小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制的設(shè)計

1、小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制的設(shè)計21世紀，人類將瀕臨著實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)進展的重大挑戰(zhàn)。在有限資源和庇護環(huán)境的雙重制約下能源問題將越發(fā)突出，這主要體現(xiàn)在：能源短缺；環(huán)境污染；溫室效應(yīng)。因此，人類在解決能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)進展時，只能依賴科技長進，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有儲量大、普遍存在、利用經(jīng)濟、清潔環(huán)保等優(yōu)點，因此太陽能的利用越來越受到人們的廣泛重視，成為抱負的替代能源。文中闡述的功率為200w太陽能光伏并網(wǎng)，將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電挺直轉(zhuǎn)換為220v/50hz的工頻正弦溝通電輸出至電網(wǎng)。2 系統(tǒng)工作原理及其控制計劃2.1 光伏并網(wǎng)逆變器原理太陽能光伏并網(wǎng)逆變器的主電路原

2、理圖1所示。在本系統(tǒng)中，太陽能電池板輸出的額定為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的溝通電。系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的220v/50hz正弦與電網(wǎng)的相電壓同步。圖1 電路原理框圖2.2 系統(tǒng)控制計劃圖2為光伏并網(wǎng)逆變器的主電路拓撲圖，此系統(tǒng)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挑選的型式有半橋式、全橋式、推挽式?？紤]到輸入電壓較低，如采納半橋式則開關(guān)管電流變大，而采納全橋式則控制復(fù)雜、開關(guān)管功耗增大，因此這里采納推挽式電路。dc/dc變換器由推挽逆變電路、高頻、整流電路和濾波構(gòu)成

3、，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 主電路拓撲圖dc/ac逆變器的主電路采納全橋式結(jié)構(gòu)，由4個mos管（該管內(nèi)部寄生了反并聯(lián)的）構(gòu)成，它將400v的直流電轉(zhuǎn)換成為220v/50hz的工頻溝通電。2.2.1 dc/dc變換器控制計劃dc/dc變換器的控制框圖3所示?？刂齐娐肥且詓g3525為核心，由sg3525輸出的兩路50khz的驅(qū)動信號，經(jīng)門極驅(qū)動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，將檢測到的輸出電壓與命令電壓舉行比較，該誤差電壓經(jīng)pi調(diào)整器后控制sg3525輸出驅(qū)動信號的占空比。該控制電路還具有限制輸出過流過壓

4、的庇護功能。當(dāng)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(dāng)輸出電壓過高時，會停止dc/dc變換器的工作。因為推挽式電路簡單因直流偏磁導(dǎo)致變壓器飽和，因此，推挽式電路的設(shè)計難點在于如何防止變壓器的磁飽和。在本電路中，除了注重電路的對稱性之外，還設(shè)計了磁飽和檢測電路，當(dāng)流經(jīng)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(fù)位。圖3 dc/dc變換器的控制框圖偏磁檢測電路4所示。圖中只畫出了磁環(huán)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(dāng)

5、變壓器發(fā)生偏磁時，某一方向的電流異樣大，通過電流互感器檢測,可在互感器的輸出r1上產(chǎn)生一個電壓，假如該電壓足夠大，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(fù)位。圖4 偏磁檢測電路2.2.2 dc/ac逆變器控制計劃dc/ac逆變器是光伏并網(wǎng)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5所示。核心控制芯片采納了ti公司的tms320f240。盡管也能實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的脈寬調(diào)制，但是實時

6、處理能力更強大，因此可以保證系統(tǒng)有更高的開關(guān)工作頻率。從圖5可以清晰看出系統(tǒng)輸入和輸出信號的狀況。圖5 dc/ac逆變器的控制框圖2.3 輸出功率優(yōu)化控制計劃在靜態(tài)狀況下，當(dāng)并網(wǎng)逆變器與太陽能電池相連時，并網(wǎng)逆變器可等效為太陽能電池的負載電阻。當(dāng)光強和溫度t變幻時，太陽能電池輸出的端電壓將會隨之發(fā)生變幻。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。因此，控制計劃要求當(dāng)太陽能電池的電壓上升時，可以增大它的輸出功率；反之就降低它的輸出功率。dsp的控制計劃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(jīng)過pi調(diào)整，將得到的電流命令（直流量）iref與rom里的正弦表值相

7、乘，就得到交變的輸出電流命令iref，再將它與實際的輸出電流值比較后，其誤差經(jīng)過比例（p）環(huán)節(jié)，將所得到的命令取反，與采集到的溝通側(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路調(diào)制信號（三角波的頻率為20khz）。圖6 dsp的控制計劃2.4 溝通側(cè)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(wěn)定的直流電，將其送到dsp的a/d轉(zhuǎn)換口。因為最后得到的直流電壓與電網(wǎng)電壓有一個比較穩(wěn)定的關(guān)系，因此，就比較簡單換算us的值了。因為涉及到共地的問題，因此，采納了運算的全波精密整流電路，7所示。圖7 us的整流電路2.5 電流命令的同步并網(wǎng)時要求逆變器輸出的正弦波電流與

