求關(guān)于光伏用于溫室的應(yīng)用的文章

【專家解說】：溫室光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計 摘要：分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)DC/DC環(huán)節(jié)由SG3525控制，而DC/AC逆變器由單片機(jī)87C196MC控制。對并網(wǎng)電流進(jìn)行實時跟蹤控制，采用雙閉環(huán)控制方案實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同步，同時給出了整個系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)流程圖。實驗結(jié)果表明，并網(wǎng)電流波形較好。根據(jù)溫室的特點，將該并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用于溫室，解決了溫室節(jié)能的問題。 關(guān)鍵詞：溫室，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，逆變器，雙閉環(huán)控制 1. 引言 十九世紀(jì)中期以來，世界各國農(nóng)業(yè)發(fā)展越來越需要各種工程技術(shù)手段與設(shè)施的支撐，特別是計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展在農(nóng)業(yè)方面中的應(yīng)用大大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。隨著我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合國力的增強(qiáng)，溫室工程逐漸發(fā)展成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的生長點，溫室生產(chǎn)操作正在向機(jī)械化和自動化方向發(fā)展。但是伴隨而來的就是設(shè)備成本高，耗電量大等問題。根據(jù)溫室集中、規(guī)模大、頂棚可利用面積大等特點，如果將光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)與溫室結(jié)合起來，在不影響植物所需光照的前提下，將光伏陣列鋪設(shè)于溫室頂棚及幕墻，即可利用其發(fā)電，一方面供應(yīng)自身的用電，另一方面將多余的電并網(wǎng)，不僅節(jié)約能源，而且改善環(huán)境。這是現(xiàn)代溫室的一個方展方向，是一項開發(fā)前景廣闊的綠色建筑工程。 2. 并網(wǎng)系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu) 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要包括幾大部分：光伏陣列、升壓變換器、逆變器和控制器。太陽能電池陣列將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化成直流電能，輸出的直流電通過升壓變換器升到逆變器所要求的幅值后再經(jīng)并網(wǎng)逆變器逆變成交流電，一方面供常規(guī)負(fù)載使用，另一方面當(dāng)有多余的電時，通過并網(wǎng)技術(shù)送到公共電網(wǎng)。此時負(fù)載為電網(wǎng)，逆變器工作于有源逆變狀態(tài)，相當(dāng)于一個受控電流源。本論文為一個試驗裝置，其并網(wǎng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖一所示。本裝置太陽能電池陣列由兩塊110W的電池組件串聯(lián)而成，輸出額定電壓為35V，經(jīng)過DC/DC變換器轉(zhuǎn)變?yōu)?80V的直流電，再經(jīng)DC/AC逆變器變成220V、50Hz的與電網(wǎng)同頻同相的交流電。 圖一 并網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 2.1 DC/DC控制方案 控制電路是以集成電路SG3525為核心，由SG3525輸出兩路驅(qū)動信號，經(jīng)門極驅(qū)動電路加在升壓電路開關(guān)管的門極上。為保持DC/DC變換器輸出電壓的穩(wěn)定,將檢測到的輸出電壓與最大功率跟蹤得到的電壓進(jìn)行比較，該誤差電壓經(jīng)比例積分PI調(diào)節(jié)后控制SG3525輸出驅(qū)動信號的占空比。該控制電路還具有限制輸出過流過壓的保護(hù)功能。當(dāng)檢測到DC/DC變換器輸出電流過大時，SG3525將減小門極脈沖的寬度，降低輸出電壓；當(dāng)輸出電壓過高時，會停止DC/DC變換器的工作。同時將這些故障綜合成一個信號，送至主控制單元，用于封鎖逆變單元SPWM控制信號輸出。 2.2 DC/AC逆變器控制方案 逆變器控制是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的重點和難點，其負(fù)載為電網(wǎng)，是一個可看成容量無窮大的交流電壓源。這里逆變器輸出采用電流控制方式，無需控制其幅值，只需要控制其頻率和相位，這樣可以減少一個控制變量，簡化控制。 逆變電路采用SPWM控制技術(shù)，主控制芯片采用Intel的16位微控制器87C196MC，它具有以下特點：1）一個三相波形發(fā)生器(WFG)，能產(chǎn)生三相6路驅(qū)動信號SPWM波；2）一個事件處理陣列(EPA)，有2個16位雙向定時/計數(shù)器，4個捕獲/比較模塊，可以用于捕捉和記錄跳變事件。3）13路A/D轉(zhuǎn)換。這些主要特點已能夠滿足光伏并網(wǎng)控制的要求。 87C196MC脈沖發(fā)生器WFG的SPWM脈沖生成采用中值規(guī)則采樣法，使用三角波作為載波，正弦波作為調(diào)制波，相應(yīng)地選擇WFG的工作方式為中心對準(zhǔn)方式0。根據(jù)中值規(guī)則采樣SPWM控制，可得脈沖寬度計算公式如下： (1) 首先將正弦函數(shù)離散化，存入EPROM。通過查表查出正弦值，根據(jù)上式實時計算得到脈沖寬度，將其值裝入比較寄存器。 對逆變器的控制就是要使其輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，其實現(xiàn)過程為：電網(wǎng)電壓信號降壓隔離后經(jīng)過硬件整形，產(chǎn)生與其同步的占空比為50％的50Hz的方波信號，將該方波信號送入87C196MC事件處理器陣列(EPA)的捕獲/比較模塊中，并設(shè)定計數(shù)時基為地增計數(shù)模式。