雙模式光伏控制系統研究

歐 燁

(國電南瑞深圳分公司，廣東 深圳 518054)

雙模式光伏控制系統研究

歐 燁

(國電南瑞深圳分公司，廣東 深圳 518054)

光伏發電在引入電力系統后，除能夠保障用電需求得到滿足以外，還可在緩解能源緊張問題方面發揮相應的價值。根據這一背景，對雙模式光伏控制系統進行研究，就其優勢以及硬軟件設計要點展開分析探討，望能引起各方高度關注與重視。

雙模式光伏控制系統；光伏發電系統；硬件；軟件；設計

0 引言

光伏發電系統相對于其他發電系統而言，具有投資少、占地面積小、節能環保等多個方面的優勢，特別是對高峰期電力負荷而言，能夠更加經濟有效地進行管理。目前，在整個電力市場的激烈競爭下，我國分布式發電系統下的光伏發電系統勢必迎來更加廣闊的發展空間，其所對應的發展潛力也是顯而易見的。本文將重點圍繞雙模式光伏控制系統這一中心問題展開分析與探討。

1 雙模式光伏控制系統優勢分析

在現階段的技術條件支持下，分布式光伏發電系統有3種基本類型：(1) 獨立供電光伏系統；(2) 并網發電光伏系統；(3) 并網、獨立雙模式運行光伏系統。

其中，前兩種模式的光伏系統應用比較廣泛，但在實踐應用中也表現出了一定的局限性。首先，對于獨立供電的光伏系統而言，為了滿足負載方面的能源需求，往往需要配置相當高功率水平的光伏電池陣列或者是蓄電池組，太陽能資源無法得到高效的利用，且造價較高，成本效益不夠理想。更加關鍵的是，在供電過程中所產生的多余電能無法通過本系統供給遠程負載使用，造成了能源的浪費。其次，對于并網發電的光伏系統而言，其最大的問題在于：在電網系統出現運行故障的情況下，無法支持本地負載的持續性供電。

對比以上兩種模式，并網運行模式、獨立運行模式相結合的光伏控制系統綜合優勢更加顯著。首先，在電網系統正常運行的狀態下，逆變器并網運行，光伏電池陣列所發出的最大能量能夠通過逆變器完整傳遞至電網系統；其次，在電網系統出現運行故障的情況下，雙模式光伏控制系統能夠自行切斷與電網系統之間的聯系，逆變器轉為獨立工作模式，為本地負載持續性供電，確保重要負載運行的高度可靠及穩定。

2 雙模式光伏控制系統的硬件設計

(1) 在供電電源的設計過程中，考慮到整個雙模式光伏控制系統正常運行狀態下需要通過芯片內AD部件實現信號采集，為了確保采集的精確性，降低采集期間的干擾影響，要求在對系統供電電源進行設計的過程中引入兩個電源模板：數字電源及模擬電源。

同時，系統芯片對供應電源的電壓要求為1.8/3.3 V。根據這一要求，為了確保上電過程中復位以及運行的正常，需要在供電電源設計中靈活處理上電→掉電的控制程序：從上電程序的角度來說，首先需要確保3.3 V供電電壓電路模塊先供電，然后再提供1.8 V電壓；從掉電程序的角度來說，要求處理器復位引腳在供電電壓下降至1.5 V之前，插入8.0 μs以上的低電平。為了滿足這一控制要求，通過電源管理芯片來完成對上電程序的控制。數字信號處理模塊電源電路結構如圖1所示。

圖1 數字信號處理模塊電源電路結構示意圖

(2) 在采樣電路的設計過程中，從整個雙模式光伏控制系統運行及其功能實施的角度來說，采樣電路直接作用于被控制信號，使其轉化形成系統芯片可接收的電壓信號(對應電壓水平控制在3.0 V范圍之內)。根據整個系統的運行屬性特點，要求采樣電路設計期間重點關注光伏電池電壓、電流采樣方面的問題。從這一角度來說，采樣的對象主要為系統正常運行狀態下，光伏電池陣列所對應的電壓數據以及電流數據，通過采樣電路對光伏系統最大功率點進行動態跟蹤。光伏電池電壓、電流采樣電路結構如圖2所示。

圖2 光伏電池電壓、電流采樣電路結構示意圖

結合圖2來看，光伏電池電壓、電流采樣電路首先經過R6、R14兩個電阻分壓，通過R1電阻以及C1電容，在流過有源低通濾波器后，對電路采樣電壓以及電流信號進行濾波處理。

