求关于光伏用于温室的应用的文章

【专家解说】：温室光伏并网系统的设计 摘要：分析了光伏并网系统的原理及结构，系统DC/DC环节由SG3525控制，而DC/AC逆变器由单片机87C196MC控制。对并网电流进行实时跟踪控制，采用双闭环控制方案实现与电网电压的同步，同时给出了整个系统的软件实现流程图。实验结果表明，并网电流波形较好。根据温室的特点，将该并网系统应用于温室，解决了温室节能的问题。 关键词：温室，光伏并网系统，逆变器，双闭环控制 1. 引言 十九世纪中期以来，世界各国农业发展越来越需要各种工程技术手段与设施的支撑，特别是计算机技术、通讯技术和信息技术的发展在农业方面中的应用大大促进了农业现代化的发展。随着我国农业经济的发展和综合国力的增强，温室工程逐渐发展成为设施农业的生长点，温室生产操作正在向机械化和自动化方向发展。但是伴随而来的就是设备成本高，耗电量大等问题。根据温室集中、规模大、顶棚可利用面积大等特点，如果将光伏并网发电技术与温室结合起来，在不影响植物所需光照的前提下，将光伏阵列铺设于温室顶棚及幕墙，即可利用其发电，一方面供应自身的用电，另一方面将多余的电并网，不仅节约能源，而且改善环境。这是现代温室的一个方展方向，是一项开发前景广阔的绿色建筑工程。 2. 并网系统原理与结构 光伏并网发电系统主要包括几大部分：光伏阵列、升压变换器、逆变器和控制器。太阳能电池阵列将太阳辐射直接转化成直流电能，输出的直流电通过升压变换器升到逆变器所要求的幅值后再经并网逆变器逆变成交流电，一方面供常规负载使用，另一方面当有多余的电时，通过并网技术送到公共电网。此时负载为电网，逆变器工作于有源逆变状态，相当于一个受控电流源。本论文为一个试验装置，其并网系统的整体结构框图如图一所示。本装置太阳能电池阵列由两块110W的电池组件串联而成，输出额定电压为35V，经过DC/DC变换器转变为380V的直流电，再经DC/AC逆变器变成220V、50Hz的与电网同频同相的交流电。 图一 并网系统整体结构框图 2.1 DC/DC控制方案 控制电路是以集成电路SG3525为核心，由SG3525输出两路驱动信号，经门极驱动电路加在升压电路开关管的门极上。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最大功率跟踪得到的电压进行比较，该误差电压经比例积分PI调节后控制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；当输出电压过高时，会停止DC/DC变换器的工作。同时将这些故障综合成一个信号，送至主控制单元，用于封锁逆变单元SPWM控制信号输出。 2.2 DC/AC逆变器控制方案 逆变器控制是光伏并网系统的重点和难点，其负载为电网，是一个可看成容量无穷大的交流电压源。这里逆变器输出采用电流控制方式，无需控制其幅值，只需要控制其频率和相位，这样可以减少一个控制变量，简化控制。 逆变电路采用SPWM控制技术，主控制芯片采用Intel的16位微控制器87C196MC，它具有以下特点：1）一个三相波形发生器(WFG)，能产生三相6路驱动信号SPWM波；2）一个事件处理阵列(EPA)，有2个16位双向定时/计数器，4个捕获/比较模块，可以用于捕捉和记录跳变事件。3）13路A/D转换。这些主要特点已能够满足光伏并网控制的要求。 87C196MC脉冲发生器WFG的SPWM脉冲生成采用中值规则采样法，使用三角波作为载波，正弦波作为调制波，相应地选择WFG的工作方式为中心对准方式0。根据中值规则采样SPWM控制，可得脉冲宽度计算公式如下： (1) 首先将正弦函数离散化，存入EPROM。通过查表查出正弦值，根据上式实时计算得到脉冲宽度，将其值装入比较寄存器。 对逆变器的控制就是要使其输出电流与电网电压同频同相，其实现过程为：电网电压信号降压隔离后经过硬件整形，产生与其同步的占空比为50％的50Hz的方波信号，将该方波信号送入87C196MC事件处理器阵列(EPA)的捕获/比较模块中，并设定计数时基为地增计数模式。捕捉引脚的上升跳变，记录事件发生时计数器的值，而且输入捕获功能具有双重缓冲，这样计数器相邻两次的差值即为所测得的电网电压的周期，用该周期作为正弦调制波的周期，即为输出并网电流的周期。在事件发生时，产生一次捕捉中断请求，以此时间点作为基准给定正弦波信号的时间起点，同时在中断程序中计算电网电压的频率值，并相应地修改WG-RELOAD寄存器的值，以改变输出电流的频率。这样就保证了并网输出电流与电网电压同频同相。 2.3 同步控制方案 逆变器产生电流是否与电网电压同步是能否并网的关键，因此必须对电流进行实时跟踪控制。图二为电流跟踪控制的原理框图。 图二 电流跟踪控制原理框图 这是一个双闭环控制方案，内环为电流跟踪环，包括电压同步环节、交流电压和电流检测环节、PWM调制环节等。