中心議題：

　　* 基于TI微處理器的微逆變器設計方案

　　緒論

　　隨著人類社會的發(fā)展，能源的消耗量正在不斷增加，世界上的化石能源總有一天將達到極限。同時，由于大量燃燒礦物能源，全球的生態(tài)環(huán)境日益惡化，對人類的生存和發(fā)展構成了很大的威脅。在這樣的背景下，太陽能作為一種巨量的可再生能源，引起了人們的重視，各國政府正在逐步推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而在我國，光伏系統(tǒng)的應用還剛剛起步，市場狀況尚不明朗。相信作為當今發(fā)展最迅速的高新技術之一，太陽能光伏發(fā)電技術，特別是光伏并網(wǎng)發(fā)電技術將為今后的電力工業(yè)以及能源結構帶來新的變化。

　　太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來，隨著科學技術的不斷進步，太陽能及其相關產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。因為它具有以下的特點：儲量豐富、清潔性和經(jīng)濟性、分布范圍廣泛。

　　這些技術尤其在我國的北方和西部應用較廣并且成效顯著。以光伏電池技術為核心的光伏利用成為太陽能開發(fā)利用中最重要的應用領域，利用光伏發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點：

　　（1）結構簡單，體積小且輕;

　?。?）容易安裝運輸，建設周期短;

　?。?）維護簡單，使用方便;

　　（4）清潔、安全、無噪聲;

　?。?）可靠性高、壽命長，并且應用范圍廣。

　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按供電方式大致可以分為獨立發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和混合發(fā)電系統(tǒng)三大類。

　　5kw微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)設計

　　微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)將可再生能源（如太陽能，風能，水能，地熱能，生物質能等）轉變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻、同相的交流電，優(yōu)先輸送給當?shù)刎摵晒╇?，剩余的電能饋入電網(wǎng)。微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)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(wǎng)逆變器、靜態(tài)開關等。

　　5kw微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結構如圖1所示。

　　圖1 5KW微逆變器系統(tǒng)結構

　　微網(wǎng)逆變器是微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的關鍵部分。微網(wǎng)逆變器輸出為三相交流電，具有并網(wǎng)和獨立運行兩種工作模式。微網(wǎng)逆變器主電路采用智能功率模塊進行逆變，產(chǎn)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(tài)開關和電能計量設計

　　靜態(tài)開關是微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的重要組成部分。靜態(tài)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(chǎn)生。

　　正常工作時，開關Switch1、Switch2、Switch3、Switch4同時閉合，為當?shù)刎摵商峁╇娔?當出現(xiàn)電網(wǎng)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(fā)生故障時，立即斷開Switch1，逆變器退出，同時斷開Switch4，由電網(wǎng)對重要負荷供電。當逆變器故障消失時，在與電網(wǎng)同步后，開通Switch1，再閉合Switch4，恢復對當?shù)刎摵傻墓╇姟．斝枰獧z修逆變器時，先斷開開關Switch2，檢修完成后，重新閉合 Switch2。
[!--empirenews.page--]DC/DC變換器方案設計

　　DC/DC變換器采用Boost拓撲，實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生。充電時根據(jù)當前蓄電池狀態(tài)，啟用均充模式或者浮充模式，實現(xiàn)對蓄電池的智能化充電。當系統(tǒng)需要蓄電池放電時，由PIC單片機產(chǎn)生PWM驅動脈沖，實現(xiàn)蓄電池對負載的放電。

　　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器要求

　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，而此系統(tǒng)中需要專用的逆變器，以保證輸出的電力滿足電網(wǎng)電力對電壓、頻率等電性能指標的要求。因此并網(wǎng)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;

　?。?）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;

　?。?）要求逆變器具有體積小、可靠性高的特點;

　?。?）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(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結構

　　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結構可分為以下三類：

　?。?）單級式并網(wǎng)逆變器拓撲

　　（2）兩級式并網(wǎng)逆變器拓撲

　?。?）多級式并網(wǎng)逆變器拓撲

　　5kw微網(wǎng)逆變器電路設計

　　系統(tǒng)的硬件總體圖如圖2所示。

　　圖2系統(tǒng)硬件圖主控制芯片的選擇

　　控制芯片要實現(xiàn)的功能有：對檢測信號進行A/D轉換;產(chǎn)生PWM波形;完成MPPT;電能計量和反孤島效應的計算過程?？刂齐娐返暮诵钠骷捎妹绹鳷I公司的TMS320F2812DSP（簡稱2812）。[!--empirenews.page--]逆變器的設計

　　逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)的體積以及開發(fā)時間，也增強了系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)逆變器電源設計

