基于UC1825控制的光伏并网发电系统设计

陈晓龙，周文华，刘建华

（1. 江西旅游商贸职业学院，南昌 330100；2. 苏州职业大学，苏州 215104）

0 引言

随着经济的飞速发展，能源紧缺环境恶化问题日趋严重，寻找绿色环保的新能源已成为人类面临的迫切课题。光伏并网发电就是一种很好的绿色新能源,它将太阳能电池发出的直流电经并网逆变器转化为与现有电网同频、同相的交流电，供给负荷使用或送入电网。

光伏并网发电系统通常采用工频和高频两种结构。高频结构是先通过DA/DA变换器将太阳电池的直流电升压或降压转化为满足并网要求的直流电压，然后通过桥式逆变后直接和电网相连。本系统采用工频结构方式，它先通过DA/AD变换，将太阳电池直流电能转化为交流电能，再经过工频变压器的升压和隔离，实现并网发电[1]。

在光伏并网发电系统中，有两个关键问题。一是逆变交流功率输出与外界电网引入同步信号的频率、相位同步问题。太阳能光伏电池经逆变形成的交流电只有严格保证与电网频率、同相一致，才能有效并入电网驱动负载，否则就只能成为扰动信号干扰电网的正常运行。二是光伏电池的最大功率点跟踪问题（MPPT）。它是保证向电网提供最大并网功率的关键。常用的最大功率点跟踪方法有定电压跟踪法、扰动观察法、滞环比较法等，这些方法都是根据光伏电池特性曲线上的最大功率点的特点来搜索其最大功率点对应的电压，处理方法各有特点。本系统设计采用扰动观测法算法 。

1 光伏并网发电系统总体设计方案

本光伏并网发电系统设计，主要由太阳能光伏电池阵列、控制部分、逆变器部分、滤波部分、交流升压部分共五个部分组成。

为研究方便设计一光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30Ω～36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，频率fREF为45Hz～55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30Ω～36Ω。要求系统具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，频率、相位跟踪功能。

图1 并网发电模拟装置框图

在这个并网系统中，采用UC1825专用PWM芯片构成逆变系统控制部分。利用UC1825芯片输出的这两路脉冲控制DC-AC全桥逆变器，再经滤波得到与外界电网同频、同相的正旋交流信号(fF=fREF)，通过变压器升压得到220V正旋交流输出电压驱动负载。

图2 光伏发电系统功能模块构成图

如图2所示,图中对逆变输出信号进行取样，通过反馈电路把处理后的取样信号反馈到控制部分，通过PI控制策略，在控制电路里进行比较，之后重新调整两路输出的PWM占空比，从而改变逆变输出电压，调整负载功率；以此循环，保证 。从而实现最大功率点跟踪（MPPT）跟踪功能[2,3]。

2 主要功能模块电路设计及分析

2.1 采用UC1825芯片实现的并网主控制模块设计

本光伏并网发电系统采用UC1825芯片构成频率、相位与最大功率点跟踪的主控制系统。

2.1.1 逆变器控制及频率、相位跟踪

UC1825是PWM控制器件,非常适合高频开关脉冲输出和逆变器的脉冲频率控制等应用。UC1825芯片具有输出双路占空比互补的频率脉冲功能，且该频率受外界输入脉冲的频率控制。这使它能够实现对逆变器的控制，正反两路开关不会短路，且具有频率、相位的跟踪功能，能够实现对光伏逆变器的有效控制。

如图3所示：UC18255芯片在上电后，其OUTa（11脚）和OUTb（14脚）同时输出频率为10HZ～10KHZ（可调）、但相位完全相反的方波脉冲，用来控制逆变电路中两路开关管的导通与截止，产生正向和反向电流，实现DC→AC的逆变控制。OUTa、OUTb脚输出脉冲的频率和相位受RAMP（7脚）和TC（6脚）输入脉冲的控制，因此，我们只要将同步信号经处理转化成脉冲信号后输入RAMP和TC脚，就能使OUTa、OUTb脚输出脉冲的频率、相位与外界同步信号同步了。从而也实现了逆变输出交流信号与外界电网引入同步信号的频率、相位同步[4]。

图3 逆变器控制及频率、相位跟踪图

2.1.2 同步信号处理与输入

UC1825芯片的同步脉冲来源于外界同步信号的处理和整型。外界同步信号来源于供电单位，它可以是电网的工频正弦波信号，也可以是某一确定频率、相位的方波脉冲信号。无任是哪种外界同步信号，经过整流和电压比较器电路，转化成与其频率、相位完全一致的方波脉冲信号（即同步脉冲），并将其引入UC1825 的RAMP和TC脚实现对OUTa、OUTb脚输出脉冲的频率、相位的同步控制。从而实现了OUTa、OUTb脚输出的两路占空比互补脉冲的频率、相位与同步信号的同步。

2.1.3 采样信号处理与反馈

如图4所示：逆变电流除经互感器进行功率输出以外，还有一路感应电流作为输出电流的采样信号uF，uF为工频隔离变压器n3线圈端取出电压，经如图所示全桥整流电路处理后，转化成正相的全波脉冲信号，其频率、相位与逆变输出电流完全一致，幅值则与之成正比关系。经处理后的采样信号反馈给UC1825，UC1825将对交流输出功率作出相应调整，实现最大功率点的跟踪功能[5]。

2.2 逆变模块设计

本系统的逆变模块采用全桥逆变电路。其开关频率和相位受UC1825芯片输出的双路占空比互补脉冲控制，采用四个MOS4603驱动功率场效应管，实现DC-AC转换，再经电容和电感构成的滤波电路作用，形成正弦交流电，完成逆变[5,6]。

