基于一款小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制的設(shè)計(jì)方案

引言

21世紀(jì)，人類將面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。在有限資源和保護(hù)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(yīng)。因此，人類在解決能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展時(shí)，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有儲(chǔ)量大、普遍存在、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎn)生的直流電直接轉(zhuǎn)換為220V/50Hz的工頻正弦交流電輸出至電網(wǎng)。

系統(tǒng)工作原理及其控制方案

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(zhuǎn)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

系統(tǒng)控制方案

圖2主電路拓?fù)鋱D

圖2為光伏并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)鋱D，此系統(tǒng)由前級(jí)的DC/DC變換器和后級(jí)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(guān)管電流變大，而采用全橋式則控制復(fù)雜、開關(guān)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(gòu)成，它將太陽能電池板輸出的62V的直流電壓轉(zhuǎn)換成400V的直流電壓。

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

1、DC/DC變換器控制方案

圖3 DC/DC變換器的控制框圖

DC/DC變換器的控制框圖如圖3所示?？刂齐娐肥且约呻娐稴G3525為核心，由SG3525輸出的兩路50kHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)門極驅(qū)動(dòng)電路加在推挽電路開關(guān)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(cè)到的輸出電壓與指令電壓進(jìn)行比較，該誤差電壓經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后控制SG3525輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。該控制電路還具有限制輸出過流過壓的保護(hù)功能。當(dāng)檢測(cè)到DC/DC變換器輸出電流過大時(shí)，SG3525將減小門極脈沖的寬度，降低輸出電壓，進(jìn)而降低了輸出電流。當(dāng)輸出電壓過高時(shí)，會(huì)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(dǎo)致變壓器飽和，因此，推挽式電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)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(duì)稱性之外，還設(shè)計(jì)了磁飽和檢測(cè)電路，當(dāng)流經(jīng)推挽電路的兩個(gè)支路電流失衡時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)SG3525的軟啟動(dòng)功能，使DC/DC變換器重新啟動(dòng)，變壓器得以復(fù)位。

圖4偏磁檢測(cè)電路

偏磁檢測(cè)電路如圖4所示。圖中只畫出了磁環(huán)的副邊。原邊兩個(gè)線圈接在主電路的變壓器原邊的兩個(gè)繞組上，流過兩個(gè)線圈中的電流方向要相反。當(dāng)變壓器發(fā)生偏磁時(shí)，某一方向的電流異常大，通過電流互感器檢測(cè)，可在互感器的輸出電阻R1上產(chǎn)生一個(gè)電壓，如果該電壓足夠大，可以使穩(wěn)壓二極管D5導(dǎo)通，在電位器上產(chǎn)生壓降，將電位器的值調(diào)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(dǎo)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(duì)它充電，SG3525重新啟動(dòng)，從而使變壓器磁心復(fù)位。

2、DC/AC逆變器控制方案

圖5 DC/AC逆變器的控制框圖

DC/AC逆變器是光伏并網(wǎng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，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(jī)也能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的脈寬調(diào)制，但是DSP實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)大，因此可以保證系統(tǒng)有更高的開關(guān)工作頻率。從圖5可以清楚看出系統(tǒng)輸入和輸出信號(hào)的情況。

3、輸出功率優(yōu)化控制方案

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

圖6 DSP的控制方案

DSP的控制方案如圖6所示，參考電壓和太陽能電池的實(shí)際電壓相比較后，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，將得到的電流指令(直流量)IREF與ROM里的正弦表值相乘，就得到交變的輸出電流指令iref，再將它與實(shí)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(cè)電壓Us相加后，所得到的波形再與三角波比較，就產(chǎn)生4路PWM調(diào)制信號(hào)(三角波的頻率為20kHz)。

4、交流側(cè)電壓Us的檢測(cè)

將同步變壓器副邊的同步信號(hào)，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(zhuǎn)換口。由于最后得到的直流電壓與電網(wǎng)電壓有一個(gè)比較穩(wěn)定的關(guān)系，因此，就比較容易換算Us的值了。

圖7 Us的整流電路

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