利用C2000 MCU實施并網(wǎng)微型太陽能逆變器

 摘要

可再生能源應(yīng)用的迅猛發(fā)展將引發(fā)第四次工業(yè)革命。光伏發(fā)電是整個可再生能源方案的關(guān)鍵部分。在所有太陽能逆變器中，微型太陽能逆變器是至關(guān)重要的組成部分。

本文將為您介紹如何利用一個TMS320F2802設(shè)計一種低成本、高性能的微型太陽能逆變器。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?qū)崿F(xiàn)一個220W輸出的微型太陽能逆變器，并介紹完整的系統(tǒng)固件架構(gòu)和控制方法。最后，文章還會為您展示實驗室波形。

1 概述

1.1 太陽能逆變器介紹

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

l 蒸汽機的發(fā)明讓我們進入機器時代。

l 電的發(fā)明讓我們進入電氣時代。

l 半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明讓我們進入信息時代。

當(dāng)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)電是整個可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵組成部分。根據(jù)世界能源組織預(yù)測，隨著傳統(tǒng)能源(例如：煤炭、石油等)逐漸枯竭，可再生能源將成為人類的主要能源。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“可再生能源可滿足國家長期發(fā)展規(guī)劃的需求”，而在2008年，中國政府便發(fā)布了可再生能源第11個五年發(fā)展計劃。根據(jù)該計劃要求，中國2010年的光伏發(fā)電裝機容量需達(dá)到2,500億瓦;據(jù)估計，到2020年，中國光伏發(fā)電裝機容量將達(dá)到50,000億瓦，其中并網(wǎng)光伏發(fā)電占75%。

太陽能光伏發(fā)電的主要優(yōu)點包括：

l 太陽能很豐富，無窮無盡。

l 生產(chǎn)PV板的材料分布廣泛，并儲備豐富。

l 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高。

l 無污染，并且可循環(huán)利用。

l 光伏電池壽命長，維護成本低。

太陽能光伏發(fā)電的缺點包括：

l 功率密度低，占用面積大。

l 發(fā)電受限于自然條件，沒有太陽就無法發(fā)電。

l 單位生產(chǎn)成本高。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為非入網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)和入網(wǎng)太陽能逆變系統(tǒng)。

非入網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)主要用于獨立組建的光伏發(fā)電系統(tǒng)，適用于家庭、農(nóng)村、島嶼、偏遠(yuǎn)地區(qū)、城市照明以及電源系統(tǒng)的通信、測試與應(yīng)用。圖2為一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其描述了太陽能板組件、太陽能逆變單元、儲能單元、電負(fù)載等主要組成部分。

 

入網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)主要用于同傳統(tǒng)電網(wǎng)連接，太陽能逆變器把來自PV板的電能連接傳統(tǒng)電網(wǎng)，其主要組成為太陽能板、太陽能逆變器、智能雙向電量計、家庭用電負(fù)載和傳統(tǒng)電網(wǎng)等(參見圖3)

 

1.3 PV板電氣特性

太陽能逆變器功率輸出變化幾乎與陽光直接相關(guān)，但是電流減少的速度遠(yuǎn)快于光照水平下降的速度。在極低光照水平下PV板一般會產(chǎn)生16V的電壓，但是電流卻極少。

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

太陽能逆變器必須工作在MPP下，以獲得來自PV板的最大電能。這是通過最大功率點控制環(huán)路(最大功率點追蹤器，MPPT)來實現(xiàn)的。

 

1.4 太陽能逆變器拓?fù)涓淖?/p>

隨著照度的變化，PV板的輸出電壓范圍為20到45伏，因此如果入網(wǎng)應(yīng)用需要

更高的輸出電壓，則通常會考慮并串聯(lián)PV板以獲得高輸入電壓，并使用一個逆

變器來實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱作“中央逆變器”，如圖5(a)所示;它

的主要特點是：

10到250kw，3相，數(shù)個并聯(lián)串

轉(zhuǎn)換器效率高，成本低，可靠性低

非最佳MPPT

通常用于發(fā)電廠

 

