楊志衛(wèi)，朱建華，高 俊

（浙江科技學(xué)院，浙江杭州310023）

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng),利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。小型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池組件、蓄電池、充放電控制器和正弦波逆變器四大部分組成，由于系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件,所以,光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,具有可靠、穩(wěn)定、壽命長、安裝維護(hù)簡便的顯著優(yōu)點(diǎn)。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合,因此，研究和開發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)科學(xué)的能量控制策略，提高能量利用率，是十分必要的。為此，本文設(shè)計(jì)了一種小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，以期對光伏發(fā)電技術(shù)作一些有益的探索。系統(tǒng)控制器采用了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT)技術(shù)和充電管理技術(shù)，以提高系統(tǒng)的效率并延長蓄電池的壽命。正弦波逆變器采用DC/DC變換和DC/AC逆變二級變換技術(shù)，以提高變壓器的利用率和系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率,降低系統(tǒng)成本；采用可編程低頻正弦波DDS單片電路，以保證信號源的精度和穩(wěn)定性；采用專業(yè)驅(qū)動(dòng)芯片，提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少了電路的復(fù)雜程度。本文重點(diǎn)介紹正弦波逆變部分。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方案

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

小型光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池組件、蓄電池、充放電控制器、正弦波逆變器等幾部分組成。控制系統(tǒng)由防反沖二極管、充電控制器、電流采樣電路、電壓采樣電路、場效應(yīng)管等組成；正弦波逆變器由DC/DC變換器、正弦信號發(fā)生器、精密整流電路、DC/AC逆變器等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

1.2 光伏電池組件

單體的太陽電池采用純度較高的晶硅棒，經(jīng)過切割、研磨、拋光等工序制成晶片，構(gòu)成太陽電池的基底部分，隨后在其表面擴(kuò)散與該材料異性的雜質(zhì)，構(gòu)成pn結(jié)[1]。表面擴(kuò)散層引出的電極為上電極，基底引出的電極為下電極。如果將上下電極與負(fù)載連接，將產(chǎn)生回路并向負(fù)載供電。單體的太陽電池只能提供約0.5 V的電壓，約20mA的電流，不能滿足實(shí)際用電的需要，實(shí)際使用時(shí)需要多個(gè)單體的太陽電池串并起來，并封裝在一個(gè)透明的外殼內(nèi)，形成特定的電池組件，這個(gè)特定的組件就是光伏電池組件。

1.3 蓄電池

蓄電池的作用是儲(chǔ)存太陽電池提供的電能，蓄電池成本占光伏發(fā)電系統(tǒng)初始設(shè)備成本的25%左右，如果對于蓄電池的充放電控制比較簡單，容易導(dǎo)致蓄電池提前失效，使系統(tǒng)的運(yùn)行成本增加。蓄電池一般并不能達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命，蓄電池運(yùn)行管理不合理是導(dǎo)致蓄電池提前失效的重要原因。因此科學(xué)的系統(tǒng)能量控制策略，對延長蓄電池使用壽命至關(guān)重要。

1.4 控制器

控制器的主要功能是保證系統(tǒng)能高效、可靠地工作。它包括最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT)系統(tǒng)、充電管理系統(tǒng)、蓄電池過充保護(hù)電路、過放保護(hù)電路、過流保護(hù)電路等。

MPPT系統(tǒng)是一種根據(jù)溫度和光強(qiáng)的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)電路的工作狀態(tài)，使太陽電池電能輸出最大化的電氣系統(tǒng)[2]。MPPT的控制過程是一個(gè)自尋優(yōu)過程，通過對太陽電池當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測，得到當(dāng)前太陽電池輸出功率，再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻功率相比較，舍小存大，再檢測，再比較，如此不停地周而復(fù)始，便可使陣列動(dòng)態(tài)地工作在最大功率點(diǎn)上。

電池充電管理系統(tǒng)是根據(jù)所選蓄電池的特性設(shè)計(jì)的，控制器采取了預(yù)充、快充、保持三個(gè)階段進(jìn)行充電管理。是否預(yù)充電由電池端電壓決定，當(dāng)電池端電壓已經(jīng)低于蓄電池允許的最低充電壓以下時(shí)需要預(yù)充電，其目的是當(dāng)電池過度放電后，充電時(shí)必須以小的電流進(jìn)行預(yù)充，使電池端電壓上升到最低允許充電電壓以上?？焖俪潆姴捎肕PPT模式向蓄電池充電，其電流值應(yīng)小于蓄電池的最大允許充電電流，當(dāng)單個(gè)電池單元電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓時(shí)，MPPT模式充電終止，充電電流快速遞減，充電進(jìn)入保持充電過程。保持充電是在電池兩端施加一個(gè)恒定的電壓，檢測充電電流，當(dāng)充電電流小于設(shè)定值時(shí)終止充電。

