光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)xxx公司光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：最大功率點(diǎn)跟蹤是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常遇見(jiàn)的問(wèn)題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用電流型控制芯片UC3845實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），由單片機(jī)STC12C5408AD產(chǎn)生SPWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率相位跟蹤功能、輸入欠壓保護(hù)功能、輸出過(guò)流保護(hù)功能。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)不但電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟硬件結(jié)合，控制方法靈活，而且能夠有效的完成最大功率跟蹤的目的。關(guān)鍵詞：STC12C5408ADDC-AC轉(zhuǎn)換電路MPPT太陽(yáng)能作為綠色能源,具有無(wú)污染、無(wú)噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到人們的關(guān)注。光伏電池的輸出是一個(gè)隨光照、溫度等因素變化的復(fù)雜量，且輸出電壓和輸出電流存在非線性關(guān)系。光伏系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是初期投資大、太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率低。為充分利用太陽(yáng)能必須控制電池陣列始終工作在最大功率點(diǎn)上，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT,MaximumPowerPointTracker)是太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電中的一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)。1設(shè)計(jì)任務(wù)為研究方便設(shè)計(jì)一光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用直流穩(wěn)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(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，其峰峰值為2V，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(hào)；負(fù)載電阻RL=30Ω~36Ω。要求系統(tǒng)具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，頻率、相位跟蹤功能，輸入欠壓保護(hù)和輸出過(guò)流保護(hù)功能。另外要求系統(tǒng)效率高、失真度低。圖1并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖2系統(tǒng)總體方案光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要由前級(jí)的DC-DC變換器和后級(jí)的DC-AC逆變器組成。在系統(tǒng)中,DC-DC變換器采用BOOST結(jié)構(gòu),主要完成系統(tǒng)的MPPT控制;DC-AC部分采用全橋逆變器,維持中間電壓穩(wěn)定并且將電能轉(zhuǎn)換成110V/50Hz交流電。設(shè)計(jì)采用單片機(jī)SPWM調(diào)制，驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管，經(jīng)濾波產(chǎn)生正弦波，驅(qū)動(dòng)隔離變壓器，向負(fù)載輸出功率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。系統(tǒng)總體硬件框圖如圖2所示：DC-DC升壓DC-DC升壓光伏電池（模擬）DC-AC逆變工頻隔離變壓器STC12C5408AD單片機(jī)(主)欠壓保護(hù)uFuREF過(guò)流保護(hù)STC12C5408AD單片機(jī)(從)負(fù)載圖2系統(tǒng)總體硬件框圖3MPPT原理及電路設(shè)計(jì)MPPT原理由于光伏陣列的最大功率點(diǎn)是一個(gè)時(shí)變量，可以采用搜索算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。其搜索算法可分為自尋優(yōu)和非自尋優(yōu)兩種類別。所謂自尋優(yōu)算法即不直接檢測(cè)外界環(huán)境因素的變化,而是通過(guò)直接測(cè)量得到的電信號(hào),判斷最大功率點(diǎn)的位置。典型的追蹤方法有擾動(dòng)觀測(cè)法和增量導(dǎo)納法等。增量導(dǎo)納法算法的精確度最高,但是,由于增量導(dǎo)納法算法復(fù)雜,對(duì)實(shí)現(xiàn)該算法的硬件質(zhì)量要求較高、運(yùn)算時(shí)間變長(zhǎng)，會(huì)增加不必要的功率損耗,所以實(shí)際工程應(yīng)用中,通常采用擾動(dòng)觀測(cè)法算法。擾動(dòng)觀測(cè)法原理:每隔一定的時(shí)間增加或者減少電壓,并通過(guò)觀測(cè)其后功率變化的方向,來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。其具體調(diào)整方案如下:U、I為上一次的檢測(cè)值,P為對(duì)應(yīng)的輸出功率;U1、I1為當(dāng)前檢測(cè)值,P1為對(duì)應(yīng)功率。對(duì)應(yīng)增大參考電壓會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況:(1)P1>P,說(shuō)明擾動(dòng)方向正確,系統(tǒng)應(yīng)保持原來(lái)的擾動(dòng)方向;(2)P1<P,說(shuō)明擾動(dòng)方向錯(cuò)誤,系統(tǒng)需要調(diào)整擾動(dòng)方向。當(dāng)尋優(yōu)過(guò)程處于暫態(tài)過(guò)程時(shí),即光伏陣列輸出功率與最大功率的差值較大時(shí),則增大步長(zhǎng),以改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,提高追蹤速度;當(dāng)尋優(yōu)過(guò)程接近穩(wěn)態(tài)時(shí)或輸出功率的波動(dòng)只由步長(zhǎng)的大小決定時(shí),則減小步長(zhǎng),以提高穩(wěn)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)。如此反復(fù)直到工作點(diǎn)接近Pmax。這是一個(gè)自尋優(yōu)的過(guò)程,它的控制原則是參考電壓的變化始終讓電池輸出功率朝大的方向改變。MPPT電路設(shè)計(jì)當(dāng)一個(gè)內(nèi)阻不為零的電源和負(fù)載相連時(shí),當(dāng)負(fù)載的電阻值和電源內(nèi)阻值相等時(shí)即電源輸出電壓等于電源額定電壓的1/2時(shí),負(fù)載上獲得最大功率。將DC-DC變換器輸入、輸出電壓和電流測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析運(yùn)算,由單片機(jī)輸出PWM脈沖調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器功率開(kāi)關(guān)管的占空比。