户用多功能光伏发电系统的研究与设计

摘要：本文针对户用光伏发电系统的特点和要求进行了系统的研究与设计。将独立逆变与并网逆变相结合，使系统既可以工作在独立逆变状态， 将储存在蓄电池组中的能量直接逆变为正弦交流电为负载供电， 也可以工作在并网逆变状态， 将太阳能量直接回馈到电网或者将储存在蓄电池中的多余能量回馈到电网。系统采用32位DSP芯片TMS320F2812构成控制核心，利用单片机PIC16F877A构成系统的人机界面。设计的系统具有完善的保护功能、键盘通讯和液晶显示功能， 为家庭使用提供了方便。实验结果验证了方案的可行性。 叙词：光伏发电 独立逆变 并网逆变 人机界面 Abstract：This paper provides system research on and design of photovoltaic power generation system. It combines independent inverter and grid-connected inverter, so that the system can function under independent inverter condition, which inverts directly power in the battery into sinusoidal AC power to load power, and it also can function under grid-connected condition, which can turn solar power into the grid or turn surplus power in battery to the grid. The system adopts 32 digits DSP chip TMS320F2812 as its control center, and applies SCM PIC16F877A as its human-machine interface. The system has complete protection function, keyboard communications and LCD, which makes it convenient for household use. Lab experiments prove the feasibility of the scheme. Keyword：Photovoltaic Power Generation, Independent Inverter, Grid-connected Inverter, Human-machine Interface
1 引言

随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重，近年来世界各国竞相实施可持续发展的能源政策，其中利用太阳能电池发电最受瞩目。由于太阳能电池发电具有安全可靠，无污染、无需消耗燃料、无机械转动部件，故障率低，维护方便等独特优点，尤其是可与建筑物相结合，构成光伏屋顶发电系统，因此受到各国高度重视和加强[5]。而随着应用的普及，家用光伏发电装置相应的也将会越来越多，家用光伏发电装置既要满足用户的需求，又要有可靠性和安全性。基于此，本文针对独立与并网的双重功能进行了研究与设计，实验结果证明了设计方案的可行性。

2 系统结构

逆变系统是将直流电变换成交流电，其核心是逆变电路，即通过电力电子器件的开通与关断，完成逆变功能。电力电子器件的开通与关断需要合适的控制信号。根据系统的实际需要，本文所设计的逆变系统主要由主电路、控制电路、保护电路、通讯电路、辅助电源、输入滤波、输出滤波等几部分组成。逆变系统采用的基本结构框图如图1所示，控制核心选用TI公司TMS320F2812 DSP芯片。

3 主电路结构及参数设计

逆变器的主电路结构形式多种多样，根据本系统的控制目标，采用单相全桥型带有工频隔离变压器的主电路结构，输入端加入了防反二极管与限流电阻，主电路原理图如图2所示。

当工作在独立逆变模式的时候，采用LC滤波；当逆变器工作在并网模式的时候，为了减少电容滤波对相位的影响采用L滤波，将电容C通过开关断开。

考虑到容量与频率等因素，系统主电路的开关管选择电力MOSFET。其中，滤波电感的选择要尽可能滤除调制波的高次谐波分量，提高输出波形质量，滤波电感的高频阻抗与滤波电容的高频阻抗相比不能过低，即滤波电感的感值不能太小。为满足输出波形质量，要求一个采样周期中，电感电流的最大变化量小于允许的电感电流纹波△ILfmax。滤波电容的作用是和滤波电感一起滤除输出电压中的高次谐波，从而改善输出电压的波形，滤波电容越大输出电压的THD值越小。然而从电路来看，在输出电压不变的情况下，增大滤波电容会使滤波电容的电流增加，逆变器的无功能量增大，损耗增加，效率降低，因此，滤波电容又不宜太大。所以，滤波电容的选取原则是在保证输出电压的THD值满足要求的情况下，取值尽量小。同时应尽可能使用高频特性较好、损耗较小的CBB电容[4]。本文设计的逆变器的功率器件开关频率为15kHz，设计截止频率fC为2kHz。考虑到系统裕量，经计算与综合考虑，选择滤波电感9mH，滤波电容3μF。

4 控制电路结构及控制策略

控制电路主要包含：信号检测电路，驱动电路，保护电路，通讯电路四个部分，如图3所示。

控制策略主要采用PI控制。其中，独立逆变采用电压平均值外环和电压瞬时值内环的双闭环控制方案，实现电压的稳定输出；并网逆变