單片機控制光伏并網逆變器的設計及其應用

朱 淼 劉飛飛 穆芳芳

[摘 要]光伏并網裝置以DC/AC逆變器為核心。由外部提供的直流穩壓電源產生直流輸入電壓Us,微控制器MSP430F169產生占空比可調的SPWM波通過控制四個開關管的導通和截止構成DC/AC逆變電路使直流輸入電壓逆變成交流電壓,再通過濾波電路后產生正弦交流電,使之經過一個升壓變壓器產生需要的輸出電壓。通過由MSP430F169單片組成的控制電路實現的最大功率點跟蹤,即MPPT功能及反饋輸出電壓與正弦參考電壓Uref的功率和相位跟蹤功能。

[關鍵詞]DC/AC變換電路 MPPT MSP430F169單片機 SPWM

[中圖分類號]TP464[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0073-02

1 引言

目前日益惡化的生態環境使人們逐步認識到,人類必須走可持續發展的道路,大力開發和利用可再生能源是必由之路。太陽能作為一種巨量的可再生能源,每天到達地球表面的輻射能量相當于數億萬桶石油燃燒的能量。開發和利用豐富、廣闊的太陽能,可以對不產生或產生很少污染,太陽能既是近期急需的能源補充,又是未來能源結構的基礎。太陽能光伏利用技術在這種形勢下進入了快速發展的階段。太陽能的轉換和利用方式,從狹義上可分為三類:即光電轉換,光熱轉換,光化學轉換,太陽能光伏發電是其中的一個主要方面,即通過光伏電池將太陽輻射能直接轉化為電能,并與儲能裝置,測量控制裝置和直流-交流(即DC/AC)轉換裝置相配套,構成光伏發電系統。其中最重要的部分就是直流-交流(即DC/AC)的轉換裝置。目前,我國光伏發主要應用在通信、燈塔、農村和邊遠地區照明、并網光伏發電、太陽能商品及其它地等方面。2008年中國共計安裝約20MWp光伏系統,累計安裝量達到120MW。中國光伏應用仍然是獨立系統為主,并網光伏發電應用比例還很小。對比之下,歐洲在2006、2007和2008年三年中,當年并網光伏系統的比例達到99%。

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。本文將從光伏并網裝置的逆變器出發,闡述采用SPWM調制的單輸入單相光伏并網發電系統的控制方法。

2 單相光伏并網發電系統的主電路分析

2.1 光伏并網發電系統的主電路的拓撲結構

光伏并網發電系統主要功能是將太陽能電池板所發出的直流電通過DC/AC逆變器轉換成所需要的單向交流電。圖1就是光伏并網發電系統的主電路的拓撲結構(見圖1)。

我們通過MSP430F169產生SPWM波,將該信號接入以全橋電路為主要部件的DC/AC變換器,控制功率場效應管的導通與截止,將外部輸入的直流電轉化為正弦交流電,經濾波后可得到較為理想的正弦交流電,再經過升壓變壓器得到所需的正弦交流輸出電壓提供給負載。

2.2 DC/AC變換器控制方法

在光伏并網逆變器中DC/AC逆變器的控制是重點與難點。如果控制不當會在輸出端出現嚴重失真。這不僅會影響整個系統的工作效率,而且會對負載造成不良的影響。在此我們采用MSP430F169微控制器對其進行控制。由MSP430F169微控制器產生同時輸出兩個相位相差180度的單極性的SPWM波來控制功率場效應管的導通與截止。

逆變器工作具體過程為當Q1與Q4導通時,在輸出端U處產生的波形為正弦波的半個周期;當Q2與Q3導通時,在輸出端U處產生正弦波剩下的半個周期的波形。這樣經過一個周期T的時間,在輸出端U處就成功的產生了一個完整的正弦波。這樣就成功實現了DC—AC逆變的過程。

但此時會出現這樣一個問題,當在這4個功率場效應管相互切換時,會出現4個功率場效應管同時導通的現象,這樣會對整個系統帶來巨大的危險性。為來解決這個問題,我們決定用IR2110芯片來解決這個難題。最終整個DC/AC逆變器變換為由微控制器控制IR2110芯片來實現功率場效應管的導通與截止。這樣不僅保證了整個系統的安全,而且有效的提高了整個系統的效率。