全桥逆变电路如图5所示（V1、V2分别接UC1825的OUTa、OUTb脚）：

图4 采样信号处理与反馈图

图5 全桥逆变电路图

当UC1825OUTa输出正脉冲、OUTb输出负脉冲时，MOS场效应管1、3导通，MOS场效应管2、4截止，如图6A所示，互感器T1形成正向电流；当UC1825OUTb输出正脉冲、OUTa输出负脉冲时，MOS场效应管2、4导通，MOS场效应管1、3截止，如图6B所示，互感器T1形成负向电流。在UC1825的OUTa和OUTb交替输出的脉冲控制下，四个MOS场效应管组成的两个回路交替导通，且交替频率完全与UC1825的OUTa和OUTb交替输出的脉冲同步，从而在互感器T1上得到交替变化的正、反向电流，且电流变化频率与UC1825的OUTa和OUTb交替输出的一致。在如图5所示由电容和电感构成的滤波电路作用下，就形成了正反变化的交流正旋交流电。再经功率变压器的升压，完成直流到交流的逆变过程。且得到的正弦交流电的相位、频率是与UC1825的OUTa和OUTb交替输出的脉冲一致的，也既与外界引入的电网同步信号的频率和相位是一致的。

采用四个MOS功率场效应管构成的全桥逆变电路可以由四单元封装的IGBT模块替代，效果将更好。

2.3 MPPT原理分析

图6 MOS场效应管工作原理图

MPPT控制原理实质上是一个动态自寻优过程，通过对逆变输出电压、电流的检测，将其与前一时刻值相比较，调整输出功率。当外界因素使输出功率改变时，系统则需进行再次寻优[7,8]。

如图7所示，当一个内阻不为零的电源和负载相连,负载的电阻值和电源内阻值相等（即时,负载上获得最大功率。调节开关控制脉冲的占空比，可以使MPPT电路从输人端看进去的等效电阻发生改变，进而达到阻抗匹配的目的，就可以实现光伏发电系统中的最大功率点跟踪。

图7 MPPT控制原理图

如上图所示，通过采样电路对当前逆变输出电压、功率进行实时采样，将处理后的采样信号反馈到UC1825的1、9脚。UC1825芯片内部机构具有对OUTa和OUTb输出脉冲的占空比进行调节的功能，该调节受1、9脚输入的采样反馈信号控制。当输出功率增大时采样信号的幅值也将增大，该信号将使UC1825输出的两路脉冲占空比发生改变，从而负载等效电阻发生变化。负载RL功耗的增大，导致 减小。该过程反之亦然。因此，改变输出脉冲的占空比，实质上是改变了光伏电源的负载；使负载的电阻值和电源内阻值相等，从而使实现最大功率点跟踪（MPPT）功能。

3 测试数据与分析

3.1 系统频率与相位跟踪性能测试

用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，RS=30Ω～36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，当频率fREF为45Hz～55Hz范围内变化时；用示波器观察正弦波uF和参考正弦波uREF的频率相位偏差，可算出相位偏差绝对值相对频率偏差绝对值四次测量数据如表1所示[9]：

表1 频率相位偏差测试数据

结论：当fREF在给定范围内变化时，频率相对偏差绝对值不大于1%；相位偏差绝对值ϕd不大于5°。

3.2 系统变换器转换效率性能测试

模拟光伏电池US=60V（直流稳压电源替代），当RS=RL=30Ω时，系统稳定后用万用表测试输入电压输入电流和输出电压输出电流测得数据见下表[10]：

表2 DC-AC变换器效率测试数据

结论：当光伏电池US=60V，RS=RL=30Ω时，该系统DC-AC变换器的效率 ≥80%。

4 结束语

太阳能因其环保和经济的优点，正受到世界各国的广泛关注和重视，而光伏并网发电将成为太阳能发电的主要趋势。本文介绍的基于UC1825的光伏并网发电系统，很好地实现了光伏发电的同频、同相和最大功率点跟踪。该系统经过实际硬件系统的模拟和数据测试，证明本系统基本实现了最大功率点跟踪的目标，达到了较好的并网发电效果。该光伏并网发电系统省去独立光伏系统中的贮能环节，在电网断电的情况下能够独立运行，具有一定的推广应用前景。

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[1] 刘利成.光伏太阳能在变电站直流系统的应用[J].电网与水力发电进展,2008.4 .

[2] 赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[M].合肥工业大学出版社,2006.

[3] 杨海柱,金新民.最大功率跟踪的光伏并网逆变器研究[J],北方交通大学学报,2004,2.

[4] 李晶,窦伟,徐正国,等.光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究[J].太阳能学报,2007,28.

[5] 吴贵辉.大力发展清洁能源推进电力可持续发展[J].电网与清洁能源,2008,9.

[6] 张国荣,项国轩.光伏电池最大功率点跟踪方法的研究[J].能源工程,2009,1:13-16.

[7] 焦在强,许洪华.单极式并网光伏逆变器[J].可再生能源,2004.5.

[8] 余世杰,何会若.光伏水泵系统中CVT与MPPT的控制比较[J].太阳能学报,1998.4.

[9] 陈建勇,廖晓钟 .单神经元在PV最大功率跟踪控制中的应用[J].微计算机信息,2006.10.

[10] Nopporn Patcharaprakiti.Maximum power point tracking using adaptive fuzzy logic control for grid-connected photovoltaic system[J]. Renewable Energy 30 (2005).