电力电子与控制

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1、5电力电子与控制太阳电池是一种典型的非线性半导体有源器件，其输出特性是一组以太阳光照度为参变数的具有下垂特性的曲线族。为了充分利用太阳电池的输出能量，就必须控制太阳电池的工作点，尽可能提高太阳电池的光电转换效率; 此外，还必须根据用电对象的需要，采用高效的电力电子装置，对太阳电池输出的能量形式进行转换。光伏（PV）系统中涉及的电力电子与控制技术包括以下内容：DC-DC及DC-AC变换技术、计算机控制及远程监控技术、太阳电池最大功率点跟踪技术。其中，DC-DC变换技术主要用于蓄电池的充放电控制；DC-AC变换技术，即：逆变器技术，用于离网型的交流独立电站和并网型的发电系统；计算机控制及远程监控技

2、术、太阳电池最大功率点跟踪技术是结合计算机、自动控制原理、自动检测、远程通讯及电子技术等学科为一体的高新技术。通过应用这些技术所制作的能量转换及控制设备，把光伏组件、蓄能装置、负载、或电网等联结起来构成一个光伏电站系统，为负载提供电力。本章重点介绍太阳能充放电控制器、逆变器、光伏系统中广泛采用的最大功率跟踪（MPPT）技术，最后简要介绍光伏系统中常用的遥控遥测技术。 5.1. 充放电控制器 充放电控制器是离网型光伏发电系统中最基本的控制电路，也是必不可少的电路，任何一个离网型光伏发电系统，不论系统大小，如：小到一个太阳能手电筒、草坪灯，大到一个几千瓦甚至几百千瓦的太阳能光伏电站系统，都要用到充

3、放电控制器。当然，大系统（如：太阳能电站）用的控制器与小系统（如：太阳能手电筒）用的控制器,其控制电路的硬件或软件复杂程度是不一样的，但其基本原理是一样的。某些时候你看到的光伏发电系统，可能没有控制器而只有逆变器，实际上这是将控制器与逆变器合二为一的一种做法。本节重点就独立型光伏系统和混合型光伏系统中用到的控制器进行论述，并网系统中用到的控制器将结合5.2 节中并网逆变器的技术进行论述。控制器中涉及到的最大功率跟踪（MPPT）技术放到5.3 节详细论述。5.1.1. 控制器的基本原理 如图5-1示的电路是一个最基本的充放电控制器原理图。控制电路负载K1K2蓄电池 图5-1充放电控制器原理图在该

4、电路原理图中，由光伏组件、蓄电池、控制器电路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。这里的开关K1、K2分别为充电开关和放电开关，它们均属于控制器电路的一部分，K1、K2的开合由控制电路根据系统充放电状态来决定：当蓄电池充满时断开充电开关K1，否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关K2，否则闭合。开关K1、K2是广义上的开关，它包括各种开关元件，如：各种电子开关、机械式开关等。电子开关如：小功率三极管、达林顿管、功率场效应管（MOSFET）、固态继电器、晶闸管（IGBT、GTO）等；机械式开关如：继电器、交直流接触器等，根据不同的系统要求选用不同的开关元件或电器1。在图5-1中涉及的控制电路指的是一

5、个广义的控制电路，是控制器电路的核心。它可以是各种形式的电路来担当这个角色。如：应用在太阳能草坪灯上的控制电路就是用几支三极管、电阻、电容、电感构成的电压比较升压充放电电路、光控电路；应用在太阳能路灯或移动电源上的控制电路就是用集成运放构成的电压滞回比较器电路来充当控制核心，或者是采用单片机（MCU）作为控制电路的核心，来对开关K1、K2进行逻辑控制；更大的系统，象各种太阳能光伏电站（如：独立型、并网型、混合型），其充放电控制器的核心就采用单片机（MCU）或者数字信号处理（DSP）芯片，甚至是工业控制计算机等，除了基本的充放电控制功能外，还具有友好的人机显示界面、遥控遥测功能、以及复杂的控制算

6、法等等。上面提到的控制核心电路中，有采用单片机(MCU)的,还有DSP甚至工业控制计算机的，不仅涉及到复杂的硬件而且还涉及到与硬件相适应的软件技术和控制算法。这不仅要求硬件设计要从电路设计到器件选择必须做到最优、可靠和抗干扰能力强，而且控制算法与软件设计也必须是严密简洁的，有较强的抗干扰能力和容错自恢复能力，这些要求对光伏电站的可靠运行至关重要，否则使用中将会产生难以预料的后果。另外，在实际的光伏应用系统中，小系统和消费类电子产品中由集成运放和分列元件构成的控制电路比较多，中小系统采用集成运放构成的电压比较器电路和单片机的控制器电路比较多，大系统（如：各种光伏电站）中DSP的优势比较明显，DS

7、P的处理能力强、速度快，在MPPT中更具优势2 3。以上图5-1仅仅是控制器电路的基本原理图，实际的应用系统远远不只这些，实际系统中控制器还有很多附加电路（如：电流电压采样电路、温度测量电路等），并且还涉及很多控制策略、算法（如：系统优化、可靠性、MPPT、如何提高蓄电池的充放电性能等多方面）。但不论系统大小、多么复杂，其基本原理是一样的，即：直接耦合控制方式和MPPT跟踪控制方式，只是采用的控制策略、算法的难易不同，具体的应用将在下一节结合几个实用电路进行说明。5.1.2. 控制器设计中的常用技术 1、采用集成运放构成的充放电控制电路 由集成运放构成的电压比较器作为控制电路在100W以下的小

