德州儀器（TI） 5KW微網逆變器系統設計方案

中心議題：

*基于TI微處理器的微逆變器設計方案

微網逆變器系統將可再生能源(如太陽能，風能，水能，地熱能，生物質能等)轉變為與電網同頻、同相的交流電，優先輸送給當地負荷供電，剩余的電能饋入電網。微網逆變器系統主要包括：光伏組件、蓄電池組、蓄電池充放電設備、DC/DC變換器、微網逆變器、靜態開關等。

5kw微網逆變器系統結構如圖1所示。

圖15KW微逆變器系統結構

微網逆變器是微網逆變器系統中的關鍵部分。微網逆變器輸出為三相交流電，具有并網和獨立運行兩種工作模式。微網逆變器主電路采用智能功率模塊進行逆變，產生三相交流電通過三相變壓器(Δ-γ)進行隔離升壓，并變成三相四線輸出。

靜態開關和電能計量設計

靜態開關是微網逆變器系統中的重要組成部分。靜態開關由三組雙向可控硅、兩個空氣開關以及一個斷路器組成，其閉合和斷開的驅動信號由DSP產生。

正常工作時，開關Switch1、Switch2、Switch3、Switch4同時閉合，為當地負荷提供電能;當出現電網缺相、電壓嚴重跌落等非正常狀況時，由DSP檢測出異常情況，做出判斷決策，并控制開關的開通與0關斷。這時，開通Switch1和Switch2，關斷Switch3，保證重要負荷的供電。當逆變器發生故障時，立即斷開Switch1，逆變器退出，同時斷開Switch4，由電網對重要負荷供電。當逆變器故障消失時，在與電網同步后，開通Switch1，再閉合Switch4，恢復對當地負荷的供電。當需要檢修逆變器時，先斷開開關Switch2，檢修完成后，重新閉合Switch2。

DC/DC變換器方案設計

DC/DC變換器采用Boost拓撲，實現直流電壓的升壓功能和蓄電池的最大功率點跟蹤(MPPT)。PWM驅動信號由DSP產生，通過采集太陽能電池板的輸出電壓和電流，計算瞬時輸出功率，不斷與前一時刻的輸出功率相比較，來跟蹤太陽能電池板的最大輸出功率。

蓄電池充放電設備設計

蓄電池充放電設備的硬件電路采用Buck-Boost拓撲，驅動信號由PIC單片機產生。充電時根據當前蓄電池狀態，啟用均充模式或者浮充模式，實現對蓄電池的智能化充電。當系統需要蓄電池放電時，由PIC單片機產生PWM驅動脈沖，實現蓄電池對負載的放電。

光伏并網系統逆變器要求

并網光伏發電系統的核心是并網逆變器，而此系統中需要專用的逆變器，以保證輸出的電力滿足電網電力對電壓、頻率等電性能指標的要求。因此并網時，對逆變器提出了較高的要求，主要有:

(1)要求逆變器輸出正弦波電流;

(2)要求逆變器在負載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行;

(3)要求逆變器能使光伏方陣工作在最大功率點;

(4)要求逆變器具有體積小、可靠性高的特點;

(5)在市電斷電情況下，逆變器在日照時能夠單獨供電。

光伏并網系統的拓撲結構

光伏并網系統的拓撲結構可分為以下三類：

(1)單級式并網逆變器拓撲

(2)兩級式并網逆變器拓撲

(3)多級式并網逆變器拓撲

5kw微網逆變器電路設計

系統的硬件總體圖如圖2所示。

圖2系統硬件圖主控制芯片的選擇

控制芯片要實現的功能有:對檢測信號進行A/D轉換;產生PWM波形;完成MPPT;電能計量和反孤島效應的計算過程。控制電路的核心器件采用美國TI公司的TMS320F2812DSP(簡稱2812)。

逆變器的設計

逆變器是光伏并網發電系統的核心部件，選擇高可靠性的逆變模塊是電路正常工作的必要條件。下面對IPM(智能功率模塊)組成逆變器和分離元件組成逆變器進行分別闡述。

IPM逆變模塊介紹

IPM是一種先進的功率開關器件，具有GTR(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的特點，并具有MOSFET(場效應晶體管)高輸入阻抗高開關頻率和低驅動功率等優點。IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，不僅減小了系統的體積以及開發時間，也增強了系統的可靠性。

IPM逆變模塊保護電路設計

IPM故障輸出信號封鎖IPM的控制信號通道，軟件保護不需要增加硬件，簡便易行，但可能受到軟件設計和計算機故障的影響;硬件保護則反應迅速，工作可靠。應用中軟件與硬件結合的方法能更好的彌補IPM自身保護的不足，提高系統的可靠性。

由IR2130組成逆變模塊電路設計

IR2130是600V以下高壓集成驅動器件，它具有六路輸入信號和六路輸出信號，且只需一個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關器件，一片IR2130可替代3片IR2110，使整個驅動電路更加簡單可靠。

微網逆變器電源設計

微網逆變器電源系統直接影響逆變器輸出的三相交流電和整個系統的穩定性，所以一個穩定的電壓系統是逆變器穩定工作又一必要條件。為蓄電池供電的電源系統需要高效率、低紋波。下面分別闡述由外部220V供電和蓄電池供電的電源設計。實驗時，可以先用外部220V供電的電源系統;實驗完畢成為產品時，為了簡化電路，需用內部只帶蓄電池供電。

微網逆變器信號調理電路設計

由于DSP不能輸入負電壓，故逆變器的輸出線電壓和線電流，電網端的線電壓和線電流總共12路信號要通過信號調理才能送入DSP。

電壓互感器的選擇

此系統輸出是三相交流電，輸出線電壓為380V，故選擇TV19E電壓互感器，其輸出負載電阻可以接0~500Ω，輸出交流電壓0~2.5V，此系統采用240歐的電阻，輸出電壓為-1.2V~1.2V。滿足DSP的輸入要求。電路如圖3所示。

電流互感器的選擇

此系統輸出電流小于1A，故選擇最大可以測量1A的電壓型電流互感器TA1410，負載電阻用是200歐，輸出電壓為-1V~1V的交流電壓。電路如圖4所示。