兩級拓撲結構的離網(wǎng)型光伏逆變器設計

摘要：光伏發(fā)電系統由太陽(yáng)能電池陣列、蓄電池、控制器、逆變器等部件組成。本文針對光伏發(fā)電系統中的核心設備——逆變器，介紹了一種離網(wǎng)型逆變器的設計方法。主電路采用兩級變換拓撲結構，控制電路選用單片機C8051F330和SG3525作為控制芯片，設計了蓄電池充放電電路、交直流變換電路、電壓采集電路和保護電路等單元，并對各單元的控制方式進(jìn)行了說(shuō)明，證明了該逆變器適用于離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統。

引言

　　光伏發(fā)電技術(shù)是利用光伏效應將太陽(yáng)輻射能轉變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式，伴隨著(zhù)傳統能源的枯竭和人們對環(huán)保的重視，光伏發(fā)電越來(lái)越成為未來(lái)電力系統發(fā)展的主要方向。我國從2008年開(kāi)始陸續出臺了新的能源政策，更使得光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)如火如荼地發(fā)展起來(lái)，對光伏發(fā)電設備的研究也進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期。但是，光伏發(fā)電設備本身存在著(zhù)損耗高、運行效率低等缺點(diǎn)，極大地降低了其應用價(jià)值。與此同時(shí)，逆變器效率的高低直接影響光電轉換效率，而且影響系統其他設備的容量選擇與配置。因此，逆變器已成為解決光伏發(fā)電系統經(jīng)濟可靠運行的關(guān)鍵因素，研究其結構與控制方法對于降低成本、提高發(fā)電效率具有極其重要的意義。

　　本文以光伏離網(wǎng)發(fā)電系統的核心設備--逆變器為研究對象，設計了一種基于低成本單片機C8051F330和SG3525集成芯片的離網(wǎng)型光伏逆變器，可以滿(mǎn)足戶(hù)用型小功率場(chǎng)合的需求。該逆變器的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)采用高性能單片機，使整機結構簡(jiǎn)單、效率高、控制靈活，一旦出現故障，容易維修^[1]。

1 系統設計要求

　　離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統主要用于無(wú)電地區居民家庭的電力供應，它一般由太陽(yáng)能電池組件、蓄電池、控制器和逆變器這四個(gè)部分組成。通常情況下應當具有以下基本功能：1)控制蓄電池充放電，通過(guò)對蓄電池輸出電壓的采樣、比較和判斷，自動(dòng)啟停蓄電池的充、放電過(guò)程，并且可以根據蓄電池的環(huán)境溫度來(lái)調整預定上、下限值;2) 提供DC/AC輸出短路保護，一旦短路發(fā)生，立即切斷振蕩信號和電源;3)運行狀態(tài)指示燈，即指示系統是否處于正常運行工作狀態(tài)，一旦蓄電池出現過(guò)沖或過(guò)放，立即報警;4)控制器實(shí)現軟啟動(dòng)，避免合閘過(guò)電流。

　　上述功能依靠硬件電路設計也可以實(shí)現，但存在著(zhù)控制精度低和調節困難等缺點(diǎn)。本文采用單片機控制，不但克服了上述缺點(diǎn)，而且提供了更多功能，如根據需要設定閾值、電路智能保護、根據閾值進(jìn)行充放電管理等。

2 系統結構設計

　　本文設計的離網(wǎng)型光伏逆變器系統結構如圖1所示，各部分功能如下：

　　1)太陽(yáng)能電池板：吸收太陽(yáng)能，并將太陽(yáng)能轉化為電能;

　　2)充、放電控制回路：對蓄電池進(jìn)行充、放電控制;

　　3)DC-DC、DC-AC變換電路：將光伏電池產(chǎn)生的直流電進(jìn)行升壓處理，并逆變成所需交流電;

　　4)驅動(dòng)電路：產(chǎn)生可靠的控制信號保證主電路功率管正確地導通與截止;

　　5)電壓采樣電路：主要完成對蓄電池電壓的檢測、比較、運算放大等處理，并將其轉換成滿(mǎn)足C8051F330芯片使用要求的數字信號;

