1 引言

本文針對(duì)戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。將獨(dú)立逆變與并網(wǎng)逆變相結(jié)合，使系統(tǒng)既可以工作在獨(dú)立逆變狀態(tài)， 將儲(chǔ)存在蓄電池組中的能量直接逆變?yōu)檎医涣麟姙樨?fù)載供電， 也可以工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)， 將太陽(yáng)能量直接回饋到電網(wǎng)或者將儲(chǔ)存在蓄電池中的多余能量回饋到電網(wǎng)。系統(tǒng)采用32位DSP芯片TMS320F2812構(gòu)成控制核心，利用單片機(jī)PIC16F877A構(gòu)成系統(tǒng)的人機(jī)界面。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能、鍵盤(pán)通訊和液晶顯示功能， 為家庭使用提供了方便。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性，本文針對(duì)獨(dú)立與并網(wǎng)的雙重功能進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

逆變系統(tǒng)是將直流電變換成交流電，其核心是逆變電路，即通過(guò)電力電子器件的開(kāi)通與關(guān)斷，完成逆變功能。電力電子器件的開(kāi)通與關(guān)斷需要合適的控制信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，本文所設(shè)計(jì)的逆變系統(tǒng)主要由主電路、控制電路、保護(hù)電路、通訊電路、輔助電源、輸入濾波、輸出濾波等幾部分組成。逆變系統(tǒng)采用的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，控制核心選用TI公司TMS320F2812 DSP芯片。

3 主電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

逆變器的主電路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，根據(jù)本系統(tǒng)的控制目標(biāo)，采用單相全橋型帶有工頻隔離變壓器的主電路結(jié)構(gòu)，輸入端加入了防反二極管與限流電阻，主電路原理圖如圖2所示。

當(dāng)工作在獨(dú)立逆變模式的時(shí)候，采用LC濾波;當(dāng)逆變器工作在并網(wǎng)模式的時(shí)候，為了減少電容濾波對(duì)相位的影響采用L濾波，將電容C通過(guò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

考慮到容量與頻率等因素，系統(tǒng)主電路的開(kāi)關(guān)管選擇電力MOSFET。其中，濾波電感的選擇要盡可能濾除調(diào)制波的高次諧波分量，提高輸出波形質(zhì)量，濾波電感的高頻阻抗與濾波電容的高頻阻抗相比不能過(guò)低，即濾波電感的感值不能太小。為滿足輸出波形質(zhì)量，要求一個(gè)采樣周期中，電感電流的最大變化量小于允許的電感電流紋波△ILfmax。濾波電容的作用是和濾波電感一起濾除輸出電壓中的高次諧波，從而改善輸出電壓的波形，濾波電容越大輸出電壓的THD值越小。然而從電路來(lái)看，在輸出電壓不變的情況下，增大濾波電容會(huì)使濾波電容的電流增加，逆變器的無(wú)功能量增大，損耗增加，效率降低，因此，濾波電容又不宜太大。所以，濾波電容的選取原則是在保證輸出電壓的THD值滿足要求的情況下，取值盡量小。同時(shí)應(yīng)盡可能使用高頻特性較好、損耗較小的CBB電容[4]。本文設(shè)計(jì)的逆變器的功率器件開(kāi)關(guān)頻率為15kHz，設(shè)計(jì)截止頻率fC為2kHz。考慮到系統(tǒng)裕量，經(jīng)計(jì)算與綜合考慮，選擇濾波電感9mH，濾波電容3μF。

4 控制電路結(jié)構(gòu)及控制策略

控制電路主要包含：信號(hào)檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路，通訊電路四個(gè)部分，如圖3所示。

控制策略主要采用PI控制。其中，獨(dú)立逆變采用電壓平均值外環(huán)和電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方案，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出;并網(wǎng)逆變采用CVT型最大功率點(diǎn)跟蹤，通過(guò)電壓的實(shí)時(shí)跟蹤產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的參考電流，電流內(nèi)環(huán)采用瞬時(shí)值反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能量饋入電網(wǎng)。