另一種應(yīng)用是在所有串分支把PV板串聯(lián)以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。使用一個MPPT模塊，用于獲得PV板的最大電能。這種拓?fù)浔环Q作“串型逆變器”，如圖5(b)所示;它的主要特點是：

l 1到10kw，典型的住宅型應(yīng)用。

l 每個串分支都有其自己的逆變器，用于實現(xiàn)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(dāng)一個串聯(lián)PV板被陰影遮擋時，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MPPT模塊來收集所有PV板的電能，則可解決這個問題。這種拓?fù)浔环Q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(gòu)增加了每PV板成本;但是，通過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%)

l 部分陰影損耗(5%到25%)

l 簡單的系統(tǒng)設(shè)計，更寬松的故障容限(0%到15%)

l 次優(yōu)MPPT損耗(3%到10%)

l 另外，增加安全性和建筑面積(屋頂)利用

因此，如果我們選擇微型逆變器拓?fù)?，則會犧牲轉(zhuǎn)換器效率，但是會讓電能收集變得更高效。

1 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在我們的太陽能逆變器解決方案中，我們選擇交叉反激加SCR全橋的拓?fù)?，用于工業(yè)頻率逆變。所有控制僅為一個MCU(2802x)，另外還有一個RS485或者PLC接口，用于通信。圖8顯示了這種微型太陽能逆變器的結(jié)構(gòu)圖。具體規(guī)范，請參見《附件A》。

這種拓?fù)渚哂腥缦绿攸c：

l 簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

l 高效率，低成本

l 完全隔離，高可靠性

l 無法實現(xiàn)反應(yīng)式功率補償

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2.2 輔助電源設(shè)計

在微型太陽能逆變器中，我們需要可以向A/D采樣電路、驅(qū)動電路、MCU控制器等輸出多電壓的輔助電源。另一方面，這種輔助電源必須完全隔離于一次側(cè)到二次側(cè)。

因此，我們選擇LM34927芯片;這種芯片具有如下特點：

l 9到100V的寬輸入范圍

l 低成本，集成100V、高低側(cè)開關(guān)

l 恒定導(dǎo)通時間(COT)控制方案無需環(huán)路補償，并具有優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。

l 充分保護功能，包括可調(diào)節(jié)UVLO。

圖9顯示了LM34927的典型應(yīng)用原理圖。從該原理圖，我們知道，LM34927的一次側(cè)為一個降壓電路，而二次側(cè)為一個反激拓?fù)?，用于實現(xiàn)隔離。

 

2.3 作為隔離式前端轉(zhuǎn)換器設(shè)計的有源鉗位反激

2.3.1 有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器概述

圖10顯示了基礎(chǔ)反激拓?fù)鋬?nèi)有源鉗位電路的組合情況。圖中，反激式變壓器被一個等效電路模型代替，其表現(xiàn)出磁化和漏電感(Lr表示除外部電感外一次側(cè)反映的總變壓器漏電感)。

開關(guān)Q1和Q2與其相關(guān)體二極管一起出現(xiàn)。Cr表示兩個開關(guān)的寄生電容的并聯(lián)電容。與Lr諧振的這種器件電容，實現(xiàn)了Q1的零電壓開關(guān)(ZVS)。

利用有源鉗位電路，晶體管關(guān)閉電壓尖峰受到控制，變壓器漏電得到回收，并且主開關(guān)(Q1)和輔助開關(guān)(Q2)的ZVS都成為可能。

這些優(yōu)點的代價是，需要更多的功率級組件以及更高的控制電路復(fù)雜度(兩個開關(guān)對一個開關(guān))。

為了描述這種電路的工作情況，我們假設(shè)：

l 理想開關(guān)組件

l 磁化電流始終為非零且為正。

l Lr(包括變壓器漏電感)小于變壓器磁化電感Lm(通常為Lm的5%到10%)

l Lr中存儲充足的電能，以完全對Cr放電，并開啟Q1的體二極管。

 

2.3.2 有源鉗位反激設(shè)計零電壓開關(guān)考慮

為了實現(xiàn)Q1的ZVS，Q2必須在諧振電感電流下降區(qū)間開啟。否則，諧振電感電流反向(再次變?yōu)檎?，其對Cr再充電，并且失去ZVS(或者至少部分失去)。因此，Q2關(guān)閉和Q1開啟之間的延遲時間對ZVS運行至關(guān)重要。最佳延遲值為Lr和Cr組成諧振時間的四分之一：

 

所以，最好是讓停滯時間位于Q1關(guān)閉和Q2打開之間，小于Tdelay，以實現(xiàn)部分ZVS狀態(tài)。

即使Lr中存儲能量不足以完全對開關(guān)電容Cr完全放電，從而最小化Q1和Q2的潛在電壓應(yīng)力(并獲得更高的轉(zhuǎn)換器效率)，我們必須小心地設(shè)計諧振電感Lr、諧振電容Cr和鉗位電容Cc的參數(shù)。

