光伏组件逆变器控制系统设计

武卫革，翟志强，赵志强，徐 璞

(1.保定天威集团有限公司 电工技术研究所，河北 保定 071056;2.保定天威北方电气自动化有限公司，河北 保定 071051)

0 引言

太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源之一，也是未来能源结构的基础。逆变器是光伏并网发电系统中的重要环节，与集中式逆变器不同，光伏组件逆变器直接安装在每块电池板上，针对每个光伏组件进行精确MPPT控制，即使在周围树、烟囱、建筑等阴影遮挡、云雾变化、污垢积累和组件效率衰减不均等不理想条件下，也能保证每个光伏组件以最大功率输出，从而提高了光伏系统的整体效率。另外光伏组件逆变器具有体积小、安装方便、可靠性高、适合规模化生产、成本低等优点。[1，2]

本文设计了一种数字控制的光伏组件逆变器的控制系统，控制系统由数字锁相环、电流控制环、最大功率点追踪、孤岛检测等构成。通过在实验样机中测试，该控制系统性能良好，逆变器能够成功并网运行。

1 光伏组件逆变器系统

如图1所示，光伏组件逆变器系统由晶硅电池组件接口电路、DC/DC升压电路、DC/AC工频换向电路、滤波器电路、微处理器电路组成。晶硅电池组件的直流电压加在DC/DC升压电路，在反激输出的电容上产生整流的正弦输出电压，DC/AC工频换向电路以工频进行开关工作，将整流输出电压转换成正弦电压。滤波器电路滤除高频开关谐波，保证并网电流的质量。微处理器电路通过对电池组件电压、电流采样，使电池组件以最大功率方式输出，数字锁相环使得逆变器的输出电流与电网同步。[3]

图1 光伏组件逆变器系统构成Fig.1 Block diagram of micro-inverter

2 光伏组件逆变器控制系统设计

控制器基于DSPIC33FJ16GS504开发，该控制器提供专为功率转换应用而设计的功率外设，包括高速PWM模块、高速10位ADC模块和高速模拟比较器模块。控制系统的功能如下:

(1)最大功率点追踪 (MPPT)。为了保证光伏组件以最大功率输出，通常情况下逆变器采用观测扰动法来进行MPPT。MPP追踪器通过将太阳能电池的电压定期增大或减小来工作，如果给定扰动导致电池板输出功率增大 (减小)，则会在相同 (反)方向上产生后续扰动。传统的MPPT控制算法虽然能够快速追踪最大功率点，但无法最终稳定在最大功率点，光伏组件的输出电压和功率也处于反复震荡中，其与理想的最大功率存在一定的偏差，为此本文采样变步长观测扰动法来实现最大功率点追踪控制算法，其流程图如图 2 所示[4]。UPV(k)、IPV(k)、P(k)分别表示光伏组件第k次采样的电压、电流和功率。

(2)孤岛检测功能。孤岛会威胁电网维修人员的安全，会影响配电系统的保护开关动作程序，在重合闸时可能对用电设备造成损坏等。本系统采用被动式检测方法与主动相结合的方法，减小了检测盲区，提高了孤岛检测的效果。[5]

图2 MPPT流程图Fig.2 Flow chart of MPPT

(3)不同工作模式逆变器状态机。光伏组件逆变器软件用状态机来确定系统的工作模式。当系统刚开启时，状态机会检查输入和输出条件以及故障，如果输入和输出在指定范围内且没有故障，系统状态机进入启动模式。然后状态机会在启动模式下再次检查系统条件，并将所有必须变量和外设初始化进入白天模式。若电网出现故障，系统就会进入错误模式。如果电网正常但电池板电压没有在正常范围内，系统进入夜间模式。各个工作模式状态之间的转换如图3所示。

图3 状态机Fig.3 State machine block diagram

(4)数字锁相环 (PLL)

PLL是光伏组件逆变器重要组成部分，产生电网电压的频率和相位角以便控制输出与电网同步。PLL产生的电网电压频率和相位角不仅用于控制信号的生成，还用于孤岛模式检测等功能。

(5)电流控制环

电流控制环是一个比例积分控制器，是控制系统的核心。此控制环可以校正参考电流和输出电流之间的误差。确保输出电流跟随参考电流变化。如图4所示。有MPPT模块和PLL模块共同形成电流的参考值，然后与反馈电流相减，两者的误差通过PI调节器，其输出结果去控制PWM占空比，从而实现逆变器并网发电。

图4 控制环框图Fig.4 Control loop block diagram

光伏组件逆变器控制系统采用中断的方式进行，包括ADC中断和定时器中断。ADC中断和定时中断流程见图5和图6。

图5 ADC中断流程图Fig.5 Flow chart of ADC interrupt

图6 定时器中断流程图Fig.6 Flow chart of timer interrupt

3 控制系统验证

该控制系统运用于220 W光伏组件逆变器系统中，用TOPCON可编程高精度直流电源模拟光伏组件的输出，用WT3000高精度功率分析测试逆变器的输入、输出功率、效率及并网电流波形。从图7可以看出，TOPCON模拟电源的输出功率是211.083 W，输出功率是191.402 W，逆变器的效率是90.676%。图8中，U1，I1分别是模拟电源输出电压和电流，U2是电网电压，I2是逆变器的并网电流，可以看出并网电流能够跟随电网电压，能够并网工作。

图7 实验数据Fig.7 Experimental data

图8 实验波形Fig.8 Experimental waveforms

4 结论

本文设计了一种数字控制的光伏组件逆变器的控制系统，控制系统由数字锁相环、电流控制环、最大功率点追踪、孤岛检测等模块构成。通过220 W实验样机中测试表明，该控制系统控制性能良好，逆变器能够成功并网运行。

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[3]舒杰，傅诚，陈德明，等.高频并网光伏逆变器的主电路拓 扑 技 术[J].电 力 电 子 技 术，2008，42(7):79-82.Shu Jie，Fu Cheng，Chen Deming，et al.A review of main circuit topology for high-frequency grid connected PV Inverters[J]. PowerElectronics，2008，42(7):79-82.

[4]张建坡，张红艳，马朝晖.光伏系统变步长最大功率跟踪策略仿真研究[J].可再生能源，2009，27(5):10-14.Zhang Jianpo，Zhang Hongyan，Ma Zhaohui.Studies on the variable step MPPT control algorithms of solar energy system[J].Renewable Energy Resources，2009，27(5):10-14.

[5]廖红伟，林永君.光伏发电系统孤岛的检测[J].电力科学与工程，2010，26(11):1-4.Liao Hongwei，Lin Yongjun.Islanding detection based on photovoltaic power generation system[J].Electric Power Science and Engineering，2010，26(11):1-4.