　　6)輔助保護電路：電路的拓展功能，主要完成過(guò)流保護、短路保護、過(guò)熱保護和過(guò)壓保護等功能。

　　本系統由主電路和控制回路兩部分構成，其中主電路采用了比較簡(jiǎn)單的隔離型兩級變換拓撲結構，控制回路則是以C8051330單片機和SG3525為控制核心。

3 逆變器主電路設計

　　常見(jiàn)的逆變器主電路的設計方法有兩種：隔離式的逆變器和非隔離式的逆變器，兩者的主要區別在于，交流輸出端與直流輸入端有無(wú)變壓器。是否需要變壓器主要看客戶(hù)要求，目前行業(yè)內通用的做法是：500kW及以上逆變器均未使用隔離變壓器，即輸出為270V;250kW及以下逆變器均標配隔離變壓器，輸出為380V。和非隔離式的逆變器相比，隔離式的逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)實(shí)現了直流輸入與交流輸出的電氣隔斷，提高了安全性;2)變壓器具有變壓功能，可以改變輸出電壓;3)變壓器可以衰減逆變器開(kāi)關(guān)器件的電磁噪聲，提高電磁兼容性;4)過(guò)濾掉了逆變器輸出的直流電流，提高了電能質(zhì)量。

　　考慮到以上優(yōu)點(diǎn)，本文選用了簡(jiǎn)單實(shí)用的兩級變換拓撲結構，即DC/DC升壓變換和DC/AC逆變變換，設計出了一種隔離型逆變器，如圖2所示。這種結構的電路運行可靠，控制相對獨立，便于系統軟件和硬件的模塊化設計^[2]。

　　(1)充電環(huán)節

　　選用閥控式密封鉛酸蓄電池，控制芯片C8051F330的一個(gè)I/O口輸出的控制信號控制MOSFET管Q1的柵極，從而實(shí)現蓄電池的充電控制。二極管Dl可以防止蓄電池向光伏電池板反向充電，損壞電池板。

　　(2)DC/DC部分

　　本文要求逆變器輸入電壓為12V直流電，輸出電壓為220V正弦交流電，因此必須加入升壓環(huán)節。升壓環(huán)節是由DC-DC升壓電路實(shí)現的。本文選用推挽變換電路作為升壓電路，推挽變換電路適用于中小功率場(chǎng)合和低壓大電流輸入，滿(mǎn)足本系統要求。推挽變換電路如圖2中DC-DC升壓電路所示。

　　MOSFET管V1和V2是由SG3525芯片的兩個(gè)引腳Output A(腳11)和Output B(腳14)輸出的兩組PWM控制信號，通過(guò)控制使V1、V2以相同的開(kāi)關(guān)頻率交替導通，且每個(gè)開(kāi)關(guān)管的占空比均小于50%，以留出一定死區時(shí)間避免V1和V2同時(shí)導通，將直流輸入電壓轉換成高頻交流信號。通過(guò)變壓器傳送到次級，再經(jīng)過(guò)全波整流和濾波后得到所期望的直流電壓。

　　(3)DC/AC部分

　　DC/AC逆變環(huán)節的作用是將前級輸出的330V直流電逆變成用戶(hù)終端所需要的220V正弦交流電，供負載使用。常用逆變器的拓撲有單相全橋和單相半橋兩種形式，本文選用單相全橋式逆變器完成DC/AC變換，因為全橋比半橋具有更高的直流電壓利用率，且電路結構簡(jiǎn)單、容易控制。

　　另外，電容C2作為連接升壓與逆變的中間環(huán)節，作用是減小逆變輸入電壓的脈動(dòng)，保證逆變輸出穩定的正弦交流電^[3]。

4 控制電路設計

4.1 C8051F330芯片

　　本文選用的C8051F330芯片是美國Silabs公司生產(chǎn)的一款完全集成的混合信號片上系統型MCU。內置高速流水線(xiàn)結構的8051兼容的CIP-51內核、全速非侵入式的系統調試接口、768字節片內RAM、8KB可在系統編程的FLASH存儲器、17個(gè)I/O端口、真正帶模擬多路器的10位200ksps的16通道單端/差分ADC、高精度可編程的25MHz內部振蕩器、4個(gè)通用的16位定時(shí)器、可編程計數器/定時(shí)器陣列(PCA)、VDD監視器和溫度傳感器等數字資源。因此，這款芯片可完全滿(mǎn)足離網(wǎng)型光伏逆變器的要求。

　　C8051F330除了具有以上數字資源外，還有幾個(gè)非常關(guān)鍵的特點(diǎn)。一個(gè)是Silicon Labs二線(xiàn)(C2)開(kāi)發(fā)接口，它允許使用安裝在最終應用系統上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內資源)、全速的在系統調試;一個(gè)是優(yōu)先權交叉開(kāi)關(guān)譯碼器，它按照預先設定的優(yōu)先權，靈活地給片內各數字資源分配端口引腳;還有一個(gè)是C8051系列的芯片，與8051完全兼容，因此可以很方便地進(jìn)行開(kāi)發(fā)和應用^[4]。

