小功率單相光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，太陽能發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)高速發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為當(dāng)今太陽能主要利用形式之一。并網(wǎng)逆變器作為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文基于光伏并網(wǎng)逆變器的基本原理和控制策略，提出了一種單相光伏并網(wǎng)逆變器的電路設(shè)計(jì)方案，從功率回路、采樣、驅(qū)動以及保護(hù)等模塊介紹逆變器的硬件設(shè)計(jì)到結(jié)合逆變器實(shí)際控制結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)能夠很好地達(dá)到并網(wǎng)的要求。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的組成

結(jié)合以上控制策略與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及逆變器的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種單相可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。如圖1所示，此系統(tǒng)主要有光伏陣列、Buck/Boost變換電路、全橋逆變器、濾波電路、工頻隔離變壓器、切換電路、儲能環(huán)節(jié)、信號采集調(diào)理電路、驅(qū)動電路、DSP及輸入輸出設(shè)備等組成。

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1.1 功率回路設(shè)計(jì)

功率回路又叫一次回路，如圖2所示，電路采用前級直流升壓后級全橋逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。直流電壓經(jīng)過濾波升壓之后進(jìn)入逆變環(huán)節(jié)，通過控制全橋逆變開關(guān)管的開通關(guān)斷，使逆變器輸出占空比變化的一系列SPWM波，后經(jīng)過LC濾波后得到低壓交流電，然后通過升壓變壓器將輸出電壓升到符合并網(wǎng)要求的電壓，同時防止直流量注入電網(wǎng)。

1.1.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

Boost驅(qū)動電路選用TI公司的專用驅(qū)動芯片UCC27324。該芯片可同時輸出兩路信號，用來驅(qū)動低端MOSFET/IGBT，功耗低、驅(qū)動能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、電路簡單性能優(yōu)越，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

與升壓電路不同，全橋逆變電路的驅(qū)動需要考慮高端管子和低端管子的問題，因此可以采用獨(dú)立電源供電或附加自舉電路兩種驅(qū)動方式，本系統(tǒng)選擇的驅(qū)動芯片為美國國際整流公司生產(chǎn)的IR2110芯片，該芯片內(nèi)部使用自舉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一塊芯片同時輸出兩個驅(qū)動逆變橋中高端與低端的通道信號，它內(nèi)部的自舉操作提供了懸浮電源，懸浮電壓保證了IR2110可直接用于母線電壓為-4～500V的系統(tǒng)中驅(qū)動MOSFET/IG BT，如圖4所示。

1.1.3 檢測電路設(shè)計(jì)

為了降低研發(fā)成本，同時解決隔離問題，220V交流電檢測電路采用簡單的降壓檢測方法，即首先使用限流電阻將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，然后通過1000：1000的電流互感器進(jìn)行隔離，輸出的電流信號經(jīng)過跟隨得到電壓小信號，最后通過一系列整流濾波將電壓轉(zhuǎn)換為DSP可以允許的0～3.3V之間的電壓信號。

通過硬件電路將正弦電壓信號轉(zhuǎn)化為方波信號，這樣便于DSP控制器的CAP單元準(zhǔn)確地捕獲該信號，從而計(jì)算該電壓信號的頻率和相位。實(shí)際硬件電路是通過比較器LM311實(shí)現(xiàn)這一功能的，該交流電壓的檢測電路與相位檢測電路仿真圖如圖5所示，頻率相位檢測結(jié)果如圖6所示。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的好壞嚴(yán)重影響著系統(tǒng)的可靠性和高效性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，考慮到許多控制參量的實(shí)時性要求高，并且系統(tǒng)中包含多個控制狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)時借鑒了TI公司的軟件編寫結(jié)構(gòu)以及采用了狀態(tài)機(jī)的控制模式，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的實(shí)時性和多種工作模式的有效切換。如圖7所示。

