小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制的設計

摘要：闡述了一種小功率光伏并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)。該光伏并網(wǎng)逆變器由DC/DC變換器與DC/AC變換器兩部分組成，其中DC/DC變換器采用芯片SG3525來控制，DC/AC變換器采用數(shù)字信號處理器TMS320F240來控制。由于DSP實時處理能力極強，采用合適的算法能確保逆變電源的輸出功率因數(shù)非常接近1，輸出電流為正弦波形。該控制方案已經(jīng)在實驗室得到驗證。

關鍵詞：太陽能；光伏系統(tǒng)；逆變器

1? 引言

??? 21世紀，人類將面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。在有限資源和保護環(huán)境的雙重制約下能源問題將更加突出，這主要體現(xiàn)在：①能源短缺；②環(huán)境污染；③溫室效應。因此，人類在解決能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展時，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有儲量大、普遍存在、利用經(jīng)濟、清潔環(huán)保等優(yōu)點，因此太陽能的利用越來越受到人們的廣泛重視，成為理想的替代能源。文中闡述的功率為200W太陽能光伏并網(wǎng)逆變器，將太陽能電池板產生的直流電直接轉換為220V/50Hz的工頻正弦交流電輸出至電網(wǎng)。

2? 系統(tǒng)工作原理及其控制方案

2.1? 光伏并網(wǎng)逆變器電路原理

???? 太陽能光伏并網(wǎng)逆變器的主電路原理圖如圖1所示。在本系統(tǒng)中，太陽能電池板輸出的額定電壓為62V的直流電，通過DC/DC變換器被轉換為400V直流電，接著經(jīng)過DC/AC逆變后就得到220V/50Hz的交流電。系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的220V/50Hz正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同步。

圖1? 電路原理框圖

2.2? 系統(tǒng)控制方案

??? 圖2為光伏并網(wǎng)逆變器的主電路拓撲圖，此系統(tǒng)由前級的DC/DC變換器和后級的DC/AC逆變器組成。DC/DC變換器的逆變電路可選擇的型式有半橋式、全橋式、推挽式?？紤]到輸入電壓較低，如采用半橋式則開關管電流變大，而采用全橋式則控制復雜、開關管功耗增大，因此這里采用推挽式電路。DC/DC變換器由推挽逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電感構成，它將太陽能電池板輸出的62V的直流電壓轉換成400V的直流電壓。

圖2? 主電路拓撲圖

??? DC/AC逆變器的主電路采用全橋式結構，由4個MOS管（該管內部寄生了反并聯(lián)的二極管）構成，它將400V的直流電轉換成為220V/50Hz的工頻交流電。

2.2.1? DC/DC變換器控制方案

??? DC/DC變換器的控制框圖如圖3所示。控制電路是以集成電路SG3525為核心，由SG3525輸出的兩路50kHz的驅動信號，經(jīng)門極驅動電路加在推挽電路開關管Q₁和Q₂的門極上。為保持DC/DC變換器輸出電壓的穩(wěn)定，將檢測到的輸出電壓與指令電壓進行比較，該誤差電壓經(jīng)PI調節(jié)器后控制SG3525輸出驅動信號的占空比。該控制電路還具有限制輸出過流過壓的保護功能。當檢測到DC/DC變換器輸出電流過大時，SG3525將減小門極脈沖的寬度，降低輸出電壓，進而降低了輸出電流。當輸出電壓過高時，會停止DC/DC變換器的工作。由于推挽式電路容易因直流偏磁導致變壓器飽和，因此，推挽式電路的設計難點在于如何防止變壓器的磁飽和。在本電路中，除了注意電路的對稱性之外，還設計了磁飽和檢測電路，當流經(jīng)推挽電路的兩個支路電流失衡時，就會啟動SG3525的軟啟動功能，使DC/DC變換器重新啟動，變壓器得以復位。

