杨中国

(枣庄学院物理与电子工程系,山东枣庄 277160)

光伏并网发电模拟系统

杨中国

(枣庄学院物理与电子工程系,山东枣庄 277160)

此光伏并网发电模拟系统采用M SP430F449为核心控制芯片,采用全桥逆变电路作为DC-AC的核心电路,通过控制BUCK电路实现M PPT最大功率点跟踪,单片机发送PWM信号控制逆变电路产生正负交替的工频交流信号.逆变电源具备各种保护功能,如输入直流极性接反保护,交流输出短路保护、过热、电流电压过载保护等.利用逻辑器件输出的pwm波形控制逆变电路,输出含有较多的谐波分量,因此要加滤波输出正弦波电流.

M SP430F449;PWM;逆变电路;光伏并网＊

0 引言

光伏并网发电技术是新能源领域最近十多年发展起来的一个重要方向,它将光伏发电系统直接与电网相连,省掉了体积大,易损耗的蓄电池;在城市中安装,光伏阵列可以实现与建筑的一体化,节省安装成本;分散发电,就地使用,避免了输配电损失,减少了温室气体的排放.因此,太阳能光伏发电技术得到了持续的发展,分布式光伏并网发电已经成为太阳能利用的主要方式之一.

对于光伏发电系统而言,其中最主要的问题是如何提高系统的发电效率以及整个系统的工作稳定性.因此如何使光伏并网发电控制系统具有简单的结构,较高的效率和稳定性,成为系统设计的关键.控制时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点,也要同时保证对电网输出电流符合电网要求.

1 系统总体设计

图1 系统结构图Fig.1 structure of system

系统设计以M SP430F449单片机为核心,控制电压、电流检测以及各部分驱动电路,用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池,产生直流电压,通过单片机产生按正弦规律变化的PWM信号,PWM信号驱动全桥逆变电路实现由直流到交流的逆变,逆变后经过滤波输出正弦交流电.通过单片机控制引入参考电压,经过精密整流及过零检测电路实现输出电压与电网电压同相位.M SP430F449采用16位R ISC结构,具有丰富的片内外设和大容量的片内工作寄存器和存储器,它具有较强的运算能力,超低的功耗:能够在1. 8V～3.6V的电压下工作;具有工作模式(AM)和5种低功耗模式(LPM).在低功耗模式下,CPU可以被中断唤醒,响应时间小于6p s.还有丰富的片上外设,决定了430系列单片机的性价比是非常高的.系统结构如图1所示.

单片机电路保证M SP430F449工作在8M hz时钟频率下,完成PWM脉冲发送,经光电隔离驱动逆变输出电路.分别由时钟电路、复位电路和LCD显示电路组成.逆变的具体方法是通过单片机产生2路按正弦规律进行变化的PWM信号,PWM信号驱动逆变电路,从而实现直流电到正弦交流电的逆变.使用M SP430F449作为逆变控制器,不仅可使硬件电路大大简化,而且提高了灵活性和可靠性.并且该芯片价格便宜,编程方便,故本系统选用此方案.

2 系统硬件设计

图2 硬件原理图Fig.2 Hardware structure

2.1 DC-AC逆变主电路的的设计

正弦波输出的逆变器控制集成电路,正弦波输出的逆变器,其控制电路可采用微处理器控制,如杭州利尔达生产的M SP430系列单片机,以及D SP等,这些微处理器都具有多路PWM发生器,并可设定上、上桥臂之间的死区.随着微电子技术的发展,正弦波输出的逆变技术已经成熟.

2.2 逆变电源主电路功率器件的选择

逆变电源的主功率元件的选择至关重要,目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管(BJT),功率场效应管(MOSFET),绝缘栅晶体管(BT)和可关断晶闸管(GTO)等,在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET,因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率,在高压大容量系统中一般均采用绝缘栅晶体管模块,这是因为MO SFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大,而绝缘栅晶体管在中容量系统中占有较大的优势,而在特大容量(100KVA以上)系统中,一般均采用GTO作为功率元件.

综上所述,本系统方案逆变电路用功率场效应管最为适宜,本系统经试验对比挑选场管IRF530为开关管器件,驱动芯片选取IR 2101.驱动电路图如图3.

图3 驱动电路图Fig.3 D river circuit

2.3 系统整体结构分析及同频同相控制方法

1、用单片机控制BUCK电路,利用过零检测技术实现.具体如下:在本模拟电路中,设:Uf和UREF同相位.(如图2所示)由J1引入的参考电压经过精密整流,及过零检测电路④测出其相位,来同步逆变电路的相位θ.而逆变电路的相位由反馈绕组输出的电压⑥再整流、过零检测而来.由J1引入的参考电压经过精密整流,再经过D 2、C3滤波,测出其幅值,根据比例控制逆变电路的占空比D u ty,测试反馈绕组输出的电压⑥经过精密整流、滤波后的电压⑤来校正.根据给定参数,本设计中设定参考电压整流滤波后的③点和反馈的⑤点电压比例为1:2.这样输出就可以跟踪给定电压的幅值和相位了要实现Ud= Us/2,需要DC/AC模块的输入阻抗是可变的,所以本方案DC/AC模块前级加入B uck电路.调整B uck电路的占空比,使⑨的电压为U s的一半.

