500W光伏并网逆变器设计

摘要：光伏并网发电系统是光伏系统发展的趋势。根据光伏并网发电系统的特点，设计了一套额定功率为500W的光伏并网逆变器，该并网逆变器能实现最大功率跟踪和反孤岛效应控制功能，控制部分采用基于TMS320F240型DSP的电流跟踪控制策略，实现了与网压同步的正弦电流输出。
关键词：太阳能；光伏系统；最大功率点跟踪；孤岛效应；并网逆变器

1 引言
　　太阳能的大规模应用将是21世纪人类社会进步的重要标志，而光伏并网发电系统是光伏系统的发展趋势。光伏并网发电系统的最大优点是不用蓄电池储能，因而节省了投资，系统简化且易于维护。这类光伏并网发电系统主要用于调峰光伏电站和屋顶光伏系统。目前，美、日、欧盟等发达国家都推出了相应的屋顶光伏计划，日本提出到2010年要累计安装总容量达50 000MW的家用光伏发电站。作为屋顶光伏系统的核心，并网逆变器的开发越来越受到产业界的关注[1]。

2 光伏并网系统设计
2.1 系统结构
    光伏并网逆变器的结构如图1所示。光伏并网逆变器主要由二部分组成：前级DC-DC变换器和后级DC-AC逆变器。这2部分通过DClink相连接，DClink的电压为400V。在本系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压为100V～170V。DC—DC变换器采用boost结构，DC—AC部分采用全桥逆变器，控制电路的核心是TMS320F240型DSP。其中DC-DC变换器完成最大功率跟踪控制(MPPT)功能，DC-AC逆变器维持DClink中间电压稳定并将电能转换成220V／50Hz的正弦交流电。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频和同相。

2.2 控制电路设计
2.2.1 TMS320F240控制板
　　TMS320F240控制板如图2所示，以TI公司的TMS320F240型DSP为核心，外围辅以模拟信号调理电路、CPLD、数码管及DA显示、通信及串行E2PROM，完成电压和电流信号的采样、PWM脉冲的产生、与上位机的通信和故障保护等功能。  

2.2.2 电压和电流信号检测电路
    模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为DSP可以读取的弱电数字信号，同时要保证强电和弱电的隔离。笔者选用惠普公司的HCPL7800A型光电耦合器，其非线性度为0.004％，共模电压为l 000V时的共模抑制能力为15kV／lμs，增益温漂为0.000 25V／℃，带宽为100kHz。具体隔离检测电路如图3所示。  

2.2.3 IGBT驱动电路
　　DSP控制电路产生的PWM信号先通过驱动电路，然后控制IGBT开关管的开通状态。笔者选用惠普公司的HCPL3120型专用IGBT驱动电路，如图4所示。驱动电路的输入和输出是相互隔离的，驱动电路还有电平转换功能，将DSP的+5V控制电压转换为+15V的IGBT驱动电压，驱动电路电源采用金升阳公司的B0515型隔离电源模块。  

2.2.4 辅助电源
　　为了给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供各种工作电源，需要设计1个与主电路隔离的辅助电源。辅助电源的输入电压为100VDC～170VDC；输出的3路电压分别为+15VDC(2.5W)、-15VDC(2.5W)和+5VDC(5W)；输出电压波动小于1％。笔者采用最新的Topswitch系列FOP222型电路进行辅助电源的设计[3]。辅助电源主电路采用单端反激式拓扑结构，如图5所示。  

3 最大功率跟踪控制MPPT
　　MPPT的实质是一种自寻优过程[4]，常用的方法有固定电压跟踪法、扰动观测法、导纳微增法和间歇扫描跟踪法。笔者采用的是间歇扫描跟踪法。其核心思想是定时扫描一段(一般为0.5倍～0.9倍的开路电压1阵列电压，同时记录不同电压下对应的阵列输出功率值，然后比较不同点太阳电池阵列的输出功率，得出最大功率点。笔者对间歇扫描法进行了改进，即在较短时间间隔内只在缩小的跟踪范围内(Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc)扫描1次。其中Vm和Voc分别是太阳能电池阵列的最大功率点工作电压和阵列开路电压。每隔一段较长时间后再在整个跟踪范围内对各工作点扫描1次。

　　改进后的间歇扫描法控制既保持了跟踪的控制精度又提高了系统运行的稳定性。

4 反孤岛效应控制方法
    孤岛效应是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断供电时各个用户端的太阳能光伏并网逆变器仍独立运行的现象。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户的设备造成不利的影响，包括并网逆变器持续供电可能危机电网线路维护人员的生命安全：干扰电网的正常合闸过程：电网不能控制孤岛中的电压和频率。可能造成用户用电设备的损坏[5]。因此解决光伏并网系统的孤岛问题显得尤为重要。

　　笔者提出了一种正反馈频率扰动的反孤岛检测方法。该方法的主要思想是首先判断当前电网电压频率的漂移方向，然后周期性地对输出电流频率施以相应的扰动。同时观测实际输出电流频率。当输出电流频率跟随扰动信号变化即输出电流频率可由并网逆变器控制时，就成倍增加扰动量。以达到使输出电流频率快速变化而触发反孤岛频率检测的目的。

5 实验
    笔者对500W光伏并网逆变器进行了测试。采用8块额定功率为50W的多晶硅太阳电池阵列串连，输入电压为100VDC-170VDC，输出电压为220VAC，输出频率为50Hz。输入侧分别用安培表和伏特表测量太阳电池的输入电压和电流，输出侧采用FLUKE 43B型电能质量分析仪检测并网逆变器输出交流电压和电流的参数和波形。由于输出交流电流值太小，因此采用在电流探头上绕8匝后测量。

　　测试结果是太阳电池的输出电压基本在122V左右，输出电流为2A，输出功率为244W。由测试结果可以看出。逆变器的输出电压为230.9V，输出功率为1.45kW／8=181.2W，所以逆变器的效率为0.74，逆变器的效率包括DC-DC变换和DC-AC变换及辅助电源的总效率。逆变器输出功率因数为0.97，基本保持与网压同频和同相。输出电流的基波分量占电流总量的99.6％，输出的电能质量是令人满意的。

6 结束语
    由实验波形可以看出，所设计的光伏并网逆变器工作稳定。性能良好。由于采用了以TMS320F240型：DSP为主的控制电路，系统具有较好的动态响应特性。采用了具有最大功率跟踪和反孤岛控制功能的软件设计，因而能充分利用太阳能电池的能源且能检测孤岛效应的发生。