光伏離網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)

　　SPWM逆變器工作原理

　　逆變器是用來實(shí)現(xiàn)DC-AC變換的電力電子設(shè)備。和所有其它類型的電力電子裝置一樣，逆變器利用一組電力電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電能形式的轉(zhuǎn)換。由圖6可見，當(dāng)開關(guān)T5、T8導(dǎo)通，開關(guān)T6、T7關(guān)斷時(shí)，輸出端可以獲得正極性的瞬時(shí)電壓;而當(dāng)開關(guān)T5、T8導(dǎo)通，開關(guān)T6、T7關(guān)斷時(shí)，輸出端可以獲得負(fù)極性的瞬時(shí)電壓。以一定的頻率切換兩組開關(guān)導(dǎo)通的狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)由直流電壓到交流電壓的變換。無論是任何具體形式的逆變器，或是其它類型的電力電子變換器，其實(shí)現(xiàn)電能變換的基本手段都是通過這種對(duì)電子開關(guān)的快速通斷控制來改變電壓(或電流)的極性(瞬時(shí)的或平均的)和幅值(平均的)。

　　簡(jiǎn)單地按照?qǐng)D6的方法控制，只能獲得方波型交流電壓輸出，其諧波含量很大，幅值也無法調(diào)節(jié)。如果要獲得理想的輸出電壓，只需對(duì)開關(guān)過程進(jìn)行控制，PWM技術(shù)可以解決這個(gè)問題。

　　蓄電池充放電及MPPT電路設(shè)計(jì)

　　智能充放電器采用升降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并用dsPIC單片機(jī)進(jìn)行智能控制，從而完成太陽能電池板最大功率跟蹤。所謂最大功率點(diǎn)跟蹤，即是指控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統(tǒng)以最高的效率對(duì)蓄電池充電，本系統(tǒng)采用爬山算法實(shí)現(xiàn)。爬山法是通過將本次光伏方陣的輸出功率和上次的相比較來確定增加或減少光伏方陣工作電壓來實(shí)現(xiàn)MPPT。如圖7，若ΔP>0，說明電池板工作于上坡段，即最大功率點(diǎn)Pm的左側(cè)，需繼續(xù)增大工作電壓，從左邊向最大功率點(diǎn)靠近;若ΔP<0，減小工作電壓，從右邊向最大功率點(diǎn)靠近;若ΔP=0，電池板工作于最大功率點(diǎn)附近，于是工作電壓在光強(qiáng)變化之前時(shí)保持不變。

　　如圖8，在最大功率點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，光強(qiáng)由上一時(shí)刻的S₁減小為當(dāng)前時(shí)刻的S₂，按照爬山算法的原理，可知此時(shí)ω₂-ω₁=ΔP<0，認(rèn)為電池板工作于最大功率點(diǎn)P_m的右側(cè)，工作電壓被減小，而實(shí)際上電池板處于上坡段，工作電壓應(yīng)該增大才能向最大功率點(diǎn)靠近。同理，在最大功率點(diǎn)的右側(cè)時(shí)，也有類似的情況出現(xiàn)，這就是爬山法在光強(qiáng)變化時(shí)的誤動(dòng)作，爬山改進(jìn)法就是為解決這個(gè)問題提出的。

　　爬山改進(jìn)法增加下一時(shí)刻的電壓V₃對(duì)應(yīng)的功率W₃參與判斷。如圖8，當(dāng)ΔP>0時(shí)，如果W₂3，說明是光強(qiáng)變化引起的功率變化，應(yīng)保持原來的工作電壓不變，否則，說明電池板工作于最大功率點(diǎn)的左側(cè)，需增加工作電壓；同樣，當(dāng)ΔP<0時(shí)，如果W₂>W₃，應(yīng)保持原來的工作電壓不變，否則需減小工作電壓。爬山改進(jìn)法避免了爬山法跟蹤的誤動(dòng)作，有利于提高最大功率跟蹤的效率。

　　軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果

　　根據(jù)前面分析討論，研制一套基于Microchip公司的PIC芯片dsPIC30F4011的500W光伏離網(wǎng)發(fā)電裝置，由于此單片機(jī)擁有強(qiáng)大的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力，使整機(jī)硬件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，除了主電路、取樣檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路外，所有的運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理均由DSP完成。因此合理有效的控制策略和簡(jiǎn)潔軟件構(gòu)架是該系統(tǒng)可靠運(yùn)行的有力保證。根據(jù)前面的分析和光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本要求，DSP應(yīng)該完成最大功率點(diǎn)跟蹤控制、獨(dú)立供電運(yùn)行控制及相應(yīng)的其它保護(hù)。對(duì)于一個(gè)逆變電源來講，當(dāng)輸入電壓或輸出負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，逆變電源的輸出基波電源會(huì)發(fā)生變化，為了穩(wěn)定輸出的電壓，則要調(diào)整參考正弦波的幅度。為了在危機(jī)條件變化時(shí)能夠自動(dòng)穩(wěn)壓，必然要引入閉環(huán)控制。逆變器的控制方法有很多種，比如輸出電壓平均值反饋控制、瞬時(shí)值反饋控制、以及輸出電壓電流雙閉環(huán)控制等，隨著控制芯片的性能提升，一些現(xiàn)代控制理論也在逆變電源中獲得應(yīng)用。

　　在本設(shè)計(jì)中采用輸出電壓平均值反饋控制方案，控制器采用常用的PI控制器，其輸入為給定值和反饋值的差值，輸出為脈沖寬度控制比例。整個(gè)系統(tǒng)的控制過程為：如果反饋值和給定值不一致，比較如反饋值比給定值小，控制器就會(huì)根據(jù)輸入的誤差適當(dāng)?shù)恼{(diào)高輸出，即增大輸出脈沖的寬度，從而使得輸出基波的電壓增大，達(dá)到穩(wěn)壓的效果。數(shù)字PI控制器的模型可由模擬PI控制器導(dǎo)出。