双模式光伏控制系统研究

欧 烨

(国电南瑞深圳分公司，广东 深圳 518054)

双模式光伏控制系统研究

欧 烨

(国电南瑞深圳分公司，广东 深圳 518054)

光伏发电在引入电力系统后，除能够保障用电需求得到满足以外，还可在缓解能源紧张问题方面发挥相应的价值。根据这一背景，对双模式光伏控制系统进行研究，就其优势以及硬软件设计要点展开分析探讨，望能引起各方高度关注与重视。

双模式光伏控制系统；光伏发电系统；硬件；软件；设计

0 引言

光伏发电系统相对于其他发电系统而言，具有投资少、占地面积小、节能环保等多个方面的优势，特别是对高峰期电力负荷而言，能够更加经济有效地进行管理。目前，在整个电力市场的激烈竞争下，我国分布式发电系统下的光伏发电系统势必迎来更加广阔的发展空间，其所对应的发展潜力也是显而易见的。本文将重点围绕双模式光伏控制系统这一中心问题展开分析与探讨。

1 双模式光伏控制系统优势分析

在现阶段的技术条件支持下，分布式光伏发电系统有3种基本类型：(1) 独立供电光伏系统；(2) 并网发电光伏系统；(3) 并网、独立双模式运行光伏系统。

其中，前两种模式的光伏系统应用比较广泛，但在实践应用中也表现出了一定的局限性。首先，对于独立供电的光伏系统而言，为了满足负载方面的能源需求，往往需要配置相当高功率水平的光伏电池阵列或者是蓄电池组，太阳能资源无法得到高效的利用，且造价较高，成本效益不够理想。更加关键的是，在供电过程中所产生的多余电能无法通过本系统供给远程负载使用，造成了能源的浪费。其次，对于并网发电的光伏系统而言，其最大的问题在于：在电网系统出现运行故障的情况下，无法支持本地负载的持续性供电。

对比以上两种模式，并网运行模式、独立运行模式相结合的光伏控制系统综合优势更加显著。首先，在电网系统正常运行的状态下，逆变器并网运行，光伏电池阵列所发出的最大能量能够通过逆变器完整传递至电网系统；其次，在电网系统出现运行故障的情况下，双模式光伏控制系统能够自行切断与电网系统之间的联系，逆变器转为独立工作模式，为本地负载持续性供电，确保重要负载运行的高度可靠及稳定。

2 双模式光伏控制系统的硬件设计

(1) 在供电电源的设计过程中，考虑到整个双模式光伏控制系统正常运行状态下需要通过芯片内AD部件实现信号采集，为了确保采集的精确性，降低采集期间的干扰影响，要求在对系统供电电源进行设计的过程中引入两个电源模板：数字电源及模拟电源。

同时，系统芯片对供应电源的电压要求为1.8/3.3 V。根据这一要求，为了确保上电过程中复位以及运行的正常，需要在供电电源设计中灵活处理上电→掉电的控制程序：从上电程序的角度来说，首先需要确保3.3 V供电电压电路模块先供电，然后再提供1.8 V电压；从掉电程序的角度来说，要求处理器复位引脚在供电电压下降至1.5 V之前，插入8.0 μs以上的低电平。为了满足这一控制要求，通过电源管理芯片来完成对上电程序的控制。数字信号处理模块电源电路结构如图1所示。

图1 数字信号处理模块电源电路结构示意图

(2) 在采样电路的设计过程中，从整个双模式光伏控制系统运行及其功能实施的角度来说，采样电路直接作用于被控制信号，使其转化形成系统芯片可接收的电压信号(对应电压水平控制在3.0 V范围之内)。根据整个系统的运行属性特点，要求采样电路设计期间重点关注光伏电池电压、电流采样方面的问题。从这一角度来说，采样的对象主要为系统正常运行状态下，光伏电池阵列所对应的电压数据以及电流数据，通过采样电路对光伏系统最大功率点进行动态跟踪。光伏电池电压、电流采样电路结构如图2所示。

图2 光伏电池电压、电流采样电路结构示意图

结合图2来看，光伏电池电压、电流采样电路首先经过R6、R14两个电阻分压，通过R1电阻以及C1电容，在流过有源低通滤波器后，对电路采样电压以及电流信号进行滤波处理。

