【導讀】前景的可再生能源之一。太陽能光伏并網發(fā)電是太陽能光伏利用的主要發(fā)展趨。勢，已成為世界各國研究的重點，必將得到快速的發(fā)展。本文就是在此背景下，對太陽能并網發(fā)電系統的核心器件并網控制器進行了重點研究。統中的最大功率點跟蹤控制、孤島效應的檢測進行了分析研究。用雙極性SPWM調制實現工頻逆變。且最大限度地降低了逆變部分的諧波畸變率。

　　

【正文】 字 16位的 Flash 程序存儲器，高達 字 16位的數據 /程序 RAM， 544 字的雙端口 RAM， 2K的單口 RAM； （ 4）有兩個事件管理器 EVA 和 EVB，每個含兩個 16 位通用定時器和 8 個 16位的 PWM 通道； （ 5） 5 個外部中斷（兩個功率驅動保護、復位和兩個可屏蔽的中斷）； （ 6）電源管理包括有 3 種低功耗模式，能獨立將外設器件轉為低功耗工作模式，減少系統的功耗； （ 7） 10 位 A/D 轉換器的最小轉換時間為 500ns,大大提高了 A/D 的采樣和轉換速度。 選擇 TMS320LF2401 芯片作為控制核心的原因 （ 1） TMS320LF2401 的性價比高 LF24xx 系列的價格比 C24x 的便宜，性能高 于C24x，而且 LF24xxA 具有加密功能。使用 TI公司模擬器件與 DSP 結合使用的好處有： ① 在使用 TI 公司的 DSP 的同時，使用 TI 公司的模擬可以和 DSP 進行無縫連接。器件與器件之間不需要任何的連接或轉接器件。這樣既減少了板卡的尺寸，也降低了開發(fā)難度。 ② 同為 TI公司的產品，很多器件可以固定搭配使用，少了器件選型的煩擾。 ③ TI 在 CCS 中提供插件，可以用于 DSP 和模擬器件的開發(fā)，非常方便。 （ 2）降低生產成本，穩(wěn)定輸出正弦波。逆變器的主電路均需要控制電路來實現，一般有方波和正弦波兩種控制方式。方波輸出 的逆變器目前多采用脈寬調制集成電路，但方波輸出的逆變電源電路簡單，成本低，但效率低，諧波成分大。正弦波輸出時逆變器的發(fā)展趨勢，隨著微電子技術的發(fā)展，有 PWM 功能的微處理器也已問世，因此正弦波輸出的逆變技術已經成熟。 29 TMS320LF2401A 包含兩個專用于電機控制的事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個事件管理器模塊包括通用定時器（ GP）、全比較單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元，采用 TI 公司生產的 TMS320LF2401 實現正弦波輸出的電路，TMS320LF2401 完成正弦波信號的產生，并檢測交流輸出電壓，實 現穩(wěn)壓。 30 5 最大功率跟蹤及其實現 最大功率點跟蹤 在太陽能發(fā)電應用領域中盡可能的提高太陽能電池板的輸出效率一直是研究的熱點。太陽能電池輸出特性非線性，而且對光照強度和溫度非常敏感。太陽能電池在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點，而且隨著光照強度和溫度的變化而變化。為了能夠讓太陽能電池在供電系統中充分發(fā)揮它的光電轉換能力，就需要實時控制太陽能電池的工作點以獲得最大的功率輸出。在實際系統中，開路電壓 Uoc 將隨溫度升高而降低 ，最大輸出功率 Pm 將隨溫度升高而降低，而短路電流 Isc 將隨溫度升高而略有增加。因而，這就在理論和時間上提出了太陽能電池陣列最大功率點跟蹤的問題。 而對于光伏發(fā)電系統，太陽能電池的內阻不僅受日照強度的影響，而且受環(huán)境溫度及負載的影響，因而處在不斷的變化中。因此，必須加入一定的環(huán)節(jié)使得光伏陣列工作在最大功率點。 光伏電池的最大功率點跟蹤方法 光伏電池最大功率點跟蹤 (Maximum Power point Tracking， MPPT)控制的實現實質上是一個動態(tài)自尋優(yōu)過程，通過對光伏陣列當前輸出電壓和電流的檢 測，得出當前陣列的輸出功率，再與前一時刻存儲的功率相比較，舍小存大，得到下次改變的方向，再檢測，再比較，如此不停的周而復始，便可使光伏陣列實時工作在最大功率點上，其控制框圖如圖 所示。 