2.3.2.1 諧振電感Lr設(shè)計

在確定Lm值以后，可對諧振電感進行設(shè)計。如前所述，我們假設(shè)其值為Lm的一小部分(通常為Lm的5%到10%)。

給定轉(zhuǎn)換器工作點和Cr值時，要實現(xiàn)ZVS，Lr的大小必須足以完全對開關(guān)電容放電。

Lr設(shè)計很難，因為諧振電容電壓(Vcr)為Lr值的函數(shù)，如下面方程式：

 

但是，在實際設(shè)計中，諧振電感電壓相對較小(相對于Vin+NVo)，并且可求解實現(xiàn)ZVS狀態(tài)必需的Lr近似最小值：

 

在要求高輸出電壓的這種應(yīng)用中，專門的輸出整流器軟開關(guān)特性比實現(xiàn)主開關(guān)ZVS要更為理想。

2.3.2.2 鉗位電容器Cc設(shè)計

根據(jù)Lr設(shè)計，選擇鉗位電容的值。鉗位電容器和諧振電感形成的諧振頻率足夠低，這樣，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，電源開關(guān)便不會出現(xiàn)過多的諧振振鈴。但是，使用過大的鉗位電容值，并不會帶來鉗位性能的改善，并且代價是更大容量(同時也更加昂貴)的電容器。一種較好的折中方法是，選擇一個電容器值，使鉗位電容器和諧振電感形成的諧振時間的一半，超出Q1的最大關(guān)閉時間。因此：

 

其中，DHL表示最大輸入電壓工作，fs為Q1和Q2的工作開關(guān)頻率。

電容器額定電壓必須超出NVo，并且超出量為Lr的壓降：

 

鉗位電容器和諧振電感的諧振時間可通過下列方程式計算得到：

 

2.3.3 有源鉗位反激的開環(huán)仿真

圖11為這種有源鉗位反激的開環(huán)仿真模型。下列值用于該仿真：輸入電壓Vin=36V，主MOSFET開關(guān)頻率fs=65kHz，諧振電感Lr=0.5µH，諧振電容Cr=1nF，鉗位電容Cc=10µF，主開關(guān)MOSFET的最大占空因數(shù)D=0.6，而負(fù)載Rload=100 Ω。

 

圖 11 有源鉗位反激的開環(huán)仿真模型

 

 

(紅色波形為VGS，綠色波形為VDS)

圖 12 Q1的VDS和VGS仿真波形

圖12顯示了漏極到源極電壓降至零以后門驅(qū)動的電壓上升，因此Q1實現(xiàn)ZVS得到了證實。另外，VDS的電壓尖峰被箝至Vin+NVout，其意味著一次側(cè)實現(xiàn)了有源鉗位。

 

2.4 隔離式MOSFET橋驅(qū)動電路設(shè)計

為了實現(xiàn)一次側(cè)到二次側(cè)的完全隔離，除輔助電源隔離以外，還要求使用A/D采樣和驅(qū)動電路隔離。

由于MCU放置于二次側(cè)中，而主開關(guān)MOSFET位于一次側(cè)，因此我們必須把二次側(cè)控制信號傳輸至一次側(cè)，以對MOSFET進行控制。

為了把控制信號從二次側(cè)傳輸至一次側(cè)，可選擇高速數(shù)字隔離器加高低端驅(qū)動器芯片。圖14顯示了這種隔離式MOSFET高低端驅(qū)動器的原理圖。

 

圖 14 隔離式高低端驅(qū)動器的原理圖

在本應(yīng)用中，隔離式MOSFET擁有許多特點，其包括：

l 結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)

l +600V全工作范圍

l 4kV ESD保護

l 自舉工作

另外，請注意高速數(shù)字隔離器的初始狀態(tài);否則，它會損壞主開關(guān)MOSFET。

 

表 1 高速數(shù)字隔離器功能表

(PU=上電;PD=掉電;X=無關(guān);H=高電平;L=低電平)

3、固件設(shè)計

3.1 固件規(guī)范

3.1.1 功能規(guī)范

系統(tǒng)固件包括如下功能：

1、 開/關(guān)。用戶可通過按下開/關(guān)按鈕開啟或者關(guān)閉系統(tǒng)。軟件設(shè)置必須啟用這種功能。

2、 自動開/關(guān)。如果需要開啟狀態(tài)，則系統(tǒng)會自動開啟。當(dāng)狀態(tài)不適合向電網(wǎng)輸電時，系統(tǒng)保持待機模式，并監(jiān)控狀態(tài)變化。如果系統(tǒng)已經(jīng)開啟，則當(dāng)狀態(tài)不適合供電時系統(tǒng)自動關(guān)閉。