8、系统中还是大量采用。因为这种电路完全是由硬件组成的控制系统，通过调节电位器来设定控制状态，具有简单可靠、维护方便、成本低、电路本身功耗也极低，是一种匹配性很好的电路。当然电压比较器也可以采用其他集成电路（如555定时器等）来设计。这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压回差，同时器件的选择要可靠，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的控制器电路。图5-2是一个采用直接耦合的方式的充放电控制器电路，该电路由集成运放LM358、CD4011、功率开关（50N06）可调电阻、以及电阻、电容、二极管、三极管、发光管、插座等组成。该电路为12V的蓄电池设计的

9、充放电控制电路，对蓄电池具有过充和过放保护功能，LED提供充放电状态指示，最大充放电电流为6A，PV组件正极流入端有防反充肖特基管D1，以PV组件代替光敏电阻，通过跳线JP0可实现白天充电夜间自动放电功能。蓄电池的充放电电压可根据具体的蓄电池的使用要求通过可调电阻W1、W3进行调节，一般标称为12V的铅酸蓄电池最低放电电压不低于11V(一般相当于75%的放电深度，若要求蓄电池浅放电这个值还应提高)，最高充电电压不高于14.5V(这个值与蓄电池环境温度有关,需作温度补偿)。蓄电池实现由直充脉充关断再脉冲的转换过程对其充电，脉充频率由反馈电阻R17的大小决定，这类电路脉冲频率一般较小0.5-5HZ

10、,仅供参考。CD4011图5-2是采用集成运放构成的充放电控制电路2、采用单片机为控制核心的控制器电路如图5-3示电路，该控制器是专为太阳能路灯设计的，它由微处理器电路（P87LPC767）、稳压电源电路、实时时钟电路、液晶显示电路、充电开关电路、放电开关电路、键盘接口电路、太阳电池和蓄电池接口电路组成。微处理器电路通过其输入输出P0、P1 I/O口实现与其他各功能电路的连接，其A/D输入口实现对蓄电池、太阳电池采样测量，稳压电源电路通过将12V直流电压稳压为5V电源给微处理器电路及其他电路提供5V电压；液晶显示电路通过半字节的数据总线（4条）与控制总线（3条）再与微处理器的P0、P1口相连接

11、（液晶显示电路带有独立的控制器，其工作电源有电源电路提供）；实时时钟电路通过串行总线SCL、SDA与微处理器的P1口连接实现读写功能；充电开关电路由一根控制线与微处理器P1口相连接，由软件模拟波形输出PWM控制信号；放电开关电路也由一根控制线与微处理器P1口相连接，由软件模拟波形输出控制信号，控制开关动作；键盘接口电路与微处理器电路之间通过两条I/O口线P0连接；太阳电池和蓄电池接口电路通过保险管和开关与充电开关电路中+12V端连接，与放电开关电路中+12V端连接。控制器为低功耗的具有微处理器的充放电电路（与上一个硬件电路比功耗较大，因为它还带有显示电路。），它还具有实时时钟电路。通过实时时钟

12、电路，设定对长时间浅放电的蓄电池可作每6个月一次的全充全放养护激活操作，消除记忆效应以延长蓄电池的使用寿命，实践证明通过养护激活操作蓄电池的使用寿命可以延长50%左右。通过时钟电路还可以提供时间输出，对路灯进行时间控制。控制器的充放电控制输出都提供PWM（脉宽调制）功能直接对MOSFET开关管进行控制，实现最大功率跟踪（MPPT）的控制充电，大大提高充电效率，尤其突出的是在放电时的PWM输出控制下可以调节LED光源的功耗（因为LED的频闪性能良图5-3 以单片机为控制核心充放电控制器好；但普通灯具如荧光灯等不具备，改变频率对灯具寿命有明显影响）。例如：控制器在天黑时到晚上12点，为全功率输出，

13、到12点以后夜深人静时可以适当降低LED光源的亮度，这样可提高能源的利用效率，也延长了能量的使用时间，可减小系统配置降低系统成本2。3、采用单片机组成的MPPT充放电控制器基本原理如图5-4示，这是一个具有MPPT功能的充放电控制器原理框图，由于其电路相对复杂这里不再提供具体应用电路，它由自带A/D转换功能的单片机（MCU）、电压采集电路、电流采集电路、DC/DC变换电路等组成。从技术上讲主要由单片机及其控制采集软件、测量电路、DC/DC变换电路三部分组成，对各部份的技术要求具体来讲就是：DC/DC电流采集K1MPU(带A/D)蓄电池负载电压采集电压采集图5-4采用单片机组成的MPPT充放电控

