单片机控制光伏并网逆变器的设计及其应用

朱 淼 刘飞飞 穆芳芳

[摘 要]光伏并网装置以DC/AC逆变器为核心。由外部提供的直流稳压电源产生直流输入电压Us,微控制器MSP430F169产生占空比可调的SPWM波通过控制四个开关管的导通和截止构成DC/AC逆变电路使直流输入电压逆变成交流电压,再通过滤波电路后产生正弦交流电,使之经过一个升压变压器产生需要的输出电压。通过由MSP430F169单片组成的控制电路实现的最大功率点跟踪,即MPPT功能及反馈输出电压与正弦参考电压Uref的功率和相位跟踪功能。

[关键词]DC/AC变换电路 MPPT MSP430F169单片机 SPWM

[中图分类号]TP464[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0073-02

1 引言

目前日益恶化的生态环境使人们逐步认识到,人类必须走可持续发展的道路,大力开发和利用可再生能源是必由之路。太阳能作为一种巨量的可再生能源,每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能,可以对不产生或产生很少污染,太阳能既是近期急需的能源补充,又是未来能源结构的基础。太阳能光伏利用技术在这种形势下进入了快速发展的阶段。太阳能的转换和利用方式,从狭义上可分为三类:即光电转换,光热转换,光化学转换,太阳能光伏发电是其中的一个主要方面,即通过光伏电池将太阳辐射能直接转化为电能,并与储能装置,测量控制装置和直流-交流(即DC/AC)转换装置相配套,构成光伏发电系统。其中最重要的部分就是直流-交流(即DC/AC)的转换装置。目前,我国光伏发主要应用在通信、灯塔、农村和边远地区照明、并网光伏发电、太阳能商品及其它地等方面。2008年中国共计安装约20MWp光伏系统,累计安装量达到120MW。中国光伏应用仍然是独立系统为主,并网光伏发电应用比例还很小。对比之下,欧洲在2006、2007和2008年三年中,当年并网光伏系统的比例达到99%。

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。本文将从光伏并网装置的逆变器出发,阐述采用SPWM调制的单输入单相光伏并网发电系统的控制方法。

2 单相光伏并网发电系统的主电路分析

2.1 光伏并网发电系统的主电路的拓扑结构

光伏并网发电系统主要功能是将太阳能电池板所发出的直流电通过DC/AC逆变器转换成所需要的单向交流电。图1就是光伏并网发电系统的主电路的拓扑结构(见图1)。

我们通过MSP430F169产生SPWM波,将该信号接入以全桥电路为主要部件的DC/AC变换器,控制功率场效应管的导通与截止,将外部输入的直流电转化为正弦交流电,经滤波后可得到较为理想的正弦交流电,再经过升压变压器得到所需的正弦交流输出电压提供给负载。

2.2 DC/AC变换器控制方法

在光伏并网逆变器中DC/AC逆变器的控制是重点与难点。如果控制不当会在输出端出现严重失真。这不仅会影响整个系统的工作效率,而且会对负载造成不良的影响。在此我们采用MSP430F169微控制器对其进行控制。由MSP430F169微控制器产生同时输出两个相位相差180度的单极性的SPWM波来控制功率场效应管的导通与截止。

逆变器工作具体过程为当Q1与Q4导通时,在输出端U处产生的波形为正弦波的半个周期;当Q2与Q3导通时,在输出端U处产生正弦波剩下的半个周期的波形。这样经过一个周期T的时间,在输出端U处就成功的产生了一个完整的正弦波。这样就成功实现了DC—AC逆变的过程。

但此时会出现这样一个问题,当在这4个功率场效应管相互切换时,会出现4个功率场效应管同时导通的现象,这样会对整个系统带来巨大的危险性。为来解决这个问题,我们决定用IR2110芯片来解决这个难题。最终整个DC/AC逆变器变换为由微控制器控制IR2110芯片来实现功率场效应管的导通与截止。这样不仅保证了整个系统的安全,而且有效的提高了整个系统的效率。

