小功率單相光伏并網(wǎng)逆變器設計

0 引言

自20世紀90年代以來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)得到了持續高速發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為當今太陽(yáng)能主要利用形式之一。并網(wǎng)逆變器作為并網(wǎng)發(fā)電系統的核心環(huán)節，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)逆變器的電路設計方案，從功率回路、采樣、驅動(dòng)以及保護等模塊介紹逆變器的硬件設計到結合逆變器實(shí)際控制結構的軟件設計，通過(guò)實(shí)驗證明，本設計能夠很好地達到并網(wǎng)的要求。

1 光伏并網(wǎng)系統的組成

結合以上控制策略與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統結構及逆變器的實(shí)際需求，設計了一種單相可調度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統。如圖1所示，此系統主要有光伏陣列、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、信號采集調理電路、驅動(dòng)電路、DSP及輸入輸出設備等組成。

1.1 硬件電路設計

1.1.1 功率回路設計

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撲結構。直流電壓經(jīng)過(guò)濾波升壓之后進(jìn)入逆變環(huán)節，通過(guò)控制全橋逆變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(guò)LC濾波后得到低壓交流電，然后通過(guò)升壓變壓器將輸出電壓升到符合并網(wǎng)要求的電壓，同時(shí)防止直流量注入電網(wǎng)。

1.1.2 驅動(dòng)電路設計

Boost驅動(dòng)電路選用TI公司的專(zhuān)用驅動(dòng)芯片UCC27324。該芯片可同時(shí)輸出兩路信號，用來(lái)驅動(dòng)低端MOSFET/IGBT，功耗低、驅動(dòng)能力強、響應速度快、電路簡(jiǎn)單性能優(yōu)越，電路設計如圖3所示。

與升壓電路不同，全橋逆變電路的驅動(dòng)需要考慮高端管子和低端管子的問(wèn)題，因此可以采用獨立電源供電或附加自舉電路兩種驅動(dòng)方式，本系統選擇的驅動(dòng)芯片為美國國際整流公司生產(chǎn)的IR2110芯片，該芯片內部使用自舉技術(shù)，實(shí)現一塊芯片同時(shí)輸出兩個(gè)驅動(dòng)逆變橋中高端與低端的通道信號，它內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(xiàn)電壓為-4～500V的系統中驅動(dòng)MOSFET/IG BT，如圖4所示。

1.1.3 檢測電路設計

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

通過(guò)硬件電路將正弦電壓信號轉化為方波信號，這樣便于DSP控制器的CAP單元準確地捕獲該信號，從而計算該電壓信號的頻率和相位。實(shí)際硬件電路是通過(guò)比較器LM311實(shí)現這一功能的，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，頻率相位檢測結果如圖6所示。

1.2 軟件設計

系統軟件設計的好壞嚴重影響著(zhù)系統的可靠性和高效性。本系統設計時(shí)，考慮到許多控制參量的實(shí)時(shí)性要求高，并且系統中包含多個(gè)控制狀態(tài)，因此在設計時(shí)借鑒了TI公司的軟件編寫(xiě)結構以及采用了狀態(tài)機的控制模式，從而實(shí)現系統工作的實(shí)時(shí)性和多種工作模式的有效切換。如圖7所示。

根據狀態(tài)機控制圖，結合逆變器實(shí)際控制結構，設計軟件編寫(xiě)結構，該結構采用三種不同的計時(shí)時(shí)間解決緊急事件，另外三個(gè)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數據接收。系統的軟件結構如圖8所示。

在該系統中，使用了3個(gè)主要任務(wù)，即Task_A0、Task_B0、Task_C0。Task_A0：1ms任務(wù)，它包括四個(gè)子任務(wù)，在本系統中只用到了A1、A3兩個(gè)子任務(wù)。A1的任務(wù)為處理狀態(tài)機的轉換，狀態(tài)機的狀態(tài)每20ms檢查一次，因此新的運行模式將在20ms以后開(kāi)始運行;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(gè)子任務(wù)。B1用于故障檢測，包括短路檢測、過(guò)流檢測、電網(wǎng)電壓、頻率檢測以及直流母線(xiàn)電壓檢測;B2處理測量數據的計算，如計算電網(wǎng)電壓有效值和輸出電流有效值、有功功率、直流母線(xiàn)電壓以及過(guò)零檢測等;B3處理開(kāi)機檢測;B4沒(méi)有使用，可用于控制板之間通訊的擴展。

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)現并網(wǎng)運行需要具備以下幾個(gè)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為1;3)逆變器輸出滿(mǎn)足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求。滿(mǎn)足以上要求除合理的拓撲結構、設計合理的信號采集調理電路外，有效的控制策略也是不可或缺的。

逆變器有兩種工作模式：獨立運行模式和并網(wǎng)運行模式。當逆變器工作于獨立運行模式時(shí)，控制器通過(guò)檢測逆變器的輸出電壓實(shí)現對逆變器的控制，多采用電壓閉環(huán)控制系統。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(shí)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)驗結果及結論

依照以上硬件電路與軟件設計方案，基于TMS320F28035編寫(xiě)軟件程序，在允許輸入波動(dòng)范圍內保證逆變器輸出電壓恒定且滿(mǎn)足實(shí)驗要求，在實(shí)驗時(shí)采用逐步增加功率的方法，搭建了600W光伏并網(wǎng)逆變器系統的實(shí)驗平臺。如圖9所示，實(shí)驗的輸入由直流開(kāi)關(guān)電源提供，實(shí)驗中的負載為100W白熾燈，測試儀器為質(zhì)量分析儀、數字萬(wàn)用表、示波器等。最終的實(shí)驗結果如圖10所示，圖(a)、(b)為逆變器在滿(mǎn)功率運行時(shí)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(shuō)明的是，為了便于實(shí)驗中電流的測試，在檢測電流時(shí)，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，現滿(mǎn)載運行時(shí)的測量電流為實(shí)際電流的四倍。從實(shí)驗波形可以看出，實(shí)驗輸出波形滿(mǎn)足設計要求。

4 總結

本文從硬件電路設計和軟件設計兩方面介紹了單相并網(wǎng)逆變器的設計過(guò)程。通過(guò)功率回路、驅動(dòng)電路、檢測電路的介紹與軟件編程結構的分析成功搭建實(shí)驗平臺。實(shí)驗表明，硬件電路設計合理，軟件邏輯正確，能夠確保逆變器在并網(wǎng)狀態(tài)下平穩、高效、精確的運行。