光伏組件逆變器控制系統(tǒng)設計

武衛(wèi)革，翟志強，趙志強，徐 璞

(1.保定天威集團有限公司 電工技術研究所，河北 保定 071056;2.保定天威北方電氣自動化有限公司，河北 保定 071051)

0 引言

太陽能是人類可利用的最直接的清潔能源之一，也是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎。逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，與集中式逆變器不同，光伏組件逆變器直接安裝在每塊電池板上，針對每個光伏組件進行精確MPPT控制，即使在周圍樹、煙囪、建筑等陰影遮擋、云霧變化、污垢積累和組件效率衰減不均等不理想條件下，也能保證每個光伏組件以最大功率輸出，從而提高了光伏系統(tǒng)的整體效率。另外光伏組件逆變器具有體積小、安裝方便、可靠性高、適合規(guī)模化生產(chǎn)、成本低等優(yōu)點。[1，2]

本文設計了一種數(shù)字控制的光伏組件逆變器的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由數(shù)字鎖相環(huán)、電流控制環(huán)、最大功率點追蹤、孤島檢測等構(gòu)成。通過在實驗樣機中測試，該控制系統(tǒng)性能良好，逆變器能夠成功并網(wǎng)運行。

1 光伏組件逆變器系統(tǒng)

如圖1所示，光伏組件逆變器系統(tǒng)由晶硅電池組件接口電路、DC/DC升壓電路、DC/AC工頻換向電路、濾波器電路、微處理器電路組成。晶硅電池組件的直流電壓加在DC/DC升壓電路，在反激輸出的電容上產(chǎn)生整流的正弦輸出電壓，DC/AC工頻換向電路以工頻進行開關工作，將整流輸出電壓轉(zhuǎn)換成正弦電壓。濾波器電路濾除高頻開關諧波，保證并網(wǎng)電流的質(zhì)量。微處理器電路通過對電池組件電壓、電流采樣，使電池組件以最大功率方式輸出，數(shù)字鎖相環(huán)使得逆變器的輸出電流與電網(wǎng)同步。[3]

圖1 光伏組件逆變器系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Block diagram of micro-inverter

2 光伏組件逆變器控制系統(tǒng)設計

控制器基于DSPIC33FJ16GS504開發(fā)，該控制器提供專為功率轉(zhuǎn)換應用而設計的功率外設，包括高速PWM模塊、高速10位ADC模塊和高速模擬比較器模塊。控制系統(tǒng)的功能如下:

(1)最大功率點追蹤 (MPPT)。為了保證光伏組件以最大功率輸出，通常情況下逆變器采用觀測擾動法來進行MPPT。MPP追蹤器通過將太陽能電池的電壓定期增大或減小來工作，如果給定擾動導致電池板輸出功率增大 (減小)，則會在相同 (反)方向上產(chǎn)生后續(xù)擾動。傳統(tǒng)的MPPT控制算法雖然能夠快速追蹤最大功率點，但無法最終穩(wěn)定在最大功率點，光伏組件的輸出電壓和功率也處于反復震蕩中，其與理想的最大功率存在一定的偏差，為此本文采樣變步長觀測擾動法來實現(xiàn)最大功率點追蹤控制算法，其流程圖如圖 2 所示[4]。UPV(k)、IPV(k)、P(k)分別表示光伏組件第k次采樣的電壓、電流和功率。

(2)孤島檢測功能。孤島會威脅電網(wǎng)維修人員的安全，會影響配電系統(tǒng)的保護開關動作程序，在重合閘時可能對用電設備造成損壞等。本系統(tǒng)采用被動式檢測方法與主動相結(jié)合的方法，減小了檢測盲區(qū)，提高了孤島檢測的效果。[5]

圖2 MPPT流程圖Fig.2 Flow chart of MPPT

(3)不同工作模式逆變器狀態(tài)機。光伏組件逆變器軟件用狀態(tài)機來確定系統(tǒng)的工作模式。當系統(tǒng)剛開啟時，狀態(tài)機會檢查輸入和輸出條件以及故障，如果輸入和輸出在指定范圍內(nèi)且沒有故障，系統(tǒng)狀態(tài)機進入啟動模式。然后狀態(tài)機會在啟動模式下再次檢查系統(tǒng)條件，并將所有必須變量和外設初始化進入白天模式。若電網(wǎng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會進入錯誤模式。如果電網(wǎng)正常但電池板電壓沒有在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)進入夜間模式。各個工作模式狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 狀態(tài)機Fig.3 State machine block diagram

(4)數(shù)字鎖相環(huán) (PLL)

PLL是光伏組件逆變器重要組成部分，產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的頻率和相位角以便控制輸出與電網(wǎng)同步。PLL產(chǎn)生的電網(wǎng)電壓頻率和相位角不僅用于控制信號的生成，還用于孤島模式檢測等功能。

(5)電流控制環(huán)

電流控制環(huán)是一個比例積分控制器，是控制系統(tǒng)的核心。此控制環(huán)可以校正參考電流和輸出電流之間的誤差。確保輸出電流跟隨參考電流變化。如圖4所示。有MPPT模塊和PLL模塊共同形成電流的參考值，然后與反饋電流相減，兩者的誤差通過PI調(diào)節(jié)器，其輸出結(jié)果去控制PWM占空比，從而實現(xiàn)逆變器并網(wǎng)發(fā)電。

圖4 控制環(huán)框圖Fig.4 Control loop block diagram

光伏組件逆變器控制系統(tǒng)采用中斷的方式進行，包括ADC中斷和定時器中斷。ADC中斷和定時中斷流程見圖5和圖6。

圖5 ADC中斷流程圖Fig.5 Flow chart of ADC interrupt

圖6 定時器中斷流程圖Fig.6 Flow chart of timer interrupt

3 控制系統(tǒng)驗證

該控制系統(tǒng)運用于220 W光伏組件逆變器系統(tǒng)中，用TOPCON可編程高精度直流電源模擬光伏組件的輸出，用WT3000高精度功率分析測試逆變器的輸入、輸出功率、效率及并網(wǎng)電流波形。從圖7可以看出，TOPCON模擬電源的輸出功率是211.083 W，輸出功率是191.402 W，逆變器的效率是90.676%。圖8中，U1，I1分別是模擬電源輸出電壓和電流，U2是電網(wǎng)電壓，I2是逆變器的并網(wǎng)電流，可以看出并網(wǎng)電流能夠跟隨電網(wǎng)電壓，能夠并網(wǎng)工作。

圖7 實驗數(shù)據(jù)Fig.7 Experimental data

圖8 實驗波形Fig.8 Experimental waveforms

4 結(jié)論

本文設計了一種數(shù)字控制的光伏組件逆變器的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由數(shù)字鎖相環(huán)、電流控制環(huán)、最大功率點追蹤、孤島檢測等模塊構(gòu)成。通過220 W實驗樣機中測試表明，該控制系統(tǒng)控制性能良好，逆變器能夠成功并網(wǎng)運行。

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