分布式发电用数字光伏控制系统研究

瞿 立，戴大海

(1.国网江苏省电力公司南京供电公司，江苏 南京 210000；2.南京中兴软件有限责任公司，江苏 南京 210000)

分布式发电用数字光伏控制系统研究

瞿 立1，戴大海2

(1.国网江苏省电力公司南京供电公司，江苏 南京 210000；2.南京中兴软件有限责任公司，江苏 南京 210000)

为了解决户外交流负载用电能源的需求，本文研究分布式发电用数字光伏控制系统进行离线发电。控制系统基于高速单片机，控制策略采用SPWM控制，利用单片机的PWM模块实现正弦脉宽波形输出。由实验结果可知，研究的控制系统是可行有效的，输出电压经低通滤波后可得到正弦度高的交流电，电压畸变率和频率误差小，满足使用要求。

光伏；分布式发电；高速单片机；数字控制

由于传统能源的枯竭和人们对环境的重视，电力系统正面临着巨大变革，分布式发电将成为未来电力系统的发展方向[1，2]。其中，光伏发电被认为是技术含量高、最有发展前途的技术之一[3]。光伏控制器是使直流电力从太阳能电池等直流电源变换到高质量的交流电源，以满足交流负载所要求电压和频率的电力变换[4-6]。光伏控制器的性能直接影响着光伏发电系统效率的高低，同时光伏控制器也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。

本文主要研究对于分布式发电系统中的离线数字光伏控制系统，基于高速单片机控制输出正弦PWM波，经光耦驱动桥式逆变电路，滤波后可得工频正弦交流电供负载使用。

1 单相数字光伏控制系统方案

如图1所示，数字光伏控制系统主要由几个子电路组成：单片机控制电路，作用是产生和调节一系列的控制脉冲，以控制逆变电路模块的功率管开通和断开，使之配合输出逆变交流功能。驱动电路，为防止直流高电压对控制信号的干扰，来自当单片机的控制信号经光电耦合器输出隔离后的控制脉冲。桥式逆变器电路，功能是将直流电压转换成交流电，通过控制逆变器电路的功率管按控制策略开关工作，从而使逆变器输出满足要求的电压频率或电压幅值。滤波电路，将输出的PWM脉冲电压谐波成分过滤掉，得到所需工频交流电。

图1 数字光伏控制系统整体框图

1.1 控制电路的设计

控制电路硬件选用单片机STC12C5A60S2，它是单时钟机器周期的单片机，是具有低功耗、超高速、超强抗干扰特点的单片机，指令代码兼容传统8051单片机，但速度比8051单片机快8～12倍。它内部有2路PWM模块，可以用于逆变电路的控制，使用方便，外设器件少，适合小体积控制系统。

1.2 驱动电路的设计

驱动电路是一个二端接口电路，包含四个隔离独立的供电模块，提供逆变模块驱动电源，使前端的信号是完全隔离的，提高安全性，减少电路的干扰，简化电路设计。

图2是驱动电路中单个功率管驱动电路原理图，其它的功率管驱动的原理相同。UF0为保护信号端口，逆变电路正常工作时为高电平1，当电路出现故障需要保护时，UF0转变为0电平。当处于正常的情况下，高速光电耦合器N8的输入是高电平，输出也是高电平，与非门N12D的11脚为低电平，8脚为高电平。正常工作时，与非门N12A的1脚为高电平，3脚为低电平，发光二极管导通，光耦A4504导通，并使6脚输出高电平，接到IGBT的栅极，IGBT开通。

图2 单个功率管驱动电路原理图

当电路不处于正常工作状态时，故障信号UFo返回低电平，与非门N12A的2脚为低电平，3脚为高电平，此时无论1脚输入的任何电平，输出均封锁。光耦A4504截止，并使6脚输出低电平，接到IGBT的栅极让IGBT关断。

1.3 桥式逆变器电路设计

逆变器的直流侧根据电源的不同性质可分为电压源型逆变器和电流源型逆变器，常见的电路形式为电压源，直流侧并联大电容。因而直流侧电压基本无震荡，直流回路阻抗较低。考虑到主电路结构尽量减少电路中寄生中的电容、电感值，采用PM75RLA120作为主电路的开关模块器件，这样可以减小整个逆变电源的体积，提高系统的可靠性。

1.4 滤波电路设计

最简单常用的输出滤波器是RC低通滤波器，只要R和C的理论值设计符合要求，可以输出一个非常接近正弦波形的电压。低通滤波器的幅频相频特性公式为：

φ(f)=-arctg(2πfτ) .