捕捉引腳的上升跳變，記錄事件發(fā)生時計數(shù)器的值，而且輸入捕獲功能具有雙重緩沖，這樣計數(shù)器相鄰兩次的差值即為所測得的電網(wǎng)電壓的周期，用該周期作為正弦調(diào)制波的周期，即為輸出并網(wǎng)電流的周期。在事件發(fā)生時，產(chǎn)生一次捕捉中斷請求，以此時間點作為基準(zhǔn)給定正弦波信號的時間起點，同時在中斷程序中計算電網(wǎng)電壓的頻率值，并相應(yīng)地修改WG-RELOAD寄存器的值，以改變輸出電流的頻率。這樣就保證了并網(wǎng)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。 2.3 同步控制方案 逆變器產(chǎn)生電流是否與電網(wǎng)電壓同步是能否并網(wǎng)的關(guān)鍵，因此必須對電流進(jìn)行實時跟蹤控制。圖二為電流跟蹤控制的原理框圖。 圖二 電流跟蹤控制原理框圖 這是一個雙閉環(huán)控制方案，內(nèi)環(huán)為電流跟蹤環(huán)，包括電壓同步環(huán)節(jié)、交流電壓和電流檢測環(huán)節(jié)、PWM調(diào)制環(huán)節(jié)等。與電網(wǎng)電壓同步的從EEPROM中取出的離散的正弦表值，它與反饋的實際并網(wǎng)電流瞬時值進(jìn)行比較，差值經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)后與引入的電網(wǎng)電壓值相加后，輸出經(jīng)三角波調(diào)制后，輸出正弦波脈寬調(diào)制信號。內(nèi)環(huán)控制對并網(wǎng)電流的實時控制，實現(xiàn)相位跟蹤。外環(huán)控制目的主要是消除內(nèi)環(huán)控制存在的相位誤差，同時控制其幅值，使太陽能電池組件工作在最大功率點。參考電壓為最大功率跟蹤控制輸出得到的最佳工作電壓，它與太陽能電池實際的工作電壓相比較后，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，產(chǎn)生輔助參考電流，它與由內(nèi)環(huán)產(chǎn)生的主參考電流相加。這樣可以抑制穩(wěn)態(tài)誤差，改善SPWM電流跟蹤控制的性能。 2.4 并網(wǎng)輸出電流重構(gòu) 由于采用87C196MC單片機(jī)，此次WG-INT中斷產(chǎn)生的控制脈沖要到下次中斷時才會起作用，這樣就引入了滯后量，同時電路中存在RC濾波電路，同樣使結(jié)果產(chǎn)生誤差。這相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中增加了一個純滯后環(huán)節(jié)，給系統(tǒng)響應(yīng)帶來了不良影響。反映在系統(tǒng)特性中會造成電流諧波加大、系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、超調(diào)增加等問題。因此，必須在軟件處理上加入電流預(yù)估環(huán)節(jié)，補(bǔ)償滯后所帶來的不良影響。本系統(tǒng)預(yù)測采用1/2采樣周期的計算方法，在WG-INT中斷服務(wù)中對并網(wǎng)電流測取兩次采樣值，以及從EEPROM中取出前幾次采樣值，預(yù)估出下一次A/D采樣值。 根據(jù) 的泰勒展開式，并對展開式進(jìn)行線性簡化可得到預(yù)測公式： (2) 根據(jù)當(dāng)前采樣值以及前三次采樣值即可由預(yù)測公式計算出下次載波周期的并網(wǎng)電流的值。采用這種方案使得系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性都具有良好的性能,可以克服由于電網(wǎng)電壓的諧波、毛刺以及其他干擾因素等帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定。 3. 軟件實現(xiàn) 3.1 程序流程圖 本系統(tǒng)執(zhí)行的功能包括：各設(shè)定和實時量的測取，同步電壓的測定，內(nèi)外環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，PWM模式發(fā)生，控制脈沖產(chǎn)生等功能。根據(jù)功能的不同，系統(tǒng)軟件分為主循環(huán)程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序適于處理實時性要求低的功能，如對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，如給波形發(fā)生器的WG-RELOAD寄存器設(shè)置一個初始值，當(dāng)其定時時間到時，響應(yīng)波形發(fā)生器中斷。主程序流程圖如圖三所示。 圖三 主程序流程圖 中斷服務(wù)程序主要有同步中斷和波形發(fā)生器的WG-INT中斷。捕捉引腳捕捉到上升沿時產(chǎn)生同步中斷，該中斷有與電網(wǎng)同步、最大功率跟蹤和孤島檢測保護(hù)等功能，是程序的核心部分之一。其流程如圖四所示： 圖四 同步中斷流程圖 WFG-INT中斷實現(xiàn)對并網(wǎng)輸出電流的跟蹤控制，產(chǎn)生SPWM脈沖。其中中斷預(yù)處理包括堆棧保護(hù)、允許外部中斷、A/D轉(zhuǎn)換保護(hù)等；中斷結(jié)束處理包括清理部分寄存器，如WG-RELOAD的重新賦值所需的頻率值、A/D轉(zhuǎn)換保護(hù)結(jié)果、系統(tǒng)狀態(tài)出棧等；測量兩組反饋電流用于預(yù)估處理，二兩次測量必須有間隔時間，在這段時間里插入直流側(cè)電壓處理工作。 圖五 WFG-INT中斷 3.2 試驗結(jié)果 系統(tǒng)試驗結(jié)果如圖六所示。結(jié)果表明并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓較好的同步，而且其諧波比較少，基本能滿足并網(wǎng)要求。 圖六 并網(wǎng)電壓電流波形 參考文獻(xiàn) [1] 于海業(yè)，馬成林，發(fā)達(dá)國家溫室設(shè)施自動化研究的現(xiàn)狀[J]，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1997，7(9). 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