与电网电压同步的从EEPROM中取出的离散的正弦表值，它与反馈的实际并网电流瞬时值进行比较，差值经过比例积分调节后与引入的电网电压值相加后，输出经三角波调制后，输出正弦波脉宽调制信号。内环控制对并网电流的实时控制，实现相位跟踪。外环控制目的主要是消除内环控制存在的相位误差，同时控制其幅值，使太阳能电池组件工作在最大功率点。参考电压为最大功率跟踪控制输出得到的最佳工作电压，它与太阳能电池实际的工作电压相比较后，其误差经过PI调节，产生辅助参考电流，它与由内环产生的主参考电流相加。这样可以抑制稳态误差，改善SPWM电流跟踪控制的性能。 2.4 并网输出电流重构 由于采用87C196MC单片机，此次WG-INT中断产生的控制脉冲要到下次中断时才会起作用，这样就引入了滞后量，同时电路中存在RC滤波电路，同样使结果产生误差。这相当于在控制系统中增加了一个纯滞后环节，给系统响应带来了不良影响。反映在系统特性中会造成电流谐波加大、系统稳定性降低、超调增加等问题。因此，必须在软件处理上加入电流预估环节，补偿滞后所带来的不良影响。本系统预测采用1/2采样周期的计算方法，在WG-INT中断服务中对并网电流测取两次采样值，以及从EEPROM中取出前几次采样值，预估出下一次A/D采样值。 根据 的泰勒展开式，并对展开式进行线性简化可得到预测公式： (2) 根据当前采样值以及前三次采样值即可由预测公式计算出下次载波周期的并网电流的值。采用这种方案使得系统动态响应和稳定性都具有良好的性能,可以克服由于电网电压的谐波、毛刺以及其他干扰因素等带来的系统不稳定。 3. 软件实现 3.1 程序流程图 本系统执行的功能包括：各设定和实时量的测取，同步电压的测定，内外环调节器的调节，PWM模式发生，控制脉冲产生等功能。根据功能的不同，系统软件分为主循环程序和中断服务程序两部分。主程序适于处理实时性要求低的功能，如对系统进行初始化，如给波形发生器的WG-RELOAD寄存器设置一个初始值，当其定时时间到时，响应波形发生器中断。主程序流程图如图三所示。 图三 主程序流程图 中断服务程序主要有同步中断和波形发生器的WG-INT中断。捕捉引脚捕捉到上升沿时产生同步中断，该中断有与电网同步、最大功率跟踪和孤岛检测保护等功能，是程序的核心部分之一。其流程如图四所示： 图四 同步中断流程图 WFG-INT中断实现对并网输出电流的跟踪控制，产生SPWM脉冲。其中中断预处理包括堆栈保护、允许外部中断、A/D转换保护等；中断结束处理包括清理部分寄存器，如WG-RELOAD的重新赋值所需的频率值、A/D转换保护结果、系统状态出栈等；测量两组反馈电流用于预估处理，二两次测量必须有间隔时间，在这段时间里插入直流侧电压处理工作。 图五 WFG-INT中断 3.2 试验结果 系统试验结果如图六所示。结果表明并网电流与电网电压较好的同步，而且其谐波比较少，基本能满足并网要求。 图六 并网电压电流波形 参考文献 [1] 于海业，马成林，发达国家温室设施自动化研究的现状[J]，农业工程学报，1997，7(9). [2] 孙本新，.光伏发电系统及控制的研究，大连理工大学硕士论文[D]，2002. [3] Sivakumar S, Parsons T, Sivakumar S C. Modeling analysis and control of bidirectionalpower flow in grid connected inverter systems[A]. Power Cornersion Conference [C],2002,PCC Osaka:2002. [4] Xuejun Pei, Xinchun Lin, etal. Analysis and design of the Dsp-based fully digital controlled UPS. IFFF Power Electronics 2001, P296-300. [5] George Weiss, Qing-Chang Zhong, Tim C.Green. H. Repetitive control of dc-ac converters in microgrids. IEEE trans on power elec vol,19,no,l,January 2004. P219-223. [6] Kai Zhang, Yong Kang, etal. Direct repetitive control of SPWM inverter for ups purpose IEEE, Trans on Power elec,vol,l8,No,3,2003, P 785-792. [7] 孙涵芳，Intel 16位单片机[M]，北京航空航天大学出版社，2002. [8] 李进国，金新民，小功率光伏并网逆变器控制系统的设计[J]，北方交通大学学报，2003，27(2).