3、 軟件啟動開啟。當(dāng)系統(tǒng)必須開啟時，其從零電流供給狀態(tài)啟動，同時PWM在零交叉點開啟，從而減少給電網(wǎng)帶來的沖擊電流。

4、 LED控制。系統(tǒng)擁有一個狀態(tài)LED指示。當(dāng)系統(tǒng)處在待機模式下時，相應(yīng)LED每1.2秒閃爍一次。當(dāng)系統(tǒng)開啟時，LED每隔2.4秒閃爍一次。當(dāng)出現(xiàn)故障時，LED持續(xù)亮起。

5、 用戶控制鍵。逆變器具有一個用戶鍵。該用戶鍵可開啟或者關(guān)閉逆變器，并且還可以清除故障。當(dāng)系統(tǒng)處在待機模式下時，如果該鍵被按下1秒以上，則如果條件符合系統(tǒng)便開啟。如果系統(tǒng)已經(jīng)開啟，則當(dāng)該鍵被按下1秒以上時，系統(tǒng)關(guān)閉。當(dāng)出現(xiàn)故障且系統(tǒng)處在故障模式下時，按下該用戶鍵1秒以上，可清除故障并再次進入待機模式。

3.1.2 測量

為了控制和監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，需計算下列測量結(jié)果：

l 電網(wǎng)電壓RMS

l 電網(wǎng)頻率

l 逆變器的輸出有效功率

l 輸入功率

l 輸入PV電壓

l 溫度

3.1.3 保護

系統(tǒng)具有一些基本保護功能。

1、 一次側(cè)沖擊電流保護。當(dāng)短路或者主電感引起沖擊電流時，PWM首選會進入CBC模式;但是，當(dāng)CBC三次以上時，系統(tǒng)關(guān)閉并進入故障模式。

2、 二次側(cè)過電壓保護。當(dāng)SCR未正常開啟時，出現(xiàn)二次側(cè)超高壓。系統(tǒng)關(guān)閉，并進入故障模式。

3、 輸出過電流保護。當(dāng)輸出電流量超出閾值時，出現(xiàn)輸出過電流。系統(tǒng)關(guān)閉，并進入故障模式。

4、 電網(wǎng)電壓/頻率過高/過低保護。如果系統(tǒng)已經(jīng)開啟，當(dāng)電網(wǎng)電壓/頻率超出正常范圍時，系統(tǒng)在五個電網(wǎng)周期內(nèi)關(guān)閉。

5、 反孤島抑制保護。如果達(dá)到孤島條件，則系統(tǒng)在4秒內(nèi)關(guān)閉。如果恢復(fù)至正常狀態(tài)，則系統(tǒng)在1秒內(nèi)重新啟動。

6、 過溫保護

3.1.4 入網(wǎng)轉(zhuǎn)換器控制器

為了向電網(wǎng)輸電，必須在系統(tǒng)中實現(xiàn)下列控制器算法：

1、 鎖相環(huán)(PLL)控制器。PLL控制器用于與電網(wǎng)電壓同步，其可向電流控制器提供一個基準(zhǔn)相。

2、 入網(wǎng)電流控制器。電流控制器可確保輸出電流為正弦波，并遵循電流基準(zhǔn)，從而平衡輸入功率和輸出功率。

3、 最大功率點追蹤(MPPT)。MPPT用于讓太陽能板進入最大功率輸出狀態(tài)。

3.2 固件結(jié)構(gòu)

3.2.1 后臺與任務(wù)

整個固件系統(tǒng)為一個前向后臺系統(tǒng)。圖15顯示了該后臺結(jié)構(gòu)。

 

圖15后臺結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中，有一個1ms任務(wù)和四個4ms任務(wù)。

1、1ms任務(wù)A0。1ms定期任務(wù)。在這種任務(wù)中，LED控制執(zhí)行。除此以外，PLL控制器也位于該任務(wù)中。

2、4ms任務(wù)A1。A1 4ms定期任務(wù)。狀態(tài)機處理器。

3、4ms任務(wù)A2。A2 4ms定期任務(wù)。所有測量均在該任務(wù)中計算。

4、4ms任務(wù)A3。A3 4ms定期任務(wù)。用戶鍵檢測便在這里，同時檢測超出或者未達(dá)到運行狀態(tài)范圍，并發(fā)出故障指令。

5、4ms任務(wù)A4。A4 4ms定期任務(wù)。MPPT控制器與調(diào)試支持。

3.2.2 系統(tǒng)狀態(tài)機

 

