光伏逆变电源系统的设计

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绿色新能源，一种未来常规能源的替代品，尤其受到人们的重视。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，光电转换（即光伏技术）是最有发展前途的一种。

1 系统的工作原理及其电路设计  

光伏系统的总体框图如图1所示。


  
图1 系统的总体框图

由图1可知，整个系统包含充电和逆变两个主要环节。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。

1.1 充电控制部分

1.1.1 太阳电池的工作特性

太阳电池作为光伏系统的基础，其工作特性，包括工作电压和电流与日照、太阳电池温度等有着密切的关系，图2、图3分别给出了太阳电池温度在25℃时，工作电压、电流和日照的关系曲线及太阳电池的输出功率和日照（S）、U之间的曲线。  

从图2可以看出，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。由图3进一步可知，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，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，这样就可以以功率尽可能小的太阳电池获得最多的功率输出。在图2和图3中，A、B、C、D、E点分别对应不同日照时的最大功率点。  


  
图2 工作电压、电流和日照关系曲线   


  
图3 输出功率和日照关系曲线

1.1.2 太阳电池的最大功率点跟踪（MPPT）

由图1可知，系统首先采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储存在蓄电池中。在这个过程中，通常采用自寻最优控制方式使太阳电池在最大功率点处工作。整个控制过程可以分解成两个阶段进行：

1）确定出太阳电池工作在最大功率点时的输出电压值Uref；

2）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。

这两个阶段是由控制电路通过检测太阳电池的输出电压和电流，采用逐次比较法来实现的。

1.2 逆变器设计

1.2.1 逆变电路设计

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SPWM控制方式，预先将0～360°的正弦值制成表格预存在EPROM中。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，主要有单极性和双极性两种类型，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。

1.2.2 控制核心  

图4是系统的控制框图，控制芯片80C196MC是INTEL公司继MCS96之后，于1992年推出的真正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发生器(WG)单元，大大简化了用于SPWM波形发生的软件和外部硬件，从而使整个系统结构更加简单。为了使输出信号和它的互补信号不致同时有效，在芯片的内部设有死区发生器电路，从而避免了同一桥臂上的IGBT上下直通，保护了IGBT。


  
图4 控制框图

1.2.3 系统稳压控制  

为了提供满足精度要求的电压，必须采取相应的系统稳压控制方法，其控制框图见图5。


  
图5 系统稳压控制框图

稳压控制是通过在80C196MC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时完成的。其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。再者，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。所以，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。  

完整的主电路拓朴结构如图6所示。


  
图6 主电路拓朴结构

2 系统的软件设计

本系统软件采用模块化设计，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，为避免启动时出现过大的峰值电流，系统采用软启动方式，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。