一种太阳能光伏发电系统的研制

一种太阳能光伏发电系统的研制
钟宇明;文励洪
【摘要】文章介绍了作者研制的太阳能发电系统,该系统由光伏电池、蓄电池、逆变器、数据采集板、上位机等几部分组成.对该系统各部分的功能和相互联系进行
了分析,其中逆变器的电路结构与目前常用的结构不同,所以丈中重点叙述逆变器的
设计,包括电路结构、DSP软件的流程图、PWM波形的产生原理.该系统在实验室运行稳定可靠,逆变器输出的交流电压正弦度好,谐波小,通过数据采集板和上位机可实时监测系统的运行状况.可为住宅光伏发电提供技术上的参考.
【期刊名称】《深圳职业技术学院学报》
【年(卷),期】2010(009)001
【总页数】4页(P3-6)
【关键词】太阳能光伏发电系统;逆变器;DSP;脉宽调制波;数据采集板
【作者】钟宇明;文励洪
【作者单位】深圳职业技术学院机电工程学院,广东深圳518055;深圳职业技术学
院机电工程学院,广东深圳518055
【正文语种】中文
【中图分类】TM615
发展新能源已经成为可持续发展战略的重要组成部分.太阳能取之不尽，用之不竭，是一种清洁能源，也是一种最有可能规模应用的新能源.太阳能规模化应用的一个
最大的方向就是发电，称为太阳能光伏发电.目前，美、日、欧盟等发达国家都推
出了相应的屋顶光伏计划.作为屋顶光伏系统的核心，逆变器的开发越来越受到产
业界的关注[1].
目前的单相光伏逆变器中，一般是以下2种结构：一种是DC-DC和DC-AC两级能量变换的结构，其结构和控制方法可参阅文献[2]；另一种是DC-AC的单级式结构，再用工频变压器进行升压，其结构和控制方法可参阅文献[3，4].
本文介绍自主研制的一种新的太阳能发电系统，设计的逆变器与目前常用的两级式和单级式逆变器均不同，采用DSP数字化控制，控制由软件算法完成，硬件电路
简单，配合研制的数据采集板、上位机界面，构成一套完整的系统，为住宅光伏发电提供技术上的参考.
1 系统结构
太阳能光伏发电系统的结构如图1所示，光伏电池阵列把太阳能转换成电能，输
出直流电压接蓄电池，给蓄电池充电；逆变器把直流电变换为工频的正弦交流电输出；数据采集板负责采集外界环境的相关数据；上位机监控系统的运行；逆变器通过SCI与上位机和数据采集板通信.
图1 太阳能光伏发电系统的结构
2 逆变器
逆变器是整个系统的核心部分，包括主电路和控制电路.
2.1 主电路
主电路框图如图2所示.图中Q1－Q8是开关管MOSFET；T是高频变压器；D1，D2组成二极管全波整流.电感L、电容C组成LC滤波器.其工作原理为[5]：利用正弦脉宽调制（SPWM）技术控制Q1－Q4组成的全桥逆变电路，然后经高频变压
器T进行升压，经D1，D2全波整流，LC滤波，最后经Q5－Q8组成的工频换
向电路，变换为工频的正弦交流电输出.
图2 主电路结构框图
2.2 控制电路
以数字信号处理器（DSP）为核心的控制电路结构框图如图3所示.
图3 以DSP为核心的控制电路框图
TMS320F2812是美国德州仪器公司（TI公司）推出的32位定点DSP，其主要性能有[6]：
1）50MHz的时钟频率；
2）低功耗设计（内核电压为 1.9V；主频150MHz；I/O端口为3.3V）；
3）执行32位×32位乘和累加操作；
4）128K×16位 Flash存储器；
5）2块4K×16位的单口随机存储器（SARAM），1块8K×16位的SARAM和2块1K×16位的SARAM；
6）2个事件管理器(EVA和EVB)；
7）3个32位CPU定时器；
8）12位ADC，16个通道；
9）可支持45个外部中断；
10）有SPI，SCI，eCAN等多种通信接口.
图3中，输入输出电压、电流采样信号送入DSP的A/D.DSP通过环路运算，输出脉宽调制（PWM）波控制逆变器开关管Q1－Q4及工频换向电路Q5－Q8的开通与关断.
逆变器在运行过程中需要记录大量的当前数据，所以外部扩展了存储器RAM.DSP 有2套 SCI串口通信的相关寄存器：SCIA和SCIB.DSP通过SCIB与数据采集板上的单片机通信，单片机把采集到的相关数据传给DSP；再通过SCIA通信把所有的数据（包括逆变器本身运行的信息以及数据采集板采集的数据）传送给上位机.
