基于DSP光伏并網發電系統的逆變器設計

謝維，陳小榮，肖瑩

（北京電子科技職業學院 自動化工程學院，北京　100176）

基于DSP光伏并網發電系統的逆變器設計

謝維，陳小榮，肖瑩

（北京電子科技職業學院 自動化工程學院，北京100176）

并網發電系統是太陽能光伏系統的發展趨勢，針對光伏并網發電系統的典型特點，設計了5 kW額定功率級的光伏逆變器。采用TMS320F240為DSP核心，構成了DC-DC、DC-AC的兩級式并網逆變器。通過串聯多晶硅光伏電池陣列進行實驗，可以實現最大功率點的跟蹤，以及對反孤島效應的控制功能。結果表明，采取基于DSP的電流跟蹤控制策略，正弦電流的基波分量約占輸出電流總量的99.6%，實現了與電網電壓的同頻率同相位。

光伏系統；太陽能；并網逆變器；最大功率點跟蹤；孤島效應

太陽能的大規模廣泛應用是二十一世紀人類社會進步的重要標志之一，而光伏并網發電系統是太陽能光伏系統的發展趨勢。光伏并網發電系統的最大優點是不采取蓄電池儲能，節省了投資，系統簡單，維護方便。這種光伏并網發電系統主要用于光伏屋頂系統及調峰光伏電站。當前，發達國家的美國、歐盟以及日本，都已經推出光伏屋頂計劃。其中，日本提出2020年其國內家用的光伏電站，總裝機容量累計達到28GW。作為屋頂光伏發電系統的核心部件，并網逆變器開發已經得到工業界越來越多的關注［1］。

1　光伏并網發電系統的設計

1.1系統總體結構

如圖1所示，為光伏并網發電逆變器的總體結構圖［2］。光伏并網逆變器主要由兩部分組成：前級的直流變換器 （DCDC），及后級的直流-交流逆變器 （DC-AC）。兩部分是通過DClink連接，DClink環節為400 V電壓。在這個系統中，光伏電池板的輸出直流電壓的額定值為100～170 V，采用Boost結構的DC-DC變換器，DC-AC的部分采取全橋逆變電路，控制電路以TMS320F240為DSP核心。其中，由DC-DC變換器，完成最大功率點跟蹤（MPPT）的控制功能，DClink維持中間環節的電壓穩定性，DC-AC逆變器變換電能并輸出220V/ 50Hz的正弦交流電源。該系統確保了并網逆變器的正弦輸出電流，維持了與電網的相電壓同頻率同相位。

圖1　光伏并網發電系統的結構框圖

1.2控制電路的設計

1.2.1控制板TMS320F240的設計

如圖2所示，為TMS320F240的控制面板。DSP的核心是TI公司的TMS320F240芯片，輔以外圍CPLD、模擬信號調理、數碼管顯示以及DA、串行E2PROM存儲器、通信電路，以完成產生PWM脈沖、電流與電壓信號采樣、與上位PC機通信、故障保護功能。

圖2　TMS320F240控制板的框圖

1.2.2電流與電壓信號檢測電路的設計

將強電轉化為弱電信號，以便使DSP可以讀取該數字信號，是模擬信號檢測電路的功能。另外，應確保在強、弱電之間進行隔離。作者用HP公司的HCPL7800A型作為光電耦合器件，當共模電壓為1 000 V時具有15 kV/μs的共模抑制能力，帶寬100 kHz，非線性度為0.004%，增益溫度漂移為0.000 25 V/℃。如圖3所示，為實際中隔離檢測電路的原理圖。

1.2.3驅動電路IGBT的設計

圖3　隔離檢測電路的原理

DSP的PWM控制電路產生的信號首先經過驅動電路，從而控制開關管IGBT的導通狀態。如圖4所示，作者用HP公司專用的HCPL3120型IGBT驅動電路。輸出與輸入的驅動電路互相隔離，驅動電路具備電平轉換的控制功能。把DSP中+5 V電壓轉換為IGBT的+15 V驅動電壓，其驅動電源模塊選用金升陽公司B0515作為電路的隔離電源。

圖4　IGBT的驅動電路

1.2.4輔助電源的設計

為能夠給光伏并網發電逆變器的信號采集電路、控制電路、開關管驅動電路提供不同級別的電源，需設計一個輔助電源并與主電路隔離開。該輔助電源采用100VDC～170VDC的輸入電壓；以及+12VDC（2.5 W）、-12VDC（2.5 W）、+5VDC （5 W）的3路輸出電壓；且其輸出電壓的波動小于1%。作者利用最新款TOPSwitch型TOP222系列電路來設計輔助電源［3］。如圖5所示，為單端反激式拓撲結構的輔助電源的主電路圖。

圖5　基于TOP222輔助電源的系統圖

2　最大功率點跟蹤MPPT的控制

從本質上講，MPPT為一種自尋優過程［4］，其常用方法含擾動觀察法、導納微增量法、固定電壓跟蹤法、及間歇掃描跟蹤法。在此，作者選用了間歇掃描跟蹤算法，核心的思想為定期掃描某段（通常是0.5～0.9倍開路電壓）的陣列電壓，并同時記錄了不同的電壓下相應的陣列輸出功率的值，然后再對不同點光伏電池陣列輸出功率進行比較，從而獲得最大功率點。提出了改進的間歇掃描跟蹤法，這是在一個相對較短的時間間隔，狹窄的范圍內跟蹤（Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc）掃描1次，其中Voc與Vm分別為光伏電池陣列最大功率點時的開路電壓與工作電壓。然后每經過一段長時間，在整個的跟蹤范圍內掃描1次各個工作點。對間歇掃描法控制的改進，不僅可以保證跟蹤控制的精度，還能提高運行系統的穩定性。