14、制原理图DDC/DC变换电路：一般为BUCK或BOOST型电路，要求有较高的转换效率，在85或90以上，但小功率的DC/DC电路其效率比较低，只有6075。因此，具有MPPT功能的控制器在50WP以下PV系统中优势不明显，很少采用，而主要应用在较大的系统中。另外还有一个系统匹配的问题，DC/DC变换电路的设计与PV组件功率、负载大小要匹配，做到系统接近满载，效率更高。DC/DC变换电路有升压（BOOST）型、降压（BUCK）型、升降压（BUCK与BOOST）型，具体选择哪一种要根据PV组件电压、蓄电池电压和负载工作电压来确定1。测量电路：主要是DC/DC变换电路的输入侧电压和电流值、输出侧的电

15、压值，另外还有温度等测量电路。测量电路要求简单可靠，测量精度满足技术要求，从产品角度上还应有高的性能价格比。单片机及监控软件：单片机技术近年发展很快，各种高效多功能低功耗单片机很多,选择的范围也很大，如：INTEL 80C196具有正弦波输出功能，PHILIPS公司的 P87LPC767为带有A/D转换功能的紧凑型低功耗产品等，另外也有采用DSP代替单片机的控制器。要实现MPPT功能，监控软件十分重要，采用什么样的控制算法其效果差别很大，如常用算法有：恒定电压法跟踪法、扰动观察法、增量电导法、标准蓄电池查表法等，这里不详细介绍，留待5.3节论述。4、控制器必须具备的几个基本功能 对PV系统的充

16、放电调节控制是光伏应用系统的一个重要功能。对小系统，可以采用简单的控制器组成的系统来实现，对中大型光伏系统，也可以采用包括一组功能更为复杂的控制设备组来实现。除了小系统（如：一般的太阳能灯具等）和消费类产品的应用外，在光伏电站系统中使用的充放电控制器必须具备以下的几个基本功能： A.防电池过充的功能； B.防电池过放的功能； C.提供负载控制的功能； E.提供系统工作状态信息给使用者/操作者的功能；F.提供备份能源控制接口功能；G.提供能将PV系统富余能源给辅助负载消耗的功能；H.提供各种接口（如：监控）的功能。5.1.3. 开发与选购控制器须注意的几个问题 即上面提到的几个基本功能：防蓄电池

17、过充功能、过放功能、防负载短路的功能等外，还有以下几个重要指标：1）控制器本身自耗电要低。特别是在小系统的应用中成为一个重要指标，世界银行的标准是自耗电流小于额定工作电流的1，因此电路的设计与低功耗器件的选择非常重要。2）回路压降要低。世界银行的标准是回路压降应小于系统电压的5，这跟电路的设计与开关器件的选择密切相关。3）防PV组件或蓄电池反接保护。可在蓄电池负极端与蓄电池正极相串联的熔断器间并接一大功率二极管。4）防反充保护。在太阳电池正极输入端串接防反充二极管或者其他开关方式防蓄电池电流倒流。5）防雷击保护。PV系统若安装在易遭雷击的地方时可在控制器输入端并接压敏电阻或增设其他防雷措施。5

18、.2. 逆变器逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置，逆变器技术在电力电子技术中是一种比较成熟的技术，如：UPS电源中的逆变器、变频技术中用到的逆变技术、某些特种电源中用到的逆变技术、光伏系统功率调节器中用到的逆变技术等。这些都已经以商用产品的形式推向市场，受到社会广泛认可，但在光伏系统中的逆变器也有它的特殊设计与使用上的要求。目前国内光伏发电系统中主要是以直流DC系统和独立（stand-alone）型DC-AC系统为主，即：将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，再由蓄电池通过充放电控制器直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及偏远地区的微波基站供电系统均为直流系统，最近

19、几年一些用户相对集中的偏远地区独立型DC-AC系统也发展很快。光伏发电的趋势是进入民用电力，但由于民用电力大多使用交流负载，以直流电力供电的光伏电源系统很难商品化普及推广，因此光伏逆变器成为技术关键。另外，从发展趋势看，光伏发电最终将实现并网运行为主，这就必须采用交流供电系统，因此DC-AC逆变器在光伏系统应用中具有十分重要的作用。随着我国太阳能光伏应用市场的不断壮大、成熟，今后屋顶并网光伏发电系统将成为光伏发电的主流。如图5-5这是一个可提供交流输出的光伏系统原理图1。 作为在太阳能光伏发电系统应用中的逆变器还是有很多特殊的设计与使用上的要求。如：a、对输出功率和瞬时峰值功率的要求；b、对逆

20、变器输出效率的要求；c、对逆变器输出波形的要求；d、对逆变器输入直流电压的要求。这四项指标已成为检验逆变器技术性能的重要内容。充放电控制器蓄电池组逆变器交流负载直流负载图5-5 可提供交流输出的离网型光伏系统PV组件方阵我们已经知道，光伏组件阵列、充放电控制器和蓄电池构成的系统只能产生直流电，如果负载需要交流电就必须有逆变器，逆变器能够将直流逆变为交流(如图5-5)。根据需要，逆变器分为单相和三相两种形式，频率为通用50-60赫兹，110或220伏特的电压，能提供从几百到几千瓦的连续功率输出。大型的逆变器能够输出 380伏特甚至更高的电压，以及超过10千瓦、100千瓦以上的功率。5.2.1.