根據以上情況,在此設計了含有IR2110芯片的DC/AC逆變器設計圖,具體內容如圖2所示。

2.3 輸出功率優化控制方法

由于光伏電池的最大功率輸出點是隨光強和溫度變化的。為了充分利用太陽能,系統必須實現最大功率點的跟蹤。在此我們將采用最大功率點(MPPT)跟蹤方法中的“登山法”來實現此功能。

登山法的主要思想是通過周期性地給太陽能電池的輸出電壓加擾動,比較其輸出功率與前一周期的輸出功率的大小。如果功率增加,在下一個周期以同樣方向加擾動,否則改變擾動的方向。其具體的控制算法如下:寄存器a(k)存放每一周期Vref調整值,首先計算逆變器的輸出功率P(k),并與上一周期的輸出功率P(k-1)比較,然后判斷a(k-1)的符號,若P(k)>P(k-1),則a(k)與a(k-1)同號處理,否則a(k)與a(k-1)異號處理,從而調整Vref的大小,這種方法適用于光強變化小的環境。

為了實現成功并網,在此我們需要進行相位跟蹤。此時在變壓器的另一個副邊得到的交流電壓作為反饋信號,將電壓降低的正弦交流電采集到單片機中與外部輸入的50HZ/1V正弦信號的頻率、相位相比較,調節SPWM波的占空比從而實現反饋信號與參考信號實現頻率和相位的跟蹤以及實現輸入電壓和輸出電壓的MPPT跟蹤功能。此方案功耗極低,控制精度高,效率可以高達80%以上,且硬件電路和控制電路都很簡單,成本較低,便于操作。

在此進行了模擬實驗,用直流穩壓電源US和電阻RS模擬光伏電池,uREF為模擬電網電壓的正弦參考信號,其峰峰值為2V,頻率fREF為50Hz。

圖3為根據模擬實驗內容及其要求而設計的裝置的硬件框圖(見圖3)。

3 單相光伏并網發電系統的軟件控制分析

3.1 系統軟件控制的關鍵器件

IR2110芯片與微控制器MSP430F169為整個電路中的關鍵器件,下面是這兩個芯片的簡單介紹:

IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件柵極驅動器,具有自居浮動電源,驅動電路十分簡單,只用一個電源可同時驅動上下橋臂。此芯片包括:邏輯輸入、電平轉換、保護、上橋臂側輸出和下橋臂側輸出。

MSP430F169的說明:16位MSP430F16X系列單片機,是新型的超低功耗、高速度、高性價比單片機的典范。本系統中使用的是MSP430F169,該芯片內置2個帶捕捉/ 比較寄存器功能的16 位定時器Timer-A 和Timer-B,通過定時器的定時中斷可實現占空比可調的PWM波輸出;2 個具有中斷功能的8 位并行端口P1 和P2;4 個8 位并行端口P3 ～ P6;A/D轉換模塊可以實現對模擬量Ud、Uref及Ur的采集及向數字量的轉換,并通過調SPWM波的占空比實現Ud和Us的最大功率點跟蹤及Uref和Ur的頻率和相位跟蹤功能。MSP430F16X 系列單片機的開發相當簡便。利用單片機本身具有的JTAG 接口,可以在PC上通過小巧的JTAG 控制接口實現程序的下載、調試,并且對C語言有良好支持,大大縮短了軟件開發周期。

3.2 系統軟件設計流程

根據設計要求以及各個芯片的特點,整個光伏并網發電系統的軟件流程如圖4所示。

這部分軟件主要由主程序,定時器A,定時器B組成。此軟件主要實現具有可調性的SPWM波的輸出、MPPT算法的實現以及整個電路的保護功能。

定時器A中斷主要實現SPWM波的輸出以及改變SPWM波的占空比。定時器B測Ur的頻率及相位并檢驗與Uref的頻率與相位是否相等。

4 結語

光伏并網發電系統是本世紀的新的可持續發展綠色能源之一。對其技術的研究無論是在經濟發展上,還是環境保護方面都有著重大的意義。本文由光伏并網逆變系統的逆變器出發進行闡述。通過對光伏并網逆變器輔助電源的工作原理分析,設計了光伏并網逆變器輔助電源的電路結構。對輔助電源的電壓波形以及并網逆變器工作波形的觀察,驗證了這種電源具有很高的使用價值和應用前景。

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