小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制的設(shè)計(jì)

摘要：闡述了一種小功率光伏并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)。該光伏并網(wǎng)逆變器由DC/DC變換器與DC/AC變換器兩部分組成，其中DC/DC變換器采用芯片SG3525來控制，DC/AC變換器采用數(shù)字信號處理器TMS320F240來控制。由于DSP實(shí)時(shí)處理能力極強(qiáng)，采用合適的算法能確保逆變電源的輸出功率因數(shù)非常接近1，輸出電流為正弦波形。該控制方案已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏系統(tǒng)；逆變器

1? 引言

??? 21世紀(jì)，人類將面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。在有限資源和保護(hù)環(huán)境的雙重制約下能源問題將更加突出，這主要體現(xiàn)在：①能源短缺；②環(huán)境污染；③溫室效應(yīng)。因此，人類在解決能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展時(shí)，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有儲量大、普遍存在、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此太陽能的利用越來越受到人們的廣泛重視，成為理想的替代能源。文中闡述的功率為200W太陽能光伏并網(wǎng)逆變器，將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電直接轉(zhuǎn)換為220V/50Hz的工頻正弦交流電輸出至電網(wǎng)。

2? 系統(tǒng)工作原理及其控制方案

2.1? 光伏并網(wǎng)逆變器電路原理

???? 太陽能光伏并網(wǎng)逆變器的主電路原理圖如圖1所示。在本系統(tǒng)中，太陽能電池板輸出的額定電壓為62V的直流電，通過DC/DC變換器被轉(zhuǎn)換為400V直流電，接著經(jīng)過DC/AC逆變后就得到220V/50Hz的交流電。系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的220V/50Hz正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同步。

圖1? 電路原理框圖

2.2? 系統(tǒng)控制方案

??? 圖2為光伏并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)鋱D，此系統(tǒng)由前級的DC/DC變換器和后級的DC/AC逆變器組成。DC/DC變換器的逆變電路可選擇的型式有半橋式、全橋式、推挽式。考慮到輸入電壓較低，如采用半橋式則開關(guān)管電流變大，而采用全橋式則控制復(fù)雜、開關(guān)管功耗增大，因此這里采用推挽式電路。DC/DC變換器由推挽逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電感構(gòu)成，它將太陽能電池板輸出的62V的直流電壓轉(zhuǎn)換成400V的直流電壓。

圖2? 主電路拓?fù)鋱D

??? DC/AC逆變器的主電路采用全橋式結(jié)構(gòu)，由4個(gè)MOS管（該管內(nèi)部寄生了反并聯(lián)的二極管）構(gòu)成，它將400V的直流電轉(zhuǎn)換成為220V/50Hz的工頻交流電。

2.2.1? DC/DC變換器控制方案

??? DC/DC變換器的控制框圖如圖3所示。控制電路是以集成電路SG3525為核心，由SG3525輸出的兩路50kHz的驅(qū)動信號，經(jīng)門極驅(qū)動電路加在推挽電路開關(guān)管Q₁和Q₂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指令電壓進(jìn)行比較，該誤差電壓經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后控制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(shí)，SG3525將減小門極脈沖的寬度，降低輸出電壓，進(jìn)而降低了輸出電流。當(dāng)輸出電壓過高時(shí)，會停止DC/DC變換器的工作。由于推挽式電路容易因直流偏磁導(dǎo)致變壓器飽和，因此，推挽式電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何防止變壓器的磁飽和。在本電路中，除了注意電路的對稱性之外，還設(shè)計(jì)了磁飽和檢測電路，當(dāng)流經(jīng)推挽電路的兩個(gè)支路電流失衡時(shí)，就會啟動SG3525的軟啟動功能，使DC/DC變換器重新啟動，變壓器得以復(fù)位。