21、逆变器的基本原理图5-6由功率开关管构成的最简单的逆变电路逆变换与正变换正好相反，它使用具有开关特性的全控功率器件，通过一定的控制逻辑由主控制电路周期性的对功率器件发出开关控制信号，再经变压器耦合升（或降）压、整形滤波就得到我们需要的交流电。一般中小功率的逆变器采用功率场效应管（MOSFET），绝缘栅晶体管（IGBT），大功率的逆变器都采用可关断晶闸管（GTO）器件1。如图5-6示，这是一个采用MOSFET功率开关管构成的最简单的逆变电路。其实质是一个推挽式逆变电路，将升压变压器的中性抽头接于正电源，两只功率管SW1、SW2交替工作，输出得到交流电力。由于功率晶体管共地连接，驱动及控制电路简单

22、，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器效率低，带感性负载的能力较差。图5-7示，这是一个由功率开关管构成的全桥式逆变电路。全桥逆变电路克服了图5-6推挽电路的缺点，功率开关管SW、SW2和SW3、SW4反相，SW和SW3相位互差180，调节SW和SW3的输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。四只功率开关管的控制信号由主控制电路给出，由于该电路具有能使SW2和SW4共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率开关管不共地，因此必须图5-7由功率开关管构成的桥式逆变电路采用专门驱动电

23、路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，在SW、SW2及SW3、SW4之间必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，由主控制电路给出。光伏逆变器主电路的拓扑结构比较多的是采用三级结构（DC-AC-DC-AC），也有采用单级（DC-AC）或两级（DC-DC-AC）式结构。一般来说，中小功率的光伏系统其PV阵列的直流电压都不太高，而且大电流的功率开关管其额定耐压值也都比较低，因此逆变电压也比较低,要得到220V或380V的交流电，无论是推挽式还是全桥式的逆变电路，其输出都必须加升压变压器，其拓扑结构一般采用二级、三级结构。由于工频升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，近年来，随着

24、电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频开关技术和软开关技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在20KHZ以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经过高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在300V以上），再通过工频逆变电路实现逆变得到220V或者380V交流，系统逆变效率在90%以上，目前市面上的商用正弦波逆变器比较多的是这种三级结构，其工作原理为：首先将PV方阵输出的低压（如：24V、48V，也有110V以上）的直流通过高频（几KHZ到几十KHZ）逆变为方波交流AC，通过升压变压器整流

25、滤波后变为高压（110V以上）直流DC，然后经第三级DC-AC逆变为所须的工频交流电（220V或者380V）4 5。5.2.2. 光伏系统中的逆变驱动控制电路1、 常用驱动电路光伏系统中的逆变驱动电路主要是针对功率开关管、功率晶闸管的门极驱动，要得到好的PWM脉冲波形，驱动电路的设计很重要。过去是用分列元件或者逻辑电路加外围电路来实现，这种设计一是元件数量多、占用空间；二是波形质量差、可靠性降低；三是控制烦琐复杂。近年来，微电子及集成电路技术的发展，很多专用多功能集成芯片的陆续推出，给应用电路的设计带来了极大的方便。如应用在逆变器设计上的各种开关驱动电路：SG3524、SG3525、TL494

26、、SCALE集成驱动器（2SD315A）、IR2130等在逆变电路设计中广泛采用1 9。SG3525是频率固定的单片高性能PWM控制器，是用于驱动N沟道增强型MOS管的第二代脉冲宽度控制器，电源工作电压840 V，输出频率可达400 kHz。该控制器包含精确的电压基准 、高频振荡器、误差放大器、比较器、PWM锁存器、分相器、欠电压锁定器、双图腾柱输出 低阻抗驱动器、软起动电路及关闭电路。信号经过电流限制和比较器、逻辑和输出驱动器， 具有很短的传输延时。为了在恶劣负载条件下能不间断供电，并确保功率模块安全，该控制器设计有快速电流限制比较器即具有逐个脉冲限流的功能。SCALE集成驱动器由瑞士CON

27、CEPT公司生产的、专为IGBT和电力MOSFET提供驱动的电路。它具有多功能、低成本、易使用、可靠性好等特点。根据实际应用中对驱动性能、驱动输出通道数目、隔离等不同要求，SCALE集成驱动器具有相应的不同型号，因而可满足不同的需求。SCALE器件提供的驱动电流可达，输出驱动信号的导通电平为+15V，关断电平为-15V；开关频率范围为0100H；具有500VV的电气隔离特性；占空比为0100。同时,这种器件内部还带有短路和过流保护电路、隔离的状态识别电路、电源检测电路和DC/DC开关电源。 IR2130驱动芯片是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器，工作电压为10-20伏，分别

28、有三个独立的高端和低端输出通道。逻辑输入与CMOS或LSTTL输出兼容，最小可以达到2.5伏V逻辑电压。可同时控制六个大功率管的导通和关断顺序，广泛应用在三相逆变电路中。2、 常用控制电路芯片逆变电源中常用的控制电路主要针对驱动电路提供要求的逻辑与波形，如PWM、SPWM控制信号等。比较常用的芯片有：INTEL公司的8XC196系列，摩托罗拉公司生产的MP16、MICROCHIP公司生产的PIC16C73、德州仪器的TMS320F206、 TMS320F240，SG3525等。5.2.3 光伏并网（Utility-grid）发电系统中的逆变器电路光伏并网发电系统中逆变电路原理框图(如图57)，