蓄電池對充放電要求很高，當(dāng)過充電、過放電、外部電路短路發(fā)生時(shí)，造成電池內(nèi)部的溫度上升，導(dǎo)致電池壽命縮短。因此，蓄電池設(shè)置充電、過放電、外部電路短路保護(hù)電路。

1.5 逆變器

逆變器是DC/AC轉(zhuǎn)換器，它能將電池組的直流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的220 V、50 Hz交流電或其它類型的交流電，供交流負(fù)載使用。

2 正弦波逆變器設(shè)計(jì)方案

2.1 正弦波逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本原理

正弦波逆變系統(tǒng)由蓄電池、DC/DC變換器、PWM控制電路、DC/AC逆變器、直流側(cè)過電流保護(hù)電路、交流側(cè)過電流保護(hù)電路等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

正弦波逆變器采用典型的二級變換，即DC/DC變換和DC/AC逆變。首先由DC/DC變換將DC 36 V電壓逆變?yōu)楦哳l方波，經(jīng)高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到一個(gè)穩(wěn)定的約310V直流電壓；然后再由DC/AC變換以正弦波逆變的方式，將穩(wěn)定的直流電壓逆變成脈寬調(diào)制波；再經(jīng)LC工頻濾波得到穩(wěn)定的有效值為220 V的50Hz交流電壓，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

2.2 DC/DC變換

由于變壓器原邊電壓為36 V,為了提高變壓器的利用率,降低成本,第一級采用DC/DC變換[3]，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用推挽式電路，原邊中心抽頭接蓄電池，兩端用開關(guān)管控制，交替工作，可以提高轉(zhuǎn)換效率。而推挽式電路用的開關(guān)器件少,雙端工作的變壓器的體積比較小,可提高占空比,增大輸出功率。

2.3 DC/DC逆變器的PWM控制電路

變壓器原邊的開關(guān)管S1和S2各采用IRF540、PWM控制電路芯片SG3524，SG3524是由鋸齒波振蕩器、誤差運(yùn)算放大器、控制放大器、比較器、觸發(fā)器、與非門及功率驅(qū)動(dòng)管組成。外部電阻Rt和電容Ct與芯片內(nèi)部的振蕩器控制線路共同組成一個(gè)鋸齒波振蕩器，鋸齒波振蕩器輸出頻率固定的鋸齒波。振蕩器的工作頻率由Rt和Ct決定；當(dāng)把這個(gè)三角波電壓送到電壓比較器的反相端與送到比較器的同相端的來自誤差放大器或控制放大器的輸出電壓進(jìn)行比較時(shí)，在比較器的輸出端將得到具有一定寬度的矩形電壓脈沖波。這樣只要適當(dāng)調(diào)節(jié)誤差放大器或控制放大器的輸入電壓，使輸出電壓按一定的規(guī)律上升或下降，其產(chǎn)生PWM方波所需的外圍線路很簡單。當(dāng)兩個(gè)輸出并聯(lián)使用時(shí),輸出脈沖的占空比為0～95%,脈沖頻率等于振蕩器頻率的1/2。當(dāng)關(guān)斷端加高電平時(shí),可實(shí)現(xiàn)對輸出脈沖的封鎖,與外電路適當(dāng)連接,則可以實(shí)現(xiàn)欠壓、過流保護(hù)功能。利用SG3524內(nèi)部自帶的運(yùn)算放大器調(diào)節(jié)其輸出的驅(qū)動(dòng)波形的占空比D，使D＞50%，然后經(jīng)過CD4011反向后，得到對管的驅(qū)動(dòng)波形的D＜50%，這樣可以保證兩組開關(guān)管驅(qū)動(dòng)時(shí)，有共同的死區(qū)時(shí)間。

2.4 DC/AC變換

2.4.1 正弦波的產(chǎn)生

正弦波產(chǎn)生電路采用M icro Linear公司的一款低頻正弦波DDS單片電路ML2035，它內(nèi)部主要由正弦信號產(chǎn)生、晶振和串行數(shù)字接口等部分組成。它的控制可以通過芯片的串行數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)，數(shù)字接口部分主要由移位寄存器和數(shù)據(jù)鎖存器組成。SID引腳上的16 bits（位）數(shù)據(jù)字在時(shí)鐘SCK的上升沿時(shí)被送入16 bits（位）的移位寄存器，在LATI的下降沿觸發(fā)下，送入移位寄存器的數(shù)據(jù)被鎖存進(jìn)數(shù)據(jù)鎖存器，LATI的下降沿應(yīng)該發(fā)生在SCI為“0”的電平期間。

