基于SPWM的光伏发电系统设计

摘要：SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

关键词：太阳能；光伏发电系统；SPWM；光伏电池

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）07-

太阳能光伏发电系统由于安全可靠、无噪声、无污染、维护简单、使用寿命长、规模灵活、应用几乎不受地域条件的限制、资源量非常丰富等优点，越来越受到人们的青睐，被誉为21世纪的主要发展能源。世界各国纷纷投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进其产业化进程，20世纪80年代以来，光伏产业迅速发展。

1 课题分析

1.1 背景分析

我国于1958年开始太阳能电池的研究，1959年第一块有实用价值的太阳能电池诞生，1971年首次应用太阳能电池到我国发射的第二颗人造卫星上，并于1973年开始地面应用。20世纪80年代，我国政府开始给光伏产业以支持，做了一些示范工程，如太阳能无人值守微波中继站等。80年代中期，随着光伏电池生产线的引进，光伏电池价格的大幅下降，市场大为开拓。90年代以后，光伏电池应用领域已经扩展到国民经济各个领域，光伏电池用量也以每年20%的速度递增。2004年我国太阳能电池产量首次超过印度，达到50MW。随着我国可再生能源法的颁布，将为光伏发电市场的发展提供良好的基础。

1.2 特色及创新

1.2.1 设计了MPPT最大功率点跟踪模块。可以最有效地将太阳能转化为电能，大大地提高了太阳能的转换效率，使其比未使用MPPT时转换效率提高20%～50%，这样可以极大地减少开发成本，为光伏发电系统的广泛安装提供了条件。

1.2.2 以微控制器为核心来控制形成SPWM波实现从DC到AC的转换。用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

1.2.3 以微控制器为核心控制电路实现相位的检测。通过微控制器XE166对逆变电路输出的信号进行检测和调整，直到检测到经过调整输出后的信号的相位与市电的相位相同时才允许并网供电。

2 课题实现方案

2.1 系统硬件框图设计

2.2 各电路模块实现原理

2.2.1 MPPT电路部分。利用爬坡法对太阳能电池板输出的不稳定的电能进行控制，将前一秒电流电压的乘积与下一秒的电流电压乘积进行比较，当不断调整电流电压乘积（即功率）的最大值，使其达到动态的最大值，从而使其每时每刻都达到最大功率。

2.2.2 DC-DC稳压电路（BUCK电路）。如图2所示组成占空比为D的Buck变换器电路图，S为全控型开关管，D为续流二极管，其开关速度与T同等级（常用快恢复二极管）。L、C分别为滤波电感和电容，组成低通滤波器，RL为负载。电路完成把直流电压Vin转换成直流电压Vo的功能。这里采用典型BUCK电路来实现。

2.2.3 逆变电路。通过微处理器XE166的捕获/比较单元CCU6模块，使用CC60、CC61、CC62、COUT60、COUT61、COUT62作为PWM输出，工作于互补输出模式。在T12定时中断中，使各个通道的占空比按照SPWM规律变化，从而来控制四路IGBT，实现有源逆变。

此模块中兼容死区控制，以避免功率器件短路。

2.2.4 驱动控制电路（即逆变电路驱动）。采用英飞凌的高速、高压2ED020I06-FI双通道驱动芯片，实现四通道的PWM信号的驱动。2ED020I06-FI双通道带欠压保护，CMOS施密特触发输入带下拉，门驱动电流为+1/-2A，且低功耗，驱动的高侧电压可能直接

提供或通过一个自举二极管和电容器来实现供电。

2.2.5 相位检测电路（即并网电路）。相位检测电路主要通过将模拟信号转化为数字信号的方法来实现相位的检测。以电网正弦交流电为参考，通过电流互感器得到的弱信号，将其通过二次过零比较，转化离散信号，即方波，同样通过逆变电能信号，经过同样的处理，再经过异或处理。也即是，当两者相位有差时，得到“1”高电平信号，否则，得到“0”低电平信号。将得到比较信号送给MCU对相应的电路部分进行控制，实现相位同步。

2.3 软件实现

2.3.1 SPWM算法。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

2.3.2 PI算法。在MPPT（最大功率点跟踪）控制器中采用PI算法，使系统在扰动作用下，通过PI调节器的调节作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。无静差调速系统中，PI调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值（VI），使系统以最高的效率对蓄电池充电。

2.3.3 MPPT电路软件流程。爬坡法：通过比较两个相邻时刻t1、t2由光伏阵列输出的电压V与电流I的乘积P，当Pt1≥Pt2时，说明输出电压还未达到最有效值，则继续增加占空比来提高输出功率；当Pt1≤Pt2时，说明已经达到最有效值，则不许再增加占空比，而应该减小占空比使输出保持最有效，实时对光伏阵列输出的功率不断检测。

3 结语

该系统以光生伏特效应为原理，利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能。由太阳能电池板产生变化的直流电，经MPPT电路控制输出最大功率的电能，使电能得到最有效的转换；然后经DC-DC电路达到稳压目的得到稳定电压输出给逆变电路，再经过逆变电路产生固定频率（50Hz）的交流电压；在并入电网之前，经相位检测（并网）电路，直到通过微处理器将相位调整到与市电同步才能进行并网，并将检测到的信号传到微处理器控制的LCD12864显示。

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作者简介：喻小平（1989-），男，湖北武汉人，就读于长江大学东校区电子信息学院，研究方向：电气工程及其自动化。