數(shù)字信號(hào)控制器在太陽能逆變器中的應(yīng)用

1、數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)是數(shù)字控制系統(tǒng)的核心

　　數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)平臺(tái)是能將微控制器(MCU)的控制外設(shè)和—流的DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)的處理能力與經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合，其特點(diǎn)是簡便易用。如今TI、Microchip等公司提供了DSP的高性能及微控制器集成與易用性，優(yōu)異的處理能力、中斷處理功能、控制特定外設(shè)集成能力與經(jīng)濟(jì)性的獨(dú)特組合為控制系統(tǒng)提供了實(shí)質(zhì)性的益處。通過這些優(yōu)勢(shì)，諸如改善的系統(tǒng)效率及增加的創(chuàng)新性能，能夠采用更少的外部組件，更低的成本，為空間受限的應(yīng)用推出極小化封裝產(chǎn)品。

　　如今把握當(dāng)前國內(nèi)外受關(guān)注的綠色環(huán)保概念，開發(fā)與生產(chǎn)太陽能光伏組件及太陽能光伏系統(tǒng)，并不斷開發(fā)適合國際、國內(nèi)市場需求的系列應(yīng)用產(chǎn)品，是符合“讓太陽發(fā)電，地球更清潔，造福人類”的宗旨。而作為數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)在其開發(fā)應(yīng)用上可謂是恰到好處并且是多方面的，如綠色能源、數(shù)字電源、照明、家用電器、工業(yè)控制、車載產(chǎn)品、醫(yī)療及計(jì)量等。基于數(shù)字控制器的技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，本文將對(duì)DSC技術(shù)在太陽能逆變器中的應(yīng)用作分析說明。既然是在太陽能逆變器中應(yīng)用，為此應(yīng)對(duì)與太陽能有關(guān)的理念先作介紹。

　　2、與太陽能有關(guān)理念

　　太陽能光伏組件及太陽能光伏系統(tǒng)，其產(chǎn)品生產(chǎn)從單晶硅棒、硅片、電池片到組件，并在系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)與集成獲得了迅速發(fā)展并在新能源發(fā)電、電力、通信、消防、航空和車船等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

　　2.1太陽能光伏技術(shù)

　　太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。光伏電池的基本特征為：當(dāng)光線照射太陽電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給硅原子，使電子發(fā)生躍遷成為自由電子，在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。圖1(a)為光伏電池框圖。

　　圖1 (a)光伏電池框圖；

(b)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成框圖；

(c)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)組成框圖

　　2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成與類型

　　一套基本的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池板、控制器、逆變器和蓄電池構(gòu)成。光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩大類：并網(wǎng)發(fā)電和獨(dú)立發(fā)電。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為太陽能電池方陣發(fā)出的電能經(jīng)過并網(wǎng)逆變器將電能直接輸送到交流電網(wǎng)上，或?qū)⑻柲芩l(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器直接為交流負(fù)載供電，圖1(b)為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成框圖；獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)為太陽能電池方陣發(fā)出的電能經(jīng)蓄電池充電并經(jīng)過逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流電，圖1(c )為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)組成框圖。

　　應(yīng)該說太陽能光伏系統(tǒng)可在太陽能風(fēng)力發(fā)電控制器、逆變電源、并網(wǎng)逆變電源等多種綠色能源得到廣泛應(yīng)用。值此重點(diǎn)對(duì)DSC技術(shù)在太陽能逆變器中應(yīng)用作分析。

　　3、太陽能逆變器系統(tǒng)應(yīng)用方案

　　3.1問題的提出

　　全球范圍內(nèi)能量的未來獲取方式是一個(gè)新興的焦點(diǎn)問題。礦物燃料的多個(gè)替代解決方案已經(jīng)展開研究，并將在全球各地區(qū)進(jìn)入了工業(yè)化的生產(chǎn)過程。光伏并網(wǎng)發(fā)電是將太陽能電池陣列所發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟婐佀碗娋W(wǎng)，是太陽能發(fā)電走向可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

　　太陽能是最廣泛的替代能源之一，其重點(diǎn)放在光伏(PV)系統(tǒng)的交付上，這包括用于電力公用事業(yè)、商用建筑以及個(gè)人住宅的高性能太陽能逆變器。逆變器是整個(gè)太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可將PV電池的可變DC電壓輸出轉(zhuǎn)換成清潔的50Hz或60 Hz正弦電流，適用于商用電網(wǎng)或本地電網(wǎng)供電。

　　作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(如組合型)，整個(gè)系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和功率主電路兩部分組成。功率主電路使用大功率智能功率模塊IPM，控制系統(tǒng)以DSP為核心，檢測直流側(cè)及網(wǎng)側(cè)的電量信號(hào)，通過最大功率尋優(yōu)，電壓、電流調(diào)節(jié)，以及空間矢量PWM波形發(fā)生控制，向功率驅(qū)動(dòng)回路發(fā)出控制指令，將太陽能直流轉(zhuǎn)換單元輸出的直流電變換成交流電，并回饋至電網(wǎng)。

　　太陽能并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送人電網(wǎng)。為此有必要對(duì)逆變電源技術(shù)特征作說明。

　　3.2何謂逆變電源

　　逆變電源是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷难b置，是太陽能、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況分為：太陽能、風(fēng)力發(fā)電專用正弦波逆變電源；經(jīng)濟(jì)型太陽能、風(fēng)力發(fā)電控制逆變一體機(jī)；太陽能并網(wǎng)逆變電源與風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變電源等四類。而其太陽能、風(fēng)力發(fā)電專用正弦波逆變電源是太陽能、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，該電源針對(duì)新能源發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)制造，主要應(yīng)用于太陽能電站，風(fēng)力發(fā)電站，風(fēng)、光、油、蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和戶用太陽能供電系統(tǒng)。其工作原理可由框圖2表示。

　　圖2 逆變電源基本工作框圖

　　其性能特點(diǎn)為：DSP芯片控制，智能功率模塊組裝，純正弦波輸出，輸出穩(wěn)壓、穩(wěn)頻，具有過壓、欠壓、過載、短路、輸入極性接反等各種保護(hù)功能，而逆變效率≥85%，具有交流旁路功能，輸入輸出優(yōu)異的EMI/EMC指標(biāo)，可配備RS232/485接口，具有高可靠性、高效率。

　　3.3太陽能并網(wǎng)逆變電源

　　太陽能并網(wǎng)逆變電源基本設(shè)計(jì)方案可用框圖3(a)表示。

　　圖3 (a) 太陽能并網(wǎng)逆變電源基本設(shè)計(jì)方案框圖;

(b) 以TMS320C2000 DSP為控制系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)逆變電源設(shè)計(jì)方案示意框圖

　　該設(shè)計(jì)方案的性能特點(diǎn)為：DSC芯片控制，智能功率模塊組裝；MPPT(住宅用運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近，即MPPT工作方式)控制，適時(shí)追蹤太陽能電池板的最大輸出功率；純正弦波輸出，自動(dòng)同步并網(wǎng)，電流諧波含量小，對(duì)電網(wǎng)無污染、無沖擊；具有擾動(dòng)檢出技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制；采用LCD、LED顯示功能，其保護(hù)和報(bào)警功能齊全；RS232/485通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視；具有并網(wǎng)/獨(dú)立運(yùn)行功能。

　　技術(shù)指標(biāo)：功率(例如1kW-50kW)：輸入直流電壓(200V-400V)，輸出諧波失真率≤5%，過載能力150%、10秒，逆變效率>92%，使用環(huán)境溫度-25℃~ +55℃。