單片機控制光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計及其應(yīng)用

朱 淼 劉飛飛 穆芳芳

[摘 要]光伏并網(wǎng)裝置以DC/AC逆變器為核心。由外部提供的直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生直流輸入電壓Us,微控制器MSP430F169產(chǎn)生占空比可調(diào)的SPWM波通過控制四個開關(guān)管的導(dǎo)通和截止構(gòu)成DC/AC逆變電路使直流輸入電壓逆變成交流電壓,再通過濾波電路后產(chǎn)生正弦交流電,使之經(jīng)過一個升壓變壓器產(chǎn)生需要的輸出電壓。通過由MSP430F169單片組成的控制電路實現(xiàn)的最大功率點跟蹤,即MPPT功能及反饋輸出電壓與正弦參考電壓Uref的功率和相位跟蹤功能。

[關(guān)鍵詞]DC/AC變換電路 MPPT MSP430F169單片機 SPWM

[中圖分類號]TP464[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0073-02

1 引言

目前日益惡化的生態(tài)環(huán)境使人們逐步認(rèn)識到,人類必須走可持續(xù)發(fā)展的道路,大力開發(fā)和利用可再生能源是必由之路。太陽能作為一種巨量的可再生能源,每天到達(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)億萬桶石油燃燒的能量。開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能,可以對不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少污染,太陽能既是近期急需的能源補充,又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。太陽能光伏利用技術(shù)在這種形勢下進入了快速發(fā)展的階段。太陽能的轉(zhuǎn)換和利用方式,從狹義上可分為三類:即光電轉(zhuǎn)換,光熱轉(zhuǎn)換,光化學(xué)轉(zhuǎn)換,太陽能光伏發(fā)電是其中的一個主要方面,即通過光伏電池將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能,并與儲能裝置,測量控制裝置和直流-交流(即DC/AC)轉(zhuǎn)換裝置相配套,構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中最重要的部分就是直流-交流(即DC/AC)的轉(zhuǎn)換裝置。目前,我國光伏發(fā)主要應(yīng)用在通信、燈塔、農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)照明、并網(wǎng)光伏發(fā)電、太陽能商品及其它地等方面。2008年中國共計安裝約20MWp光伏系統(tǒng),累計安裝量達(dá)到120MW。中國光伏應(yīng)用仍然是獨立系統(tǒng)為主,并網(wǎng)光伏發(fā)電應(yīng)用比例還很小。對比之下,歐洲在2006、2007和2008年三年中,當(dāng)年并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的比例達(dá)到99%。

太陽能的大規(guī)模應(yīng)用將是21世紀(jì)人類社會進步的重要標(biāo)志,而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文將從光伏并網(wǎng)裝置的逆變器出發(fā),闡述采用SPWM調(diào)制的單輸入單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法。

2 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路分析

2.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要功能是將太陽能電池板所發(fā)出的直流電通過DC/AC逆變器轉(zhuǎn)換成所需要的單向交流電。圖1就是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖1)。

我們通過MSP430F169產(chǎn)生SPWM波,將該信號接入以全橋電路為主要部件的DC/AC變換器,控制功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通與截止,將外部輸入的直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電,經(jīng)濾波后可得到較為理想的正弦交流電,再經(jīng)過升壓變壓器得到所需的正弦交流輸出電壓提供給負(fù)載。

2.2 DC/AC變換器控制方法

在光伏并網(wǎng)逆變器中DC/AC逆變器的控制是重點與難點。如果控制不當(dāng)會在輸出端出現(xiàn)嚴(yán)重失真。這不僅會影響整個系統(tǒng)的工作效率,而且會對負(fù)載造成不良的影響。在此我們采用MSP430F169微控制器對其進行控制。由MSP430F169微控制器產(chǎn)生同時輸出兩個相位相差180度的單極性的SPWM波來控制功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通與截止。

逆變器工作具體過程為當(dāng)Q1與Q4導(dǎo)通時,在輸出端U處產(chǎn)生的波形為正弦波的半個周期;當(dāng)Q2與Q3導(dǎo)通時,在輸出端U處產(chǎn)生正弦波剩下的半個周期的波形。這樣經(jīng)過一個周期T的時間,在輸出端U處就成功的產(chǎn)生了一個完整的正弦波。這樣就成功實現(xiàn)了DC—AC逆變的過程。

但此時會出現(xiàn)這樣一個問題,當(dāng)在這4個功率場效應(yīng)管相互切換時,會出現(xiàn)4個功率場效應(yīng)管同時導(dǎo)通的現(xiàn)象,這樣會對整個系統(tǒng)帶來巨大的危險性。為來解決這個問題,我們決定用IR2110芯片來解決這個難題。最終整個DC/AC逆變器變換為由微控制器控制IR2110芯片來實現(xiàn)功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通與截止。這樣不僅保證了整個系統(tǒng)的安全,而且有效的提高了整個系統(tǒng)的效率。