根據(jù)狀態(tài)機(jī)控制圖，結(jié)合逆變器實(shí)際控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)軟件編寫結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用三種不同的計(jì)時時間解決緊急事件，另外三個中斷事件處理優(yōu)先級更高的事件，它們是閉環(huán)控制、捕獲事件、SCI數(shù)據(jù)接收。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

在該系統(tǒng)中，使用了3個主要任務(wù)，即Task_A0、Task_B0、Task_C0。Task_A0：1ms任務(wù)，它包括四個子任務(wù)，在本系統(tǒng)中只用到了A1、A3兩個子任務(wù)。A1的任務(wù)為處理狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)每20ms檢查一次，因此新的運(yùn)行模式將在20ms以后開始運(yùn)行;A3用于逆變器上的按鈕檢測及相關(guān)LED指示燈及相關(guān)顯示控制。

Task_B0：4ms任務(wù)，同樣具有四個子任務(wù)。B1用于故障檢測，包括短路檢測、過流檢測、電網(wǎng)電壓、頻率檢測以及直流母線電壓檢測;B2處理測量數(shù)據(jù)的計(jì)算，如計(jì)算電網(wǎng)電壓有效值和輸出電流有效值、有功功率、直流母線電壓以及過零檢測等;B3處理開機(jī)檢測;B4沒有使用，可用于控制板之間通訊的擴(kuò)展。

Task_CO：0.5ms任務(wù)，C0用于SCI通訊。

2 光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

對于并網(wǎng)逆變器，要想實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行需要具備以下幾個要求：1)輸出的電壓和電網(wǎng)電壓同頻同相且幅值相同;2)要求逆變器輸出的電流與電網(wǎng)電壓同頻同相即功率因數(shù)為1;3)逆變器輸出滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求。滿足以上要求除合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)合理的信號采集調(diào)理電路外，有效的控制策略也是不可或缺的。

逆變器有兩種工作模式：獨(dú)立運(yùn)行模式和并網(wǎng)運(yùn)行模式。當(dāng)逆變器工作于獨(dú)立運(yùn)行模式時，控制器通過檢測逆變器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)對逆變器的控制，多采用電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。但是，在并網(wǎng)模式下，需要保證逆變器輸出的電壓電流與電網(wǎng)同頻同相，減小并聯(lián)環(huán)流，同時需檢測逆變器輸出電流的大小，以控制逆變器輸出功率，因此，當(dāng)逆變器工作于并網(wǎng)模式下，一般采用電流控制方式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

依照以上硬件電路與軟件設(shè)計(jì)方案，基于TMS320F28035編寫軟件程序，在允許輸入波動范圍內(nèi)保證逆變器輸出電壓恒定且滿足實(shí)驗(yàn)要求，在實(shí)驗(yàn)時采用逐步增加功率的方法，搭建了600W光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺。如圖9所示，實(shí)驗(yàn)的輸入由直流開關(guān)電源提供，實(shí)驗(yàn)中的負(fù)載為100W白熾燈，測試儀器為質(zhì)量分析儀、數(shù)字萬用表、示波器等。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，圖(a)、(b)為逆變器在滿功率運(yùn)行時的電壓電流輸出波形，輸出電壓為225.2V，輸出電流為9.3A，電壓電流波形THD為3.3%、4.2%。需要說明的是，為了便于實(shí)驗(yàn)中電流的測試，在檢測電流時，由于選用的電流鉗的量程很大，因此為了提高測量精度，將電流放大了不等倍數(shù)，現(xiàn)滿載運(yùn)行時的測量電流為實(shí)際電流的四倍。從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，實(shí)驗(yàn)輸出波形滿足設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

本文從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面介紹了單相并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)過程。通過功率回路、驅(qū)動電路、檢測電路的介紹與軟件編程結(jié)構(gòu)的分析成功搭建實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)表明，硬件電路設(shè)計(jì)合理，軟件邏輯正確，能夠確保逆變器在并網(wǎng)狀態(tài)下平穩(wěn)、高效、精確的運(yùn)行。