圖3? DC/DC變換器的控制框圖

??? 偏磁檢測電路如圖4所示。圖中只畫出了磁環(huán)的副邊。原邊兩個線圈接在主電路的變壓器原邊的兩個繞組上，流過兩個線圈中的電流方向要相反。當變壓器發(fā)生偏磁時，某一方向的電流異常大，通過電流互感器檢測,可在互感器的輸出電阻R₁上產生一個電壓，如果該電壓足夠大，可以使穩(wěn)壓二極管D₅導通，在電位器上產生壓降，將電位器的值調到合適的阻值，使電位器上的壓降大于三極管的門限電壓，使三極管導通，接在芯片SG3525的腳8與地之間的電容放電，然后SG3525中的恒流源對它充電，SG3525重新啟動，從而使變壓器磁心復位。

圖4? 偏磁檢測電路

2.2.2? DC/AC逆變器控制方案

??? DC/AC逆變器是光伏并網(wǎng)的重點和難點，因此以下將著重闡述該部分。DC/AC逆變器控制框圖如圖5所示。核心控制芯片采用了TI公司的TMS320F240。盡管單片機也能實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的脈寬調制，但是DSP實時處理能力更強大，因此可以保證系統(tǒng)有更高的開關工作頻率。從圖5可以清楚看出系統(tǒng)輸入和輸出信號的情況。

圖5? DC/AC逆變器的控制框圖

2.3? 輸出功率優(yōu)化控制方案

??? 在靜態(tài)情況下，當并網(wǎng)逆變器與太陽能電池相連時，并網(wǎng)逆變器可等效為太陽能電池的負載電阻。當光強λ和溫度T變化時，太陽能電池輸出的端電壓將會隨之發(fā)生變化。為了有效地利用太陽能，應使太陽能電池的輸出始終處于適當?shù)墓ぷ鼽c。因此，控制方案要求當太陽能電池的電壓升高時，可以增大它的輸出功率；反之就降低它的輸出功率。

??? DSP的控制方案如圖6所示，參考電壓和太陽能電池的實際電壓相比較后，其誤差經(jīng)過PI調節(jié)，將得到的電流指令（直流量）I_REF與R_OM里的正弦表值相乘，就得到交變的輸出電流指令i_ref，再將它與實際的輸出電流值比較后，其誤差經(jīng)過比例（P）環(huán)節(jié)，將所得到的指令取反，與采集到的交流側電壓U_s相加后，所得到的波形再與三角波比較，就產生4路PWM調制信號（三角波的頻率為20kHz）。

圖6? DSP的控制方案

2.4? 交流側電壓U_s的檢測

??? 將同步變壓器副邊的同步信號，濾波、整流，就可以得到比較穩(wěn)定的直流電，將其送到DSP的A/D轉換口。由于最后得到的直流電壓與電網(wǎng)電壓有一個比較穩(wěn)定的關系，因此，就比較容易換算Us的值了。

??? 由于涉及到共地的問題，因此，采用了運算放大器的全波精密整流電路，如圖7所示。

圖7? U_s的整流電路

2.5? 電流指令的同步

??? 并網(wǎng)時要求逆變器輸出的正弦波電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相。首先，將電網(wǎng)電壓信號經(jīng)過濾波整形為同步方波信號，再將其輸入到TMS320F240的外部中斷口XINT1，目的是為了捕捉電網(wǎng)電壓的過零信號。如圖8所示，電網(wǎng)電壓正弦波，經(jīng)過整形后就得到了方波。

??? 當DSP檢測到過零信號的上跳沿時，便觸發(fā)同步中斷，以此時間點作為基準給定正弦波信號時間起點，也就是正弦表指針復位到零；每當T1下溢中斷（PWM實時控制）時，正弦表指針便加1，并從正弦表中取值。一個周期的單位正弦波數(shù)據(jù)被分成了400個點采用表的形式存放在存儲器中。由于同步信號比較容易受到諧波和尖峰電壓的干擾，因此在進入同步中斷后可以先做一個延時，判斷外部中斷腳XINT1是否仍然是高電平，如果是高電平，就執(zhí)行中斷程序，否則就從中斷程序跳出。

