Design of A 1kW Photovoltaic Grid-connected Inverter
1 前言
隨著生態環境的日益惡化，人們逐漸認識到必須走可持續發展的道路，太陽能必須完成從補充能源向替代能源的過渡。光伏并網是太陽能利用的發展趨勢，光伏發電系統將主要用于調峰電站和屋頂光伏系統。
在光伏并網系統中，并網逆變器是核心部分。目前并網型系統的研究主要集中于dc－dc和dc－ac兩級能量變換的結構。dc－dc變換環節調整光伏陣列的工作點使其跟蹤最大功率點;dc－ac逆變環節主要使輸出電流與電網電壓同相位，同時獲得單位功率因數。其中dc－ac是系統的關鍵設計，本文詳細介紹了小功率光伏并網逆變器的設計。并對逆變器進行了實驗驗證。
2 系統結構
太陽能光伏并網逆變裝置的主原理圖如圖1所示。本系統采用兩級式設計，前級為boost升壓斬波器，后級為全橋式逆變器。前級用于最大功率追蹤，后級實現對并網電流的控制。他們的控制都是由dsp芯片tms320f2812協調完成。
圖1 光伏并網系統結構圖
3 逆變器的設計
太陽能并網逆變器是并網發電系統的核心部分，其主要功能是將太陽能電池板發出的直流電逆變成單相交流電，并送入電網。同時實現對中間電壓的穩定，便于前級boost升壓斬波器對最大功率點的跟蹤。并且具有完善的并網保護功能，保證系統能夠安全可靠地運行。圖2是并網逆變器的原理圖。
圖2 逆變器原理框圖
3.1控制系統簡介
控制系統以ti公司高性能dsp控制芯片tms320f2812為核心，可以實現反饋信號的處理和ad轉換、dc/dc變換器和pwm逆變器控制脈沖的產生、系統運行狀態的監視和控制、故障保護和存儲、485通訊等功能。實際電路中的中間電壓vdc、網壓、并網電流和太陽能電池的電壓電流信號采樣后送至f2812控制板。控制板主要包括以下幾個部分:cpu及其外圍電路，信號檢測及調理電路，驅動電路及保護電路。其中信號檢測及調理單元主要完成強弱電隔離、電平轉換和信號放大及濾波等功能，以滿足dsp控制系統對各路信號電平范圍和信號質量的要求。驅動電路起到提高脈沖的驅動能力和隔離的作用。保護邏輯電路則保證發生故障時，系統能從硬件上直接封鎖輸出脈沖信號。
3.2 控制方法
(1) 控制理論的推導
在實現同頻的條件下可用矢量進行計算從圖2可以看出逆變器輸出端存在如圖3a所示的矢量關系對于光伏并網逆變器的輸入端存在如公式(1)的基本矢量關系式:
vac＝vs＋jωl·in＋rs·in (1)
式中， vac——電網基波電壓幅值;
vs——逆變器輸出端基波幅值。
在網壓vac(t)為一定的情況下in(t)幅值和相位僅由光伏并網逆變器輸出端的脈沖電壓中的基波分量vs(t)的幅值，及其與網壓vac(t)的相位差來決定。改變vs(t)的幅值和相位就可以控制輸入電流in(t)和vac(t)同相位。pwm整流器輸入側存在一個矢量三角形關系，在實際系統中rs值的影響一般比較小，通常可以忽略不計得到如圖3b所示的簡化矢量三角形關系。
圖3 控制矢量圖
在一個開關周期內對上式進行周期平均并假設輸入電流能在一個開關周期內跟蹤電流指令即可推導出公式(3):
(3)
式中，k＝ l/tc，tc為載波周期。
從該模型即可以得到本系統所采用的圖3所示的控制框圖。此方法稱為基于改進周期平均模型的固定頻率電流追蹤法。
(2) 逆變器控制框圖
圖4 逆變器控制框圖
