中心議題：
- 光伏逆變電源系統(tǒng)的高效設計指南
解決方案
- 設計系統(tǒng)的工作電路包括充電控制、蓄電池以及逆變器的設計
- 設計系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)
隨著能源消費的增長、日益惡化的生態(tài)環(huán)境和人類環(huán)保意識的提高，世界各國都在積極尋找一種可持續(xù)發(fā)展且無污染的新能源。太陽能作為一種高效無污染的綠色新能源，一種未來常規(guī)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(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學轉(zhuǎn)換三種形式，光電轉(zhuǎn)換（即光伏技術）是最有發(fā)展前途的一種。
1 系統(tǒng)的工作原理及其電路設計
光伏系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示：
由圖1可知，整個系統(tǒng)包含充電和逆變兩個主要環(huán)節(jié)。太陽電池是本系統(tǒng)賴以工作的基礎，它的效率直接決定系統(tǒng)的效率。
1.1 充電控制部分
1.1.1 太陽電池的工作特性
太陽電池作為光伏系統(tǒng)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系，圖2、圖3分別給出了太陽電池溫度在25℃時，工作電壓、電流和日照的關系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，由于太陽電池的 工作效率等于輸出功率與投射到太陽電池面積上的功率之比，為了提高本系統(tǒng)的工作效率，必須盡可能地使太陽電池工作在最大功率點處，這樣就可以以功率盡可能 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可知，系統(tǒng)首先采用太陽電池陣列對蓄電池進行充電，以化學能的形式將太陽能儲存在蓄電池中。在這個過程中，通常采用自尋最優(yōu)控制方式使太陽電池在最大功率點處工作。整個控制過程可以分解成兩個階段進行：
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(wěn)定在Uref。
這兩個階段是由控制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(xiàn)的。[page]
1.2 逆變器設計
1.2.1 逆變電路設計
正弦波逆變環(huán)節(jié)采用單相全橋電路，用IGBT作逆變電路的功率器件。IGBT是電壓控制型器件，它集功率MOSFET和雙極型晶體管的優(yōu)點于一體，具有驅(qū)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(qū)大、工作可靠性高等優(yōu)點。逆變器將蓄電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為50Hz的SPWM波，再經(jīng)過濾波電感和工頻變壓器將其轉(zhuǎn)換為220V的標準正弦波電壓，采用這種方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并且能有效地抑制波形中的高次諧波成分。
逆變器的工作方式采用SPWM控制方式，預先將0～360°的正弦值制成表格預存在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，由于雙極性SPWM控制產(chǎn)生的正弦波，其中的諧波含量和開關損耗均大于單 極性，故本系統(tǒng)采用的是單極性SPWM控制。
1.2.2 控制核心
圖4是系統(tǒng)的控制框圖，控制芯片80C196MC是INTEL公司繼MCS96之后，于1992年推出的真正16位單片機，其數(shù)據(jù)處理能力更強，指令的執(zhí) 行速度更快，尤其是其內(nèi)部集成了最具特色的三相波形發(fā)生器(WG)單元，大大簡化了用于SPWM波形發(fā)生的軟件和外部硬件，從而使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)部設有死區(qū)發(fā)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 系統(tǒng)穩(wěn)壓控制
為了提供滿足精度要求的電壓，必須采取相應的系統(tǒng)穩(wěn)壓控制方法，其控制框圖見圖5。
穩(wěn)壓控制是通過在80C196MC的片內(nèi)外設裝 置——波形發(fā)生器(WG)產(chǎn)生中斷來實現(xiàn)的，其中反饋電壓的測取是在中斷時完成的。其控制方式采用反饋控制和前饋控制相結(jié)合的復合控制方式。再者，本系統(tǒng) 在常規(guī)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的基礎上，提出了分段變系數(shù)PI調(diào)節(jié)器，即當系統(tǒng)的偏差較大時，積分系數(shù)(KI)和比例系數(shù)(KP)較大；當系統(tǒng)的偏差較小時，積分 系數(shù)和比例系數(shù)也較小。所以，這種控制方式既可保證系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，又能滿足一定的靜態(tài)穩(wěn)壓精度。
完整的主電路拓樸結(jié)構(gòu)如圖6所示。
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2 系統(tǒng)的軟件設計
本系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，包括主程序模塊、WG模塊、PI調(diào)節(jié)模塊和MPPT模塊等。
其中主程序模塊完成系統(tǒng)的初始化，各單元賦初值，判斷有無運行信號及對各種故障的判斷。同時，為避免啟動時出現(xiàn)過大的峰值電流，系統(tǒng)采用軟啟動方式，使輸出電壓呈斜坡上升至給定值。
WG中斷模塊主要是從正弦表中取出相應的正弦值，然后送入WG－COMPX寄存器，從而得到不同脈寬的SPWM波。
PI調(diào)節(jié)模塊主要是使系統(tǒng)輸出電壓在突加負載時迅速穩(wěn)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(jié)果
基于上述控制思想，已成功研制出一系列大功率樣機。對于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(jié)語
實驗證明此種設計方法是可行的。
