分布式發(fā)電用數(shù)字光伏控制系統(tǒng)研究

瞿 立，戴大海

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210000；2.南京中興軟件有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000)

分布式發(fā)電用數(shù)字光伏控制系統(tǒng)研究

瞿 立1，戴大海2

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210000；2.南京中興軟件有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000)

為了解決戶外交流負(fù)載用電能源的需求，本文研究分布式發(fā)電用數(shù)字光伏控制系統(tǒng)進行離線發(fā)電?？刂葡到y(tǒng)基于高速單片機，控制策略采用SPWM控制，利用單片機的PWM模塊實現(xiàn)正弦脈寬波形輸出。由實驗結(jié)果可知，研究的控制系統(tǒng)是可行有效的，輸出電壓經(jīng)低通濾波后可得到正弦度高的交流電，電壓畸變率和頻率誤差小，滿足使用要求。

光伏；分布式發(fā)電；高速單片機；數(shù)字控制

由于傳統(tǒng)能源的枯竭和人們對環(huán)境的重視，電力系統(tǒng)正面臨著巨大變革，分布式發(fā)電將成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1，2]。其中，光伏發(fā)電被認(rèn)為是技術(shù)含量高、最有發(fā)展前途的技術(shù)之一[3]。光伏控制器是使直流電力從太陽能電池等直流電源變換到高質(zhì)量的交流電源，以滿足交流負(fù)載所要求電壓和頻率的電力變換[4-6]。光伏控制器的性能直接影響著光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的高低，同時光伏控制器也將向著體積更小、效率更高、性能指標(biāo)更優(yōu)越的方向發(fā)展。

本文主要研究對于分布式發(fā)電系統(tǒng)中的離線數(shù)字光伏控制系統(tǒng)，基于高速單片機控制輸出正弦PWM波，經(jīng)光耦驅(qū)動橋式逆變電路，濾波后可得工頻正弦交流電供負(fù)載使用。

1 單相數(shù)字光伏控制系統(tǒng)方案

如圖1所示，數(shù)字光伏控制系統(tǒng)主要由幾個子電路組成：單片機控制電路，作用是產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖，以控制逆變電路模塊的功率管開通和斷開，使之配合輸出逆變交流功能。驅(qū)動電路，為防止直流高電壓對控制信號的干擾，來自當(dāng)單片機的控制信號經(jīng)光電耦合器輸出隔離后的控制脈沖。橋式逆變器電路，功能是將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電，通過控制逆變器電路的功率管按控制策略開關(guān)工作，從而使逆變器輸出滿足要求的電壓頻率或電壓幅值。濾波電路，將輸出的PWM脈沖電壓諧波成分過濾掉，得到所需工頻交流電。

圖1 數(shù)字光伏控制系統(tǒng)整體框圖

1.1 控制電路的設(shè)計

控制電路硬件選用單片機STC12C5A60S2，它是單時鐘機器周期的單片機，是具有低功耗、超高速、超強抗干擾特點的單片機，指令代碼兼容傳統(tǒng)8051單片機，但速度比8051單片機快8～12倍。它內(nèi)部有2路PWM模塊，可以用于逆變電路的控制，使用方便，外設(shè)器件少，適合小體積控制系統(tǒng)。

1.2 驅(qū)動電路的設(shè)計

驅(qū)動電路是一個二端接口電路，包含四個隔離獨立的供電模塊，提供逆變模塊驅(qū)動電源，使前端的信號是完全隔離的，提高安全性，減少電路的干擾，簡化電路設(shè)計。

圖2是驅(qū)動電路中單個功率管驅(qū)動電路原理圖，其它的功率管驅(qū)動的原理相同。UF0為保護信號端口，逆變電路正常工作時為高電平1，當(dāng)電路出現(xiàn)故障需要保護時，UF0轉(zhuǎn)變?yōu)?電平。當(dāng)處于正常的情況下，高速光電耦合器N8的輸入是高電平，輸出也是高電平，與非門N12D的11腳為低電平，8腳為高電平。正常工作時，與非門N12A的1腳為高電平，3腳為低電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光耦A(yù)4504導(dǎo)通，并使6腳輸出高電平，接到IGBT的柵極，IGBT開通。

圖2 單個功率管驅(qū)動電路原理圖

當(dāng)電路不處于正常工作狀態(tài)時，故障信號UFo返回低電平，與非門N12A的2腳為低電平，3腳為高電平，此時無論1腳輸入的任何電平，輸出均封鎖。光耦A(yù)4504截止，并使6腳輸出低電平，接到IGBT的柵極讓IGBT關(guān)斷。

1.3 橋式逆變器電路設(shè)計

逆變器的直流側(cè)根據(jù)電源的不同性質(zhì)可分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器，常見的電路形式為電壓源，直流側(cè)并聯(lián)大電容。因而直流側(cè)電壓基本無震蕩，直流回路阻抗較低。考慮到主電路結(jié)構(gòu)盡量減少電路中寄生中的電容、電感值，采用PM75RLA120作為主電路的開關(guān)模塊器件，這樣可以減小整個逆變電源的體積，提高系統(tǒng)的可靠性。

1.4 濾波電路設(shè)計

最簡單常用的輸出濾波器是RC低通濾波器，只要R和C的理論值設(shè)計符合要求，可以輸出一個非常接近正弦波形的電壓。低通濾波器的幅頻相頻特性公式為：

φ(f)=-arctg(2πfτ) .