3　反孤島效應的控制方法

孤島效應定義為由于電氣故障、自然因素、及誤操作導致的電網供電被迫中斷，此時各用戶的光伏并網逆變電源不得不獨立地運行。通常地說，孤島效應有可能會影響到整個配電系統設備和用戶設備的正常使用。其中包含并網逆變器繼續供電，有可能對電網線路工作人員造成生命安全的威脅；電網無法控制在孤島上的頻率與電壓，有損壞用戶用電設備的可能性存在［5］；甚至干擾到電網正常的合閘過程。故而，解決光伏并網發電系統的孤島這一問題就變得尤其重要。在此，提出了一種反孤島檢測方法，即正反饋的頻率干擾。該方法的核心思想為首先要確定電網頻率電壓的漂移方向，進而定周期地對輸出頻率電流加入對應的干擾，并對實際輸出的頻率電流進行觀察。當輸出頻率電流能跟蹤干擾信號的變化，也就是說輸出頻率電流可以被并網逆變器控制時，加倍地增加干擾量，從而實現了讓輸出頻率電流的快速變化，這就觸發了反孤島頻率檢測的功能。

4　實驗測試結果分析

作者實驗測試了5 kW的光伏并網發電逆變器，使用了8套500 W額定功率的多晶硅光伏電池陣列進行串聯連接，100VDC～170VDC的輸入電壓，220VAC的交流輸出電壓，50 Hz的輸出頻率。分別用電流表與電壓表測量輸入端的光伏電池輸入電流與電壓，選用FLUKE43B電能質量分析儀檢測并網逆變器輸出端，即輸出的交流電流與電壓的波形、參數。由于輸出電流值太小，所以在測量之前，在電流探頭上繞上8匝。測試結果為光伏電池的輸出電流約20 A，輸出電壓約在122 V附近，則輸出功率約2.44 kW。從測試結果當中能看到，逆變器輸出電壓230.9 V，輸出功率14.5 kW/8=1.812 kW，因此逆變器的效率為74%，逆變器的總效率包含DC-DC變換、DC-AC變換、及輔助電源的效率總和。逆變器的功率因數輸出是0.97，基波分量的輸出電流約為99.6%的電流總量，與電網電壓基本上維持了同頻率同相位。輸出電能的質量獲得了令人滿意的效果。

5　結　論

根據實驗測試的波形能夠看到，該次的光伏并網發電逆變器設計，達到了性能的良好、工作的穩定。設計當中基于TMS320F240的DSP控制電路的選用，使得系統具備了良好的動態響應特性。軟件設計具備反孤島效應、最大功率點跟蹤的控制功能，所以可以太陽能的光伏電池性能得到充分的利用，并且可以準確檢測出孤島效應。

［1］趙玉文.我國太陽能光伏產業發展形勢和思考［J］.世界科技研究與發展，2003，25（4）：31-38.

［2］謝維.基于AVR單片機的光伏發電量檢測系統設計［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2014，31（3）：95-98.

［3］付登萌，陶生桂.基于TOPSwitch的反激式DC/DC電源設計［J］.同濟大學學報，2004，32（5）：680-684.

［4］Patcharaprakiti N.Maximum power point tracking using adaptive fuzzy logic control for grid-connected photovoltaic system［C］.IEEE，2002：372-377.

［5］Hudson R M.Implementation and testing of antislanding algorithms for IEEE 929-2000 complianceof single phase photovoltaic inverters［C］.Photovoltaic Specialists Conference，2002：1414-1419.

［6］張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計［M］.北京：電子工業出版社，1999.

Design on inverter for photovoltaic grid-connected system based on DSP

XIE Wei，CHEN Xiao-rong，XIAO Ying
（School of Automation Engineering，Beijing Polytechnic，Beijing 100176，China）

Grid-connected system is the trend of development of solar energy photovoltaic system.According to the typical characteristics of the photovoltaic power generation system，a photovoltaic inverter of 5 kW level rated power is designed. Using TMS320F240 as the DSP core，constitutes the two stage grid-connected inverter，i.e.DC-DC and DC-AC.Through the experiment carried out by a series of polycrystalline silicon PV array，maximum power point tracking（MPPT）is realized，as well as the control function of anti-islanding effect.The results show that，based on DSP current tracking control strategy，the fundamental component of the sine-wave current is about 99.6 percentage of the total output current，which achieve the same frequency and phase with the grid voltage.

photovoltaic system；solar energy；grid-connected inverter；maximum power point tracking；islanding effect

TN7；TP273.5

A

1674－6236（2016）06-0152-03

2015-04-17稿件編號：201504180

北京市教委科技計劃面上項目（KM201510858004）；北京電子科技職業學院重點課題（YZKB2014008）

謝 維（1971—），男，陜西西安人，博士研究生，教授。研究方向：可再生能源發電并網技術、電力系統運行與控制、智能電網體系架構。