利用C2000 MCU實(shí)施并網(wǎng)微型太陽(yáng)能逆變器

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(gè)可再生能源方案的關(guān)鍵部分。在所有太陽(yáng)能逆變器中，微型太陽(yáng)能逆變器是至關(guān)重要的組成部分。

本文將為您介紹如何利用一個(gè)TMS320F2802設計一種低成本、高性能的微型太陽(yáng)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全橋實(shí)現一個(gè)220W輸出的微型太陽(yáng)能逆變器，并介紹完整的系統固件架構和控制方法。最后，文章還會(huì )為您展示實(shí)驗室波形。

1 概述

1.1 太陽(yáng)能逆變器介紹

材料、能源和信息是人類(lèi)生存和發(fā)展的三大要素。能源利用的每一次新發(fā)現，都會(huì )極大改變和促進(jìn)現代文明的發(fā)展：

l 蒸汽機的發(fā)明讓我們進(jìn)入機器時(shí)代。

l 電的發(fā)明讓我們進(jìn)入電氣時(shí)代。

l 半導體晶體管的發(fā)明讓我們進(jìn)入信息時(shí)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(gè)可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵組成部分。根據世界能源組織預測，隨著(zhù)傳統能源(例如：煤炭、石油等)逐漸枯竭，可再生能源將成為人類(lèi)的主要能源。圖1顯示了世界能源的發(fā)展趨勢。

各國政府都對可再生能源的發(fā)展投以極大關(guān)注。2007年，中國政府稱(chēng)“可再生能源可滿(mǎn)足國家長(cháng)期發(fā)展規劃的需求”，而在2008年，中國政府便發(fā)布了可再生能源第11個(gè)五年發(fā)展計劃。根據該計劃要求，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(yáng)能光伏發(fā)電的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

l 太陽(yáng)能很豐富，無(wú)窮無(wú)盡。

l 生產(chǎn)PV板的材料分布廣泛，并儲備豐富。

l 系統結構簡(jiǎn)單，轉換效率高。

l 無(wú)污染，并且可循環(huán)利用。

l 光伏電池壽命長(cháng)，維護成本低。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的缺點(diǎn)包括：

l 功率密度低，占用面積大。

l 發(fā)電受限于自然條件，沒(méi)有太陽(yáng)就無(wú)法發(fā)電。

l 單位生產(chǎn)成本高。

1.2 光伏發(fā)電系統分類(lèi)

根據應用環(huán)境，光伏發(fā)電系統可分為非入網(wǎng)太陽(yáng)能逆變器系統和入網(wǎng)太陽(yáng)能逆變系統。

非入網(wǎng)太陽(yáng)能逆變器系統主要用于獨立組建的光伏發(fā)電系統，適用于家庭、農村、島嶼、偏遠地區、城市照明以及電源系統的通信、測試與應用。圖2為一個(gè)系統結構圖，其描述了太陽(yáng)能板組件、太陽(yáng)能逆變單元、儲能單元、電負載等主要組成部分。

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

1.3 PV板電氣特性

太陽(yáng)能逆變器功率輸出變化幾乎與陽(yáng)光直接相關(guān)，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(huì )產(chǎn)生16V的電壓，但是電流卻極少。

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

太陽(yáng)能逆變器必須工作在MPP下，以獲得來(lái)自PV板的最大電能。這是通過(guò)最大功率點(diǎn)控制環(huán)路(最大功率點(diǎn)追蹤器，MPPT)來(lái)實(shí)現的。

1.4 太陽(yáng)能逆變器拓撲改變

隨著(zhù)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(huì )考慮并串聯(lián)PV板以獲得高輸入電壓，并使用一個(gè)逆

變器來(lái)實(shí)現電能轉換。這種拓撲結構被稱(chēng)作“中央逆變器”，如圖5(a)所示;它

的主要特點(diǎn)是：

10到250kw，3相，數個(gè)并聯(lián)串

轉換器效率高，成本低，可靠性低

非最佳MPPT

通常用于發(fā)電廠(chǎng)

另一種應用是在所有串分支把PV板串聯(lián)以實(shí)現能量轉換。使用一個(gè)MPPT模塊，用于獲得PV板的最大電能。這種拓撲被稱(chēng)作“串型逆變器”，如圖5(b)所示;它的主要特點(diǎn)是：

l 1到10kw，典型的住宅型應用。

l 每個(gè)串分支都有其自己的逆變器，用于實(shí)現更佳的MPPT。

l 各串可以有不同的方向。

l 三相逆變器，用于5km以上輸出功率。

盡管這種串型逆變器可以獲得更的電能收集效率，但是當一個(gè)串聯(lián)PV板被陰影遮擋時(shí)，該串分支的電能收集也隨之下降，如圖6(a)所示。如果放置一個(gè)MPPT模塊來(lái)收集所有PV板的電能，則可解決這個(gè)問(wèn)題。這種拓撲被稱(chēng)作“微型逆變器”，如圖7所示。

很明顯，就微型逆變器而言，“分布式MPPT”架構增加了每PV板成本;但是，通過(guò)回收下列效率損失可將效率提高5%到25%：

l PV板錯配損耗(3%到5%)