個自關斷式逆變器都能工作于孤島模式。如果沒有防止孤島效應的控制策略，那么發(fā)生孤島效應的負載條件只取決于逆變器的頻率限制和電壓限制。對于給定的電容量和逆變功率，可以在△P-△Q域中作出一個不可探測域(NDZ)，在這個域中預先被設定電壓和頻率限制的逆變器可能會工作于孤島模式。DP和△Q是電網(wǎng)解列之前逆變器輸出到電網(wǎng)的有功和無功功率。能通過調(diào)整負載來調(diào)節(jié)△P和△Q。6.總結(jié)與展望6.1總結(jié)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計的原則，應當是在可靠并網(wǎng)的前提下，進行合理的配置，盡量減少系統(tǒng)規(guī)模，降低投資費用。即能滿足使用的可靠性，又有較好的經(jīng)濟性。配置的規(guī)模除了取決于負載的類型、耗電量以外，還與當?shù)氐臍庀蠹暗乩淼葪l件有關。由于目前光伏電池組件的價格還比較高，所以一個完善的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)或產(chǎn)品，除了要使用質(zhì)量可靠的光伏電池組件、蓄電池及其他輔助部件以外，還必須因地制宜，對不同地區(qū)使用的光伏產(chǎn)品分別進行優(yōu)化設計，而不能像一般的機電產(chǎn)品那樣可以全國通用。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出的應是與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦電流信號，但在實際的工作過程中，由于太陽能電池受氣候及時間的影響較大，輸出的直流電壓不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的直流電壓經(jīng)逆變器逆變后，輸出的交流電流幅值也存在波動。再加上由于逆變器自身結(jié)構(gòu)的原因，輸出電流存在波形畸變。這就需要在設計并網(wǎng)逆變器硬件結(jié)構(gòu)時，充分考慮以上因素，優(yōu)化設計，減少逆變器輸出波形畸變。本文中考慮到以上要求，提出了如圖2-2所示的硬件電路，其中經(jīng)過DC/AC逆變后的電流，通過電感、小電容濾波后，可以將由于開關器件產(chǎn)生的高次諧波濾除。為進一步減少諧波對電網(wǎng)的污染，增加一高頻變壓器，使輸入的太陽電池矩陣和輸出端的電網(wǎng)絕緣。使得輸出波形畸變<5%，高次諧波<3%，逆變器有效率多90%，功率因數(shù)接近1。但是采用高頻變壓器后，整個逆變器的體積和重量增加了近50%，又因高頻變壓器經(jīng)兩級變換，效率問題比較突出。為進一步降低成本，提高效率，目前己開發(fā)出無變壓器無絕緣方式的光伏并網(wǎng)用逆變器主電路。為減少高頻逆變器對太陽電池的電磁干擾，除在逆變器輸出部分加電感、電容濾波外，還增加了共模濾波器，比高頻變壓器絕緣方式主電路簡單，仍然是單級變換，效率高。沒有變壓器，體積小，重量輕，成本較底。但是，太陽電池與外電網(wǎng)沒有絕緣隔離，存在不安全因素，為了進行保護和防止電磁干擾，要