光伏并网逆变器控制设计

２０１３．１ Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１研 究 与 设 计收稿日期 ２０１２－０６－１７基金项目 省教育厅自然科学一般项目支持 （ＫＪ２０１１Ｂ１３６）作者简介 张为堂（１９７６ ）， 男， 安徽省人， 实验师， 硕士， 主要研究方向为电力电子技术及智能控制 。７１光伏并网逆变器控制设计张 为堂 ， 王 俊 ， 周 泽 华（合肥学院 机器视觉与智能控制技术重点实验室， 安徽 合肥 ２３０６０１ ）摘要 基于 Ｃ８０５１Ｆ００５ 单片机设计并实现光伏并网逆变器控制系统 。 系统由两块 ＩＲ２１１０ 驱动 ４ 个 ＩＲ５４０ 构成的 Ｈ 桥逆变电路， 直流电源经过 ＬＣ 滤波后实现逆变 。 详细介绍了主电路 、 保护电路 、 滤波电路 、 采样保护电路以及变压器的设计； 给出了具体的软件流程图； 经过测试系统压差百分数最大值是 ０．０１３４２２％， 最大频偏百分数为 ０．３４３％， 阻性负载下最大相差 ０．９１， 系统的效率达到了 ８３．００％， 完全达到或者超出了系统的设计要求 。关键词 光伏； 逆变器控制； Ｈ 桥逆变电路中图分类号 ＴＭ ９１４．４ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００２－０８７ Ｘ（２０１３）０１－００７１－０３Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ－ｔａｎｇ， ＷＡＮＧ Ｊｕｎ， ＺＨＯＵ Ｚｅ－ｈｕａ（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈｅｆｅｉ Ａｎｈｕｉ ２３０６０１）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｃ８０５１Ｆ００５ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｄｅｓｉｇｎ， ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｔｗｏ ｂｌｏｃｋｓ ｏｆ ＩＲ２１１０ ｄｒｉｖｅｒ ４ ＩＲ５４０ Ｈ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ＤＣｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＬＣ ｆｉｌｔｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ． Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｆｉｌｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ； ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ． Ａｆｔｅｒ ｔｅｓｔ， ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ０．０１３４２２％， ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｉｓ ０．３４３％， ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅｌｏａｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｎｇｌｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ０．９１， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｒｅａｃｈｅｓ ８３．００％， ｗｈｉｃｈ ｆｕｌｌｙ ｍｅｅｔ ｏｒｅｘｃｅｅｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＰＶ； Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｈ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ１ 设计要求光伏发电在现代社会发展的过程中扮演着越来越重要的作用， 研究光伏发电装置的设计有着比较重要的现实意义 。 