户用多功能光伏发电系统的研究与设计

摘要：本文针对户用光伏发电系统的特点和要求进行了系统的研究与设计。将独立逆变与并网逆变相结合，使系统既可以工作在独立逆变状态， 将储存在蓄电池组中的能量直接逆变为正弦交流电为负载供电， 也可以工作在并网逆变状态， 将太阳能量直接回馈到电网或者将储存在蓄电池中的多余能量回馈到电网。系统采用32位DSP芯片TMS320F2812构成控制核心，利用单片机PIC16F877A构成系统的人机界面。设计的系统具有完善的保护功能、键盘通讯和液晶显示功能， 为家庭使用提供了方便。实验结果验证了方案的可行性。 叙词：光伏发电 独立逆变 并网逆变 人机界面 Abstract：This paper provides system research on and design of photovoltaic power generation system. It combines independent inverter and grid-connected inverter, so that the system can function under independent inverter condition, which inverts directly power in the battery into sinusoidal AC power to load power, and it also can function under grid-connected condition, which can turn solar power into the grid or turn surplus power in battery to the grid. The system adopts 32 digits DSP chip TMS320F2812 as its control center, and applies SCM PIC16F877A as its human-machine interface. The system has complete protection function, keyboard communications and LCD, which makes it convenient for household use. Lab experiments prove the feasibility of the scheme. Keyword：Photovoltaic Power Generation, Independent Inverter, Grid-connected Inverter, Human-machine Interface
1 引言

随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重，近年来世界各国竞相实施可持续发展的能源政策，其中利用太阳能电池发电最受瞩目。由于太阳能电池发电具有安全可靠，无污染、无需消耗燃料、无机械转动部件，故障率低，维护方便等独特优点，尤其是可与建筑物相结合，构成光伏屋顶发电系统，因此受到各国高度重视和加强[5]。而随着应用的普及，家用光伏发电装置相应的也将会越来越多，家用光伏发电装置既要满足用户的需求，又要有可靠性和安全性。基于此，本文针对独立与并网的双重功能进行了研究与设计，实验结果证明了设计方案的可行性。

2 系统结构

逆变系统是将直流电变换成交流电，其核心是逆变电路，即通过电力电子器件的开通与关断，完成逆变功能。电力电子器件的开通与关断需要合适的控制信号。根据系统的实际需要，本文所设计的逆变系统主要由主电路、控制电路、保护电路、通讯电路、辅助电源、输入滤波、输出滤波等几部分组成。逆变系统采用的基本结构框图如图1所示，控制核心选用TI公司TMS320F2812 DSP芯片。

3 主电路结构及参数设计

逆变器的主电路结构形式多种多样，根据本系统的控制目标，采用单相全桥型带有工频隔离变压器的主电路结构，输入端加入了防反二极管与限流电阻，主电路原理图如图2所示。

当工作在独立逆变模式的时候，采用LC滤波；当逆变器工作在并网模式的时候，为了减少电容滤波对相位的影响采用L滤波，将电容C通过开关断开。

考虑到容量与频率等因素，系统主电路的开关管选择电力MOSFET。其中，滤波电感的选择要尽可能滤除调制波的高次谐波分量，提高输出波形质量，滤波电感的高频阻抗与滤波电容的高频阻抗相比不能过低，即滤波电感的感值不能太小。为满足输出波形质量，要求一个采样周期中，电感电流的最大变化量小于允许的电感电流纹波△ILfmax。滤波电容的作用是和滤波电感一起滤除输出电压中的高次谐波，从而改善输出电压的波形，滤波电容越大输出电压的THD值越小。然而从电路来看，在输出电压不变的情况下，增大滤波电容会使滤波电容的电流增加，逆变器的无功能量增大，损耗增加，效率降低，因此，滤波电容又不宜太大。所以，滤波电容的选取原则是在保证输出电压的THD值满足要求的情况下，取值尽量小。同时应尽可能使用高频特性较好、损耗较小的CBB电容[4]。本文设计的逆变器的功率器件开关频率为15kHz，设计截止频率fC为2kHz。考虑到系统裕量，经计算与综合考虑，选择滤波电感9mH，滤波电容3μF。  

4 控制电路结构及控制策略

控制电路主要包含：信号检测电路，驱动电路，保护电路，通讯电路四个部分，如图3所示。

控制策略主要采用PI控制。其中，独立逆变采用电压平均值外环和电压瞬时值内环的双闭环控制方案，实现电压的稳定输出；并网逆变采用CVT型最大功率点跟踪，通过电压的实时跟踪产生电流内环的参考电流，电流内环采用瞬时值反馈实现对并网电流的跟踪控制，实现太阳能量馈入电网。

