0 引言
太陽能光伏發(fā)電是當(dāng)今世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù),，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按照系統(tǒng)運(yùn)行方式的不同可分為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng),、并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)以及混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。隨著我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展,，尤其是光伏屋頂計(jì)劃的實(shí)施,，國(guó)內(nèi)對(duì)離網(wǎng)型光伏逆變器的需求將越來越大。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏電池陣列,、控制器,、逆變器、儲(chǔ)能裝置等環(huán)節(jié)組成,，如圖1所示,，其中逆變器是光伏系統(tǒng)中重要的器件之一，其可靠性和轉(zhuǎn)換效率對(duì)推行光伏系統(tǒng),、降低系統(tǒng)造價(jià)至關(guān)重要,。
目前，國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品主要存在以下不足：a．大多采用單片機(jī)控制,，實(shí)時(shí)性差,，數(shù)據(jù)處理及通信能力有限；b．采用變壓器,，體積大,、笨重；c．輸出電壓精度不高,，不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要,。本文提出了5kW光伏控制器的設(shè)計(jì)方案，可以廣泛用于離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng),、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),，具有體積小、重量輕,、輸出電壓精度高,、波形好,、現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控等特點(diǎn),。
1 5kW離網(wǎng)型光伏逆變器基本結(jié)構(gòu)
光伏逆變器的結(jié)構(gòu)如下所示，包含一次回路和二次回路兩部分，其中一次回路由輸入濾波電路,、Boost升壓電路,、全橋逆變電路和輸出濾波電路等組成，二次回路由TMS320Fz812控制器電路,、信號(hào)檢測(cè)電路,、人機(jī)交互電路和通訊電路組成。下面就5kW離網(wǎng)型光伏逆變器的硬件主電路和控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì),。圖2光伏控制器結(jié)構(gòu)圖
2 5kW離網(wǎng)型光伏逆變器硬件設(shè)計(jì)
目前,，常用的離網(wǎng)型逆變電路主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：工頻隔離單級(jí)逆變器、高頻隔離兩級(jí)逆變器和無隔離兩級(jí)逆變器,。經(jīng)理論計(jì)算和實(shí)踐驗(yàn)證,，使用一種更適合用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：無隔離兩級(jí)逆變，也叫做Boost逆變器,，如圖3所示,。
通過輸入濾波電路對(duì)光伏太陽能輸入的48V直流電進(jìn)行濾波處理，然后通過Boost升壓電路進(jìn)行升壓,，采用全橋逆變進(jìn)行逆變處理,，輸出SPWM波，最后經(jīng)過LC低通濾波器進(jìn)行濾波,，輸出50Hz頻率的正弦波,。
2．1 輸入濾波電路的設(shè)計(jì)
輸入濾波電路是由濾波電容組成，用來減小輸入端電壓的脈動(dòng),，假設(shè)變換器傳輸最大功率為Pmax,，由輸入輸出功率相等可得出一個(gè)周期內(nèi)輸入濾波電容所提供的能量約為
式中，η為變換器的效率,，fr為IGBT開關(guān)器件的工作頻率,。將Pmax=5kW，η=0．95,，fr=18kHz代入上式可得Win≈0．2924J,，每半個(gè)周期輸入濾波電容所提供的能量為：
式中，Vinmin為最小輸入直流電壓,；△Vinmin一般取1％Vinmin,，本設(shè)計(jì)中Vinmin=38．4V，代入式中可得到C=4960 μF,，濾波電容選用鋁電解電容,，為減小電容的等效串聯(lián)電阻，選用5個(gè)1000 μF電解電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn),，電解電容的高頻特性不好,，設(shè)計(jì)中在每一個(gè)電解電容旁并聯(lián)6 μF的CBB高頻電容加以改善,。
