500W光伏并網逆變器設計

1 引言

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50 000mw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]。

2 光伏并網系統設計

2.1 系統結構

光伏并網逆變器的結構如圖1所示[2]。光伏并網逆變器主要由二部分組成：前級dc-dc變換器和后級dc-ac逆變器。這2部分通過dclink相連接，dclink的電壓為400v。在本系統中，太陽能電池板輸出的額定直流電壓為100v～170v。dc—dc變換器采用boost結構，dc—ac部分采用全橋逆變器，控制電路的核心是tms320f240型dsp。其中dc-dc變換器完成最大功率跟蹤控制(mppt)功能，dc-ac逆變器維持dclink中間電壓穩定并將電能轉換成220v／50hz的正弦交流電。系統保證并網逆變器輸出的正弦電流與電網的相電壓同頻和同相。

2.2 控制電路設計

2.2.1 tms320f240控制板

tms320f240控制板如圖2所示，以ti公司的tms320f240型dsp為核心，外圍輔以模擬信號調理電路、cpld、數碼管及da顯示、通信及串行e2prom，完成電壓和電流信號的采樣、pwm脈沖的產生、與上位機的通信和故障保護等功能。

2.2.2 電壓和電流信號檢測電路

模擬信號檢測電路的功能是把強電信號轉換為dsp可以讀取的弱電數字信號，同時要保證強電和弱電的隔離。筆者選用惠普公司的hcpl7800a型光電耦合器，其非線性度為0.004％，共模電壓為l 000v時的共模抑制能力為15kv／lμs，增益溫漂為0.000 25v／℃，帶寬為100khz。具體隔離檢測電路如圖3所示。

2.2.3 igbt驅動電路

dsp控制電路產生的pwm信號先通過驅動電路，然后控制igbt開關管的開通狀態。筆者選用惠普公司的hcpl3120型專用igbt驅動電路，如圖4所示。驅動電路的輸入和輸出是相互隔離的，驅動電路還有電平轉換功能，將dsp的+5v控制電壓轉換為+15v的igbt驅動電壓，驅動電路電源采用金升陽公司的b0515型隔離電源模塊。

2.2.4 輔助電源

為了給光伏并網逆變器的控制電路、信號采集電路及開關管驅動電路等提供各種工作電源，需要設計1個與主電路隔離的輔助電源。輔助電源的輸入電壓為100vdc～170vdc；輸出的3路電壓分別為+15vdc(2.5w)、-15vdc(2.5w)和+5vdc(5w)；輸出電壓波動小于1％。筆者采用最新的topswitch系列fop222型電路進行輔助電源的設計[3]。輔助電源主電路采用單端反激式拓撲結構，如圖5所示。

3 最大功率跟蹤控制mppt

mppt的實質是一種自尋優過程[4]，常用的方法有固定電壓跟蹤法、擾動觀測法、導納微增法和間歇掃描跟蹤法。筆者采用的是間歇掃描跟蹤法。其核心思想是定時掃描一段(一般為0.5倍～0.9倍的開路電壓1陣列電壓，同時記錄不同電壓下對應的陣列輸出功率值，然后比較不同點太陽電池陣列的輸出功率，得出最大功率點。筆者對間歇掃描法進行了改進，即在較短時間間隔內只在縮小的跟蹤范圍內(vm-0.1voc和vm+0.1voc)掃描1次。其中vm和voc分別是太陽能電池陣列的最大功率點工作電壓和陣列開路電壓。每隔一段較長時間后再在整個跟蹤范圍內對各工作點掃描1次。

改進后的間歇掃描法控制既保持了跟蹤的控制精度又提高了系統運行的穩定性。

4 反孤島效應控制方法

孤島效應是指由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網中斷供電時各個用戶端的太陽能光伏并網逆變器仍獨立運行的現象。一般來說，孤島效應可能對整個配電系統設備及用戶的設備造成不利的影響，包括并網逆變器持續供電可能危機電網線路維護人員的生命安全：干擾電網的正常合閘過程：電網不能控制孤島中的電壓和頻率。可能造成用戶用電設備的損壞[5]。因此解決光伏并網系統的孤島問題顯得尤為重要。

筆者提出了一種正反饋頻率擾動的反孤島檢測方法。該方法的主要思想是首先判斷當前電網電壓頻率的漂移方向，然后周期性地對輸出電流頻率施以相應的擾動。同時觀測實際輸出電流頻率。當輸出電流頻率跟隨擾動信號變化即輸出電流頻率可由并網逆變器控制時，就成倍增加擾動量。以達到使輸出電流頻率快速變化而觸發反孤島頻率檢測的目的。

5 實驗

筆者對500w光伏并網逆變器進行了測試。采用8塊額定功率為50w的多晶硅太陽電池陣列串連，輸入電壓為100vdc-170vdc，輸出電壓為220vac，輸出頻率為50hz。輸入側分別用安培表和伏特表測量太陽電池的輸入電壓和電流，輸出側采用fluke 43b型電能質量分析儀檢測并網逆變器輸出交流電壓和電流的參數和波形。由于輸出交流電流值太小，因此采用在電流探頭上繞8匝后測量。

測試結果是太陽電池的輸出電壓基本在122v左右，輸出電流為2a，輸出功率為244w。由測試結果可以看出。逆變器的輸出電壓為230.9v，輸出功率為1.45kw／8=181.2w，所以逆變器的效率為0.74，逆變器的效率包括dc-dc變換和dc-ac變換及輔助電源的總效率。逆變器輸出功率因數為0.97，基本保持與網壓同頻和同相。輸出電流的基波分量占電流總量的99.6％，輸出的電能質量是令人滿意的。

6 結束語

由實驗波形可以看出，所設計的光伏并網逆變器工作穩定。性能良好。由于采用了以tms320f240型：dsp為主的控制電路，系統具有較好的動態響應特性。采用了具有最大功率跟蹤和反孤島控制功能的軟件設計，因而能充分利用太陽能電池的能源且能檢測孤島效應的發生。