29、这是一个完整的太阳能光伏并网发电系统原理流程图。图中是一个带有蓄电池的并网系统，有人把这种系统叫可调度式并网系统，没有蓄电池的系统叫不可调度式系统。也就是有蓄能装置的系统，其能量是可储存和分配的，因此叫可调度式系统；反之，没有蓄能装置的系统叫不可调度式系统。原理框图中，PV组件阵列的设计第4章已讲过，充放电控制器5.1节也讲过，这里重点再对DC/DC、DC/AC电路作进一步的描述4。 DC/DC蓄电池组交流负载PV组件阵列充放电控制器(MPPT)DC/AC滤波交流电网图5-8光伏系统中逆变电路原理框图1、DC/DC电路控制原理DC/DC变换器的控制框图如图5-9所示。这里控制电路是以集成电路S

30、G3525为核心，以SG3525输出的两路50KHZ的驱动信号，经门级驱动在推挽电路开关管SW1和SW2的门极上,如图5-6示。为保持DC/DC变换器输出电压的稳定，将检测到的输出电压与指令电压进行比较，该误差经PI调节器后控制SG3525输出驱动信号的占空比。该控制电路还具有限制输出过流过压的保护功能。当检测到DC/DC变换器输出电流过大时，SG3525将减小门极脉冲的宽度，降低输出电压，进而降低了输出电流。当输出电压过高时，会停止DC/DC变换器的工作。由于推挽式电路容易因直流偏磁导致变压器饱和，因此，推挽式电路的设计难点在于如何防止变压器的磁饱和。在本电路中，除了注意电路的对称外还设计了

31、磁饱和检测电路，当流经推挽电路的两个支路电流失衡时，就会启动SG3525的软启动功能，使DC/DC变换器重新启动，变压器复位1。图5-9采用SG3525实现的DC/DC转换电路UPVSG3525电压/电流检测磁饱和检测推挽式高频逆变电路高 频变压器整 流滤 波UOUTTVPWM输出偏磁检测电路如图5-10所示。图中只画出了磁环的副边，原边两个线圈接在主电路的变压器原边的两个绕组上，流过两个线圈的电流方面要相反。当变压器发生偏磁时，某一方向的电流异常大，通过电流互感器检测，可在互感器的输出电阻R1上产生一个电压，如果该电压足够大，可以使稳压二极管D5导通，在电位器上产生压降，将电位器的值调到合适

32、的阻值，使电位器上的压降大于三极管的门限电压，使三极管导通，接在芯片SG3525的脚8与地之间的电容放电，然后SG3525中的恒流源对它充电，SG3525重新启动，从而使变压器磁芯复位，起到防止变压器的磁饱和目的。图5-10偏磁检测电路 2、DC/AC控制原理DC/AC控制原理图如图5-11示。这是采用美国德州仪器公司的生产的高性能DSP芯片TMS320F240作为控制核心，通过对输入直流电压和逆变输出的交流电进行采用及一系列的合成运算，再与三角波载波信号合成生成SPWM调制信号，将PV组件阵列的直流电压逆为稳定输出的正弦波交流电。由于这是一个与市电电网并网的系统，TMS320F240还增加了

33、对市电电网电压信号的同步跟踪采集过程。对电网电压信号的同步跟踪的目的是为了保证并网逆变输出的交流电流与电网的电压波形严格保持同频、同相，这样做的目的是为了使并网系统的有功功率输出最大，也避免造成对公共电网的电力污染，有好的电磁兼容性4 9。 为了保持与电网电压的同频同相，必须事时捕获电网的电压过零信号，由DSP检测到过零信号的上升沿时触发同步中断，以此时刻作为时间的基准，作为正弦波信号的起点。要得到电压过零信号，可通过同步变压器降压得到电网电压信号，再滤波整形为同步方波信号，再送DSP的外部中断口进行检测得到9。采样输入直流电压开关驱动电路（如：IR2130）采样输出交流电压电网电压同步跟踪P

34、V组件阵列电压DC/DC变换DC/AC逆变220V 380V电网 ADCTMS320F240INTADCSPWM图5-11 DSP实现的DC/AC控制原理图如图5-12 由IR2130驱动器构成的三相逆变电原理图5.2.4. 逆变器的分类 逆变器的分类方法很多，下面是按其功率、波形以及离并网特性来分类的。1、按额定功率分： A、小型逆变器（500W） B、中型逆变器（1KW10KW） C、大型逆变器（10KW100KW） D、超大型逆变器（100KW以上）2、按输出波形分： A、方波输出逆变器（适合阻性负载，带感性负载能力差），如图5-13。 B、准正弦波输出逆变器（从性价比上在方波与正弦波间

35、的一种折中）图5-14是一个单相并网交流正弦波逆变电原理图图5-13这是由SG3524构成的交流方波逆变电路C、正弦波输出逆变器（标准输出，与各种用电器兼容）如图5-14。3、按离网/并网特性分： A、并网型逆变器（逆变器输出电流与电网电压同频同相）。如图5-14 B、离网型逆变器（主要是指用在独立型光伏系统中的逆变器）。 另外，根据输出的相数，还可分为单相与三相逆变器4 5。5.2.5. 逆变器的几个重要指标1、要有较高的逆变效率。大功率逆变器在满载时，效率必须在90%或95%以上。中小功率的逆变器在满载时也应在85% 或者90%以上。这里电路的设计与器件的选择、以及系统负载的匹配性好坏对逆