正弦波信號發(fā)生器原理如圖4所示，圖中74HC4060是14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，在時(shí)鐘的下降沿計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)。ML2035的SID端為串行數(shù)據(jù)輸入端，經(jīng)74HC4060運(yùn)算后在Q5、Q8和二極管V構(gòu)成的頻率字控制電路中得到所要求的二進(jìn)制頻率字。ML2035的SCK接至Q4，為串行時(shí)鐘輸入端，上升沿有效。Q8的上升沿經(jīng)過微分電路產(chǎn)生一尖脈沖，接至ML2035的LATI，在其下降沿把SID端輸入的串行數(shù)據(jù)鎖存到ML2035的內(nèi)部數(shù)據(jù)鎖存器。

輸出正弦波信號的頻率f由頻率控制字D及晶振頻率fc決定，三者之間的關(guān)系為 D=f×223/fc[4]，若選晶振頻率為2.467 238MHz，輸出的正弦波頻率為50 Hz，可計(jì)算得到頻率控制字D=170，二進(jìn)制表示為下標(biāo)>決，三者之 10101010。頻率控制字產(chǎn)生的時(shí)序如圖5所示。

2.4.2 SPWM調(diào)制過程

正弦波信號產(chǎn)生后，一路經(jīng)過精密全波整流，得到饅頭波uc，另一路經(jīng)過比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波ub。uc與1 V基準(zhǔn)經(jīng)過加法器后得到ud，ud輸入到SG3524送到比較器的同相端，這樣ud和鋸齒波將在SG3524內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM波ue。分相電路用二塊四輸入與門CD4011組成。ub和ue加到分相電路后就可以得到驅(qū)動(dòng)信號uf和ug，再將uf和ug加到MOS管驅(qū)動(dòng)電路，就可以實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制。調(diào)制過程如圖6所示。

2.4.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用IR公司的專用芯片IR2110，該芯片是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具有快速完整的保護(hù)功能，因而它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少電路的復(fù)雜程度。IR2110的自舉電容[5]選擇不好，容易造成芯片損壞或不能正常工作。VB和VS之間的電容為自舉電容。自舉電容電壓達(dá)到8.3 V以上，才能夠正常工作，要么采用小容量電容，以提高充電電壓，要么直接在VB和VS之間提供10～20 V的隔離電源，本電路采用了1μF的自舉電容。為了減少輸出諧波，逆變器DC/AC部分一般都采用雙極性調(diào)制，即逆變橋的對管是高頻互補(bǔ)通和關(guān)斷的。驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

2.4.4 SPWM調(diào)制電路

如圖7所示，DC/AC變換采用單相輸出，全橋逆變形式，輸出使用工頻LC濾波。由4個(gè)IRF740構(gòu)成橋式逆變電路，IRF740最高耐壓400 V，電流10 A，功耗125W，利用半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110提供驅(qū)動(dòng)信號，其輸入波形由SG3524提供，同理可調(diào)節(jié)該SG3524的輸出驅(qū)動(dòng)波形的D＜50%，保證逆變的驅(qū)動(dòng)方波有共同的死區(qū)時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用30W太陽電池板2塊、36 V 50 Ah蓄電池組、控制器、逆變器及220 V 75W的白熾燈構(gòu)成系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，逆變系統(tǒng)輸出電壓波形平滑；輸出電壓穩(wěn)定在220 V，變換負(fù)載時(shí)未見有明顯的電壓波動(dòng)；輸出頻率為50 Hz，精度為1%。實(shí)驗(yàn)的電路波形如圖8所示。

圖8 輸出波形

4 結(jié)束語

本文介紹了一種小型光伏發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)電路主要由充電控制器、正弦波逆變器組成。充電電路實(shí)現(xiàn)了蓄電池的充電控制和太陽電池的一階最大功率點(diǎn)跟蹤；正弦波逆變電路采用DC/DC變換和DC/AC逆變二級變換技術(shù)、可編程低頻正弦波DDS單片電路和專業(yè)驅(qū)動(dòng)芯片。試驗(yàn)和運(yùn)行結(jié)果表明，此光伏發(fā)電系統(tǒng)具有效率高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),有一定的實(shí)用價(jià)值。

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