2．2 Boost電路
Boost電路如圖4所示，其中Q為全控型的功率器件IGBT,，Boost電路是一種輸出電壓等于或高于輸入電壓的非隔離直流變換電路,，當(dāng)光伏控制器的輸入電壓在允許范圍波動(dòng)時(shí)，通過控制功率開關(guān)器件Q的導(dǎo)通比D,，使輸出電壓保持穩(wěn)定,。
根據(jù)Boost電路中電感電流是否連續(xù)可以分為電感電流連續(xù)、電感電流斷續(xù)和電感電流臨界連續(xù)三種工作模式,。當(dāng)工作于臨界工作模式時(shí),，電感的取值滿足式(3)。
當(dāng)輸出功率等于5kW時(shí),，計(jì)算得L=20 μH,，當(dāng)工作在電感電流連續(xù)模式下時(shí)，輸出電壓紋波較小,，電容充放電電流的變化率也較小,，具有很好的電能輸出質(zhì)量，本設(shè)計(jì)中選取P=100W時(shí)所對(duì)應(yīng)的臨界電感值L=1mH,。
電感電流連續(xù)模式下,，需要的電容值為：
要想獲得輸出為220VAC的正弦波，考慮到SPWM調(diào)制技術(shù)的最大利用率0．866和調(diào)制度,，以及IGBT管的導(dǎo)通范圍,，Boost變換器需要將直流電壓升到420V，紋波電壓為直流電壓的5‰,，即為2．1V,，占空比D選取最大值0．9，代入式(4)求得電容值為1033 μF,，考慮到一定裕量,，選取3個(gè)并聯(lián)的470 μF的電解電容。
2．3 單相全橋逆變電路
本文中單相全橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)波形是通過調(diào)制法得到的,，信號(hào)波和載波的產(chǎn)生以及調(diào)制都是通過DSP2812實(shí)現(xiàn)的,。SPWM有三種調(diào)制方式：同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制,，本設(shè)計(jì)輸出頻率是50Hz,，頻率不是太低，所以采用同步調(diào)制方式,。
2．4 LC低通濾波器
SPWM波中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波分量,。為了獲得良好的輸出電壓波形，必須利用LC低通濾波器消除高次諧波,。隨著載波比的升高,，最低次諧波離基波越遠(yuǎn),，也就更容易進(jìn)行濾波，提高載波比將有效改善輸出電壓質(zhì)量,，但載波比的提高受制于功率開關(guān)器件的開關(guān)速度以及開關(guān)損耗等因素,，LC低通濾波器的選取主要考慮幾個(gè)方面的因素,，噪聲,、抑制能力、輸出阻抗,、逆變電流應(yīng)力,。
設(shè)計(jì)中還要綜合考慮濾波電路的體積、重量以及制作成本,，通常截止頻率選擇在開關(guān)頻率的1／10～1／20,，本設(shè)計(jì)中選擇系統(tǒng)開關(guān)頻率為18kHz，逆變器輸出交流電源頻率為50Hz,，初步確定截止頻率為1kHz,，濾波器中有兩個(gè)待定的參數(shù)，即濾波電感和濾波電容,。
LC低通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖5所示,，
LC濾波器的傳遞函數(shù)為：
3 5kW離網(wǎng)型光伏逆變器的控制策略
SPWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，本文采用PID控制與閉環(huán)負(fù)反饋控制相結(jié)合的數(shù)字控制策略,。
3．1 控制脈沖的產(chǎn)生
本文采用TI公司的TMS320F2812為主控芯片,，F(xiàn)2812共有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，每個(gè)都可產(chǎn)生8路的脈沖輸出,，其中由全比較單元輸出3對(duì)互補(bǔ)的信號(hào),，每對(duì)互補(bǔ)信號(hào)的延遲時(shí)間可由相應(yīng)的死區(qū)定時(shí)器產(chǎn)生，事件管理器利用內(nèi)部的定時(shí)器和比較單元產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖,。文中通過EVA輸出一對(duì)互補(bǔ)的SPWM脈沖信號(hào)和一路獨(dú)立輸出的PWM信號(hào),，分別控制Boost升壓電路和逆變器電路。
3．2 輸出頻率的計(jì)算
逆變器輸出SPWM脈沖信號(hào)的頻率是50Hz,，SPWM波形每個(gè)正弦波周期輸出的點(diǎn)數(shù)主要取決于目標(biāo)輸出正弦波的頻率和SPWM脈沖波的載波頻率,。如SPWM的載波頻率為18kHz，要輸出的正弦波的頻率分別為50Hz,，所需要的正弦表的點(diǎn)數(shù)N為
獲得18kHz的SPWM載波信號(hào)輸出,，需要對(duì)EVA的定時(shí)器周期寄存器TlPR進(jìn)行配置