其中，τ=RC，为时间常数。可知，通过适当的选择R与C的参数，让f很小时，A(f)=1，低频交流信号不受衰减的通过，而滤除高频开关信号。

1.5 光伏电路设计

光伏电池的输出电压和电流会随着光照的不同而变化，为了让光伏电池组件输出的功率达到最大利用的程度，可使用采用最大功率点跟踪方法。光伏组件串并联后的直流电压仍然较低，使用DC/DC升压变换器将不稳定的直流低电压变换稳定工作在230V左右，提供逆变电路的直流母线电压。

2 单相数字光伏控制软件设计

微控制器用于生成高精确失真度的SPWM波形，用KeilC51编程语言，从主程序整个程序和键盘可编程的中断程序和子程序PCA中断。进入主系统初始化SPWM脉宽计算程序之后计算相应的脉冲宽度，形成一个正弦表，响应于不同的中断等待中断标志。由于SPWM波是连续输出PCA中断必须设置为最高级别。一旦PCA中断标志被转移到执行中断程序。控制软件总体流程图如图3所示。

图3 控制软件总体流程图

单片机产生正弦脉宽调制波的基本原理：将载波周期数值赋给PCA模块l的16位捕获/比较模块寄存器CCAP1H(高8位)和CCAP1L(低8位)，PCA定时器的值CH(高八位)、CL(低八位)与模块捕获寄存器的值相比较，当两者相等时，产生PCA中断。在中断中，调用模块0的PWM脉宽调节模式，将下一个SPWM波的脉宽通过CCAP0H装载到CCAPOL中，这样就可以实现无干扰的SPWM脉冲。

3 实验结果

为验证本文设计的数字光伏控制系统的正确性，对设计的基于STC12C5A60S2高速单片机的软硬件系统进行测试。

图4是经过SPWM脉冲控制后的交流电压波形。在每个固定的交流周期内，软件实时计算，由不同脉宽数值组成一个正弦表格的形式，正弦表数据存入STC单片机的ROM中以供其调用，将第一个脉宽值装入CCAP0H寄存器，开PCA模块中断及低压检测中断，开总中断，启动PCA计数。当16位计数器/定时器的数值与模块1中捕获/比较寄存器的数值相等时，产生一个CCF中断；在中断程序中，清中断标志位，重新给模块1的捕获寄存器CCAP1H(高八位)、CCAP1L(低八位)送入载波周期的高八位和第八位数值，将16位计数器定时器CH、CL清零，中断次数自动加1，将下一个脉宽数值装入CCAPOH以备比较。一直到最大的数值比较后，完成一个循环，单片机将不断产生随着正弦规律变化的脉宽，从而得到准确的SPWM波。图中可以看出，交流波形周期约为20ms，电压幅值约为230V。

图4 经过SPWM脉冲控制后的交流电压波形

图5 经过RC滤波后的交流电压波形

图5是由图4经过RC低通滤波后的交流电压波形，因图4中包含高频的直流载波成分，为一连串的高频脉冲，经低通滤波消除高频干扰后，输出稳定的正弦交流波形，交流电源为220V，周期为20ms。

4 结论

本文研究以高速单片机数字控制为核心的单相光伏离线发电系统，通过单片机的PWM模块实现SPWM控制技术，经过驱动电路与功率电路后实现将光伏直流电源转换成正弦交流电压输出，提供给分布式交流负载电源。该系统体积小，控制响应速度快，可靠性及效率高，可广泛用于户外新能源利用与使用等场合。

[1] 黄寻.光伏并网逆变器发展情况概述[J].新材料产业,2011(11):72-75.

[2] 马长江.系统化设计方法在家用光伏逆变器设计中的应用研究[D].南昌：南昌大学,2012.

[3] 郭凤仪，周坤，姜丽丽，等.太阳能LED照明控制系统的设计与实现[J].电工电能新技术,2012,31(3):86-89.

[4] 邢娅浪.基于STC系列单片机的SPWM波形实现[J].国外电子测量技术,2009,28(12):51-53.

[5] 陈旭武.电压型正弦波脉宽调制逆变器研究[J].船电技术, 2006,26(2):24-25.

[6] 马飞.单相数字控制逆变电源的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学,2011.

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，江苏太仓人，大学本科，研究方向：变电站监控系统的设计。

1674- 4578(2017)02- 0086- 03

TM615

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