根据以上情况,在此设计了含有IR2110芯片的DC/AC逆变器设计图,具体内容如图2所示。

2.3 输出功率优化控制方法

由于光伏电池的最大功率输出点是随光强和温度变化的。为了充分利用太阳能,系统必须实现最大功率点的跟踪。在此我们将采用最大功率点(MPPT)跟踪方法中的“登山法”来实现此功能。

登山法的主要思想是通过周期性地给太阳能电池的输出电压加扰动,比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小。如果功率增加,在下一个周期以同样方向加扰动,否则改变扰动的方向。其具体的控制算法如下:寄存器a(k)存放每一周期Vref调整值,首先计算逆变器的输出功率P(k),并与上一周期的输出功率P(k-1)比较,然后判断a(k-1)的符号,若P(k)>P(k-1),则a(k)与a(k-1)同号处理,否则a(k)与a(k-1)异号处理,从而调整Vref的大小,这种方法适用于光强变化小的环境。

为了实现成功并网,在此我们需要进行相位跟踪。此时在变压器的另一个副边得到的交流电压作为反馈信号,将电压降低的正弦交流电采集到单片机中与外部输入的50HZ/1V正弦信号的频率、相位相比较,调节SPWM波的占空比从而实现反馈信号与参考信号实现频率和相位的跟踪以及实现输入电压和输出电压的MPPT跟踪功能。此方案功耗极低,控制精度高,效率可以高达80%以上,且硬件电路和控制电路都很简单,成本较低,便于操作。

在此进行了模拟实验,用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池,uREF为模拟电网电压的正弦参考信号,其峰峰值为2V,频率fREF为50Hz。

图3为根据模拟实验内容及其要求而设计的装置的硬件框图(见图3)。

3 单相光伏并网发电系统的软件控制分析

3.1 系统软件控制的关键器件

IR2110芯片与微控制器MSP430F169为整个电路中的关键器件,下面是这两个芯片的简单介绍:

IR2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器,具有自居浮动电源,驱动电路十分简单,只用一个电源可同时驱动上下桥臂。此芯片包括:逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂侧输出和下桥臂侧输出。

MSP430F169的说明:16位MSP430F16X系列单片机,是新型的超低功耗、高速度、高性价比单片机的典范。本系统中使用的是MSP430F169,该芯片内置2个带捕捉/ 比较寄存器功能的16 位定时器Timer-A 和Timer-B,通过定时器的定时中断可实现占空比可调的PWM波输出;2 个具有中断功能的8 位并行端口P1 和P2;4 个8 位并行端口P3 ～ P6;A/D转换模块可以实现对模拟量Ud、Uref及Ur的采集及向数字量的转换,并通过调SPWM波的占空比实现Ud和Us的最大功率点跟踪及Uref和Ur的频率和相位跟踪功能。MSP430F16X 系列单片机的开发相当简便。利用单片机本身具有的JTAG 接口,可以在PC上通过小巧的JTAG 控制接口实现程序的下载、调试,并且对C语言有良好支持,大大缩短了软件开发周期。

3.2 系统软件设计流程

根据设计要求以及各个芯片的特点,整个光伏并网发电系统的软件流程如图4所示。

这部分软件主要由主程序,定时器A,定时器B组成。此软件主要实现具有可调性的SPWM波的输出、MPPT算法的实现以及整个电路的保护功能。

定时器A中断主要实现SPWM波的输出以及改变SPWM波的占空比。定时器B测Ur的频率及相位并检验与Uref的频率与相位是否相等。

4 结语

光伏并网发电系统是本世纪的新的可持续发展绿色能源之一。对其技术的研究无论是在经济发展上,还是环境保护方面都有着重大的意义。本文由光伏并网逆变系统的逆变器出发进行阐述。通过对光伏并网逆变器辅助电源的工作原理分析,设计了光伏并网逆变器辅助电源的电路结构。对辅助电源的电压波形以及并网逆变器工作波形的观察,验证了这种电源具有很高的使用价值和应用前景。

[参考文献]

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