光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計摘要：最大功率點跟蹤是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常遇見的問題。系統(tǒng)設(shè)計采用電流型控制芯片UC3845實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT),由單片機STC12C5408AD產(chǎn)生SPWM信號，實現(xiàn)頻率相位跟蹤功能、輸入欠壓保護功能、輸出過流保護功能。結(jié)果表明，該設(shè)計不但電路設(shè)計簡單，軟硬件結(jié)合，控制方法靈活，而且能夠有效的完成最大功率跟蹤的目的。關(guān)鍵詞：STC12C5408ADDC-AC轉(zhuǎn)換電路MPPT太陽能作為綠色能源,具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點,越來越受到人們的關(guān)注。光伏電池的輸出是一個隨光照、溫度等因素變化的復(fù)雜量，且輸出電壓和輸出電流存在非線性關(guān)系。光伏系統(tǒng)的主要缺點是初期投資大、太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率低。為充分利用太陽能必須控制電池陣列始終工作在最大功率點上，最大功率點跟蹤(MPPT,MaximumPowerPointTracker)是太陽能并網(wǎng)發(fā)電中的一項重要的關(guān)鍵技術(shù)。1設(shè)計任務(wù)為研究方便設(shè)計一光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用直流穩(wěn)壓電源U和電阻R模擬光伏電池，U=60V,R=30Q~36Q；u為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號，其S S S S REF峰峰值為2V，頻率f為45Hz~55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n：n=2:l、n：n=l：10,REF 2 1 3 1將u作為輸出電流的反饋信號；負載電阻R=30Q~36Q。要求系統(tǒng)具有最大功率點跟蹤FL(MPPT)功能，頻率、相位跟蹤功能，輸入欠壓保護和輸出過流保護功能。另外要求系統(tǒng)效率高、失真度低。USRL

USRL圖1并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖2系統(tǒng)總體方案光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要由前級的DC-DC變換器和后級的DC-AC逆變器組成。在系統(tǒng)中,DC-DC變換器采用BOOST結(jié)構(gòu)，主要完成系統(tǒng)的MPPT控制;DC-AC部分采用全橋逆變器，維持中間電壓穩(wěn)定并且將電能轉(zhuǎn)換成110V/50Hz交流電。設(shè)計采用單片機SPWM調(diào)制，驅(qū)動功率場效應(yīng)管，經(jīng)濾波產(chǎn)生正弦波，驅(qū)動隔離變壓器，向負載輸出功率。系統(tǒng)設(shè)計保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。系統(tǒng)總體硬件框圖如圖2所示：光伏電池（模擬）~ ?DCDC升壓—?衛(wèi)CAC逆變過流保護欠壓保護STC12C5408AD單STC12C5408ADSTC12C5408AD單STC12C5408AD單工頻隔離變壓器REFFREFF圖2系統(tǒng)總體硬件框圖3MPPT原理及電路設(shè)計MPPT原理由于光伏陣列的最大功率點是一個時變量，可以采用搜索算法進行最大功率點跟蹤。其搜索算法可分為自尋優(yōu)和非自尋優(yōu)兩種類別。所謂自尋優(yōu)算法即不直接檢測外界環(huán)境因素的變化,而是通過直接測量得到的電信號,判斷最大功率點的位置。典型的追蹤方法有擾動觀測法和增量導(dǎo)納法等。增量導(dǎo)納法算法的精確度最高,但是,由于增量導(dǎo)納法算法復(fù)雜,對實現(xiàn)該算法的硬件質(zhì)量要求較高、運算時間變長，會增加不必要的功率損耗,所以實際工程應(yīng)用中,通常采用擾動觀測法算法［1］。擾動觀測法原理:每隔一定的時間增加或者減少電壓,并通過觀測其后功率變化的方向,來決定下一步的控制信號。其具體調(diào)整方案如下:U、I為上一次的檢測值,P為對應(yīng)的輸出功率;U1、II為當前檢測值,Pl為對應(yīng)功率。對應(yīng)增大參考電壓會出現(xiàn)以下兩種情況：（1）P1〉P,說明擾動方向正確，系統(tǒng)應(yīng)保持原來的擾動方向；（2）P1〈P,說明擾動方向錯誤，系統(tǒng)需要調(diào)整擾動方向。當尋優(yōu)過程處于暫態(tài)過程時,即光伏陣列輸出功率與最大功率的差值較大時,則增大步長,以改善動態(tài)響應(yīng)特性,提高追蹤速度；當尋優(yōu)過程接近穩(wěn)態(tài)時或輸出功率的波動只由步長的大小決定時,則減小步長,以提高穩(wěn)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)［2］。如此反復(fù)直到工作點接近Pmax。這是一個自尋優(yōu)的過程，它的控制原則是參考電壓的變化始終讓電池輸出功率朝大的方向改變。MPPT電路設(shè)計當一個內(nèi)阻不為零的電源和負載相連時,當負載的電阻值和電源內(nèi)阻值相等時即電源輸出電壓等于電源額定電壓的1/2時,負載上獲得最大功率。將DC-DC變換器輸入、輸出電壓和電流測量結(jié)果經(jīng)過單片機分析運算,由單片機輸出PWM脈沖調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器功率開關(guān)管的占空比。調(diào)節(jié)占空比D可以使MPPT電路從輸人端看進去的等效電阻發(fā)生改變，進而達到阻抗匹配的目的，就可以實現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換電路在光伏發(fā)電系統(tǒng)中對太陽能電池最大功率點的跟蹤［3］。圖3DC-DC電路圖太陽能光伏陣列輸出電壓和輸出電流的檢測對最大功率跟蹤功能的實現(xiàn)是至關(guān)重要的，精確的電壓、電流測量值有助于提高最大功率點跟蹤的準確性。因此，選用電流型PWM控制芯片UC3845可以方便的設(shè)定流過主開關(guān)的電流峰值，而且還能提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。具體1電路如圖3所示。實現(xiàn)最大功率跟蹤功能即滿足U=—U，因此，采用DC-DC的輸出電壓d2s來調(diào)整DC-AC的輸出，使負載R消耗的功率改變。當U>-U時致使VCC電壓升高，此時L d2sDC-AC輸出的正弦波幅值增大，因此，負載R消耗的功率增大，導(dǎo)致UA減小，從而實現(xiàn)MPPTLd功能。4DC-AC電路設(shè)計DC-AC轉(zhuǎn)換器采用SPWM方式的全橋逆變電路，此電路的核心是SPWM發(fā)生器。其控制電路采用STC12C5408AD單片機控制，通過軟件查表法產(chǎn)生SPWM，采用TLP250驅(qū)動功率場效應(yīng)管，實現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換。再通過電壓電流采樣電路，接單片機中斷，可實現(xiàn)頻率跟蹤、相位跟蹤與欠壓、過流保護。DC-AC主電路采用全橋逆變方式，其開關(guān)器件采用功率場效應(yīng)管，為了降低開關(guān)器件的通態(tài)損耗，采用大電流低內(nèi)阻75N75，由于功率場效應(yīng)管在其導(dǎo)通和關(guān)閉的過程中，會有部分開關(guān)損耗。為了降低損耗提高DC-AC的整體效率，在調(diào)制SPWM過程中，上橋臂采用50Hz調(diào)制，下橋臂采用40kHz載波信號，這樣就可以減少一半的開關(guān)損耗，極大的提高了DC-AC的效率。由于單片機可編程，在不改變硬件的情況下，可靈活改變波形參數(shù)及預(yù)置的電壓電流參數(shù)，實現(xiàn)頻率相位跟蹤與欠壓過流保護，可以隨時修改程序，方便調(diào)試oDC-AC電路如圖4所示。