36、变器效率有较大的影响，如图5-15示的曲线。可控硅型晶体管型图5-15 不同的器件与不同的满载率对逆变器效率的影响2、要有较高的可靠性和可恢复性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具备一定抗干扰能力，环境适应能力，瞬时过载能力以及各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。3、要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12蓄电池，其端电压可在1117之

37、间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。4、在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求。另外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，也要求逆变器电源输出正弦波电流，并且“孤岛”检测保护响应快、可靠性好9。 以上几条是作为逆变电源设计与采购的主要依据，也是评价逆变电源技术性能的重要指标，应高度重视。另外，逆变电源的主功率元件的

38、选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（BJT），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（100VA以上）系统中，一般均采用GTO作为功率元件1。5.2.6 光伏逆变器技术的未来发展对于今后光伏逆变器技术的发展，总是伴随并跟踪电力电子技术、控制技术、计算机技术、新型功率器件及应用、模块电源

39、技术等的发展趋势。从这几项技术的发展，可以推测光伏逆变器可能的技术发展与创新：新型电路拓扑结构的设计，智能控制技术的应用，神经网络技术的结合，高频开关技术、软开关技术、智能检测与保护技术、模块化技术的应用与改进、“孤岛”保护、电磁兼容性更好等。其目标就是逆变器系统的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更低4。5.2.7. 光伏逆变器的几个重要制造商目前国际上几家能够提供从小功率到大功率、离网型（OFF-GRID）、并网型（UTILITY-GRID）逆变器产品的公司主要集中在德国、美国、加拿大、荷兰、澳地利等国。如：SMA、Solectria、SUNPOWER、XANTREX、SYSGRAT

40、ION、MASTERVOLT、FRONIUS等。这些公司在国际上都是晓有知名度的企业，具有成熟的技术与产品。国内，在光伏逆变器行业也有大大小小十几家，比较有影响的如：台湾茂迪、合肥阳光等、最近一些专业从事电信、移动通信电源方面的企业也开始涉入这一行业。但多主要集中在中小功率（30KW以下）、离网型逆变器系统。技术水平与国外还存在差距，尤其是并网逆变器还没有形成成熟的商品化产品。一些研究所、高校也在参与这方面的技术应用开发，如：中山大学、中科院广州能源研究所等。如图5-16所示,这是美国 solectria 公司生产的并网逆变器图 5-16 (a).Solectria 公司的75KW 并网逆变器

41、 (b).Solectria 公司的13KW 并网逆变器(c).正在安装中的并网逆变器阵列5.3. 最大功率跟踪5.3.1. 最大功率跟踪的基本原理从前面章节知道，光伏阵列由众多的太阳电池组件串、并联构成，其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。目前光伏系统中使用的太阳电池多为硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅以及多晶硅薄膜太阳电池。硅太阳电池的伏安特性曲线如图5-17所示，它具有强烈的非线性。(R=1000W/m2 AM=1.5 T=25)1000W/m2 800W/m2 600W/m2 400W/m2 200W/m2 Umax Imax Uoc Isc R / A Pmax / Wp 图5-

42、17 太阳电池伏-安特性曲线 太阳电池输出的最大功率就是它的额定功率。图5-17中曲线上的圆黑点表示在相应日射下太阳电池输出最大功率的位置，称为“最大功率点”。若忽略单体太阳电池生产过程中的差异、组件相互之间的连接电阻，且假设单体太阳具有理想的一致性，则光伏阵列的伏安特性曲线可以看作是单体太阳电池伏安特性曲线按串、并联方式放大其坐标的比例尺，光伏阵列的伏安特性曲线具有和单体太阳电池同样的形状。最大功率跟踪的目的将PV组件产生的最大直流电能及时的尽可能多的提供给负载，使PV系统的系统能量利用效率尽可能的高。但是作为实际的应用系统，通过调节负载阻抗大小的方式来达到最大功率输出是很难实现的。其实，M

43、PPT的实现实质上是一个动态自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停地周而复始，便可使阵列动态地工作在最大功率点上，其控制框图示于图5-18。我们可以以间接的方式来实现，如前面5.1节提到的最大功率跟踪方法：定电压跟踪法（CVT）、扰动观察法、功率回授法、增量电导法以及模糊控制算法等可以较好地实现MPPT乘法器PWM信号输出（控制器）比较器组件阵列电压组件阵列电流当前功率记忆功率图5-18 MPPT实现控制框图功能7 8 9。5.3.2.光伏系统中的MPPT常用算法 本节主要针对现实系统中比较

44、常用的定电压跟踪法、扰动观察法作一比较分析。另外，模糊控制算法也是比较常用的算法，但其本质是其他几种方法的改进或优化。1、定电压跟踪法（CVT）从图5-17的I-V曲线可以看出，在日照强度较高时，各曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，这说明阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计，即人们只需从生厂商处获得最大功率点输出对应的电压数据并使阵列的输出电压钳位于VP（MAX） 值即可，实际上是把 MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。采用CVT较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能8

