基于TMS320F2802的實施并網(wǎng)微型太陽能逆變器設計

摘要
可再生能源應用的迅猛發(fā)展將引發(fā)第四次工業(yè)革命。光伏發(fā)電是整個可再生能源方案的關鍵部分。在所有太陽能逆變器中，微型太陽能逆變器是至關重要的組成部分。

本文將為您介紹如何利用一個TMS320F2802設計一種低成本、高性能的微型太陽能逆變器。另外，文章還將討論如何使用交叉式有源鉗位反激和SCR全橋?qū)崿F(xiàn)一個220W輸出的微型太陽能逆變器，并介紹完整的系統(tǒng)固件架構(gòu)和控制方法。最后，文章還會為您展示實驗室波形。

1 概述
1．1 太陽能逆變器介紹
材料、能源和信息是人類生存和發(fā)展的三大要素。能源利用的每一次新發(fā)現(xiàn)，都會極大改變和促進現(xiàn)代文明的發(fā)展：
蒸汽機的發(fā)明讓我們進入機器時代。
電的發(fā)明讓我們進入電氣時代。
半導體晶體管的發(fā)明讓我們進入信息時代。

當前可再生能源的發(fā)展和利用將引發(fā)第四次工業(yè)革命；在所有可再生能源利用方法中，光伏發(fā)電是整個可再生能源發(fā)展的關鍵組成部分。根據(jù)世界能源組織預測，隨著傳統(tǒng)能源（例如：煤炭、石油等）逐漸枯竭，可再生能源將成為人類的主要能源。圖1顯示了世界能源的發(fā)展趨勢。

圖 1 世界能源發(fā)展趨勢

各國政府都對可再生能源的發(fā)展投以極大關注。2007年，中國政府稱“可再生能源可滿足國家長期發(fā)展規(guī)劃的需求”，而在2008年，中國政府便發(fā)布了可再生能源第11個五年發(fā)展計劃。根據(jù)該計劃要求，中國2010年的光伏發(fā)電裝機容量需達到2,500億瓦；據(jù)估計，到2020年，中國光伏發(fā)電裝機容量將達到50,000億瓦，其中并網(wǎng)光伏發(fā)電占75%。

太陽能光伏發(fā)電的主要優(yōu)點包括：
太陽能很豐富，無窮無盡。
生產(chǎn)PV板的材料分布廣泛，并儲備豐富。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高。
無污染，并且可循環(huán)利用。
光伏電池壽命長，維護成本低。

太陽能光伏發(fā)電的缺點包括：
功率密度低，占用面積大。
發(fā)電受限于自然條件，沒有太陽就無法發(fā)電。
單位生產(chǎn)成本高。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類
根據(jù)應用環(huán)境，光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為非入網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)和入網(wǎng)太陽能逆變系統(tǒng)。

非入網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)主要用于獨立組建的光伏發(fā)電系統(tǒng)，適用于家庭、農(nóng)村、島嶼、偏遠地區(qū)、城市照明以及電源系統(tǒng)的通信、測試與應用。圖2為一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其描述了太陽能板組件、太陽能逆變單元、儲能單元、電負載等主要組成部分。

圖 2 非入網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)

入網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)主要用于同傳統(tǒng)電網(wǎng)連接，太陽能逆變器把來自PV板的電能連接傳統(tǒng)電網(wǎng)，其主要組成為太陽能板、太陽能逆變器、智能雙向電量計、家庭用電負載和傳統(tǒng)電網(wǎng)等（參見圖3）

圖 3 入網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)

1.3 PV板電氣特性
太陽能逆變器功率輸出變化幾乎與陽光直接相關，但是電流減少的速度遠快于光照水平下降的速度。在極低光照水平下PV板一般會產(chǎn)生16V的電壓，但是電流卻極少。

另外，隨著PV板溫度升高，電壓輸出下降，反之亦然。輸出曲線隨光照條件、溫度等而變化，如圖4所示。

太陽能逆變器必須工作在MPP下，以獲得來自PV板的最大電能。這是通過最大功率點控制環(huán)路（最大功率點追蹤器，MPPT）來實現(xiàn)的。

圖4 PV板電氣特性

1.4 太陽能逆變器拓撲改變
隨著照度的變化，PV板的輸出電壓范圍為20到45伏，因此如果入網(wǎng)應用需要更高的輸出電壓，則通常會考慮并串聯(lián)PV板以獲得高輸入電壓，并使用一個逆變器來實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。這種拓撲結(jié)構(gòu)被稱作“中央逆變器”，如圖5（a）所示；它的主要特點是：

10到250kw，3相，數(shù)個并聯(lián)串
轉(zhuǎn)換器效率高，成本低，可靠性低
非最佳MPPT
通常用于發(fā)電廠

圖 5 中央與串型拓撲