小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制的設(shè)計(jì)

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(hào)處理器TMS320F240來控制。由于DSP實(shí)時(shí)處理能力極強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏系統(tǒng)；逆變器

1 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)。

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(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

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?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。

圖2 主電路拓?fù)鋱D

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。

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?？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3 DC/DC變換器的控制框圖

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。

圖4 偏磁檢測(cè)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(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。

圖5 DC/AC逆變器的控制框圖