2、整体参数计算

过流保护测试:考虑到要求,需要测试输出保护电流1.5A,已有功率电阻为30Ω、36Ω(30W),所以选择两个36Ω,并联做测试.

本设计额定负载为26.6W,30欧姆1个,电流0.94A.

本设计中设定参考电压整流滤波后的③点和反馈的⑤点电压比例为1:2.

参考电压的峰峰值为2V,则有效值为0.707V,可反推出反馈绕组输出的电压⑥的有效值为0.1414V,则:⑦点电压有效值为14.14V.⑧点电压有效值为28.28V.输出功率符合要求.

2.4 M PPT的控制方法与参数计算

并网逆变器将直流电能转换为交流电能,并将其馈送给电网.并网逆变器的另一个作用是使模拟光伏电池的最大功率获得控制.真正的光伏系统都希望电池阵列在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能,以提高其发电效率,这也就是理论和实践上的最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking).

方案一:扰动观察法

光伏发电系统实际中常用的M PPT法的基本思想都是调整系统的输出电压,从而达到系统最优工作点.在最大功率点跟踪过程中,就是要不断调整输出电压,使得dP/dU= 0(P表示光伏系统输出功率,U表示光伏系统输出电压).

方案二:占空比扰动法

在模拟光伏系统的应用中,模拟光伏阵列和负载之间的接口通常采用PWM型的DC/AC逆变器,在这种电路的拓扑结构中,占空比D就是可以控制的变量.一种基于PV光伏阵列输出功率与占空比之间关系的M PPT法——占空比扰动法.M PPT控制器通过调整PWM信号的占空比D来调节变换器的输入/输出关系,从而实现阻抗匹配的功能.

目前,国内外已经提出了多种M PPT算法.扰动观察法由于实现简单,需要测量的参数少,是目前光伏系统中最为常用的M PPT方法,但是该方法在系统达到最大功率点后,会在其左右振荡,造成较大的能量损耗,尤其是在气候条件变化缓慢时,情况更为严重,所以我们采用了方案二.

3 系统软件设计

图4 系统主程序流程图Fig.4 The main program flow chart of systerm

该系统采用IAR Em bedded Workbench应用软件进行程序开发.系统各模块初始化后通过设置低功耗模式开启进入中断,循环模式进行采样捕获.其主程序如下:

vo id m ain()

{

W D TCTL=W D TPW+W D THOLD;

D e lay(300);

In it_D a ta(); //内存变量初始化

In it(); //各功能模块初始化

IE2|=BT IE; //使能中断

FLL_CTL 0|=XCA P14PF;

//Con figu re loadcap s

B TCTL=B T_ADLY_1000;

//1 sin te rrup tB T=Fc lk2/128=1 s,CLK 2=ACLK/256128分频

W D TCTL=W D T_ARST_1000;

ADC 12CTL 0|=ADC 12SC; //Sta rtconve rsion

_E IN T(); //允许中断

w h ile(1)

{

W D TCTL=W D T_ARST_1000;

Ge tDD a ta();//取数据

D ataPro();//数据处理

D isp lay(); //d isp lay

4 结束语

从能源短缺的现实状况和能源的可持续发展对现代经济社会的突出影响,可以看出光伏并网发电是解决此类问题的有效途径,将有着更加广阔的发展空间.并网逆变器作为光伏并网发电系统中的关键部件越来越引起人们的重视,它的发展将对整个光伏系统起着不可估量的作用.本模拟装置取得了很好的效果,为未来光伏发电系统的更加完善和成熟创造了实验条件,对一些核心控制技术的改善和提高取得了很好的效果.

[1]梁雪峰等.3KW光伏并网逆变器硬件设计[J].电力电子技术,2008,(08).

[2]汪海宁等.光伏并网发电系统中的最大功率跟踪控制[J].电力电子技术,2004,(09).

[3]秦龙.M SP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2007.

[4]刘刚.基于M SP430F449的三相正弦逆变变频电源设计[J].吉林化工学院学报,2007,(01).

Abstract:The grid simulator using M SP430F449 as the core control chip,using full-bridge DC-AC inverter circuitas the core of the circuit,by controlling the BUCK circuit MPPT maximum power point tracking,single-chip inverter circuit to send PWM signal control produce alternating positive and negative-frequency AC signal.Inverter with various protection features, such as DC input reverse polarity protection,out put short circuit protection exchange,thermal,current and voltage overload protection and so on.

Keywords:M SP430F449;PWM;Inverter Circuit;Photovoltaic grid

Grid-connected Photovoltaic Power Simulation System

YANG Zhong-guo
(Department of Physics and Electronic Engineering,Zaozhuang University,Zaozhuang 277160,China)

TP23

A

1004-7077(2010)02-0088-05

2009-09-05

杨中国(1980-),男,山东临沂人,枣庄学院物理与电子工程系助教,工学硕士,主要从事智能检测和自动控制系统方面的研究.

[责任编辑:陈庆朋]