小功率光伏并網發電系統設計

陳文杰 李偉倫 湯啟洪 劉佐濂

廣州大學物理與電子工程學院，廣東 廣州 510006

小功率光伏并網發電系統設計

陳文杰 李偉倫 湯啟洪 劉佐濂

廣州大學物理與電子工程學院，廣東 廣州 510006

設計開發一套500W小功率光伏并網發電系統。控制器電路采用DC-DC-AC架構，該并網逆變器能實現最大功率跟蹤和反孤島效應控制功能，控制芯片采用LM3S618，外電壓跟蹤采用雙閉環方式實現與網壓同步的正弦電壓輸出，構建了實驗室樣機，通過實驗測試逆變器輸出的電流基本與電網電壓同頻同相，并網的功率因數近似為1。

光伏并網發電；DC-DC-AC架構；最大功率點跟蹤

太陽能的大規模應用將是21世紀人類社會進步的重要標志，而光伏并網發電系統是光伏系統的發展趨勢。光伏并網發電系統的最大優點是不用蓄電池儲能，因而節省了投資，系統簡化且易于維護。這類光伏并網發電系統主要用于調峰光伏電站和屋頂光伏系統。目前，美、日、歐盟等發達國家都推出了相應的屋頂光伏計劃，日本提出到2010年要累計安裝總容量達50000MW的家用光伏發電站。作為屋頂光伏系統的核心，并網逆變器的開發越來越受到產業界的關注。

1 光伏并網系統的結構組成

光伏并網逆變器的結構如圖1所示。系統可工作于獨立運行和并網運行兩種方式。MPPT電路和交流逆變電路采用DC/DC/AC架構，其中DC/DC采用Boost電路拓撲，DC/AC采用四開關管橋式逆變結構。系統主要包括八塊100W串聯的太陽能電池板、基于ARM7架構的單片機核心控制器、DC/DC電路、DC/AC逆變電路。太陽能電池板輸出的100V-150V直流電壓送到DC/DC電路，在DC/DC電路里完成系統的最大功率點跟蹤，DC/DC電路輸出的約400V母線電壓送到逆變電路由逆變電路逆變成230V，50HZ的交流電壓，最后送到電網負載?？刂破髟O計有RS 232接口，可以把系統相關的數據（如：太陽能電池輸出電壓、電流、MPPT輸出電壓、電流；負載數據等）傳到上位機，并可以通過上位機控制控制器工作或修改相關的參數。

圖1 系統設計框圖

2 核心硬件電路設計

2.1 DC/DC電路

電路如圖2，在DC/DC電路中有兩個電流閉環控制器件，型號為MAX4080。其中一個用于太陽能電池板輸出電流監測，控制器輸出的電流值與電阻R2、R20的分壓電路輸出的電壓分別送到LM3S618的ADC0和ADC1完成太陽能電池板實時輸出電壓和電流的監測，為MPPT跟蹤提供實時數據。另一個電流閉環控制器件主要完成升壓后直流母線的電流監測，與R21、R3的分壓電路輸出的電壓分別送到LM3S618的ADC5和ADC4以完成逆變器直流側的電流電壓穩定，L1、Q1、Q12、Q13、Q2、D21、D1、R28、R42、C46組成Boost拓撲的DC/DC電路。MPPT (Maximum power point tracking)的PWM脈沖從LM3S618的36腳輸出，單片機根據兩路閉環電流電壓的大小進行算法運算最終調節脈沖占空比完成最大功率點的跟蹤。

2.2 核心控制電路

電路如圖3，本電路主控CPU采用LM3S618的ARM Cortex-M3內核控制器，支持最大主頻為50 MHz，32 KByte FLASH,8 KByte SRAM，集成正交編碼器、ADC、帶死區PWM、溫度傳感器、模擬比較器、UART、SSI、通用定時器，I2C、CCP等外設。

系統人機交換界面有兩部分，LCD顯示界面顯示太陽能電池板的輸出電流電壓和逆變器輸出的電流電壓及逆變器的效率，上位機通過串口與單片機進行通信，實現遠程監控系統電池板的輸出功率，逆變器輸出功率，保護狀態，調節系統工作狀態等。LM3S618通過調節PWM信號的占空比從而調節Boost電路的開關狀態，使電池板輸出功率達到最大值，實現最大功率點跟蹤（MPPT）。系統采用逐次逼近法，不斷地改變PWM信號的占空比，實時監測太陽能電池板的輸出功率把前次輸出與下次輸出的功率進行比較，當電池板的輸出功率增大時減少PWM信號的占空比，否則向反方向調節，采樣頻率為500HZ。系統通過JTAG口下載控制算法軟件，便于系統進行二次開發。系統具備有聲光告警功能，如出現過壓或過流、超限時相應的發光二極管閃爍以及蜂鳴器告警。

圖2 DC/DC電路

圖3 核心控制電路

2.3 DC/AC電路

系統的DC/AC電路主要包括饅頭波產生電路，50HZ方波產生電路，SPWM發生器，延遲電路，電流電壓檢測電路，全橋功率電路等組成，電路的設計結構直接影響系統的輸出波形和效率。電路原理框圖如圖4所示。

圖 4 DC/AC電路框圖

如圖5，在饅頭波產生電路中輸入信號可以通過開關SW1選擇，當系統處于獨立發電時開關接到50HZ的文氏電橋電路，當要并網發電時開關接到電網輸入端，電網輸入端外接一個3W的小變壓器把220V交流電壓變成5V的交流電壓作為外接參考電平。信號通過C55耦合到運放U9A完成阻抗變換，再送到由U12A、U12B、U10A組成的零電平整流電路把50HZ的交流信號整流成饅頭波，最后把信號送到加法器U10B把饅頭波信號電平抬高2.5V，同時全橋功率電路輸出的并網電流相位通過檢測電路取樣后送到單片機進運算后得到一直流電平與饅頭波相加，最后送到SPWM產生芯片SG3525的第二腳用以產生SPWM調制信號，

如圖6，從SG352513腳輸出的SPWM信號通過與非門選通然后送到延遲電路對信號進行延遲，信號最后送到全橋逆變電路逆變成235V,50HZ交流信號再接到電網負載。

2.4 系統軟件設計

系統上電先檢測太陽能電池板輸出的電壓電流看是否符合DC/DC電路輸入設定值的范圍，如果不符合，通過單片機關閉DC/DC電路的輸出，啟動報警和顯示電路，如果在設定范圍之內系統啟動交流輸出。同時把監測到的電池板的輸出電壓電流值進行功率運算啟動最大功率點的控制。系統有完善的軟硬件保護功能，使系統運行于安全狀態。程序流程圖如圖7。

3 結語

本文提出了一種基于LM3S618控制的單相光伏并網逆變系統的設計方法，分析了系統的結構和控制原理，設計了最大功率跟蹤MPPT算法和鎖相環的軟件，構建了實驗室樣機，以ARM為核心的光伏并網逆變系統具有響應快、超調小、無靜差等優點，提高系統的抗干擾能力，是光伏并網發電領域的一個較佳的方案。

圖 7 程序流程圖

圖5 饅頭波產生電路

圖6 全橋逆變電路

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.010