摘 要:并网发电系统是太阳能利用的主流趋势,而高性能数字信号处理器的发展也使得一些先进复杂的控制策略应用于光伏并网系统成为可能。文中对系统的控制方案进行了分析,并采用英飞凌公司生产的XC164CM作为系统的控制芯片,通过软件编程完成了系统的并网控制,并解决了最大功率跟踪、锁相环等关键问题。实验表明文中设计的光伏并网发电系统能够较好地实现逆变并网功能。

　光伏发电具有无污染、无噪音、取之不尽等优点,在能源紧缺的今天越来越受到人们的关注。而光伏并网系统与光伏独立供电系统相比省去了蓄电池,更加经济环保。在国外,光伏电源开始由补充能源向并网发电系统的替代能源形式过渡。目前美日等发达国家以及印度等发展中国家都相应推出了光伏屋顶计划,作为计划核心的并网逆变器成为各国的科研热点[1]。

　　本文设计了一套500W单相光伏并网发电系统,其核心控制部分采用英飞凌公司的XC164CM芯片。该芯片将优化的外设单元与高性能的内核相结合,其实时处理能力和控制器外设功能集于一身,为控制系统应用提供了理想的解决方案。

　　1 系统控制策略

　　光伏并网逆变器主电路采用电压型逆变拓扑结构,如图1所示。

光伏组件的输出电压经过DC/DC升压环节,再通过逆变电路输出交流电。这种双级系统将最大功率点跟踪控制和并网控制分离开,使系统控制更加灵活方便[2-3]。逆变输出通过LC 型滤波器与电网相连,实现光伏系统并网运行。

　　此并网系统逆变器的控制包括两方面的内容,直流侧电压的控制和交流侧电流的控制。直流侧电压的控制主要是使逆变输出的电压幅值与电网电压的幅值相匹配,应该使其幅值稍微高于单相电网电压的峰值,一般取直流侧参考电压为400V。通过PI调节器把逆变器直流侧电压稳定在400V,则升压电路输出侧电压基本稳定,通过改变MOSFET的占空比就能调节太阳能电池的输出电压,从而达到最大功率跟踪的目的。另一方面控制逆变器输出电流,使之与电网电压同步,提高逆变器的功率因数,减少对电网的污染。

　　1.1 最大功率点跟踪

　　光伏阵列的特性曲线如图2所示,

在温度和光照一定的条件下阵列工作点即阵列工作电压决定了阵列的输出功率的大小。为了使光伏阵列利用效率提高,需对其最大功率点进行跟踪。本文采用的最大功率点跟踪方法为电导增量法。

　　系统采用两级系统。在母线电压稳定的前提下,改变前级的Boost电路的占空比D即可改变光伏阵列的工作电压,其关系满足

　　由于太阳能电池的P -U曲线为一组抛物线,其最大功率点处斜率为零。所以有

　　式(4)即为要达到最大功率点的条件,即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时,阵列工作于最大功率点。

　　如果不相等,则要看电导的变化量是大于零还是小于零再做相应的判断。该控制方法的流程图如图3所示。

程序运行后读取新值计算与旧值的差值,判断电压差值是否为零,若为零,再判断电流差值是否为零,若都为零则表示阻抗一致,占空比不变。若电压差值为零,电流差值不为零,则表示光照强度发生变化。电流差值大于零则D 值增加,反之D值减少。当电压差值不为零时,判断等式(4)是否成立,若电导变化量大于负电导值则D值增加,反之D值减小。

　　电导增量法的优点是外界条件发生变化时,其输出端电压能以平稳的方式追随其变化。电导增量法可以准确地追踪到太阳能电池的最大功率点。

　　1.2 逆变控制

　　本文采用电压电流双环瞬时控制方案,如图4所示。

其外环为母线电压反馈,电压调节器一般采用比例积分(PI)形式,其输出作为内环的给定,内环为瞬时值电流反馈。采用电流内环和电压外环的目的在于对不同负载实现给定电流幅值的自动控制,电压瞬时值外环能及时、快速地校正输出电压波形,使系统在各种负载下均具有良好的电压输出波形。

　　1.3 锁相环

　　为了保证并网电流和电网电压严格同频同相,本文使用了锁相环技术。

　　锁相环的实质就是以输出电流周期和电网电压周期两个值作为参考输入和反馈输入,通过锁相调节器使输出值与参考输入保持一致。其原理框图如图5所示。

　　软件锁相的实现是由输入信号硬件采样和锁相软件配合完成的。锁相环的输入信号为电网电压采样后通过硬件电路整成的与其同步的TTL方波信号。将方波信号送入CC2(见图7)的一个通道,并分配给其一个计数时基。设定该时基为递增计数,只捕捉TTL信号的上升沿。这样在电网电压每个周期零相位处都会产生一个中断。在中断中设定计数器复位为0,这样就完成了电网电压周期和相位的检测。

　　同相控制即在过零时刻强制使输出电流正弦角度变为0。另一方面,并网电流的周期是由SPWM载波周期控制,而在软件中就可以对载波周期寄存器T12PR进行修改以获得所期望的频率。而且算法中应用的反馈信号也可以直接对T12PR读取获得,故不需要任何硬件电路来采样输出电流信号。程序流程如图7所示。

　　其中鉴相程序使用算法为逐次逼近算法。该算法的指导思想是:若误差e小于零,则使T12PR的长度减小1;反之则使长度加1。如此反复调整后控制误差在一个很小的范围内来回摆动。该算法实质上就是通过反复调整T12PR,且每次调整量为一个计数长度,使输出周期逼近电网周期。实际上就是一个简单的比例调节系统。这种算法的优点是超调量为零。