圖3? DC/DC變換器的控制框圖

??? 偏磁檢測電路如圖4所示。圖中只畫出了磁環(huán)的副邊。原邊兩個(gè)線圈接在主電路的變壓器原邊的兩個(gè)繞組上，流過兩個(gè)線圈中的電流方向要相反。當(dāng)變壓器發(fā)生偏磁時(shí)，某一方向的電流異常大，通過電流互感器檢測,可在互感器的輸出電阻R₁上產(chǎn)生一個(gè)電壓，如果該電壓足夠大，可以使穩(wěn)壓二極管D₅導(dǎo)通，在電位器上產(chǎn)生壓降，將電位器的值調(diào)到合適的阻值，使電位器上的壓降大于三極管的門限電壓，使三極管導(dǎo)通，接在芯片SG3525的腳8與地之間的電容放電，然后SG3525中的恒流源對它充電，SG3525重新啟動，從而使變壓器磁心復(fù)位。

圖4? 偏磁檢測電路

2.2.2? DC/AC逆變器控制方案

??? DC/AC逆變器是光伏并網(wǎng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此以下將著重闡述該部分。DC/AC逆變器控制框圖如圖5所示。核心控制芯片采用了TI公司的TMS320F240。盡管單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的脈寬調(diào)制，但是DSP實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)大，因此可以保證系統(tǒng)有更高的開關(guān)工作頻率。從圖5可以清楚看出系統(tǒng)輸入和輸出信號的情況。

圖5? DC/AC逆變器的控制框圖

2.3? 輸出功率優(yōu)化控制方案

??? 在靜態(tài)情況下，當(dāng)并網(wǎng)逆變器與太陽能電池相連時(shí)，并網(wǎng)逆變器可等效為太陽能電池的負(fù)載電阻。當(dāng)光強(qiáng)λ和溫度T變化時(shí)，太陽能電池輸出的端電壓將會隨之發(fā)生變化。為了有效地利用太陽能，應(yīng)使太陽能電池的輸出始終處于適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)。因此，控制方案要求當(dāng)太陽能電池的電壓升高時(shí)，可以增大它的輸出功率；反之就降低它的輸出功率。

??? DSP的控制方案如圖6所示，參考電壓和太陽能電池的實(shí)際電壓相比較后，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，將得到的電流指令（直流量）I_REF與R_OM里的正弦表值相乘，就得到交變的輸出電流指令i_ref，再將它與實(shí)際的輸出電流值比較后，其誤差經(jīng)過比例（P）環(huán)節(jié)，將所得到的指令取反，與采集到的交流側(cè)電壓U_s相加后，所得到的波形再與三角波比較，就產(chǎn)生4路PWM調(diào)制信號（三角波的頻率為20kHz）。

圖6? DSP的控制方案

2.4? 交流側(cè)電壓U_s的檢測

??? 將同步變壓器副邊的同步信號，濾波、整流，就可以得到比較穩(wěn)定的直流電，將其送到DSP的A/D轉(zhuǎn)換口。由于最后得到的直流電壓與電網(wǎng)電壓有一個(gè)比較穩(wěn)定的關(guān)系，因此，就比較容易換算Us的值了。

??? 由于涉及到共地的問題，因此，采用了運(yùn)算放大器的全波精密整流電路，如圖7所示。

圖7? U_s的整流電路

2.5? 電流指令的同步

??? 并網(wǎng)時(shí)要求逆變器輸出的正弦波電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相。首先，將電網(wǎng)電壓信號經(jīng)過濾波整形為同步方波信號，再將其輸入到TMS320F240的外部中斷口XINT1，目的是為了捕捉電網(wǎng)電壓的過零信號。如圖8所示，電網(wǎng)電壓正弦波，經(jīng)過整形后就得到了方波。

??? 當(dāng)DSP檢測到過零信號的上跳沿時(shí)，便觸發(fā)同步中斷，以此時(shí)間點(diǎn)作為基準(zhǔn)給定正弦波信號時(shí)間起點(diǎn)，也就是正弦表指針復(fù)位到零；每當(dāng)T1下溢中斷（PWM實(shí)時(shí)控制）時(shí)，正弦表指針便加1，并從正弦表中取值。一個(gè)周期的單位正弦波數(shù)據(jù)被分成了400個(gè)點(diǎn)采用表的形式存放在存儲器中。由于同步信號比較容易受到諧波和尖峰電壓的干擾，因此在進(jìn)入同步中斷后可以先做一個(gè)延時(shí)，判斷外部中斷腳XINT1是否仍然是高電平，如果是高電平，就執(zhí)行中斷程序，否則就從中斷程序跳出。