式中，fcpu為DSP 2812的系統(tǒng)頻率,，HISCP為高速外設(shè)時(shí)鐘設(shè)置寄存器,，TPST1為通用定時(shí)器T1輸入時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)參數(shù)，將fcpu=150MHz,，HISCP=2,，TPST1=1代入上式得：
計(jì)算輸出頻率的誤差,，將TPST1=4166代入式(10)，得出fspwm,，再代入式(9),，得fsin1=50．008Hz，產(chǎn)生的誤差為0．008Hz,，滿足要求,。
3．3 閉環(huán)負(fù)反饋控制
DSP2812實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出輸入的電壓、電流值,，反饋到DSP內(nèi)部,，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，改變相關(guān)寄存器參數(shù),，控制驅(qū)動(dòng)脈沖的波形,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，系統(tǒng)的控制框圖如圖6所示,，系統(tǒng)采用二個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié),，根據(jù)反饋信號(hào)的不同，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出,，使輸出穩(wěn)定,。另外，當(dāng)輸出電流信號(hào)突然增大到超過最大允許電流時(shí),，關(guān)閉PWM輸出,，以保護(hù)逆變裝置不受損害。
4 5kW離網(wǎng)型光伏逆變器軟件設(shè)計(jì)
4．1 SPWM控制程序
本設(shè)計(jì)利用事件管理器的一個(gè)完全比較單元輸出一對(duì)互補(bǔ)的PWM脈沖,，時(shí)鐘由通用定時(shí)器1提供,，計(jì)數(shù)器的工作方式設(shè)置為連續(xù)增減方式。功率開關(guān)器件有一定關(guān)斷延遲,，當(dāng)同一橋臂的上管關(guān)斷時(shí),，下管不能馬上開通，否則將會(huì)由于短路而擊穿,，使用DSP事件管理器的全比較
單元中的死區(qū)控制器,，在同一橋臂的開通與關(guān)斷間插入一個(gè)死區(qū)時(shí)間，防止短路現(xiàn)象發(fā)生,，保護(hù)功率器件,。SPWM程序主要包括：對(duì)EV初始化、相關(guān)變量初始化,、正弦表的產(chǎn)生和CMPR1的重載,，前3個(gè)功能都是在主程序中完成。正弦表產(chǎn)生語句如下：
CMPR1的重載是通過比較單元匹配中斷來實(shí)現(xiàn)的,，中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示,。
4．2 A／D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序
A／D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源設(shè)置為EV中的事件源觸發(fā),，當(dāng)AD單元接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，自動(dòng)開始A／D轉(zhuǎn)換,，且將轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)存入結(jié)果寄存器ADC-RESULT中,，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)到來時(shí)，進(jìn)入ADCINT中斷服務(wù)程序進(jìn)行相應(yīng)處理,。在中斷服務(wù)程序中首先讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,，利用算術(shù)平均值濾波算法對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，按一定關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的實(shí)際電壓和電流,，計(jì)算電流和電壓的有效值,，傳遞到主程序中進(jìn)行判斷和諧波分析并通過液晶顯示出來,，程序流程圖如圖8所示,。
5 測(cè)試驗(yàn)證
將5kW光伏逆交器的一次回路和二次回路進(jìn)行組裝測(cè)試，結(jié)合軟件編譯環(huán)境CCS3．3輸出波形如圖9所示,，結(jié)果中給出了逆變電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，測(cè)得到電壓有效值在216V到226V之間波動(dòng),，頻率在49．6到50．5Hz之間波動(dòng),，測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求,。