基于UC1825控制的光伏并網發電系統設計

陳曉龍，周文華，劉建華

（1. 江西旅游商貿職業學院，南昌 330100；2. 蘇州職業大學，蘇州 215104）

0 引言

隨著經濟的飛速發展，能源緊缺環境惡化問題日趨嚴重，尋找綠色環保的新能源已成為人類面臨的迫切課題。光伏并網發電就是一種很好的綠色新能源,它將太陽能電池發出的直流電經并網逆變器轉化為與現有電網同頻、同相的交流電，供給負荷使用或送入電網。

光伏并網發電系統通常采用工頻和高頻兩種結構。高頻結構是先通過DA/DA變換器將太陽電池的直流電升壓或降壓轉化為滿足并網要求的直流電壓，然后通過橋式逆變后直接和電網相連。本系統采用工頻結構方式，它先通過DA/AD變換，將太陽電池直流電能轉化為交流電能，再經過工頻變壓器的升壓和隔離，實現并網發電[1]。

在光伏并網發電系統中，有兩個關鍵問題。一是逆變交流功率輸出與外界電網引入同步信號的頻率、相位同步問題。太陽能光伏電池經逆變形成的交流電只有嚴格保證與電網頻率、同相一致，才能有效并入電網驅動負載，否則就只能成為擾動信號干擾電網的正常運行。二是光伏電池的最大功率點跟蹤問題（MPPT）。它是保證向電網提供最大并網功率的關鍵。常用的最大功率點跟蹤方法有定電壓跟蹤法、擾動觀察法、滯環比較法等，這些方法都是根據光伏電池特性曲線上的最大功率點的特點來搜索其最大功率點對應的電壓，處理方法各有特點。本系統設計采用擾動觀測法算法 。

1 光伏并網發電系統總體設計方案

本光伏并網發電系統設計，主要由太陽能光伏電池陣列、控制部分、逆變器部分、濾波部分、交流升壓部分共五個部分組成。

為研究方便設計一光伏并網發電模擬裝置，其結構框圖如圖1所示。用直流穩壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，US=60V，RS=30Ω～36Ω；uREF為模擬電網電壓的正弦參考信號，頻率fREF為45Hz～55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，將uF作為輸出電流的反饋信號；負載電阻RL=30Ω～36Ω。要求系統具有最大功率點跟蹤（MPPT）功能，頻率、相位跟蹤功能。

圖1 并網發電模擬裝置框圖

在這個并網系統中，采用UC1825專用PWM芯片構成逆變系統控制部分。利用UC1825芯片輸出的這兩路脈沖控制DC-AC全橋逆變器，再經濾波得到與外界電網同頻、同相的正旋交流信號(fF=fREF)，通過變壓器升壓得到220V正旋交流輸出電壓驅動負載。

圖2 光伏發電系統功能模塊構成圖

如圖2所示,圖中對逆變輸出信號進行取樣，通過反饋電路把處理后的取樣信號反饋到控制部分，通過PI控制策略，在控制電路里進行比較，之后重新調整兩路輸出的PWM占空比，從而改變逆變輸出電壓，調整負載功率；以此循環，保證 。從而實現最大功率點跟蹤（MPPT）跟蹤功能[2,3]。

2 主要功能模塊電路設計及分析

2.1 采用UC1825芯片實現的并網主控制模塊設計

本光伏并網發電系統采用UC1825芯片構成頻率、相位與最大功率點跟蹤的主控制系統。

2.1.1 逆變器控制及頻率、相位跟蹤

UC1825是PWM控制器件,非常適合高頻開關脈沖輸出和逆變器的脈沖頻率控制等應用。UC1825芯片具有輸出雙路占空比互補的頻率脈沖功能，且該頻率受外界輸入脈沖的頻率控制。這使它能夠實現對逆變器的控制，正反兩路開關不會短路，且具有頻率、相位的跟蹤功能，能夠實現對光伏逆變器的有效控制。

如圖3所示：UC18255芯片在上電后，其OUTa（11腳）和OUTb（14腳）同時輸出頻率為10HZ～10KHZ（可調）、但相位完全相反的方波脈沖，用來控制逆變電路中兩路開關管的導通與截止，產生正向和反向電流，實現DC→AC的逆變控制。OUTa、OUTb腳輸出脈沖的頻率和相位受RAMP（7腳）和TC（6腳）輸入脈沖的控制，因此，我們只要將同步信號經處理轉化成脈沖信號后輸入RAMP和TC腳，就能使OUTa、OUTb腳輸出脈沖的頻率、相位與外界同步信號同步了。從而也實現了逆變輸出交流信號與外界電網引入同步信號的頻率、相位同步[4]。

圖3 逆變器控制及頻率、相位跟蹤圖

2.1.2 同步信號處理與輸入

UC1825芯片的同步脈沖來源于外界同步信號的處理和整型。外界同步信號來源于供電單位，它可以是電網的工頻正弦波信號，也可以是某一確定頻率、相位的方波脈沖信號。無任是哪種外界同步信號，經過整流和電壓比較器電路，轉化成與其頻率、相位完全一致的方波脈沖信號（即同步脈沖），并將其引入UC1825 的RAMP和TC腳實現對OUTa、OUTb腳輸出脈沖的頻率、相位的同步控制。從而實現了OUTa、OUTb腳輸出的兩路占空比互補脈沖的頻率、相位與同步信號的同步。