45、。但是这种跟踪方式忽略了温度对阵列开路电压的影响，以单晶硅太阳能电池为例，当环境温每升高1 时，其中开路电压将下降0.40.5。为克服使用场所冬夏早晚、阴晴雨雾等环境温度变化给系统带来的影响，在CVT的基础上可以采用以下几种折衷解决的办法：手工调节方式：通过电位器手动按季节给定不同的VP（MAX），这是比较麻烦和粗糙的。微处理器查询数据表格方式：事先将不同温度下测得的VP（MAX）值存储于EPROM或者FLASH ROM中，实际运行时微处理器能过阵列上的温度传感器获取阵列温度，通过查表确定当前的VP（MAX）值。CVT控制的优点是：控制简单，易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性；

46、可以方便地通过硬件实现。不足之处在于：控制精度差，特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区；必须人干预才能良好运行，更难于预料风、沙等影响。采用CVT以实现MPPT控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用。随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化，该方法逐渐被新方法所替代8。2、扰动观察法 这是真正意义上的MPPT，在实际系统中被广泛采用。在实施过程中可按图5-17表明的规律不断地给阵列输出电压的脉宽以增量(U)。设测得阵列当前的输出功率为P，被存储的前一时刻的记忆功率为P，若通过乘法器测得有：PP，则取UUU后再测、再比、再修改脉宽；反之，若测得有：PP，则取UUU后再测

47、、再比、再修改脉宽。如此可实时搜索到阵列的最大输出功率点并动态地保持它。在进行寻优搜索的程序流程(略)中引入了一个参考电压Uref，是为了让U不断地跟踪它，在寻优过程中不断地更新Uref使它逐渐逼近相应于阵列最大功率点的电压U，Ujj为前两次的阵列电压采样值。由于阵列特性的If（U）关系是一个单值函数，因此只要保证阵列的输出电压在任何太阳辐照度及温度下都能实时地保持为与该一太阳辐照度及温度相应的U值，就一定可以保证阵列在任何瞬间都输出其最大功率8 9。 其优点是: 可实现模块化控制回路；跟踪法则简单，系统中容易实现。不足在于：只能在最大功率点附近振荡运行，会导致部分功率损失；初始值及跟踪步长的

48、给定对跟踪精度和速度有较大影响9。UUUUP/WU/VPjPdPdPjPMAX图5-19 扰动观察法实现MPPT的过程 扰动观察法的算法流程图：UIUI-U算法入口更新UI输出读入当前V，IPNEW=VIPI=VIUIUIUPNEW PI返回YN 这里需要说明三点：A、采用以上控制流程始时，必须在系统初始化时设定初始值UI 、PI ，UI 、PI不要太大，PI约为1/4-1/3组件阵列峰瓦值。 B、采用定时中断的方式调用算法流程，开始后的前五次调用采用大步长跟踪，以后采用小步长跟踪，并调整中断时间。 C、最好系统能增加一路太阳辐射量测量，对太阳辐射实时监测，这样MPPT控制更准确可靠。5.4.

49、 遥控与遥测5.4.1. 遥控遥测的意义 随着太阳能光伏发电技术的发展与推广普及，太阳能光伏系统的应用领域越来越宽、市场越来越大，全世界的光伏系统装机容量已经超过2.5GW，到2010年将超过20GW（2千万千瓦）。太阳能光伏系统的运行一般都是在无人执守的情况下进行，对地域上很分散的光伏系统进行监测维护是十分困难繁琐的，需要大量的人力、物力，采用遥控与遥测技术对光伏发电系统进行实时监控，其意义就在于：1、可对光伏系统的运行状况进行实时监测与控制。因为光伏系统大度都建立在无人值守的偏远地方，人们不可能经常去维护或检测它的运行状况；另外很多相对比较集中的应用系统（如电站、光伏水泵等）也需要集中监控

50、。通过遥控与遥测技术可以减少人为干扰、节省人力、降低维护费用等，实现智能控制与测量，以及对分散式能源系统的集中调度管理。2、对光伏系统的实时监测，可以获得原始测量数据，为系统的改进与优化、以及科学研究提供有用数据。遥控与遥测，由于没有人为干预痕迹，所获得的数据资料是最原始最完整的，而且也节省了人力物力，是最方便和快捷的方式。5.4.2. 遥控遥测的实现原理 对光伏系统的遥控与遥测的技术从通讯方式来讲分为有线遥控遥测与无线遥控遥测两种。有线遥控遥测主要是通过通讯总线实现远距离信号传输，但距离有限，即使是通过中继器距离也不能太远。尤其是系统安装在偏远地区，采用有线遥控遥测是不可取的。无线遥控遥测则

51、不受地域与距离的限制，特别是在偏远地区具有特别重要的意义。 目前应用比较多的有线遥控遥测主要采用工业总线，如：485总线、CAN总线来实现下位机（DSP、单片机、工控机等）与监控主PC机间的通讯，也有采用调制解调器通过公用电话网来实现的，再一个是利用广泛使用的internet互联网来实现。如图5-20示，这是一个采用485工业总线及互联网实现的太阳能光伏发电有线远程监控系统10。待添加的隐藏文字内容2 无线遥控遥测技术主要借助于微波站的中继传输技术如：利用移动通讯的基站上专用的通情信号频道进行传输，如图5-21示，我国西部很多移动基站上的太阳能光伏电源就是这样实现监控的；另一个是基于GSM/G