15VQ1VCCL,Q375N7575N75Lu—R2GND240GND240TLP250GNDR528?6TLP250?35100240GNDQ275N75751N75ClluF815VQ1VCCL,Q375N7575N75Lu—R2GND240GND240TLP250GNDR528?6TLP250?35100240GNDQ275N75751N75ClluF8i26TLP2501351K8i26TLP25013515V-3R81K240GNDGNDGND5頻率與相位跟蹤u為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號，u為工頻隔離變壓器n3線圈端取出電壓，將uREFFF與u進行過零檢測得到方波，將半個周期的脈沖送入單片機，單片機以u的上升沿為計數(shù)REFF器的起始時間，以u的下降沿和u的下降沿為兩個計數(shù)器截止時間，單片機就可以得到REu的脈沖寬度和u與u的下降沿之間的寬度。進而得到u的頻率和輸出波形的相位差。主RE單片機將頻率和相位誤差數(shù)據(jù)送入從單片機，從單片機調(diào)整PWM波的占空比修正頻率，改變查表時的入口就可以跟蹤到相位。進而調(diào)整輸出SPWM的頻率與相位，實現(xiàn)頻率和相位追蹤。6保護電路的設(shè)計欠壓保護將Ud的電壓經(jīng)電阻分壓后，送至比較器的反向端與同向端的基準進行比較，一旦其電壓值高于同向端的基準，比較器就會向單片機輸送低電平信號，直至單片機關(guān)斷所有PWM信號，進而實現(xiàn)欠壓關(guān)斷輸出。當Ud的電壓恢復(fù)到大于25V時，比較器就會向單片機輸送高電平信號，單片機將重新開通PWM信號，實現(xiàn)恢復(fù)輸出。采用電流互感器將檢測到的電流信號通過運放放大后與給定的基準進行比較，從而實現(xiàn)輸出過流保護。7程序流程圖為提高響應(yīng)時間選用高速、寬電壓、低功耗單片機STC12C5408AD，速度比普通8051單片機快。還有10位ADC，四路PWM。由于次單片機只有兩個定時器TO、T1,產(chǎn)生PWM波和單

片機通信分別要用定時器TO和T1。鑒于此，主從單片機采用并行通信方式。程序開始時,先進行初始化。8測試結(jié)果當Rs和Rl在適當范圍內(nèi)變化時，用萬用表測試出輸入電流電壓、輸出電流電壓，從而P可以計算出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率耳==，其中P=U?/，P=U-1。U米用實驗室可調(diào)P oo1o1dddSd直流穩(wěn)壓電源輸入60V,待系統(tǒng)穩(wěn)定后用萬用表測出U、I和U、I，測試數(shù)據(jù)見表1。dd o1 o1表1變換器效率測算測試次數(shù)Ud(V)<A>Uo1(V)“(%)1291088321098533011087411284當fREF在給定范圍內(nèi)變化以及加非阻性負載時，用示波器觀察正弦波uF和參考正弦波REFFu的頻率相位偏差，可算出相位偏差絕對值 P-PI及相對頻率偏差絕對值REF d FREFf=f-ff，測量數(shù)據(jù)如表2所示。d1FREFREF表2頻率相位偏差測算9結(jié)論多次測量結(jié)果表明，相位偏差絕對值＜5o，相對頻率偏差絕對值fd＜1%，轉(zhuǎn)換效率耳＞80%達到系統(tǒng)設(shè)計要求。提高光電轉(zhuǎn)換效率是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，在DC-DC升壓電路與DC-AC逆變電路采用75N75場效應(yīng)管，開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小