500W光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

1 引言

太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用將是21世紀(jì)人類社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是不用蓄電池儲(chǔ)能，因而節(jié)省了投資，系統(tǒng)簡(jiǎn)化且易于維護(hù)。這類光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要用于調(diào)峰光伏電站和屋頂光伏系統(tǒng)。目前，美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家都推出了相應(yīng)的屋頂光伏計(jì)劃，日本提出到2010年要累計(jì)安裝總?cè)萘窟_(dá)50 000MW的家用光伏發(fā)電站。作為屋頂光伏系統(tǒng)的核心，并網(wǎng)逆變器的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注[1]。

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏并網(wǎng)逆變器主要由二部分組成：前級(jí)DC-DC變換器和后級(jí)DC-AC逆變器。這2部分通過(guò)DClink相連接，DClink的電壓為400V。在本系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板輸出的額定直流電壓為100V～170V。DC—DC變換器采用boost結(jié)構(gòu)，DC—AC部分采用全橋逆變器，控制電路的核心是TMS320F240型DSP。其中DC-DC變換器完成最大功率跟蹤控制(MPPT)功能，DC-AC逆變器維持DClink中間電壓穩(wěn)定并將電能轉(zhuǎn)換成220V／50Hz的正弦交流電。系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同頻和同相。 

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

2.2.1 TMS320F240控制板

TMS320F240控制板如圖2所示，以TI公司的TMS320F240型DSP為核心，外圍輔以模擬信號(hào)調(diào)理電路、CPLD、數(shù)碼管及DA顯示、通信及串行E2PROM，完成電壓和電流信號(hào)的采樣、PWM脈沖的產(chǎn)生、與上位機(jī)的通信和故障保護(hù)等功能。

2.2.2 電壓和電流信號(hào)檢測(cè)電路

模擬信號(hào)檢測(cè)電路的功能是把強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為DSP可以讀取的弱電數(shù)字信號(hào)，同時(shí)要保證強(qiáng)電和弱電的隔離。筆者選用惠普公司的HCPL7800A型光電耦合器，其非線性度為0.004％，共模電壓為l 000V時(shí)的共模抑制能力為15kV／lμs，增益溫漂為0.000 25V／℃，帶寬為100kHz。具體隔離檢測(cè)電路如圖3所示。

 

2.2.3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

DSP控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)先通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，然后控制IGBT開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通狀態(tài)。筆者選用惠普公司的HCPL3120型專用IGBT驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電路的輸入和輸出是相互隔離的，驅(qū)動(dòng)電路還有電平轉(zhuǎn)換功能，將DSP的+5V控制電壓轉(zhuǎn)換為+15V的IGBT驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)電路電源采用金升陽(yáng)公司的B0515型隔離電源模塊。

 

2.2.4 輔助電源

為了給光伏并網(wǎng)逆變器的控制電路、信號(hào)采集電路及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路等提供各種工作電源，需要設(shè)計(jì)1個(gè)與主電路隔離的輔助電源。輔助電源的輸入電壓為100VDC～170VDC；輸出的3路電壓分別為+15VDC(2.5W)、-15VDC(2.5W)和+5VDC(5W)；輸出電壓波動(dòng)小于1％。筆者采用最新的Topswitch系列FOP222型電路進(jìn)行輔助電源的設(shè)計(jì)[3]。輔助電源主電路采用單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。

 

3 最大功率跟蹤控制MPPT

MPPT的實(shí)質(zhì)是一種自尋優(yōu)過(guò)程[4]，常用的方法有固定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀測(cè)法、導(dǎo)納微增法和間歇掃描跟蹤法。筆者采用的是間歇掃描跟蹤法。其核心思想是定時(shí)掃描一段(一般為0.5倍～0.9倍的開(kāi)路電壓1陣列電壓，同時(shí)記錄不同電壓下對(duì)應(yīng)的陣列輸出功率值，然后比較不同點(diǎn)太陽(yáng)電池陣列的輸出功率，得出最大功率點(diǎn)。筆者對(duì)間歇掃描法進(jìn)行了改進(jìn)，即在較短時(shí)間間隔內(nèi)只在縮小的跟蹤范圍內(nèi)(Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc)掃描1次。其中Vm和Voc分別是太陽(yáng)能電池陣列的最大功率點(diǎn)工作電壓和陣列開(kāi)路電壓。每隔一段較長(zhǎng)時(shí)間后再在整個(gè)跟蹤范圍內(nèi)對(duì)各工作點(diǎn)掃描1次。

改進(jìn)后的間歇掃描法控制既保持了跟蹤的控制精度又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 反孤島效應(yīng)控制方法

孤島效應(yīng)是指由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網(wǎng)中斷供電時(shí)各個(gè)用戶端的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變器仍獨(dú)立運(yùn)行的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，孤島效應(yīng)可能對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶的設(shè)備造成不利的影響，包括并網(wǎng)逆變器持續(xù)供電可能危機(jī)電網(wǎng)線路維護(hù)人員的生命安全：干擾電網(wǎng)的正常合閘過(guò)程：電網(wǎng)不能控制孤島中的電壓和頻率。可能造成用戶用電設(shè)備的損壞[5]。因此解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島問(wèn)題顯得尤為重要。

筆者提出了一種正反饋頻率擾動(dòng)的反孤島檢測(cè)方法。該方法的主要思想是首先判斷當(dāng)前電網(wǎng)電壓頻率的漂移方向，然后周期性地對(duì)輸出電流頻率施以相應(yīng)的擾動(dòng)。同時(shí)觀測(cè)實(shí)際輸出電流頻率。當(dāng)輸出電流頻率跟隨擾動(dòng)信號(hào)變化即輸出電流頻率可由并網(wǎng)逆變器控制時(shí)，就成倍增加擾動(dòng)量。以達(dá)到使輸出電流頻率快速變化而觸發(fā)反孤島頻率檢測(cè)的目的。