小功率光伏并网发电系统设计

陈文杰 李伟伦 汤启洪 刘佐濂

广州大学物理与电子工程学院，广东 广州 510006

小功率光伏并网发电系统设计

陈文杰 李伟伦 汤启洪 刘佐濂

广州大学物理与电子工程学院，广东 广州 510006

设计开发一套500W小功率光伏并网发电系统。控制器电路采用DC-DC-AC架构，该并网逆变器能实现最大功率跟踪和反孤岛效应控制功能，控制芯片采用LM3S618，外电压跟踪采用双闭环方式实现与网压同步的正弦电压输出，构建了实验室样机，通过实验测试逆变器输出的电流基本与电网电压同频同相，并网的功率因数近似为1。

光伏并网发电；DC-DC-AC架构；最大功率点跟踪

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。光伏并网发电系统的最大优点是不用蓄电池储能，因而节省了投资，系统简化且易于维护。这类光伏并网发电系统主要用于调峰光伏电站和屋顶光伏系统。目前，美、日、欧盟等发达国家都推出了相应的屋顶光伏计划，日本提出到2010年要累计安装总容量达50000MW的家用光伏发电站。作为屋顶光伏系统的核心，并网逆变器的开发越来越受到产业界的关注。

1 光伏并网系统的结构组成

光伏并网逆变器的结构如图1所示。系统可工作于独立运行和并网运行两种方式。MPPT电路和交流逆变电路采用DC/DC/AC架构，其中DC/DC采用Boost电路拓扑，DC/AC采用四开关管桥式逆变结构。系统主要包括八块100W串联的太阳能电池板、基于ARM7架构的单片机核心控制器、DC/DC电路、DC/AC逆变电路。太阳能电池板输出的100V-150V直流电压送到DC/DC电路，在DC/DC电路里完成系统的最大功率点跟踪，DC/DC电路输出的约400V母线电压送到逆变电路由逆变电路逆变成230V，50HZ的交流电压，最后送到电网负载。控制器设计有RS 232接口，可以把系统相关的数据（如：太阳能电池输出电压、电流、MPPT输出电压、电流；负载数据等）传到上位机，并可以通过上位机控制控制器工作或修改相关的参数。

图1 系统设计框图

2 核心硬件电路设计

2.1 DC/DC电路

电路如图2，在DC/DC电路中有两个电流闭环控制器件，型号为MAX4080。其中一个用于太阳能电池板输出电流监测，控制器输出的电流值与电阻R2、R20的分压电路输出的电压分别送到LM3S618的ADC0和ADC1完成太阳能电池板实时输出电压和电流的监测，为MPPT跟踪提供实时数据。另一个电流闭环控制器件主要完成升压后直流母线的电流监测，与R21、R3的分压电路输出的电压分别送到LM3S618的ADC5和ADC4以完成逆变器直流侧的电流电压稳定，L1、Q1、Q12、Q13、Q2、D21、D1、R28、R42、C46组成Boost拓扑的DC/DC电路。MPPT (Maximum power point tracking)的PWM脉冲从LM3S618的36脚输出，单片机根据两路闭环电流电压的大小进行算法运算最终调节脉冲占空比完成最大功率点的跟踪。

2.2 核心控制电路

电路如图3，本电路主控CPU采用LM3S618的ARM Cortex-M3内核控制器，支持最大主频为50 MHz，32 KByte FLASH,8 KByte SRAM，集成正交编码器、ADC、带死区PWM、温度传感器、模拟比较器、UART、SSI、通用定时器，I2C、CCP等外设。

系统人机交换界面有两部分，LCD显示界面显示太阳能电池板的输出电流电压和逆变器输出的电流电压及逆变器的效率，上位机通过串口与单片机进行通信，实现远程监控系统电池板的输出功率，逆变器输出功率，保护状态，调节系统工作状态等。LM3S618通过调节PWM信号的占空比从而调节Boost电路的开关状态，使电池板输出功率达到最大值，实现最大功率点跟踪（MPPT）。系统采用逐次逼近法，不断地改变PWM信号的占空比，实时监测太阳能电池板的输出功率把前次输出与下次输出的功率进行比较，当电池板的输出功率增大时减少PWM信号的占空比，否则向反方向调节，采样频率为500HZ。系统通过JTAG口下载控制算法软件，便于系统进行二次开发。系统具备有声光告警功能，如出现过压或过流、超限时相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器告警。

图2 DC/DC电路

图3 核心控制电路

2.3 DC/AC电路

系统的DC/AC电路主要包括馒头波产生电路，50HZ方波产生电路，SPWM发生器，延迟电路，电流电压检测电路，全桥功率电路等组成，电路的设计结构直接影响系统的输出波形和效率。电路原理框图如图4所示。

图 4 DC/AC电路框图

如图5，在馒头波产生电路中输入信号可以通过开关SW1选择，当系统处于独立发电时开关接到50HZ的文氏电桥电路，当要并网发电时开关接到电网输入端，电网输入端外接一个3W的小变压器把220V交流电压变成5V的交流电压作为外接参考电平。信号通过C55耦合到运放U9A完成阻抗变换，再送到由U12A、U12B、U10A组成的零电平整流电路把50HZ的交流信号整流成馒头波，最后把信号送到加法器U10B把馒头波信号电平抬高2.5V，同时全桥功率电路输出的并网电流相位通过检测电路取样后送到单片机进运算后得到一直流电平与馒头波相加，最后送到SPWM产生芯片SG3525的第二脚用以产生SPWM调制信号，

如图6，从SG352513脚输出的SPWM信号通过与非门选通然后送到延迟电路对信号进行延迟，信号最后送到全桥逆变电路逆变成235V,50HZ交流信号再接到电网负载。

2.4 系统软件设计

系统上电先检测太阳能电池板输出的电压电流看是否符合DC/DC电路输入设定值的范围，如果不符合，通过单片机关闭DC/DC电路的输出，启动报警和显示电路，如果在设定范围之内系统启动交流输出。同时把监测到的电池板的输出电压电流值进行功率运算启动最大功率点的控制。系统有完善的软硬件保护功能，使系统运行于安全状态。程序流程图如图7。

3 结语

本文提出了一种基于LM3S618控制的单相光伏并网逆变系统的设计方法，分析了系统的结构和控制原理，设计了最大功率跟踪MPPT算法和锁相环的软件，构建了实验室样机，以ARM为核心的光伏并网逆变系统具有响应快、超调小、无静差等优点，提高系统的抗干扰能力，是光伏并网发电领域的一个较佳的方案。

图 7 程序流程图

图5 馒头波产生电路

图6 全桥逆变电路

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.010