中心議題：

• 光伏逆變電源係統的高效設計指南

解決方案

• 設計係統的工作電路包括充電控製
  、蓄電池以及逆變器的設計
• 設計係統的軟件係統
  

隨著能源消費的增長、日益惡化的生態環境和人類環保意識的提高，世界各國都在積極尋找一種可持續發展且無汙染的新能源。太陽能作為一種高效無汙染的綠色新能源，一種未來常規能源的替代品，尤其受到人們的重視。太陽能的直接應用主要有光熱轉換、光電轉換和光化學轉換三種形式，光電轉換（即光伏技術）是最有發展前途的一種。

1  係統的工作原理及其電路設計

光伏係統的總體框圖如圖1所示：

由圖1可知，整個係統包含充電和逆變兩個主要環節。太陽電池是本係統賴以工作的基礎，它的效率直接決定係統的效率。

1.1 充電控製部分

1.1.1 太陽電池的工作特性
太陽電池作為光伏係統的基礎，其工作特性，包括工作電壓和電流與日照
、太陽電池溫度等有著密切的關係，圖2、圖3分別給出了太陽電池溫度在25℃時
，工作電壓、電流和日照的關係曲線及太陽電池的輸出功率和日照（S）

、U之間的曲線。

從圖2可以看出
，曲線上任一點處的功率為P=UI，其值除和U、I有關外，還與日照（S）

、太陽電池溫度等有關。由圖3進一步可知
，由於太陽電池的 工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)等(deng)於(yu)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)與(yu)投(tou)射(she)到(dao)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)麵(mian)積(ji)上(shang)的(de)功(gong)率(lv)之(zhi)比(bi)，為(wei)了(le)提(ti)高(gao)本(ben)係(xi)統(tong)的(de)工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)，必(bi)須(xu)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)使(shi)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)工(gong)作(zuo)在(zai)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)處(chu)


，這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)以(yi)功(gong)率(lv)盡(jin)可(ke)能(neng) 小的太陽電池獲得最多的功率輸出。在圖2和圖3中，A、B
、C、D、E點分別對應不同日照時的最大功率點。

1.1.2 太陽電池的最大功率點跟蹤（MPPT）

由圖1可ke知zhi
，係xi統tong首shou先xian采cai用yong太tai陽yang電dian池chi陣zhen列lie對dui蓄xu電dian池chi進jin行xing充chong電dian，以yi化hua學xue能neng的de形xing式shi將jiang太tai陽yang能neng儲chu存cun在zai蓄xu電dian池chi中zhong。在zai這zhe個ge過guo程cheng中zhong，通tong常chang采cai用yong自zi尋xun最zui優you控kong製zhi方fang式shi使shi太tai陽yang電dian池chi在zai最zui大da功gong率lv點dian處chu工gong作zuo。整zheng個ge控kong製zhi過guo程cheng可ke以yi分fen解jie成cheng兩liang個ge階jie段duan進jin行xing：

1）確定出太陽電池工作在最大功率點時的輸出電壓值Uref；
2）改變太陽電池對蓄電池的充電電流使太陽電池的輸出電壓穩定在Uref。

這兩個階段是由控製電路通過檢測太陽電池的輸出電壓和電流
，采用逐次比較法來實現的。[page]

1.2 逆變器設計

1.2.1 逆變電路設計
正弦波逆變環節采用單相全橋電路，用IGBT作逆變電路的功率器件。IGBT是電壓控製型器件，它集功率MOSFET和雙極型晶體管的優點於一體
，具有驅動電路簡單
、電壓和電流容量大、工作頻率高、開關損耗低、安全工作區大、工作可靠性高等優點。逆變器將蓄電池輸出的直流電壓轉換成頻率為50Hz的SPWM波，再經過濾波電感和工頻變壓器將其轉換為220V的標準正弦波電壓，采用這種方式係統結構簡單，並且能有效地抑製波形中的高次諧波成分。

逆變器的工作方式采用SPWM控製方式，預先將0～360°的正弦值製成表格預存在EPROM中。開關模式信號是利用正弦波參考信號與一個三角載波 信號互相比較來生成的

，主要有單極性和雙極性兩種類型，在開關頻率相同的情況下

，由於雙極性SPWM控製產生的正弦波，其中的諧波含量和開關損耗均大於單 極性，故本係統采用的是單極性SPWM控製。

1.2.2    控製核心    
圖4是係統的控製框圖，控製芯片80C196MC是INTEL公司繼MCS96之後，於1992年推出的真正16位單片機，其數據處理能力更強
，指令的執 行速度更快，尤其是其內部集成了最具特色的三相波形發生器(WG)單元，大大簡化了用於SPWM波形發生的軟件和外部硬件，從而使整個係統結構更加簡單。 為了使輸出信號和它的互補信號不致同時有效，在芯片的內部設有死區發生器電路，從而避免了同一橋臂上的IGBT上下直通
，保護了IGBT。


 

1.2.3    係統穩壓控製    
為了提供滿足精度要求的電壓，必須采取相應的係統穩壓控製方法
，其控製框圖見圖5。

穩壓控製是通過在80C196MC的片內外設裝 置——波形發生器(WG)產chan生sheng中zhong斷duan來lai實shi現xian的de，其qi中zhong反fan饋kui電dian壓ya的de測ce取qu是shi在zai中zhong斷duan時shi完wan成cheng的de。其qi控kong製zhi方fang式shi采cai用yong反fan饋kui控kong製zhi和he前qian饋kui控kong製zhi相xiang結jie合he的de複fu合he控kong製zhi方fang式shi。再zai者zhe，本ben係xi統tong 在常規數字PI調節器的基礎上
，提出了分段變係數PI調節器，即當係統的偏差較大時，積分係數(KI)和比例係數(KP)較大；當係統的偏差較小時，積分 係數和比例係數也較小。所以
，這種控製方式既可保證係統的動態響應速度，又能滿足一定的靜態穩壓精度。    

完整的主電路拓樸結構如圖6所示。
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2   係統的軟件設計

本係統軟件采用模塊化設計，包括主程序模塊、WG模塊、PI調節模塊和MPPT模塊等。

qizhongzhuchengxumokuaiwanchengxitongdechushihua，gedanyuanfuchuzhi
，panduanyouwuyunxingxinhaojiduigezhongguzhangdepanduan。tongshi，weibimianqidongshichuxianguodadefengzhidianliu，xitongcaiyongruanqidongfangshi，shishuchudianyachengxieposhangshengzhigeidingzhi。

WG中斷模塊主要是從正弦表中取出相應的正弦值，然後送入WG－COMPX寄存器
，從而得到不同脈寬的SPWM波。

PI調節模塊主要是使係統輸出電壓在突加負載時迅速穩定為220V。

MPPT模塊主要是完成太陽電池的最大功率點跟蹤。

3  試驗結果    

基於上述控製思想，已成功研製出一係列大功率樣機。對於10kW的樣機，其效率η≥85％，頻率精度≤0.1％,輸出電壓精度≤0.5％,其空載和帶負載時的電壓波形分別如圖7和圖8所示。



4  結語    

實驗證明此種設計方法是可行的。