31 圖 MPPT 實現控制框圖 在光伏電池的最大功率點跟蹤 (MPPT)控制技術中，常用的有恒電壓跟蹤方法(Constant Voltage Tracking，簡稱 CVT)、擾動觀察法 (perturb and observation method，簡稱 Pamp。O)、電導增量 法 (Incremental conductance，簡稱功 IncCond)等。實際應用中最大功率跟蹤方法的選擇要根據具體的情況來選擇。本文主要介紹以下幾種常用的 MPPT 方法。 導納增量法 導納增量法 (Incremental Conductance， IncCond)是通過調整工作點的電壓，使之逐漸接近最大功率點電壓值實現最大功率點跟蹤。其控制思想如圖 所示。 圖 導納增量法原理圖 由上圖可知 :當光伏陣列工作在最大功率點處有 0d ?dup 。當其工作在最大功率點左邊時有 0?dudp ；當其工作在最大功率點右邊時有 0?dudp ；通過判斷 dudp 的乘法器 當前功率 記憶功率 比較器 PWM 信號輸出（控制器） 光伏陣列電流 光伏陣列電壓 32 值來確定當前系統輸出的改變方向。 所以有： IUP ?? （ ） 0d ???? dUdIUIdUP （ ） UIdUdI ?? （ ） 其中， dI=I(k)I(k1) （ ） dU=U(k)U(k1) （ ） dP=P(k)P(k1)=U(k)? I(k)U(k1)? I(k1) （ ） IncCond 法是利用光伏電池輸出端的動態(tài)電導值 (dI/dU)與此時的靜態(tài)電導的負數 (I/U)相比較來調節(jié)光伏陣列輸出電壓方向的一種最大功率點跟蹤方法，該控制方法的原理如圖 所示，通過判斷 I/U+dI/dU 的符號來確定光伏電池的當前工作點，當其為負時，減小輸出電壓；當其為正時，增大輸出電壓。 導納增量法優(yōu)點 :能快速適應氣候條件的變化，控制效果好，穩(wěn)定度高，不受功率時間曲線的影響。 其缺點 :控制算法較復雜，工作過程中對 dU、 dI 兩個參量精度要求高，所以在此系統中需要具備相應的高精度傳感器。 恒定電壓跟蹤 (CVT)法 恒定電壓跟蹤 (Constant voltage Tracking，簡稱 CVT)方法嚴格意義上講并不是真正意義上的最大功率跟蹤方法，它屬于一種曲線擬合方式，當溫度保持在某一恒定值時，最大功率點幾乎分布于一條垂直線的兩側附近，這說明陣列的最大功率點大致對應于某一恒定電壓，人們只需從生產廠商處獲得最大功率點對應的電壓 Um數據并使陣列的輸出電壓鉗位 于 Um值即可。 但是這種跟蹤方式忽略了溫度對陣列開路電壓的影響，以單晶硅太陽能電池為例，當環(huán)境溫度每升高 1℃時，其中開路電壓下降 %一 %。為了克服環(huán)境溫度差異給系統帶來的影響，可以事先將不同溫度下測得的最大功率值 Upmax存于微處理器的 ROM 中，實際運行時微處理器通過陣列上的溫度傳感器獲取環(huán)境 33 溫度，然后通過查表得到當前溫度下的 Upmax 值。 CVT 法的優(yōu)點是 :控制簡單，容易實現，可靠性高 。系統不會出現振蕩，有很好的穩(wěn)定性 ?？梢苑奖愕耐ㄟ^硬件實現。 其缺點是 :控制精度差，特別是在溫度和日照變化劇烈的 地區(qū)，無法隨時跟蹤太陽能電池板的最大功率，因此會造成一定的能量損耗。此方法以前在光伏系統中較多被使用，隨著光伏系統控制技術的計算機及微處理器化，該方法逐漸被淘汰。 擾動觀察法 鑒于 CVT 控制的局限性，它只能是一定環(huán)境條件下的最大功率點跟蹤，在不同條件下仍有功率損失。擾動觀察法能有效地解決這一問題，它是目前實現 MPTP的常用的方法之一。它通過對太陽電池輸出電壓、電流的檢測，得到電池當前的輸出功率，再將它與前一時刻的記憶功率相比較，從而確定給定電壓調整的方向。若△ P0，說明參考電壓調整的方向正確，可 以繼續(xù)按原來的方向調整 。若△ P0，則說明參考電壓調整的方向錯誤，需要改變調整的方向。如圖 所示，當給定參考電壓增大時，若輸出功率也增大，則工作點位于最大功率點 Pmax 左側，需繼續(xù)增大參考電壓 。若輸出功率減小，則工作點位于最大功率點 Pmax 右側，需要減小參考電壓。