(3) 在逆变系统主电路的设计过程中，结合整个双模式光伏控制系统的实际运行需求来看，逆变系统电路所对应的输出电压单位为DC400 V，同步对应的输出电压以及额定功率取值分别为AC220 V以及200 W。该主电路中所选择的功率管标准为1 200 V(最大反向电压标准)。在对逆变系统主电路进行设计的过程中，首先需要考虑的问题是如何确保缓冲电路设计结构的可靠与合理，避免因设计偏差对整个逆变系统主电路造成的损耗及功率管损耗问题。在对这一问题进行处理的过程中，需要遵循的设计思路为：考虑功率管所对应的等效反并联二极管，计算整个线路运行期间所对应的引线电感取值情况，考虑缓冲电路对电压尖峰的吸收，根据缓冲电容计算对应的功率大小，配备适宜的缓冲电路。针对本文所研究的双模式光伏控制系统，选择电阻值为60.0 Ω、功率为5.0 W的功率电阻，反向阻断恢复时间控制在65.0 ns范围内。根据这一标准，所给出的逆变系统主电路结构如图3所示。

图3 逆变系统主电路结构示意图

(4) 在驱动电路的设计过程中，要求按照设计方案所构建的驱动电路能够根据控制电路的信号指令，正确执行功率管开通或关断方面的动作，需要注意的是：对双模式光伏控制系统中的电压控制型器件而言，考虑到功率管与极间电容的关系，要求对应设置合理的电流输出能力。根据这一需求，选择驱动电路的隔离电压值为2 500.0 V，输出电流取值为1.5 A，开关时间为1.5 μs。

3 双模式光伏控制系统的软件设计

在整个双模式光伏控制系统设计的过程中，软件调试平台选择为德州仪器公司所提供的CCSV4平台。本调试工作平台能够支持包括T1数字处理器编译器、代码编辑器、程序调试以及程序模拟在内的多种功能，提供配置层面、调试层面、分析层面的程序工具，可支持完成对整个双模式光伏控制系统程序的动态测试与分析作业。在这一平台干预下，双模式光伏控制系统的软件设计要点可以作如下概括：

(1) 在最大功率点跟踪算法的设计过程中，采取扰动观察算法。本算法的主要思路为：周期性地增加或减少光伏阵列工作电压，达到最大功率点。在本算法中，本次采样电压等于前一次采样电压取值与电压扰动步长取值的和。在这一算法下，对其进行控制的核心策略在于：每间隔一定的时间，对光伏电池包括工作电压、输出电流在内的相关变量进行扰动施加作业，根据扰动后输出功率所产生的变化确定下一阶段对控制变量的扰动方案。为了能够显著改善整个双模式光伏控制系统最大功率点跟踪算法的效率，可以持续不断地重复对控制变量的扰动过程，达到最大功率点后，在最大功率点附近振荡。

(2) 在全桥逆变电路的设计过程中，引入了基于SPWM的控制策略。在并网工作模式下，控制系统逆变器通过并网电流单闭环的方式进行控制，根据最大功率点跟踪算法计算此阶段的并网电流参考值，同时，通过数字控制器对并网电流的实际取值进行采样，两者在PID运算下，根据计算结果实现对全桥逆变器开关管工作状态的控制；而在独立工作模式下，控制系统逆变器通过电感电流内环以及输出电压外环的方式进行控制，根据最大功率点跟踪算法，在解耦后进行控制。PID运算期间的电流参考值直接由系统设定，同样根据计算结果实现对全桥逆变器开关管工作状态的控制。

4 结语

本文首先针对双模式光伏控制系统的应用优势进行了分析，进而从供电电源设计、采样电路设计、逆变系统主电路设计、驱动电路设计四方面入手，探讨了该系统在硬件设计中的技术要点；从最大功率点跟踪算法设计、全桥逆变电路设计两方面入手，分析了该系统在软件设计中的技术要点，希望能有助于双模式光伏控制系统的进一步推广应用。

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2014-06-05

欧烨(1985—)，女，贵州人，助理工程师，主要从事风光功率控制和变电站综合自动化系统的研究开发工作。