现有一光伏逆变器设计要求如下（ １ ） 具有最大功率点跟踪 （ ＭＰＰＴ ） 功能 Ｒ Ｓ 和 Ｒ Ｌ 在给定范围内变化时， 使 Ｕ ｄ ＝１／２ Ｕ ｓ ， 相对偏差的绝对值不大于 １％ 。（ ２ ） 具有频率跟踪功能 当 ｆ ＲＥＦ 在给定范围内变化时， 使 ｕ Ｆ 的频率 ｆ Ｆ ＝ ｆ ＲＥＦ ， 相对偏差绝对值不大于 １％ 。（ ３ ） 当 Ｒ Ｓ ＝ Ｒ Ｌ ＝３０ Ω 时， ＤＣ－ＡＣ 变换器的效率 h ≥ ６０％ 。（ ４ ） 当 Ｒ Ｓ ＝ Ｒ Ｌ ＝３０ Ω 时， 输出电压 ｕ ｏ 的失真度 ＴＨＤ ≤ ５％ 。（ ５ ） 具有输入欠压保护功能， 动作电压 Ｕ ｄ（ｔｈ） ＝（２５ ０．５） Ｖ 。（ ６ ） 具有输出过流保护功能， 动作电流 Ｉ ｏ（ｔｈ） ＝（１．５ ０．２） Ａ 。２ 方案设计２．１ 设计思路其实上述设计要求的重点和难点在于如何在提高效率的前提下实现 ＭＰＰＴ 控制和频率相位的跟踪 。 本系统采用单片机控制输出电压和参考电压比较差来实现对输出电压的相位和频率的跟踪， 通过扰动法来实现 ＭＰＰＴ 最大功率点跟踪 ［１－２］ 。２．２ 系统结构光伏并网逆变器的硬件设计是整个系统设计的基础， 只有在系统硬件设计可行稳定可靠的前提下，其他控制方案才能得以继续 。 系统硬件主要包括 ＤＣ－ＡＣ 模块 、 驱动电路模块 、滤波电路 、 保护电路 、 频率相位跟踪电路 、 变压器设计电路等模块 。 整体结构框图如图 １ 所示 。３ 各功能模块的设计与实现３．１ ＤＣ－ＡＣ 模块本系统的逆变主电路图采用典型的 Ｈ 桥变换电路，选用的逆变主元器件是 ＩＲＦ５４０ ， 因为在导通状态下， 其通态阻值非常小 （仅为 ０．０４７ Ω ） ［３－４］ ， 这样可以在很大程度上减少损耗， 提高系统的效率， 主电路如图 ２ 所示 。３．２ 驱动电路设计驱动电路采用两块 ＩＲ２１１０ 驱动 ４ 个 ＩＧＢＴ 管 ＩＲＦ５４０ ， 因图 １ 系统结构框图２０１３．１ Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１研 究 与 设 计７２为 ＩＲ２１１０ 具有高 、 低压双通道输出，门电压在 １０ ～ ２０ Ｖ 之间， 悬浮通道用于驱动 ＭＯＳ 管时， 它的高压端电压上限可以达到 ６００ Ｖ ， 可见用于驱动是足够的， 其电路结构如图 ３ 所示 。３．３ 滤波电路设计滤波电路结构比较简单， 是一个普通的低通滤波器， 其中低通滤波器的截止频率 ｆ ｃ ＝ Ｒ ／２ ｌ ｆ ，滤波器导通条件 ０ ≤ wｌ ｆ ≤ Ｒ ，Ｒ ＝ （０．５￣０．８） Ｒ ｌ ， Ｒ ｌ 为变压器原边输入阻抗，由此可以推导出Ｃ ｆ ≥ ４ mＦ ， 选择 Ｃ ｆ ＝６．８ mＦ ， ２５０ Ｖ ， Ｌ ｆ ＝ Ｒ ２ Ｃ ｆ ， 故选 ３０ ｍＨ 。 结构如图 ４ 所示 。３．４ 保护电路设计电流取样电路采用霍尔式直流互感器反相端作为输入端， 同相端作为输出端， 此时输出电压随电流的增大而减小，输出电流在电阻 Ｒ １ 上的压降可以用来判断电路电流的大小，经过处理就可以控制 ＩＲ２１１０ 输出 ＰＷＭ 占空比来控制逆变电路的输出 。 达到欠压和过流保护的目的，电路结构如图 ５ 所示 。３．５ 频率跟踪电路设计通过保护电路取得的采样电压 Ｕ ｆ 通过 Ｒ ３ 耦合与给定的电压 Ｕ ｒｅｆ 相比较， 最后通过单片机来控制 ＰＷＭ 的占空比来实现对频率和相位的跟踪 。 频率跟踪电路如图 ６ 所示 。３．６ 工频变压器设计流过的最大电流为 ３ Ａ ， 取电流密度 Ｊ ＝４ Ａ／ｍｍ ２ ， 漆包线半径为 Ｒ ， 则由 Ｊ ＝ Ｉ ｌ ／ π Ｒ ２ 带入参数得 Ｒ ＝０．６３ ｍｍ ， 则直径为Ｄ ＝１．２６ ｍｍ ， 由于工作频率为 ５０ Ｈ Ｚ ， 制作中原边采用 Ｄ ＝１．２６ｍｍ 的漆包线多股细线并绕，副边采用 Ｄ ＝０．８０ ｍｍ 的漆包线多股细线并绕 。 原边匝数 Ｎ １＝５．５ １８＝９９ ； 副边匝数 Ｎ ２＝３６ ５．５＝１９９ 。４ 软件设计系统软件流程如图 ７ 。 其余的子程序包括电压采样 、 电流采样 、ＭＰＰＴ 、 频率 、 相位跟踪 、 欠压保护 、 过流保护 、 显示等诸多子程序， 这里面只给出了主程序流程图 。５ 系统测试以下表格分别是最大功率跟踪 、系统频率 、 系统相位以及加非阻性负载时候的实测数据 。（１） 系统的最大功率跟踪测试数据如表 １ 和表 ２ 所示 。