當給定參考電壓減小時，若輸出功率也減小，則工作點位于 Pmax的左側，需增大參考電壓 。若輸出功率增大，則工作點位于 Pmax 的右側，需繼續(xù)減小參考電壓。 圖 擾動觀察法搜索最大功率點 給定參考電壓變化的過程實際上是一個功率尋優(yōu)的過程。由于在 尋優(yōu)過程中 34 不斷地調整參考電壓，因此，太陽電池的工作點始終在最大功率點附近振蕩，無法穩(wěn)定工作在最大功率點上。同時，當日照強度快速變化時，參考電壓調整方向可能發(fā)生錯誤。 擾動觀察法實現太陽電池的最大功率跟蹤，它的實質是在 CVT 控制的基礎上實時地改變太陽電池給定電壓，這個過程一般通過軟件完成。 其控制流程圖如下圖 所示： 圖 擾動觀察法控制流程圖 圖中 U(k)、 I(k)、 P(k)分別是本次測量的光伏電池輸出電壓和輸出電流值以及計算出的輸出功率值 ,U(k1)、 I(k1)為存儲器中的值，而電壓的變化 量△ U的選擇直接影響到跟蹤的速度與精度?！?U設置偏大，跟蹤速度快，但跟蹤的精度不夠，在最大功率點附近功率輸出擺動大 。△ U 設置偏小則跟蹤速度慢，浪費 35 電能，但輸出能更好地靠近最大功率點。實際中，可根據現場情況，反復試驗，得到一個合適△ U 值。 此方法雖然會有能量的損耗，但其結構簡單，可以實現模塊化控制回路，在系統中容易實現，在氣候不斷改變的環(huán)境條件下，仍然是采用較多的一種跟蹤方法。 DC／ DC 變換器的實現 控制單元部分對 DCDC 進行適當的控制 ,以便負載從光伏方陣獲得最大功率。 DCDC 變換電路通常有 升壓、降壓、升降壓和丘克等四種 ,光伏控制系統中常用升壓變換器 ,原因有兩種： 其一，升壓式變換器 (Boost Converter)變換效率高 ,能量轉換效率能夠隨占空比變化而變化 。 其二，電壓源型逆變器直流側電壓高于交流側電壓 ,在光伏電池陣列輸出電壓較低的系統中 ,DCAC 逆變電路前必須增加一個升壓電路進行電壓匹配。 如圖 所示為升壓式變換器電路。 圖 升壓式變換器電路 原理分析： 圖 所示是用于光伏電池的升壓式變換器原理電路，它由開關 S、二極管D、儲能電感 L和濾波電容 C組成。假設升壓變換器電路 中電感 L 值很大，電容C 值很大，當開關 S 開通時，其電路如圖 (a)所示，輸入電壓 Vin向電感 L 充電，同時電容 C上的電壓向負載供電，由于電容 C值很大，因此輸出電壓基本保持恒定，記為 U0。假設開關 S開通的時間為 Ton，則電感 L上的能量為 VinIlTon。 36 當開關 S 關斷時，其電路如圖 (b)所示，輸入電壓和電感 L 一起向電容 C 充電，并向負載提供能量。假設開關 S 關斷的時間為 Toff，則電感 L 釋放的能量為(V0Vin)IlToff。當電路工作處于穩(wěn)態(tài)時，一個周期內電感 L 上儲存的能量與釋放的能量相等，即 : VinIlToff = (V0Vin)IlToff （ ） 由式（ ）可得出： 10,1 1o ???? DDVinV （ ） 其中， D 為占空比（Ttontof fton tonD ???）。當占空比 D 改變時，輸出電壓也隨之改變。 圖 升壓變換器電路開關過程 Boost 變換器的優(yōu)點是 : ①輸入電流連續(xù)，對電源的電磁干擾相對較小 ②開關晶體管 發(fā)射極接地，驅動電路簡單。 37 6 DC/AC 逆變器實現 DC／ AC 逆變器的分類 現代逆變技術種類很多，其主要分類方式有以下幾種： (1)按逆變器輸出能量的去向分類 :有源逆變器和無源逆變器。對太陽能光伏電網系統來說，在并網型光伏發(fā)電系統中需要有源逆變器，而在離網型光伏系統中使用無源逆變器。 (2)按逆變器相數分類 :單相逆變器、三相逆變器、多相逆變器。 (3)按逆變器輸出交流電的頻率分類 :工頻逆變器、中頻逆變器、高頻逆變器。 (4)按逆變器主電路形式分類 :單端式、推婉式、半橋 式和全橋式。 (5)按逆變器主開關器件的類型分類 :晶閘管逆變、大功率晶體管、場效應逆變、絕緣門極雙級晶體管、 MOS 控制晶閘管等。 (6)按逆變器輸出交流電的波形分類 :正弦波逆變器、非正弦波逆變器等。 (7)按逆變器穩(wěn)定輸出參量分類 :電壓型逆變器、電流型逆變器。 此外，逆變器有許多的技術指標，重要的有 :額定容量、額定功