2.3 DSP软件
逆变器采用DSP数字化控制.早期的DSP速度慢，要用汇编语言编写控制程序.而TMS320F2812的主频达到了150MHz，采用C语言编写可以满足控制速度的要求，软件流程图如图4所示.
图4 DSP软件流程图
主程序主要完成各种初始化设置及 SCI通信、显示处理等.其中SCI通信包括与数
据采集板的通信和与上位机的通信.
每40µs发生一次PWM定时中断（即开关频率为25kHz）.PWM定时中断服务
程序主要完成读A/D采样值、软件滤波、环路运算、PWM发波、故障时的软件
保护等.当DSP读出的A/D值超过设定的最大门限值时，说明发生了过压或过流，程序中将禁止PWM发波，从而实现软件保护.
当逆变器输出过压或过流时，除了上述软件保护外，还有硬件自动保护.图3中，
交流过压、过流检测电路输入到DSP的PDPINT引脚，当引脚检测到故障信号时，DSP的PWM引脚自动变成高阻态输出，即禁止PWM发波，同时将发生功率保
护中断.所以当发生过压或过流故障时，逆变器有软件禁止PWM和硬件禁止PWM双重保护.
2.4 PWM波的产生
PWM5－PWM8是工频的脉冲，控制简单.在交流过零点时，控制PWM5－PWM8进行工频换向，即在交流正半周，控制Q5，Q8导通，Q6，Q7截止；而在交流负半周，切换为控制Q5，Q8截止，Q6，Q7导通.
PWM1－PWM4波是高频（开关频率）的，产生比较复杂，方法如下：定时器采用增/减计数方式，设置定时器的周期值T1PR.设置DSP的PWM脚电平转换方式为：PWM1：高有效(active high).PWM2：低有效(active low).PWM3：低有效.PWM4：高有效.另外要设置好死区时间.把环路运算得出的脉宽值 PIout写入比
较寄存器CMPR1，CMPR2：
CMPR1=T1PR-PIout；
CMPR2= PIout.
PWM1－PWM4发波原理如图5所示，从图中可以看出，PWM1与PWM2相反（称为互补）且留有死区时间，即开关管 Q1，Q2的工作情况相反，死区时间保证了 Q1，Q2在切换时刻不会发生直通[7].同样，PWM3与 PWM4相反且留有死区时间.而PWM1与PWM3则是脉宽相同，相位相差180度.
图5 PWM发波原理
3 数据采集板及上位机界面
数据采集板主要由PIC16F877A－I/PG单片机及其外围电路、各种传感器、放大电路组成.负责采集外界环境数据，如光照强度、光伏电池温度、光伏电池输出电压、光伏电池输出电流、蓄电池电压、蓄电池电流、外界环境温度等.单片机通过SCI通信，把采集数据传送给逆变器的DSP.DSP在掌握外界环境数据的同时，也把相应的数据传送给上位机.
上位机界面用Visual Basic语言编写.上位机通过SCI与DSP通信.上位机整理DSP传送过来的当前一段时间内的数据，并绘制相应的曲线显示出来，可以很直观的反映系统当前的运行状况.另外，上位机能下发命令，控制逆变器的启动、停止，及改变输出电压的幅值、频率等.上位机界面及通信软件设计可参考文献[8].
4 实验结果
在实验室建立了该太阳能光伏发电系统.图6是在某一时刻逆变器的输出交流电压波形图，从图6波形可以看出，输出电压波形正弦度好，畸变小.显示该系统运行稳定可靠.
图6 逆变器输出电压波形
参考文献：
[1] 杨海柱，金新民，刘洁.500W光伏并网逆变器[J].国外电子元器件，2006，3：50-52.
[2] 罗明，杨金明.双级式光伏系统最大功率点跟踪研究[J].电力电子技术，2009，43(5)：20-21.
[3] 吴理博，赵争鸣，刘建政，等.单级式光伏并网逆变系统中的最大功率点跟踪算法稳定性研究[J].中国电机工程学报，2006，26(6):73-77.
[4] 叶满园，官二勇，宋平岗.以电导增量法实现MPPT的单级光伏并网逆变器[J].
电力电子技术，2006，40(2)：30-32.
[5] 陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2003.
[6] 徐科军，张瀚，陈智渊.TMS320X281x DSP原理与应用[M].北京：北京航空
航天大学出版社.
[7] 陈坚.电力电子学[M].北京：高等教育出版社.
[8] 文励洪，钟宇明，刘家恒.太阳能综合利用教学、实训装置的研发（IV）[J].深
圳职业技术学院学报，2009（1）：8-11.。