2.1.3 采樣信號處理與反饋

如圖4所示：逆變電流除經互感器進行功率輸出以外，還有一路感應電流作為輸出電流的采樣信號uF，uF為工頻隔離變壓器n3線圈端取出電壓，經如圖所示全橋整流電路處理后，轉化成正相的全波脈沖信號，其頻率、相位與逆變輸出電流完全一致，幅值則與之成正比關系。經處理后的采樣信號反饋給UC1825，UC1825將對交流輸出功率作出相應調整，實現最大功率點的跟蹤功能[5]。

2.2 逆變模塊設計

本系統的逆變模塊采用全橋逆變電路。其開關頻率和相位受UC1825芯片輸出的雙路占空比互補脈沖控制，采用四個MOS4603驅動功率場效應管，實現DC-AC轉換，再經電容和電感構成的濾波電路作用，形成正弦交流電，完成逆變[5,6]。

全橋逆變電路如圖5所示（V1、V2分別接UC1825的OUTa、OUTb腳）：

圖4 采樣信號處理與反饋圖

圖5 全橋逆變電路圖

當UC1825OUTa輸出正脈沖、OUTb輸出負脈沖時，MOS場效應管1、3導通，MOS場效應管2、4截止，如圖6A所示，互感器T1形成正向電流；當UC1825OUTb輸出正脈沖、OUTa輸出負脈沖時，MOS場效應管2、4導通，MOS場效應管1、3截止，如圖6B所示，互感器T1形成負向電流。在UC1825的OUTa和OUTb交替輸出的脈沖控制下，四個MOS場效應管組成的兩個回路交替導通，且交替頻率完全與UC1825的OUTa和OUTb交替輸出的脈沖同步，從而在互感器T1上得到交替變化的正、反向電流，且電流變化頻率與UC1825的OUTa和OUTb交替輸出的一致。在如圖5所示由電容和電感構成的濾波電路作用下，就形成了正反變化的交流正旋交流電。再經功率變壓器的升壓，完成直流到交流的逆變過程。且得到的正弦交流電的相位、頻率是與UC1825的OUTa和OUTb交替輸出的脈沖一致的，也既與外界引入的電網同步信號的頻率和相位是一致的。

采用四個MOS功率場效應管構成的全橋逆變電路可以由四單元封裝的IGBT模塊替代，效果將更好。

2.3 MPPT原理分析

圖6 MOS場效應管工作原理圖

MPPT控制原理實質上是一個動態自尋優過程，通過對逆變輸出電壓、電流的檢測，將其與前一時刻值相比較，調整輸出功率。當外界因素使輸出功率改變時，系統則需進行再次尋優[7,8]。

如圖7所示，當一個內阻不為零的電源和負載相連,負載的電阻值和電源內阻值相等（即時,負載上獲得最大功率。調節開關控制脈沖的占空比，可以使MPPT電路從輸人端看進去的等效電阻發生改變，進而達到阻抗匹配的目的，就可以實現光伏發電系統中的最大功率點跟蹤。

圖7 MPPT控制原理圖

如上圖所示，通過采樣電路對當前逆變輸出電壓、功率進行實時采樣，將處理后的采樣信號反饋到UC1825的1、9腳。UC1825芯片內部機構具有對OUTa和OUTb輸出脈沖的占空比進行調節的功能，該調節受1、9腳輸入的采樣反饋信號控制。當輸出功率增大時采樣信號的幅值也將增大，該信號將使UC1825輸出的兩路脈沖占空比發生改變，從而負載等效電阻發生變化。負載RL功耗的增大，導致 減小。該過程反之亦然。因此，改變輸出脈沖的占空比，實質上是改變了光伏電源的負載；使負載的電阻值和電源內阻值相等，從而使實現最大功率點跟蹤（MPPT）功能。

3 測試數據與分析

3.1 系統頻率與相位跟蹤性能測試

用直流穩壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，RS=30Ω～36Ω；uREF為模擬電網電壓的正弦參考信號，其峰峰值為2V，當頻率fREF為45Hz～55Hz范圍內變化時；用示波器觀察正弦波uF和參考正弦波uREF的頻率相位偏差，可算出相位偏差絕對值相對頻率偏差絕對值四次測量數據如表1所示[9]：

表1 頻率相位偏差測試數據

結論：當fREF在給定范圍內變化時，頻率相對偏差絕對值不大于1%；相位偏差絕對值?d不大于5°。

3.2 系統變換器轉換效率性能測試

模擬光伏電池US=60V（直流穩壓電源替代），當RS=RL=30Ω時，系統穩定后用萬用表測試輸入電壓輸入電流和輸出電壓輸出電流測得數據見下表[10]：

表2 DC-AC變換器效率測試數據

結論：當光伏電池US=60V，RS=RL=30Ω時，該系統DC-AC變換器的效率 ≥80%。

4 結束語

太陽能因其環保和經濟的優點，正受到世界各國的廣泛關注和重視，而光伏并網發電將成為太陽能發電的主要趨勢。本文介紹的基于UC1825的光伏并網發電系統，很好地實現了光伏發電的同頻、同相和最大功率點跟蹤。該系統經過實際硬件系統的模擬和數據測試，證明本系統基本實現了最大功率點跟蹤的目標，達到了較好的并網發電效果。該光伏并網發電系統省去獨立光伏系統中的貯能環節，在電網斷電的情況下能夠獨立運行，具有一定的推廣應用前景。

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