　　微網(wǎng)逆變器電源系統(tǒng)直接影響逆變器輸出的三相交流電和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以一個穩(wěn)定的電壓系統(tǒng)是逆變器穩(wěn)定工作又一必要條件。為蓄電池供電的電源系統(tǒng)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(tǒng);實驗完畢成為產(chǎn)品時，為了簡化電路，需用內部只帶蓄電池供電。

　　微網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。

　　圖3電壓互感器電路圖

　　圖4電流互感器電路圖[!--empirenews.page--]電平提升電路的設計

　　由于DSP輸入端不能輸入負電平，故要對電壓互感器和電流互感器的信號進行+1.25V的提升，使輸入信號在0~3.3V之間。

　　微網(wǎng)逆變器開關驅動電路設計

　　為了實現(xiàn)微網(wǎng)逆變器、負載、電網(wǎng)間的連接，當電路出現(xiàn)故障，需要快速的切換，故電路中使用了靜態(tài)開關（晶閘管）、交流接觸器、空氣開關。

　　微網(wǎng)逆變器電能計量電路設計

　　本系統(tǒng)采用兩塊ATT7022B分別對逆變器側和電網(wǎng)側進行電能計量。ATT7022B是一款高精度三相電能專用計量芯片，集成了6路差分輸入二階 sigma-deltaADC，適用于三相三線和三相四線應用，在輸入動態(tài)工作范圍（1000：1）內非線性測量誤差小于0.1%。主要功能包括：電能計量、參數(shù)測量、數(shù)字接口和數(shù)字校準。

　　微網(wǎng)逆變器DC-DC電路設計

　　為了輸入實現(xiàn)MPPT，輸入DC-DC采用BOOST電路。采用SG3525作為主控芯片。

　　微網(wǎng)逆變器蓄電池充放電電路設計

　　智能充放電器采用升降壓拓撲結構，并用PIC單片機進行智能控制，電路既包括智能充電電路，也包括智能發(fā)電電路。

　　微網(wǎng)逆變器變壓器設計

　　本系統(tǒng)逆變器輸出三相交流電線電壓為190V，結果三相升壓變壓器（變比1:2）升壓到380V，并采用△-Y接法，功率5kw。此變壓器起升壓作用，另外起隔離作用。

　　軟件設計和測試結果

　　根據(jù)前面分析討論，研制一套基于TI公司的DSP芯片TMS320LF2812的5kw光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置。由于DSP強大的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力，使整機硬件結構較為簡單，除了主電路、取樣檢測電路和驅動電路外，所有的運算、數(shù)據(jù)處理均由DSP完成。因此合理有效的控制策略和簡潔軟件構架是該系統(tǒng)可靠運行的有力保證。根據(jù)前面的分析和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本要求，DSP應該完成最大功率點跟蹤控制、獨立供電運行控制、同步鎖相與并網(wǎng)控制、孤島檢測保護控制及相應的其它保護。本章主要根據(jù)上述要求給出相應的軟件架構及主要實驗結果。

　　系統(tǒng)的整體軟件構架

　　微網(wǎng)逆變光伏發(fā)電系統(tǒng)的目的是將光伏器件產(chǎn)生的電能優(yōu)先供給本地負載使用，多余的電量回饋給電網(wǎng)，軟件的設計不僅要準確可靠地體現(xiàn)控制思想，而且要保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，防止干擾信號對系統(tǒng)的影響。

　　同步鎖相控制

　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要實現(xiàn)并網(wǎng)，必須使逆變輸出與電網(wǎng)電壓的幅度、相位與頻率達到一致，否則將會使電網(wǎng)諧波增加、電能質量下降，并產(chǎn)生并網(wǎng)環(huán)流，甚至造成光伏發(fā)電系統(tǒng)的損壞。因此在并網(wǎng)過程中必須進行同步鎖相控制、輸出電壓幅度控制以滿足并網(wǎng)的要求。根據(jù)IEEEStd1547-2003規(guī)定最大相位誤差為 20度，瞬時電壓誤差不能超過電網(wǎng)電壓的10%、最大頻率誤差不能超過0.3Hz。圖5為獨立工作模式時純電阻負載兩端的電壓波形。

　　孤島檢測與保護

　　孤島效應是包括光伏發(fā)電在內的分布式能源必須重視的一個重要問題。所謂孤島效應是指在分布式能源系統(tǒng)逆變器并網(wǎng)工作過程中，當市電輸入被人為斷開或出現(xiàn)故障而停止供電時，逆變器仍持續(xù)向局部電網(wǎng)供電，從而使本地負載的供電電源繼續(xù)處于工作狀態(tài)。

　　圖5獨立工作模式時純電阻負載兩端的電壓波形