調(diào)節(jié)占空比D可以使MPPT電路從輸人端看進(jìn)去的等效電阻發(fā)生改變，進(jìn)而達(dá)到阻抗匹配的目的，就可以實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換電路在光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤。圖3DC-DC電路圖太陽(yáng)能光伏陣列輸出電壓和輸出電流的檢測(cè)對(duì)最大功率跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)是至關(guān)重要的，精確的電壓、電流測(cè)量值有助于提高最大功率點(diǎn)跟蹤的準(zhǔn)確性。因此，選用電流型PWM控制芯片UC3845可以方便的設(shè)定流過(guò)主開(kāi)關(guān)的電流峰值，而且還能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。具體電路如圖3所示。實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能即滿足，因此，采用DC-DC的輸出電壓來(lái)調(diào)整DC-AC的輸出，使負(fù)載RL消耗的功率改變。當(dāng)時(shí)致使VCC電壓升高，此時(shí)DC-AC輸出的正弦波幅值增大，因此，負(fù)載RL消耗的功率增大，導(dǎo)致減小，從而實(shí)現(xiàn)MPPT功能。4DC-AC電路設(shè)計(jì)DC-AC轉(zhuǎn)換器采用SPWM方式的全橋逆變電路，此電路的核心是SPWM發(fā)生器。其控制電路采用STC12C5408AD單片機(jī)控制，通過(guò)軟件查表法產(chǎn)生SPWM，采用TLP250驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管，實(shí)現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換。再通過(guò)電壓電流采樣電路，接單片機(jī)中斷，可實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤、相位跟蹤與欠壓、過(guò)流保護(hù)。DC-AC主電路采用全橋逆變方式，其開(kāi)關(guān)器件采用功率場(chǎng)效應(yīng)管，為了降低開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)損耗，采用大電流低內(nèi)阻75N75，由于功率場(chǎng)效應(yīng)管在其導(dǎo)通和關(guān)閉的過(guò)程中，會(huì)有部分開(kāi)關(guān)損耗。為了降低損耗提高DC-AC的整體效率，在調(diào)制SPWM過(guò)程中，上橋臂采用50Hz調(diào)制，下橋臂采用40kHz載波信號(hào)，這樣就可以減少一半的開(kāi)關(guān)損耗，極大的提高了DC-AC的效率。由于單片機(jī)可編程，在不改變硬件的情況下，可靈活改變波形參數(shù)及預(yù)置的電壓電流參數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率相位跟蹤與欠壓過(guò)流保護(hù)，可以隨時(shí)修改程序，方便調(diào)試。DC-AC電路如圖4所示。圖4DC-AC電路圖5頻率與相位跟蹤uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，uF為工頻隔離變壓器n3線圈端取出電壓，將uF與uREF進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)得到方波，將半個(gè)周期的脈沖送入單片機(jī)，單片機(jī)以u(píng)F的上升沿為計(jì)數(shù)器的起始時(shí)間，以u(píng)F的下降沿和uREF的下降沿為兩個(gè)計(jì)數(shù)器截止時(shí)間，單片機(jī)就可以得到uF的脈沖寬度和uF與uREF的下降沿之間的寬度。進(jìn)而得到uF的頻率和輸出波形的相位差。主單片機(jī)將頻率和相位誤差數(shù)據(jù)送入從單片機(jī)，從單片機(jī)調(diào)整PWM波的占空比修正頻率，改變查表時(shí)的入口就可以跟蹤到相位。進(jìn)而調(diào)整輸出SPWM的頻率與相位，實(shí)現(xiàn)頻率和相位追蹤。6保護(hù)電路的設(shè)計(jì)欠壓保護(hù)將Ud的電壓經(jīng)電阻分壓后，送至比較器的反向端與同向端的基準(zhǔn)進(jìn)行比較，一旦其電壓值高于同向端的基準(zhǔn)，比較器就會(huì)向單片機(jī)輸送低電平信號(hào)，直至單片機(jī)關(guān)斷所有PWM信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)欠壓關(guān)斷輸出。當(dāng)Ud的電壓恢復(fù)到大于25V時(shí)，比較器就會(huì)向單片機(jī)輸送高電平信號(hào)，單片機(jī)將重新開(kāi)通PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)輸出。采用電流互感器將檢測(cè)到的電流信號(hào)通過(guò)運(yùn)放放大后與給定的基準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)流保護(hù)。7程序流程圖為提高響應(yīng)時(shí)間選用高速、寬電壓、低功耗單片機(jī)STC12C5408AD，速度比普通8051單片機(jī)快。還有10位ADC，四路PWM。由于次單片機(jī)只有兩個(gè)定時(shí)器T0、T1,產(chǎn)生PWM波和單片機(jī)通信分別要用定時(shí)器T0和T1。鑒于此，主從單片機(jī)采用并行通信方式。程序開(kāi)始時(shí)，先進(jìn)行初始化。圖5程序流程圖8測(cè)試結(jié)果當(dāng)RS和RL在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)試出輸入電流電壓、輸出電流電壓，從而可以計(jì)算出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，其中，。US采用實(shí)驗(yàn)室可調(diào)直流穩(wěn)壓電源輸入60V，待系統(tǒng)穩(wěn)定后用萬(wàn)用表測(cè)出、和、，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表1變換器效率測(cè)算測(cè)試次數(shù)(V)(A)(V)(A)(%)1291088321098533011087411284當(dāng)fREF在給定范圍內(nèi)變化以及加非阻性負(fù)載時(shí)，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(duì)值及相對(duì)頻率偏差絕對(duì)值，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。表2頻率相位偏差測(cè)算測(cè)試項(xiàng)目12343°4°3°2°%%%%9結(jié)論多次測(cè)量結(jié)果表明，相位偏差絕對(duì)值，相對(duì)頻率偏差絕對(duì)值，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。提高光電轉(zhuǎn)換效率是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在DC-DC升壓電路與DC-AC逆變電路采用75N75場(chǎng)效應(yīng)管，開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小、承受電流大、功耗