圖4所示為逆變器的控制框圖。其中參考電壓vref與光伏電池實際輸出電壓vdc相比較后，誤差經pi調節得到電流指令i*，再與正弦波形相乘得到正弦指令iref，iref與實際輸出的電流相比較后，誤差經p調節后得到的值(物理意義上就相當于逆變器輸出側電感上產生的電壓)與網壓vac(t)相加得到的波形與三角波比較，便產生了4路pwm波控制逆變器開關管的通斷，這樣就實現了光伏電池輸出電壓基本工作在vref附近，系統輸出正弦電流波形幅值為i*。
方案中對并網電流的采用了固定開關頻率的控制方法。固定開關頻率控制是將電流誤差p調節后作為調制波與三角載波比較產生pwm波。其缺點是必須與實際電流存在偏差才能產生pwm波。因此在固定開關頻率控制的基礎上有所改進，加人了交流側網壓vac的計算，即電流誤差信號iref經過pi調節后與vac相加，得到的值再與三角載波進行比較。δi在物理意義上就相當于逆變器輸出側電感上產生的電壓。δi×p與vac之和，就相當于逆變器輸出脈沖電壓，這樣構成的矢量圖與逆變器輸出向量圖一致。改進的固定開關頻率的控制策略在保持原有優點的同時，電流跟蹤誤差顯著減小，改善了pwm整流器的電流跟蹤性能。
4 最大功率跟蹤和反孤島效應的檢測
mppt控制的最終目的在于動態的追尋太陽能電池板的最大功率點。常用的方法有固定電壓跟蹤法、擾動觀測法、導納微增法和間歇掃描跟蹤法。本文采用的是最后一種方法。這種方法的原理是定時掃描太陽能電池板陣列的輸出功率，然后逐次比較，直到追蹤到最大功率點。由于電池板最大功率點受光照的影響變化不是很劇烈，所以本文作者對這種方法進行了改進，只需要在最大功率點附近搜索掃描即可找到最大功率點。改進后的間歇掃描法控制及保持了跟蹤的控制精度有提高了系統運行的穩定性。
所謂孤島效應就是當電力公司的供電系統，因故障事故或停電維修等原因而停止工作時，安裝在各個用戶端的光伏并網發電系統未能即時檢測出停電狀態而迅速將自身切離市電網絡，因而形成了一個由光伏并網發電系統向周圍負載供電的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島現象。
其具體實現思想就是:系統通過軟硬件電路周期性地檢測出相鄰兩次電網電壓過零點的時刻，計算 出電網電壓的頻率f，然后在此頻率f的基礎上引入偏移量△f,最后將頻率(f士△f)作為輸出并網電流的給定頻率，并且在電網電壓每次過零時使輸出并網電流復位。那么，當電網無故障時，負載上的電壓頻率即為電網電壓頻率，因此dsp每次檢測到的電網電壓頻率基本不變;而當市電脫網時，光伏陣列的輸出并網電流單獨作用于負載上，由于輸出并網電流頻率的逐周期偏移，所以，dsp每次檢測到的負載電壓頻率就會相應地改變，這樣，就形成了給定輸出并網電流頻率的正反饋，使得負載電壓的頻率很快就會超過頻率保護的上、下限值從而使系統有效檢測出市電脫網，因此，主動頻率偏移法使系統具有了良好的反孤島效應功能。
5 實驗結果
根據以上設計方案，已在搭建完成額定功率1.5kw的光伏并網實驗裝置。輸入為100－300v，輸出并網電流為4.5a。輸出功率約為1kw，頻率為50hz。并網電流與電網電壓同相同頻，功率因數接近為1。實驗波形如圖５所示。
圖5 500w實驗時輸出電流電壓波形
6 結束語
本文介紹的小功率光伏并網逆變器采用改進的固定開關頻率的電流控制并網方案，使輸出功率因數接近為1。采用tms320f2812作為控制芯片，使系統具有很好的動態相應，保護完善，提高了并網效率。運用了具有最大功率跟蹤和反孤島效應的軟件設計，通過實驗證明該系統工作穩定可靠，性能良好。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