根據(jù)以上情況,在此設(shè)計了含有IR2110芯片的DC/AC逆變器設(shè)計圖,具體內(nèi)容如圖2所示。

2.3 輸出功率優(yōu)化控制方法

由于光伏電池的最大功率輸出點是隨光強和溫度變化的。為了充分利用太陽能,系統(tǒng)必須實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。在此我們將采用最大功率點(MPPT)跟蹤方法中的“登山法”來實現(xiàn)此功能。

登山法的主要思想是通過周期性地給太陽能電池的輸出電壓加擾動,比較其輸出功率與前一周期的輸出功率的大小。如果功率增加,在下一個周期以同樣方向加擾動,否則改變擾動的方向。其具體的控制算法如下:寄存器a(k)存放每一周期Vref調(diào)整值,首先計算逆變器的輸出功率P(k),并與上一周期的輸出功率P(k-1)比較,然后判斷a(k-1)的符號,若P(k)>P(k-1),則a(k)與a(k-1)同號處理,否則a(k)與a(k-1)異號處理,從而調(diào)整Vref的大小,這種方法適用于光強變化小的環(huán)境。

為了實現(xiàn)成功并網(wǎng),在此我們需要進行相位跟蹤。此時在變壓器的另一個副邊得到的交流電壓作為反饋信號,將電壓降低的正弦交流電采集到單片機中與外部輸入的50HZ/1V正弦信號的頻率、相位相比較,調(diào)節(jié)SPWM波的占空比從而實現(xiàn)反饋信號與參考信號實現(xiàn)頻率和相位的跟蹤以及實現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓的MPPT跟蹤功能。此方案功耗極低,控制精度高,效率可以高達(dá)80%以上,且硬件電路和控制電路都很簡單,成本較低,便于操作。

在此進行了模擬實驗,用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池,uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號,其峰峰值為2V,頻率fREF為50Hz。

圖3為根據(jù)模擬實驗內(nèi)容及其要求而設(shè)計的裝置的硬件框圖(見圖3)。

3 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的軟件控制分析

3.1 系統(tǒng)軟件控制的關(guān)鍵器件

IR2110芯片與微控制器MSP430F169為整個電路中的關(guān)鍵器件,下面是這兩個芯片的簡單介紹:

IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動器,具有自居浮動電源,驅(qū)動電路十分簡單,只用一個電源可同時驅(qū)動上下橋臂。此芯片包括:邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換、保護、上橋臂側(cè)輸出和下橋臂側(cè)輸出。

MSP430F169的說明:16位MSP430F16X系列單片機,是新型的超低功耗、高速度、高性價比單片機的典范。本系統(tǒng)中使用的是MSP430F169,該芯片內(nèi)置2個帶捕捉/ 比較寄存器功能的16 位定時器Timer-A 和Timer-B,通過定時器的定時中斷可實現(xiàn)占空比可調(diào)的PWM波輸出;2 個具有中斷功能的8 位并行端口P1 和P2;4 個8 位并行端口P3 ～ P6;A/D轉(zhuǎn)換模塊可以實現(xiàn)對模擬量Ud、Uref及Ur的采集及向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,并通過調(diào)SPWM波的占空比實現(xiàn)Ud和Us的最大功率點跟蹤及Uref和Ur的頻率和相位跟蹤功能。MSP430F16X 系列單片機的開發(fā)相當(dāng)簡便。利用單片機本身具有的JTAG 接口,可以在PC上通過小巧的JTAG 控制接口實現(xiàn)程序的下載、調(diào)試,并且對C語言有良好支持,大大縮短了軟件開發(fā)周期。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

根據(jù)設(shè)計要求以及各個芯片的特點,整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

這部分軟件主要由主程序,定時器A,定時器B組成。此軟件主要實現(xiàn)具有可調(diào)性的SPWM波的輸出、MPPT算法的實現(xiàn)以及整個電路的保護功能。

定時器A中斷主要實現(xiàn)SPWM波的輸出以及改變SPWM波的占空比。定時器B測Ur的頻率及相位并檢驗與Uref的頻率與相位是否相等。

4 結(jié)語

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是本世紀(jì)的新的可持續(xù)發(fā)展綠色能源之一。對其技術(shù)的研究無論是在經(jīng)濟發(fā)展上,還是環(huán)境保護方面都有著重大的意義。本文由光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的逆變器出發(fā)進行闡述。通過對光伏并網(wǎng)逆變器輔助電源的工作原理分析,設(shè)計了光伏并網(wǎng)逆變器輔助電源的電路結(jié)構(gòu)。對輔助電源的電壓波形以及并網(wǎng)逆變器工作波形的觀察,驗證了這種電源具有很高的使用價值和應(yīng)用前景。

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