??? 從圖6的控制方案可看出，I_REF與正弦表中數(shù)據(jù)相乘后，便形成了幅值可調(diào)的正弦波的電流給定信號，然后，再實(shí)時(shí)比較電流給定值，經(jīng)過P環(huán)節(jié)后，所得信號反相后，與采集到的交流側(cè)電網(wǎng)電壓信號U_s相加，所得波形與三角波比較，就產(chǎn)生了PWM波，控制橋臂的通斷。總之，輸出電流和電網(wǎng)電壓的同頻、同相的要求是通過電流跟蹤控制實(shí)現(xiàn)的。

2.6? PWM脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生

??? PWM波的產(chǎn)生是通過TMS320F240的全比較單元輸出的，頻率為20kHz。從圖6可知，調(diào)制脈沖的產(chǎn)生是通過將電流指令值與實(shí)際電流值比較后，經(jīng)過P環(huán)節(jié)，所得到的波形與三角波（頻率為20kHz）比較后獲得的。因此MOS管Q₃、Q₄、Q₅、Q₆（見圖2）脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻可以從圖8得出，參照正弦波與三角波調(diào)制，兩者相交決定了PWM的脈沖時(shí)刻。實(shí)際由采樣的波形（實(shí)際上是階梯波）與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。本系統(tǒng)是在三角波的底點(diǎn)位置對波形進(jìn)行采樣而形成的階梯波。此階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬在一個(gè)采樣周期內(nèi)的位置是對稱的，如圖9所示。

圖8? 同步信號波形

圖9? 正弦脈寬調(diào)制波形

??? 圖9（a）正弦波B與三角波的交點(diǎn)決定了Q₃的導(dǎo)通時(shí)刻；正弦波A與三角波的交點(diǎn)決定了Q₅的導(dǎo)通時(shí)刻。

??? 圖9（b）為Q₃的脈沖示意圖，同一橋臂上Q₃與Q₄的脈沖是互補(bǔ)的。

??? 圖9（c）為Q₅的脈沖示意圖，同一橋臂上Q₅與Q₆的脈沖是互補(bǔ)的。

2.7??? TMS320F240軟件控制流程

??? 這部分的軟件主要分成4塊，即主程序，T1下溢中斷，T2下溢中斷和同步中斷。流程圖如圖10所示。T1下溢中斷每50μs發(fā)生一次，程序主要用來生成PWM波；T2下溢中斷每10ms發(fā)生一次，程序主要用來產(chǎn)生電流指令；同步中斷大約每20ms（網(wǎng)壓周期）發(fā)生一次。

圖10? 軟件流程圖

2.8? 系統(tǒng)保護(hù)

??? 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有直流側(cè)過壓、欠壓，交流側(cè)過流，過熱等多種保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)太陽能電池板的輸出電壓過壓、欠壓故障的時(shí)候，由TMS320F240向SG3525發(fā)出一個(gè)信號，封鎖DC/DC的脈沖，使其停止工作，當(dāng)檢測到直流電壓恢復(fù)正常時(shí)，DC/DC又自動復(fù)位開始工作；當(dāng)出現(xiàn)交流過流、過熱故障時(shí)，程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，封鎖所有驅(qū)動信號。當(dāng)故障排除后，手動復(fù)位，系統(tǒng)重新啟動。

3? 主要元器件選擇與實(shí)驗(yàn)波形

??? 推挽式電路MOS管選用的是IRFP350（耐壓400V，漏源額定電流為16A）。橋式逆變電路MOS管選用的是IRFPC40（耐壓600V，漏源額定電流為6.8A）。DC/DC濾波電感L₁選用1.2mH,DC/AC濾波電感L₂選用33.4mH。

4? 結(jié)語

??? 本文闡述了一種小功率光伏并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)。DC/DC控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用推挽式電路，是用芯片SG3525來控制的，該電路有效地防止了偏磁；DC/AC逆變器為全橋逆變電路，是用DSP來控制的，由于DSP的運(yùn)算速度比較高，因此逆變器的輸出電流能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓波形。該光伏并網(wǎng)逆變器控制方案的有效性在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證。該控制系統(tǒng)能確保逆變電源的輸出功率因數(shù)接近1，輸出電流為正弦波形。