（２） 频率跟踪测试数据如表 ３ 所示 。（３） 相角跟踪测试数据如表 ４ 所示 。（４） 感性负载下 （ Ｌ ＝ ８ ｍＨ ） 的情况下， 相角偏差为 １．４ 。（５） 系统的效率测试数据 （阻性负载） 如表 ５ 所示 。图 ２ 逆变主电路图图 ３ 主电路驱动电路图 ４ 滤波电路图图 ５ 保护和采样电路 “图 ６ 频率跟踪电路图 ７ 主程序软件流程图R R U R / U /V U [ U U / U ] 100/ 1 29.998 29.834 0.003 352 2 30.535 29.835 0.016 758 3 30.685 29.840 0.006 704 4 31.434 29.840 0.031 5 32.431 29.831 R R UR U /V U[ U U /U ] 100/ 1 29.999 29.821 0.010 056 2 30.630 29.824 0.013 412 3 30.780 29.828 0.003 353 4 31.540 29.829 0.006 706 5 32.421 29.851 ２０１３．１ Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１研 究 与 设 计７３由测试数据可知 系统在两种情况下 （ Ｒ ｓ 固定， Ｒ ｄ 可变或者是 Ｒ ｄ 固定， Ｒ ｓ 可变） 压差百分数最大值是 ０．０１３ ４２２％ ， 几乎就是不变，在电路结构不变的情况下，最大输入功率几乎不变， 完成了对最大功率的跟踪； 由表 ３ 和表 ４ 可以看出 在参考频率在指定范围内变化时， 频偏百分数最大值是 ０．３４３％ ， 完全满足小于 １％ 的要求， 系统的效率达到了 ８３％ ， 远超题目要求的基本指标 ６０％ ， 所以从测试的情况来看， 是超额完成了设计指标 。６ 结论综合测试证明，本系统能完成或者超额完成赛题要求的所有任务， 另外在硬件电路方面， 我们通过大量的实验有效地提高了系统的效率和稳定性，使得系统的性能得到很大的改善 。 另外增加了显示功能， 能够对逆变器的各种模式状态下的运行参数进行监控和相应参数显示 。参考文献［１］ 张超， 何湘宁， 赵德安 ． 光伏发电系统变步长 ＭＰＰＴ 控制策略研究［Ｊ］． 电力电子技术， ２００９ ， ４３ （ １０ ） ４７－４９．［２］ 翁炳文， 王山山 ． 全桥直流变换器在 ＭＰＰＴ 中的应用 ［Ｊ］． 机电工程， ２００８ ， ２５ （ ９ ） ８－１０．［３］ ＬＩＵ Ｆａｎｇ－ｒｕｉ， ＤＵＡＮ Ｓｈａｎ－ｘｕ， ＬＩＵ Ｆｅｉ， ｅｔ ａｌ． Ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｅｐ ｓｉｚｅＩＮＣ ＭＰＰＴ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２００８， ５５ （７）２６２２－２６２８．［４］ ＬＥＥ Ｊ Ｈ， ＢＡＥ Ｈ， ＣＨＯ Ｂ Ｈ． Ａｄｖａｎｃｅｄ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＭＰＰＴ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｉｔｈ ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｅｐ ｓｉｚｅ ［Ｃ］／／ＥＰＥ ＰＥＭＣ ０６．Ｐｏｒｔｉ－ｃｏｓ， Ｓｌｏｖｅｎｉａ ＰＥＭＣ ０６， ２００６６０３－６０７．f /Hz f/Hz f/Hz [ f /f *100]/ 1 46.00 45.97 0.03 0.065 2 47.00 46.84 0.16 0.343 3 49.00 48.89 0.11 0.224 4 50.00 49.98 0.02 0.040 5 51.00 50.88 0.12 0.235 f /Hz θ /1 46.00 0.81 2 47.00 0.83 3 49.00 0.86 4 50.00 0.82 5 51.00 0.91 U /V I /A P U I U/V I/A P U I η 100P/P/ 1 29.834 0.912 27.209 32.250 0.691 22.311 82.5 2 29.840 0.913 27.243 32.251 0.701 22.613 83.0 3 29.842 0.923 27.544 32.260 0.684 22.062 80.1