基于一款小功率光伏并網逆變器控制的設計方案

　　引言

　　21世紀，人類將面臨著實現經濟和社會可持續發展的重大挑戰。在有限資源和保護環境的雙重制約下能源問題將更加突出，這主要體現在：①能源短缺;②環境污染;③溫室效應。因此，人類在解決能源問題，實現可持續發展時，只能依靠科技進步，大規模地開發利用可再生潔凈能源。太陽能具有儲量大、普遍存在、利用經濟、清潔環保等優點，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。

　　系統工作原理及其控制方案

　　1光伏并網逆變器電路原理

　　太陽能光伏并網逆變器的主電路原理圖如圖1所示。在本系統中，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，接著經過DC/AC逆變后就得到220V/50Hz的交流電。系統保證并網逆變器輸出的220V/50Hz正弦電流與電網的相電壓同步。

　　圖1電路原理框圖

　　系統控制方案

　　圖2主電路拓撲圖

　　圖2為光伏并網逆變器的主電路拓撲圖，此系統由前級的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。考慮到輸入電壓較低，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。

　　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。

　　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。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PI調節器后控制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4偏磁檢測電路

　　偏磁檢測電路如圖4所示。圖中只畫出了磁環的副邊。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。

　　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并網逆變器的脈寬調制，但是DSP實時處理能力更強大，因此可以保證系統有更高的開關工作頻率。從圖5可以清楚看出系統輸入和輸出信號的情況。

　　3、輸出功率優化控制方案

　　在靜態情況下，當并網逆變器與太陽能電池相連時，并網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的工作點。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。

　　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際電壓相比較后，其誤差經過PI調節，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，再將它與實際的輸出電流值比較后，其誤差經過比例(P)環節，將所得到的指令取反，與采集到的交流側電壓Us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)。

　　4、交流側電壓Us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電壓有一個比較穩定的關系，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，采用了運算放大器的全波精密整流電路，如圖7所示。