圖16狀態(tài)機

圖16顯示了任務(wù)A1中處理的狀態(tài)機。不同狀態(tài)代表不同的運行模式。

本系統(tǒng)中共有4種狀態(tài)模式：

l 上電

l 待機

l 開啟

l 故障

上電模式是系統(tǒng)上電的一種過渡模式。在這種模式下，系統(tǒng)進行一些初始化，之后，系統(tǒng)便自動進入待機模式。

待機模式是系統(tǒng)等待開啟指令的一種模式。所有PWM和SCR控制信號都關(guān)閉。在這種模式下，所有測量均有效。系統(tǒng)探測外部狀態(tài)，并檢查系統(tǒng)是否可以開啟。

當(dāng)系統(tǒng)成功地從待機模式啟動以后，系統(tǒng)進入開啟模式。這種模式下，所有PWM和SCR控制信號均開啟。系統(tǒng)開始向電網(wǎng)輸電。

如果出現(xiàn)故障，系統(tǒng)進入故障模式，所有PWM和SCR控制信號均關(guān)閉。如果故障清除，則系統(tǒng)自動返回待機模式。

3.2.3 中斷服務(wù)程序

本系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序(ISR)具有如下功能：

l 讀取ADC結(jié)果和部分測量計算。

l 入網(wǎng)電流控制器

l SCR開/關(guān)控制

l 緊急保護。一次側(cè)沖擊電流、二次側(cè)過電壓和輸出電流保護。

l 調(diào)試支持。把調(diào)試數(shù)據(jù)記錄到緩沖器。

 

圖17 ISR流程圖

3.3 入網(wǎng)轉(zhuǎn)換器控制器

圖18顯示了整個入網(wǎng)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。

 

圖18控制器結(jié)構(gòu)

3.3.1 PLL控制器

圖19顯示了PLL控制器系統(tǒng)

 

圖19 PLL控制系統(tǒng)圖

PLL系統(tǒng)由如下幾部分組成：

相位誤差檢測。檢測基準(zhǔn)和正弦波輸出之間的相位誤差。該檢測功能在1ms

任務(wù)A0中實現(xiàn)。

PLL控制器。閉環(huán)控制器，控制器在1ms任務(wù)A0中執(zhí)行。

正弦波生成器。根據(jù)頻率和采樣時間生成正弦波;在ISR中完成這項工作。

3.3.2 電流控制器

為了設(shè)計電流環(huán)路，必須首先建造對象模型。這里可以使用小信號模型。

 

圖20反激電路

假設(shè)反激電路如圖6所示;另外，假設(shè)其在連續(xù)模式下工作。

 

圖21反激連續(xù)模式電流

如果一次側(cè)的MOS開啟，則一次側(cè)電流增加，Lp充電，并且能量被存儲在其內(nèi)部。因此，可得到如下方程式：

 

如果Q1關(guān)閉，則能量被立即傳輸至二次側(cè)，ip很快降至零。在二次側(cè)，二極管開啟，次電感接過負(fù)載，并對C充電?？傻玫椒匠淌?2)。

 

主電感Lp和次電感Ls具有如下關(guān)系：

利用這種平均狀態(tài)空間方法，如果占空因數(shù)為d，則可以得到如下方程式：

控制器環(huán)路為：

圖22電流控制器環(huán)路

使用PI控制器時，控制器計算頻率為22kHz。開環(huán)帶寬必須設(shè)置為1到2kHz。

圖8表明，閉環(huán)的反饋必須為一次側(cè)電流ip，但在現(xiàn)實系統(tǒng)中，當(dāng)Q1開啟時其為中間點電流。如果轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)模式下，則主反饋和次平均電流之間的關(guān)系為：

4 實驗室測試波形

(CH3閉環(huán)輸出電壓，CH4閉環(huán)輸出電流)

圖24閉環(huán)輸出電流和電壓

(主開關(guān)MOSFET的CH1 VGS，主開關(guān)MOSFET的CH3 VDS，Lr的CH4諧振電流)

圖28主開關(guān)MOSFET的ZVS波形和Lr諧振電流

(CH4入網(wǎng)電流紋波)

圖29入網(wǎng)電流紋波

5其它

原理圖，請參見《附件B》

6 參考文獻(xiàn)

1、TMS320F2802x產(chǎn)品說明書，SPRS523G