4.1独立逆变控制

独立逆变采用电压平均值外环、电压瞬时值内环反馈的双闭环控制系统，控制框图如图4所示。其中，电压平均值外环调节器为PI调节，电压瞬时值内环调节器为P调节。输出电压平均值反馈值Uf和电压给定信号Ug的误差经过PI调节器形成电压内环的幅值给定，然后乘以离散的正弦表格数据，形成离散的正弦电压信号作为电压瞬时值内环的给定，电压瞬时值给定值与反馈值的误差信号再经过P调节器产生PWM控制信号，将此信号写入到DSP内部的比较寄存器CMPR1、CMPR2，与三角载波比较后产生4路PWM1~ PWM4开关信号，控制主电路中功率器件的通断。产生的高频SPWM信号经过输出LC滤波器滤波后产生标准的正弦波输出电压，然后经升压变压器升压至220V/50Hz，保证了输出电压的稳定。

4 独立逆变控制框图

4.2 并网逆变控制

（1）太阳能光伏并网

并网逆变采用直流电压外环、并网电流内环控制策略。其中，直流电压外环采用PI调节器实现太阳能光伏组件的最大功率点跟踪，其输出为并网电流的幅值给定。系统首先检测电网电压频率、相位，经过锁相环节使并网电流与电网电压同相位，并网电流给定值乘以离散的正弦表格数据作为并网电流给定值 ，电流内环调节器采用P调节器。将P调节器的输出值写入CMPR1、CMPR2，与三角载波比较后产生4路PWM1~PWM4信号，控制主电路中功率器件的导通与关断，产生的高频SPWM信号经过电感L滤波后产生与电网电压同相位的标准正弦并网电流，经电感L滤波后向电网输入同频同压的并网电流，并网逆变控制框图如图5所示。

（2）蓄电池并网

为了将蓄电池中多余的能量回馈到电网，必须使系统工作在蓄电池并网状态。在这种状态下，并网电流大小是由蓄电池的放电曲线决定的[8]。为了合理保护蓄电池，防止放电电流过大和蓄电池过放，本文通过实时采样蓄电池的端电压和放电电流，将蓄电池能量回馈到电网。蓄电池并网控制框图见图6所示。

5 通讯部分

通讯部分主要是完成系统的状态显示与参数设定，本系统中上位机采用Microchip公司生产的8位单片机PIC16F877A，它与TMS320F2812的串口通讯采用RS-485通信协议，通过两个MAX485芯片来实现两者的数据交换，通讯原理示意图如图7所示。

6 系统软件设计

系统的软件采用模块化设计，主要包括四个部分：主程序，定时器中断程序，捕捉中断程序，功率保护中断程序。其中，主程序主要是检测装置的运行状态是否正常及上位机发来的命令，同时等待中断的到来；定时器中断主要是完成AD检测及SPWM的产生；捕捉中断主要是完成并网逆变中的锁相目的，保证并网电流与电网电压同步。

7 实验结果与结论

逆变器处于独立逆变时，带电阻性负载，输出功率约为210W，逆变器输出电压、电流波形如图8所示。逆变器处于并网模式工作时，并网电流与电网电压波形如图9所示，图中紫色为电网电压波形，绿色为并网电流波形，两者同频同相，实现了并网的单位功率因数。

由图8可知，逆变器工作在独立逆变状态时，可以输出理想的正弦电压波形；从图9可知，逆变器并网时的输出电流与电网电压基本同频同相，实现了并网时的单位功率因数。

附注

安徽省科技厅年度重点计划项目：家庭太阳能光伏电源的应用开发（06022010）；

国家自然科学基金项目（项目编号：50707003）。
参考文献

    [1] 王兆安等. 电力电子技术[M]. 机械工业出版社,  2002.

    [2] 陈道炼.  DC-AC逆变技术及其应用[M]. 机械工业出版社, 2005.

    [3] 李学海. PIC单片机实用教程- 基础篇[M]. 北京航空航天大学出版社, 2006.01.

    [4] 张占松. 开关电源的原理与设计[M]. 电子工业出版社, 2004.

    [5] 赵为. 太阳能光伏并网发电系统的研究. 合肥工业大学博士论文, 2003.

    [6] A.K. Mukerjee, Nivedita Dasgupta.DC power supply used as photovoltaic simulator for

testing MPPT algorithms[J]. Renewable Energy 32 (2007) 587–592.

    [7] Zheng shicheng, Liu We. Research and implementation of photovoltaic charging system

with maximum power point tracking[C]. ICIEA2008.

    [8] 欧阳名三, 余世杰等. 一种太阳能电池 MPPT 控制器实现及测试方法的研究[M]. 电子测量与仪器学报, 18(2): 30~34.

    作者简介

    郑诗程，男，1972年生，博士，副教授，研究方向新能源发电技术、电力电子功率变换技术。

    张高玉，女，1985年生，硕士研究生。

    刘  伟，男，1982年生，硕士研究生。■