(3) 在逆變系統主電路的設計過程中，結合整個雙模式光伏控制系統的實際運行需求來看，逆變系統電路所對應的輸出電壓單位為DC400 V，同步對應的輸出電壓以及額定功率取值分別為AC220 V以及200 W。該主電路中所選擇的功率管標準為1 200 V(最大反向電壓標準)。在對逆變系統主電路進行設計的過程中，首先需要考慮的問題是如何確保緩沖電路設計結構的可靠與合理，避免因設計偏差對整個逆變系統主電路造成的損耗及功率管損耗問題。在對這一問題進行處理的過程中，需要遵循的設計思路為：考慮功率管所對應的等效反并聯二極管，計算整個線路運行期間所對應的引線電感取值情況，考慮緩沖電路對電壓尖峰的吸收，根據緩沖電容計算對應的功率大小，配備適宜的緩沖電路。針對本文所研究的雙模式光伏控制系統，選擇電阻值為60.0 Ω、功率為5.0 W的功率電阻，反向阻斷恢復時間控制在65.0 ns范圍內。根據這一標準，所給出的逆變系統主電路結構如圖3所示。

圖3 逆變系統主電路結構示意圖

(4) 在驅動電路的設計過程中，要求按照設計方案所構建的驅動電路能夠根據控制電路的信號指令，正確執行功率管開通或關斷方面的動作，需要注意的是：對雙模式光伏控制系統中的電壓控制型器件而言，考慮到功率管與極間電容的關系，要求對應設置合理的電流輸出能力。根據這一需求，選擇驅動電路的隔離電壓值為2 500.0 V，輸出電流取值為1.5 A，開關時間為1.5 μs。

3 雙模式光伏控制系統的軟件設計

在整個雙模式光伏控制系統設計的過程中，軟件調試平臺選擇為德州儀器公司所提供的CCSV4平臺。本調試工作平臺能夠支持包括T1數字處理器編譯器、代碼編輯器、程序調試以及程序模擬在內的多種功能，提供配置層面、調試層面、分析層面的程序工具，可支持完成對整個雙模式光伏控制系統程序的動態測試與分析作業。在這一平臺干預下，雙模式光伏控制系統的軟件設計要點可以作如下概括：

(1) 在最大功率點跟蹤算法的設計過程中，采取擾動觀察算法。本算法的主要思路為：周期性地增加或減少光伏陣列工作電壓，達到最大功率點。在本算法中，本次采樣電壓等于前一次采樣電壓取值與電壓擾動步長取值的和。在這一算法下，對其進行控制的核心策略在于：每間隔一定的時間，對光伏電池包括工作電壓、輸出電流在內的相關變量進行擾動施加作業，根據擾動后輸出功率所產生的變化確定下一階段對控制變量的擾動方案。為了能夠顯著改善整個雙模式光伏控制系統最大功率點跟蹤算法的效率，可以持續不斷地重復對控制變量的擾動過程，達到最大功率點后，在最大功率點附近振蕩。

(2) 在全橋逆變電路的設計過程中，引入了基于SPWM的控制策略。在并網工作模式下，控制系統逆變器通過并網電流單閉環的方式進行控制，根據最大功率點跟蹤算法計算此階段的并網電流參考值，同時，通過數字控制器對并網電流的實際取值進行采樣，兩者在PID運算下，根據計算結果實現對全橋逆變器開關管工作狀態的控制；而在獨立工作模式下，控制系統逆變器通過電感電流內環以及輸出電壓外環的方式進行控制，根據最大功率點跟蹤算法，在解耦后進行控制。PID運算期間的電流參考值直接由系統設定，同樣根據計算結果實現對全橋逆變器開關管工作狀態的控制。

4 結語

本文首先針對雙模式光伏控制系統的應用優勢進行了分析，進而從供電電源設計、采樣電路設計、逆變系統主電路設計、驅動電路設計四方面入手，探討了該系統在硬件設計中的技術要點；從最大功率點跟蹤算法設計、全橋逆變電路設計兩方面入手，分析了該系統在軟件設計中的技術要點，希望能有助于雙模式光伏控制系統的進一步推廣應用。

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2014-06-05

歐燁(1985—)，女，貴州人，助理工程師，主要從事風光功率控制和變電站綜合自動化系統的研究開發工作。