4.1獨(dú)立逆變控制

獨(dú)立逆變采用電壓平均值外環(huán)、電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制框圖如圖4所示。其中，電壓平均值外環(huán)調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)，電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器為P調(diào)節(jié)。輸出電壓平均值反饋值Uf和電壓給定信號(hào)Ug的誤差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器形成電壓內(nèi)環(huán)的幅值給定，然后乘以離散的正弦表格數(shù)據(jù)，形成離散的正弦電壓信號(hào)作為電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)的給定，電壓瞬時(shí)值給定值與反饋值的誤差信號(hào)再經(jīng)過(guò)P調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，將此信號(hào)寫(xiě)入到DSP內(nèi)部的比較寄存器CMPR1、CMPR2，與三角載波比較后產(chǎn)生4路PWM1~ PWM4開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制主電路中功率器件的通斷。產(chǎn)生的高頻SPWM信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出LC濾波器濾波后產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波輸出電壓，然后經(jīng)升壓變壓器升壓至220V/50Hz，保證了輸出電壓的穩(wěn)定。

4 獨(dú)立逆變控制框圖

4.2 并網(wǎng)逆變控制

(1)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)

并網(wǎng)逆變采用直流電壓外環(huán)、并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制策略。其中，直流電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏組件的最大功率點(diǎn)跟蹤，其輸出為并網(wǎng)電流的幅值給定。系統(tǒng)首先檢測(cè)電網(wǎng)電壓頻率、相位，經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)節(jié)使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位，并網(wǎng)電流給定值乘以離散的正弦表格數(shù)據(jù)作為并網(wǎng)電流給定值 ，電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器。將P調(diào)節(jié)器的輸出值寫(xiě)入CMPR1、CMPR2，與三角載波比較后產(chǎn)生4路PWM1~PWM4信號(hào)，控制主電路中功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，產(chǎn)生的高頻SPWM信號(hào)經(jīng)過(guò)電感L濾波后產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦并網(wǎng)電流，經(jīng)電感L濾波后向電網(wǎng)輸入同頻同壓的并網(wǎng)電流，并網(wǎng)逆變控制框圖如圖5所示。

(2)蓄電池并網(wǎng)

為了將蓄電池中多余的能量回饋到電網(wǎng)，必須使系統(tǒng)工作在蓄電池并網(wǎng)狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，并網(wǎng)電流大小是由蓄電池的放電曲線決定的[8]。為了合理保護(hù)蓄電池，防止放電電流過(guò)大和蓄電池過(guò)放，本文通過(guò)實(shí)時(shí)采樣蓄電池的端電壓和放電電流，將蓄電池能量回饋到電網(wǎng)。蓄電池并網(wǎng)控制框圖見(jiàn)圖6所示。

5 通訊部分

通訊部分主要是完成系統(tǒng)的狀態(tài)顯示與參數(shù)設(shè)定，本系統(tǒng)中上位機(jī)采用Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)PIC16F877A，它與TMS320F2812的串口通訊采用RS-485通信協(xié)議，通過(guò)兩個(gè)MAX485芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交換，通訊原理示意圖如圖7所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括四個(gè)部分：主程序，定時(shí)器中斷程序，捕捉中斷程序，功率保護(hù)中斷程序。其中，主程序主要是檢測(cè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)是否正常及上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令，同時(shí)等待中斷的到來(lái);定時(shí)器中斷主要是完成AD檢測(cè)及SPWM的產(chǎn)生;捕捉中斷主要是完成并網(wǎng)逆變中的鎖相目的，保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同步。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

逆變器處于獨(dú)立逆變時(shí)，帶電阻性負(fù)載，輸出功率約為210W，逆變器輸出電壓、電流波形如圖8所示。逆變器處于并網(wǎng)模式工作時(shí)，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓波形如圖9所示，圖中紫色為電網(wǎng)電壓波形，綠色為并網(wǎng)電流波形，兩者同頻同相，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)的單位功率因數(shù)。

由圖8可知，逆變器工作在獨(dú)立逆變狀態(tài)時(shí)，可以輸出理想的正弦電壓波形;從圖9可知，逆變器并網(wǎng)時(shí)的輸出電流與電網(wǎng)電壓基本同頻同相，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)時(shí)的單位功率因數(shù)。