其中，τ=RC，為時間常數(shù)?？芍ㄟ^適當(dāng)?shù)倪x擇R與C的參數(shù)，讓f很小時，A(f)=1，低頻交流信號不受衰減的通過，而濾除高頻開關(guān)信號。

1.5 光伏電路設(shè)計

光伏電池的輸出電壓和電流會隨著光照的不同而變化，為了讓光伏電池組件輸出的功率達到最大利用的程度，可使用采用最大功率點跟蹤方法。光伏組件串并聯(lián)后的直流電壓仍然較低，使用DC/DC升壓變換器將不穩(wěn)定的直流低電壓變換穩(wěn)定工作在230V左右，提供逆變電路的直流母線電壓。

2 單相數(shù)字光伏控制軟件設(shè)計

微控制器用于生成高精確失真度的SPWM波形，用KeilC51編程語言，從主程序整個程序和鍵盤可編程的中斷程序和子程序PCA中斷。進入主系統(tǒng)初始化SPWM脈寬計算程序之后計算相應(yīng)的脈沖寬度，形成一個正弦表，響應(yīng)于不同的中斷等待中斷標(biāo)志。由于SPWM波是連續(xù)輸出PCA中斷必須設(shè)置為最高級別。一旦PCA中斷標(biāo)志被轉(zhuǎn)移到執(zhí)行中斷程序?？刂栖浖傮w流程圖如圖3所示。

圖3 控制軟件總體流程圖

單片機產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波的基本原理：將載波周期數(shù)值賦給PCA模塊l的16位捕獲/比較模塊寄存器CCAP1H(高8位)和CCAP1L(低8位)，PCA定時器的值CH(高八位)、CL(低八位)與模塊捕獲寄存器的值相比較，當(dāng)兩者相等時，產(chǎn)生PCA中斷。在中斷中，調(diào)用模塊0的PWM脈寬調(diào)節(jié)模式，將下一個SPWM波的脈寬通過CCAP0H裝載到CCAPOL中，這樣就可以實現(xiàn)無干擾的SPWM脈沖。

3 實驗結(jié)果

為驗證本文設(shè)計的數(shù)字光伏控制系統(tǒng)的正確性，對設(shè)計的基于STC12C5A60S2高速單片機的軟硬件系統(tǒng)進行測試。

圖4是經(jīng)過SPWM脈沖控制后的交流電壓波形。在每個固定的交流周期內(nèi)，軟件實時計算，由不同脈寬數(shù)值組成一個正弦表格的形式，正弦表數(shù)據(jù)存入STC單片機的ROM中以供其調(diào)用，將第一個脈寬值裝入CCAP0H寄存器，開PCA模塊中斷及低壓檢測中斷，開總中斷，啟動PCA計數(shù)。當(dāng)16位計數(shù)器/定時器的數(shù)值與模塊1中捕獲/比較寄存器的數(shù)值相等時，產(chǎn)生一個CCF中斷；在中斷程序中，清中斷標(biāo)志位，重新給模塊1的捕獲寄存器CCAP1H(高八位)、CCAP1L(低八位)送入載波周期的高八位和第八位數(shù)值，將16位計數(shù)器定時器CH、CL清零，中斷次數(shù)自動加1，將下一個脈寬數(shù)值裝入CCAPOH以備比較。一直到最大的數(shù)值比較后，完成一個循環(huán)，單片機將不斷產(chǎn)生隨著正弦規(guī)律變化的脈寬，從而得到準(zhǔn)確的SPWM波。圖中可以看出，交流波形周期約為20ms，電壓幅值約為230V。

圖4 經(jīng)過SPWM脈沖控制后的交流電壓波形

圖5 經(jīng)過RC濾波后的交流電壓波形

圖5是由圖4經(jīng)過RC低通濾波后的交流電壓波形，因圖4中包含高頻的直流載波成分，為一連串的高頻脈沖，經(jīng)低通濾波消除高頻干擾后，輸出穩(wěn)定的正弦交流波形，交流電源為220V，周期為20ms。

4 結(jié)論

本文研究以高速單片機數(shù)字控制為核心的單相光伏離線發(fā)電系統(tǒng)，通過單片機的PWM模塊實現(xiàn)SPWM控制技術(shù)，經(jīng)過驅(qū)動電路與功率電路后實現(xiàn)將光伏直流電源轉(zhuǎn)換成正弦交流電壓輸出，提供給分布式交流負(fù)載電源。該系統(tǒng)體積小，控制響應(yīng)速度快，可靠性及效率高，可廣泛用于戶外新能源利用與使用等場合。

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Study on Digital Photovoltaic Control System for Distributed Generation

Qu Li1, Dai Dahai2

(1.NanjingPowerSupplyCompany,JiangsuElectricPowerCompany,StateGrid,NanjingJiangsu210000,China；2.NanjingZTESoftwareLimitedLiabilityCompany,NanjingJiangsu210000,China)

To address the outdoor AC load demand of electric energy, the offline power with digital solar control system for distributed generation is studied in the paper. The control system is based on high-speed microcontroller and the control strategy adopts SPWM control to realize the sinusoidal pulse-width waveforms output with the using of single-chip microcomputer PWM module. The experimental results show that the researched control systems are feasible and effective; the output voltage after low-pass filter can get high sinusoidal AC voltage which distortion and frequency error are small and can satisfy the requirements.

photovoltaic; distributed generation; high-speed microcontroller; digital control

2017-03-07

瞿 立(1985- )，女，江蘇太倉人，大學(xué)本科，研究方向：變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

1674- 4578(2017)02- 0086- 03

TM615

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