??? 從圖6的控制方案可看出，I_REF與正弦表中數(shù)據(jù)相乘后，便形成了幅值可調的正弦波的電流給定信號，然后，再實時比較電流給定值，經(jīng)過P環(huán)節(jié)后，所得信號反相后，與采集到的交流側電網(wǎng)電壓信號U_s相加，所得波形與三角波比較，就產生了PWM波，控制橋臂的通斷?？傊?，輸出電流和電網(wǎng)電壓的同頻、同相的要求是通過電流跟蹤控制實現(xiàn)的。

2.6? PWM脈寬調制波的產生

??? PWM波的產生是通過TMS320F240的全比較單元輸出的，頻率為20kHz。從圖6可知，調制脈沖的產生是通過將電流指令值與實際電流值比較后，經(jīng)過P環(huán)節(jié)，所得到的波形與三角波（頻率為20kHz）比較后獲得的。因此MOS管Q₃、Q₄、Q₅、Q₆（見圖2）脈沖的產生時刻可以從圖8得出，參照正弦波與三角波調制，兩者相交決定了PWM的脈沖時刻。實際由采樣的波形（實際上是階梯波）與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。本系統(tǒng)是在三角波的底點位置對波形進行采樣而形成的階梯波。此階梯波與三角波的交點所確定的脈寬在一個采樣周期內的位置是對稱的，如圖9所示。

圖8? 同步信號波形

圖9? 正弦脈寬調制波形

??? 圖9（a）正弦波B與三角波的交點決定了Q₃的導通時刻；正弦波A與三角波的交點決定了Q₅的導通時刻。

??? 圖9（b）為Q₃的脈沖示意圖，同一橋臂上Q₃與Q₄的脈沖是互補的。

??? 圖9（c）為Q₅的脈沖示意圖，同一橋臂上Q₅與Q₆的脈沖是互補的。

2.7??? TMS320F240軟件控制流程

??? 這部分的軟件主要分成4塊，即主程序，T1下溢中斷，T2下溢中斷和同步中斷。流程圖如圖10所示。T1下溢中斷每50μs發(fā)生一次，程序主要用來生成PWM波；T2下溢中斷每10ms發(fā)生一次，程序主要用來產生電流指令；同步中斷大約每20ms（網(wǎng)壓周期）發(fā)生一次。

圖10? 軟件流程圖

2.8? 系統(tǒng)保護

??? 本系統(tǒng)設計有直流側過壓、欠壓，交流側過流，過熱等多種保護。當出現(xiàn)太陽能電池板的輸出電壓過壓、欠壓故障的時候，由TMS320F240向SG3525發(fā)出一個信號，封鎖DC/DC的脈沖，使其停止工作，當檢測到直流電壓恢復正常時，DC/DC又自動復位開始工作；當出現(xiàn)交流過流、過熱故障時，程序進入中斷服務子程序，封鎖所有驅動信號。當故障排除后，手動復位，系統(tǒng)重新啟動。

3? 主要元器件選擇與實驗波形

??? 推挽式電路MOS管選用的是IRFP350（耐壓400V，漏源額定電流為16A）。橋式逆變電路MOS管選用的是IRFPC40（耐壓600V，漏源額定電流為6.8A）。DC/DC濾波電感L₁選用1.2mH,DC/AC濾波電感L₂選用33.4mH。

4? 結語

??? 本文闡述了一種小功率光伏并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)。DC/DC控制器的拓撲結構采用推挽式電路，是用芯片SG3525來控制的，該電路有效地防止了偏磁；DC/AC逆變器為全橋逆變電路，是用DSP來控制的，由于DSP的運算速度比較高，因此逆變器的輸出電流能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓波形。該光伏并網(wǎng)逆變器控制方案的有效性在實驗室得到驗證。該控制系統(tǒng)能確保逆變電源的輸出功率因數(shù)接近1，輸出電流為正弦波形。