4.2 SG3525芯片

　　隨著(zhù)功率MOSFET在開(kāi)關(guān)變換器中廣泛使用，美國硅通用半導體公司(Silicon General)推出SG3525。SG3525是電流控制型PWM控制器，用于驅動(dòng)N溝道功率MOSFET。它的工作電壓范圍寬：8V~35V;振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz~400kHz，并且同時(shí)具有振蕩器外部同步功能。該芯片另一個(gè)重要特點(diǎn)是，可以同時(shí)輸出兩路PWM信號。除此以外，芯片還具有欠電壓鎖定功能，內置軟啟動(dòng)電路和鎖存器。它的輸出方式為推挽式，不但開(kāi)關(guān)速度更快，而且驅動(dòng)能力更強。因此，這款芯片是目前比較理想的新型控制器。

　　圖4是SG3525芯片的內部結構。在應用中，SG3525的CT端(腳5)接振蕩電容，RT端(腳6)接振蕩電阻。Discharge端(腳7)是振蕩器放電端，該端與腳5之間外接放電電阻，構成放電回路。輸出反饋信號加在誤差放大器(EA)的反相端(腳1)，與腳2的參考電壓比較后產(chǎn)生誤差信號以調制輸出信號的脈寬。Output A(腳11)和Output B(腳14)分別是輸出端A和B，輸出兩組PWM信號，用以驅動(dòng)功放MOSFET，當輸人電壓或負載發(fā)生變化時(shí)，PWM信號的脈寬會(huì )隨之而變，以穩定輸出電壓。Soft-Start端(腳8)是軟啟動(dòng)電容接入端，該端通常接一個(gè)電解電容以實(shí)現軟啟動(dòng)。Shutdown端(腳10)是外部關(guān)斷信號輸入端，連接從MCU送來(lái)的控制信號，當過(guò)流或短路時(shí)該端接高電。OSC.Output端(腳4)振蕩器輸出被禁止，以實(shí)現故障保護。

4.3 控制方案實(shí)現

　　1)蓄電池充、放電控制。MOSFET管Q1的柵極是由C8051F330單片機的一個(gè)I/O口輸出的控制信號控制。當蓄電池電壓低于設定值VD時(shí)，MCU跳過(guò)PCA，I/O口直接輸出高電平信號，打開(kāi)MOSFET管Q1，使太陽(yáng)能電池板向蓄電池充電。達到充電電壓上限VH后，MCU接入PCA，改為PWM方式充電。充電的脈寬隨著(zhù)蓄電池電壓的升高而逐漸變窄。達到充電上限VH后，再次跳過(guò)PCA，I/O口輸出低電平，關(guān)斷充電。

　　2)直流輸出控制。直流輸出MOSFET管也是由C8051F330單片機的一個(gè)I/O口控制。當電壓采樣電路檢測出蓄電池的電壓低于欠壓限值PD時(shí)，MCU輸出關(guān)斷信號，放電停止;當檢測出的電壓高于恢復限值PG時(shí)，MCU輸出開(kāi)啟信號，使放電MOSFET導通，開(kāi)始放電。在PD和PG之間時(shí)，MCU的輸出保持不變。

　　3)電壓采樣電路控制。直流電壓選用霍爾傳感器進(jìn)行檢測，傳感器型號則選用LEM公司型號為L(cháng)V100的電壓傳感器，具有精度高、線(xiàn)性度好、頻帶寬、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它也是霍爾效應的閉環(huán)電壓傳感器，所以原副邊具有非常良好的隔離作用。交流電壓傳感器的型號為CHV-50P，具有過(guò)載能力強、性能穩定可靠、易于安裝、原副邊電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。不管直流還是交流，傳感器的輸出信號都需要再經(jīng)過(guò)信號調制電路，以保證最終輸出的采樣信號正確地輸入給控制器。

　　4)輔助保護電路控制。當檢測到短路發(fā)生時(shí)，立即啟動(dòng)優(yōu)先級最高的外中斷程序，向SG3525的OSC.Output端(腳4)和Shutdown端(腳10)送出短路保護信號，關(guān)斷振蕩器輸出。同時(shí)，切斷為逆變器供電的繼電器，使逆變器電源中斷^[4]。

5 結語(yǔ)

　　本文選用單片機C8051F330和SG3525作為控制芯片，設計了主電路為兩級變換拓撲結構的離網(wǎng)型光伏逆變器，基本可以滿(mǎn)足戶(hù)用型小功率場(chǎng)合利用太陽(yáng)能發(fā)電的需求。雖然該系統具有結構簡(jiǎn)單、成本低和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但從長(cháng)遠看，高集成度的模塊化設計、提高逆變器的轉化效率和更多級的拓撲結構設計是未來(lái)逆變器結構的發(fā)展趨勢，也是本文作者接下來(lái)的研究方向。

參考文獻：

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第63頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。