52、PRS无线移动通讯网络的工业过程控制及监控系统，它是通过申请移动通讯GSM/GPRS的数据通讯业务、或SMS（short message service）短信息业务等实现远程监控，随着移动通讯3G技术的成熟，还可以实现视频数据的海量传输；再一个就是在非偏僻地区但又不便布线并且有互联网网络覆盖的地方，采用无线调制解调器或无线网卡与互联网结合实现远程监控10 11。PV方阵 功率调节器 蓄电池组 DC&AC负 载 测控系统及通讯接口本 地主控微机 485总线 （可达2km）加中继会更长异 地主控微机 公用互联网图5-20 这是一个通过互联网和485总线实现的有线远程监控系统PV方阵 功率调节器 蓄

53、电池 DC&AC负 载 测控系统及通讯接口移动基站（n个） 异地主控微机 图6.21 这是一个通过移动基站通情频道实现的异地监控系统PV方阵 功率调节器 蓄电池 DC&AC负 载 测控系统及通讯接口GSM/GPRS 手 机 异地主控微机 图5-22 这是一个GSM/GPRS网络通过SMS方式实现的远程监控GSM/GPRS ModemGSM/GPRS ModemGSM/GPRS 公用网 图5-22 是一个基于GSM/GPRS无线移动通讯网络的光伏电站监控系统原理图。目前支持GSM/GPRS功能的数据采集/控制器也比较多，有以色列UNITRONICS公司的M90/M91系列，澳大利亚CIT公司的M

54、OX组件，深圳市亚科仪自动化有限公司的M90、VISION系列，北京安控公司的SUPERRTU等。这些数据采集/控制器具有开关量输入输出口、模拟量输入输出口，而且还具有较强的扩展功能，以及通讯接口等。模拟量输入可用于测量（包括温度、湿度、电压电流等），开关输入输出可用于控制，只要将测控系统与光伏系统的功率调节系统组合就可以实现远程监控，或者在开发光伏系统控制器、逆变器的时候将GSM/GPRS功能模块集成到一起成为一个整体也可。GSM/GPRS功能模块可以通过购买芯片硬件自己开发，也可以向生产GSM产品的公司购买，如：SIEMENS公司的TC35系列、NOKIA公司的M2M、深圳中兴公司的ZXG

55、M18系列、Warvecom 公司的WM02系列等。 5.4.3. 遥控与遥测的应用 遥控与遥测技术广泛应用在工业控制、城市交通调度管制、电力系统、军事、远洋、航空等。近年来，随着太阳能光伏发电技术不断成熟与普及，太阳能光伏发电正在逐步由辅助能源向基础能源过渡，尤其是光伏并网电站系统的出现，使太阳能光伏发电的前景越来越光明。太阳能光伏电站系统的监控已经变得越来越重要，如：对光伏系统进行状态监控、故障检测、数据采集等。单片机（MCU）PS2000A接口电路8通道测量电路（带A/D）数据存储器（Flash-128K）电压、电流温度、湿度等模拟信号实时时钟电 路微型打印机驱动电路485/232接口电

56、路本地上位机数据采集系统网关服务器TTL/485接口电路异地机数据采集浏览系统Internet互联网LCD显示模块（240128）键盘接口电 路图5-23 通过485总线和互联网实现的远程监控系统控制输出接口 图5-23是作者设计的一个有线远程数据采集系统原理图，仅供参考。该系统由下位机、主控微机及数据采集系统软件、网关软件、通信接口组成。下位机可以嵌入到太阳能光伏系统的功率调节系统中去。通过接口芯片（TTL/485，485/232）的电平转换接入主控微机，再通过底层网关软件实现下位机与主控微机数据采集系统软件的通讯2，系统原理图如下：图5-25 与下位机联接的数据采集板电原理图图5-24 有

57、线远程数据采集系统下位机原理图图5-24和图5-25分别为下位机系统电原理图、数据采集板原理图。所用的网络芯片为武汉力源公司推出的网络通信控制器PS2000A，供读者参考。本章参考文献1 正田英介. 电力电子学. 北京：科学出版社，20022、王幸之等. 单片机系统抗干扰技术.北京:北京航空航天大学出版社 ，20013 王念旭等. DSP基础与应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，21104 鄒應嶼. 太阳光变频器技术发展现况.台湾新竹交通大学电力电子晶片与DSP实验室, 2004.45 J. Rodriguez, Jih-Sheng Lai, and Fang Zheng PengM

58、ultilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications IEEE Transactions on Industrial Electronics2002，49（）： 724738 6 Johan H.R. EnslinInterconnection of distributed power inverters with the distribution networkIEEE Power Electronics Society News Letter, Fourth Quarter 2003. 7 Yang Chen，Smedley K，VacherA new maximum power point tracking controller for photovoltaic power generationIEEE APEC Conf. Rec.cpp. 2003，Feb： 58628 余世杰等. 光伏水泵系统中CVT及MPPT的控制比较.太阳能学报 .1998，049 赵为太阳能光伏并网发电系统的研究（博士论文）.合肥：合肥工业大学，200310 阳宪惠. 现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社 ，200011 王达编.计算机网络远程控制.北京：清华大学出版社，2003