德州儀器（TI） 5KW微網(wǎng)逆變器系統設計方案

中心議題：

*基于TI微處理器的微逆變器設計方案

微網(wǎng)逆變器系統將可再生能源(如太陽(yáng)能，風(fēng)能，水能，地熱能，生物質(zhì)能等)轉變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻、同相的交流電，優(yōu)先輸送給當地負荷供電，剩余的電能饋入電網(wǎng)。微網(wǎng)逆變器系統主要包括：光伏組件、蓄電池組、蓄電池充放電設備、DC/DC變換器、微網(wǎng)逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)等。

5kw微網(wǎng)逆變器系統結構如圖1所示。

圖15KW微逆變器系統結構

微網(wǎng)逆變器是微網(wǎng)逆變器系統中的關(guān)鍵部分。微網(wǎng)逆變器輸出為三相交流電，具有并網(wǎng)和獨立運行兩種工作模式。微網(wǎng)逆變器主電路采用智能功率模塊進(jìn)行逆變，產(chǎn)生三相交流電通過(guò)三相變壓器(Δ-γ)進(jìn)行隔離升壓，并變成三相四線(xiàn)輸出。

靜態(tài)開(kāi)關(guān)和電能計量設計

靜態(tài)開(kāi)關(guān)是微網(wǎng)逆變器系統中的重要組成部分。靜態(tài)開(kāi)關(guān)由三組雙向可控硅、兩個(gè)空氣開(kāi)關(guān)以及一個(gè)斷路器組成，其閉合和斷開(kāi)的驅動(dòng)信號由DSP產(chǎn)生。

正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)Switch1、Switch2、Switch3、Switch4同時(shí)閉合，為當地負荷提供電能;當出現電網(wǎng)缺相、電壓嚴重跌落等非正常狀況時(shí)，由DSP檢測出異常情況，做出判斷決策，并控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與0關(guān)斷。這時(shí)，開(kāi)通Switch1和Switch2，關(guān)斷Switch3，保證重要負荷的供電。當逆變器發(fā)生故障時(shí)，立即斷開(kāi)Switch1，逆變器退出，同時(shí)斷開(kāi)Switch4，由電網(wǎng)對重要負荷供電。當逆變器故障消失時(shí)，在與電網(wǎng)同步后，開(kāi)通Switch1，再閉合Switch4，恢復對當地負荷的供電。當需要檢修逆變器時(shí)，先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Switch2，檢修完成后，重新閉合Switch2。

DC/DC變換器方案設計

DC/DC變換器采用Boost拓撲，實(shí)現直流電壓的升壓功能和蓄電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。PWM驅動(dòng)信號由DSP產(chǎn)生，通過(guò)采集太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流，計算瞬時(shí)輸出功率，不斷與前一時(shí)刻的輸出功率相比較，來(lái)跟蹤太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率。

蓄電池充放電設備設計

蓄電池充放電設備的硬件電路采用Buck-Boost拓撲，驅動(dòng)信號由PIC單片機產(chǎn)生。充電時(shí)根據當前蓄電池狀態(tài)，啟用均充模式或者浮充模式，實(shí)現對蓄電池的智能化充電。當系統需要蓄電池放電時(shí)，由PIC單片機產(chǎn)生PWM驅動(dòng)脈沖，實(shí)現蓄電池對負載的放電。

光伏并網(wǎng)系統逆變器要求

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統的核心是并網(wǎng)逆變器，而此系統中需要專(zhuān)用的逆變器，以保證輸出的電力滿(mǎn)足電網(wǎng)電力對電壓、頻率等電性能指標的要求。因此并網(wǎng)時(shí)，對逆變器提出了較高的要求，主要有:

(1)要求逆變器輸出正弦波電流;

(2)要求逆變器在負載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行;

(3)要求逆變器能使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn);

(4)要求逆變器具有體積小、可靠性高的特點(diǎn);

(5)在市電斷電情況下，逆變器在日照時(shí)能夠單獨供電。

光伏并網(wǎng)系統的拓撲結構

光伏并網(wǎng)系統的拓撲結構可分為以下三類(lèi)：

(1)單級式并網(wǎng)逆變器拓撲

(2)兩級式并網(wǎng)逆變器拓撲

(3)多級式并網(wǎng)逆變器拓撲

5kw微網(wǎng)逆變器電路設計

系統的硬件總體圖如圖2所示。

圖2系統硬件圖主控制芯片的選擇

控制芯片要實(shí)現的功能有:對檢測信號進(jìn)行A/D轉換;產(chǎn)生PWM波形;完成MPPT;電能計量和反孤島效應的計算過(guò)程?？刂齐娐返暮诵钠骷捎妹绹鳷I公司的TMS320F2812DSP(簡(jiǎn)稱(chēng)2812)。

逆變器的設計

逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統的核心部件，選擇高可靠性的逆變模塊是電路正常工作的必要條件。下面對IPM(智能功率模塊)組成逆變器和分離元件組成逆變器進(jìn)行分別闡述。

IPM逆變模塊介紹

IPM是一種先進(jìn)的功率開(kāi)關(guān)器件，具有GTR(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的特點(diǎn)，并具有MOSFET(場(chǎng)效應晶體管)高輸入阻抗高開(kāi)關(guān)頻率和低驅動(dòng)功率等優(yōu)點(diǎn)。IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，不僅減小了系統的體積以及開(kāi)發(fā)時(shí)間，也增強了系統的可靠性。

IPM逆變模塊保護電路設計

IPM故障輸出信號封鎖IPM的控制信號通道，軟件保護不需要增加硬件，簡(jiǎn)便易行，但可能受到軟件設計和計算機故障的影響;硬件保護則反應迅速，工作可靠。應用中軟件與硬件結合的方法能更好的彌補IPM自身保護的不足，提高系統的可靠性。

由IR2130組成逆變模塊電路設計

IR2130是600V以下高壓集成驅動(dòng)器件，它具有六路輸入信號和六路輸出信號，且只需一個(gè)供電電源即可驅動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，一片IR2130可替代3片IR2110，使整個(gè)驅動(dòng)電路更加簡(jiǎn)單可靠。

微網(wǎng)逆變器電源設計

微網(wǎng)逆變器電源系統直接影響逆變器輸出的三相交流電和整個(gè)系統的穩定性，所以一個(gè)穩定的電壓系統是逆變器穩定工作又一必要條件。為蓄電池供電的電源系統需要高效率、低紋波。下面分別闡述由外部220V供電和蓄電池供電的電源設計。實(shí)驗時(shí)，可以先用外部220V供電的電源系統;實(shí)驗完畢成為產(chǎn)品時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，需用內部只帶蓄電池供電。

微網(wǎng)逆變器信號調理電路設計

由于DSP不能輸入負電壓，故逆變器的輸出線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流，電網(wǎng)端的線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流總共12路信號要通過(guò)信號調理才能送入DSP。

電壓互感器的選擇

此系統輸出是三相交流電，輸出線(xiàn)電壓為380V，故選擇TV19E電壓互感器，其輸出負載電阻可以接0~500Ω，輸出交流電壓0~2.5V，此系統采用240歐的電阻，輸出電壓為-1.2V~1.2V。滿(mǎn)足DSP的輸入要求。電路如圖3所示。

電流互感器的選擇

此系統輸出電流小于1A，故選擇最大可以測量1A的電壓型電流互感器TA1410，負載電阻用是200歐，輸出電壓為-1V~1V的交流電壓。電路如圖4所示。