　　1.4 系统保护

　　系统保护分为过压/欠压保护、过频/欠频保护两种方式。

　　由于是并网系统,故输出电压是由电网决定的。而电网电压的波动是有范围的,当超出一定范围可认为系统发生故障,应该进行保护。同理,当电网频率异常时可认为系统故障需进行保护。在实际运行中,并网控制也需要采集电网电压的周期和幅值,所以此保护并不需要增加系统的硬件。

　　2 系统硬件设计

　　采用综合控制方案,单相并网系统的总体硬件结构框图如图7所示。采用的控制芯片是16位微控制器XC164CM,由其完成所有的信号采集、算法实现和故障检测保护等功能。

　　XC164CM产生的PWM信号经驱动电路后直接加到开关器件上。XC164CM将功能和性能扩展的C166SV2内核、功能强大的片上外设子系统和片上存储器单元完美结合,其计算和控制功能由于MAC单元和DSP功能而变得更加完善。

　　系统的硬件搭设都是为了配合并网系统的控制方案的,一共要采集的信号有5路,即太阳能电池两端的电流和电压、逆变器直流侧电压、逆变器交流侧电流以及电网电压的幅值和频率。其中太阳能电池的电流和电压用于最大功率跟踪的控制,逆变器直流端电压和逆变器交流侧电流用于进行逆变的控制,电网电压的相位用于并网控制,而电网电压幅值和频率相配合进行孤岛保护的控制。

　　2.1 逆变环节

　　逆变部分的驱动电路如图8所示

,采用了英飞凌公司的6ED003L06-F。该驱动芯片采用自举电路技术,避免了多电源供电,简化了电路的设计,只需一路15V电源就可以支持产生6路PWM信号,且两两互补、安全可靠,同时具有过流和欠压检测功能,在检测到系统异常后会自动封死PWM信号。

　　逆变部分为单相全桥逆变电路并采用双极性调制。芯片XC164CM中CCU6单元可产生互补的PWM信号驱动开关器件,并且可方便地由XC164CM在软件上产生死区时间防止上下桥臂直通。

　　2.2 电网信号检测

　　并网系统要求逆变器输出电流必须与电网电压信号保持严格的同频同相。系统的同步信号取自电网电压,电路如图9所示。

电网电压经过互感器后进行过零比较,输出的上升沿信号送至单片机产生中断,进入同步跟踪,实现软件锁相环。

　　3 系统整体软件流程

　　控制芯片主要完成以下功能:

　　(1)产生PWM信号以驱动各个芯片;

　　(2)BOOST电路的MPPT控制;

　　(3)对全桥逆变器进行SPWM控制,使输出电流和电网电压同频同相;

　　(4)PLL锁相环处理;

　　(5)进行故障检测和处理等。

　　整个系统控制程序主要分为四个部分,最大功率跟踪、逆变、同步信号跟踪和锁相环,以及孤岛保护程序。系统程序控制流程如图10所示。

　　4 实验结果及分析

　　根据上述分析实现了500W并网逆变器,系统实物如图11所示。

　　4.1 逆变器输出功率测试结果

　　实际应使用三组JT170(35)P1580×808多晶硅光伏电池板串联,为了不受外部环境的影响,测试时光伏输入电压是由调压器与整流桥串联一个电阻来模拟的。模拟输入电压范围为100～200V,符合实际光伏电池输入电压范围。

　　系统的实验结果如图12所示。

　　图(a)为系统在额定输出功率500W时实验结果,此时功率因数为0.98;

　　图(b )为系统在超出额定输出功率20%达到600W时实验结果,此时功率因数为0.98。

　　根据IEEE Std 547-2003标准规定:光伏系统在输出功率大于10%额定功率时,功率因数应该大于0.85;并网电流总谐波THD<5%。由图11可知本系统在输出额定功率时功率因数近似为1,在输出功率大于额定功率20%时功率因数仍近似于1,并网电流THD为3.44%,并网性能好,对电网污染小,符合IEEE标准规定。

　　4.2 最大功率点跟踪的实现

　　在外部环境稳定的条件下用两套同样的系统同时测试,得到结果,如图13所示。

其中光伏阵列均为JT170(35)P1580×808多晶硅光伏电池板一组。图(a)系统为Boost电路占空比设置为固定值时所得输出电流波形,图(b)系统为采用扰动法且具有与(a)系统同样初始占空比的光伏系统输出电流波形。可以看出最大功率点跟踪有效,能够获得更多能量。

　　5 结束语

　　文中阐述了整个并网系统的工作原理,并在其基础上给出了相关的硬件设计。该系统采用了两级式控制,直流升压与全桥逆变的结合使系统更易于实现。实验证明系统具有功率因数高、对电网输出谐波较小、控制简单等优点。

　　[1]吴博任.后起之秀太阳能[J],每月聚焦,Oct,2007:18～19.

　　[2]张侃谕,张晓菊.小功率光伏并网逆变控制系统的实现方式[J],中国电力,Vol.40,No.9,Sep.2007:42～45.

　　[3]赵春江,朱元昊,包大年,200kw太阳能光伏发电系统设计实践[ J ] , 节能技术, V o l . 2 5 , S u m .No.144,Jul.2007:326～329.

　　作者简介

　　王晓曦(1985—)，女，硕士研究生，主要研究方向为光伏逆变器的控制。

　　高 静(1985-)，女，硕士研究生，主要研究方向为光伏逆变器的控制。

　　杨贵杰(1965-),男，教授，博士生导师，主要研究方向为一体化电机系统驱动与控制等。

　　注：此文为“英飞凌杯”第二届嵌入式处理器和功率电子设计应用大奖赛参赛获奖选手论文。【红尘有你】