8、電網(wǎng)電壓同頻、同相。首先，將電網(wǎng)電壓信號經(jīng)過濾波整形為同步方波信號，再將其輸入到tms320f240的外部中斷口xint1，目的是為了捕獲電網(wǎng)電壓的過零信號。8所示，電網(wǎng)電壓正弦波，經(jīng)過整形后就得到了方波。當(dāng)dsp檢測到過零信號的上跳沿時，便觸發(fā)同步中斷，以此時光點作為基準給定正弦波信號時光起點，也就是正弦表指針復(fù)位到零；每當(dāng)t1下溢中斷（pwm實時控制）時，正弦表指針便加1，并從正弦表中取值。一個周期的單位正弦波數(shù)據(jù)被分成了400個點采納表的形式存放在存儲器中。因為同步信號比較簡單受到諧波和尖峰電壓的干擾，因此在進入同步中斷后可以先做一個延時，推斷外部中斷腳xint1是否仍然是高電平，假如是

9、高電平，就執(zhí)行中斷程序，否則就從中斷程序跳出。從圖6的控制計劃可看出，iref與正弦表中數(shù)據(jù)相乘后，便形成了幅值可調(diào)的正弦波的電流給定信號，然后，再實時比較電流給定值，經(jīng)過p環(huán)節(jié)后，所得信號反相后，與采集到的溝通側(cè)電網(wǎng)電壓信號us相加，所得波形與三角波比較，就產(chǎn)生了pwm波，控制橋臂的通斷?？傊?，輸出電流和電網(wǎng)電壓的同頻、同相的要求是通過電流跟蹤控制實現(xiàn)的。2.6 pwm脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生pwm波的產(chǎn)生是通過tms320f240的全比較單元輸出的，頻率為20khz。從圖6可知，調(diào)制脈沖的產(chǎn)生是通過將電流命令值與實際電流值比較后，經(jīng)過p環(huán)節(jié)，所得到的波形與三角波（頻率為20khz）比較后獲得的。因

10、此mos管q3、q4、q5、q6（見圖2）脈沖的產(chǎn)生時刻可以從圖8得出，參照正弦波與三角波調(diào)制，兩者相交打算了pwm的脈沖時刻。實際由采樣的波形（事實上是階梯波）與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。本系統(tǒng)是在三角波的底點位置對波形舉行采樣而形成的階梯波。此階梯波與三角波的交點所確定的脈寬在一個采樣周期內(nèi)的位置是對稱的，9所示。圖8 同步信號波形圖9 正弦脈寬調(diào)制波形圖9（a）正弦波b與三角波的交點打算了q3的導(dǎo)通時刻；正弦波a與三角波的交點打算了q5的導(dǎo)通時刻。圖9（b）為q3的脈沖暗示圖，同一橋臂上q3與q4的脈沖是互補的。圖9（c）為q5的脈沖暗示圖，同一橋臂上q5與q6的脈沖是互補的。2.

11、7 tms320f240軟件控制流程這部分的軟件主要分成4塊，即主程序，t1下溢中斷，t2下溢中斷和同步中斷。流程圖10所示。t1下溢中斷每50s發(fā)生一次，程序主要用來生成pwm波；t2下溢中斷每10ms發(fā)生一次，程序主要用來產(chǎn)生電流命令；同步中斷大約每20ms（網(wǎng)壓周期）發(fā)生一次。圖10 軟件流程圖2.8 系統(tǒng)庇護本系統(tǒng)設(shè)計有直流側(cè)過壓、欠壓，溝通側(cè)過流，過熱等多種庇護。當(dāng)浮現(xiàn)太陽能電池板的輸出電壓過壓、欠壓故障的時候，由tms320f240向sg3525發(fā)出一個信號，封鎖dc/dc的脈沖，使其停止工作，當(dāng)檢測到直流電壓復(fù)原正常時，dc/dc又自動復(fù)位開頭工作；當(dāng)浮現(xiàn)溝通過流、過熱故障時，程序進入中斷服務(wù)子程序，封鎖全部驅(qū)動信號。當(dāng)故障排解后，手動復(fù)位，系統(tǒng)重新啟動。3 主要元器件挑選與試驗波形推挽式電路mos管選用的是irfp350（耐壓400v，漏源額定電流為16a）。橋式逆變電路mos管選用的是irfpc40（耐壓600v，漏源額定電流為6.8a）。dc/dc濾波電感l(wèi)1選用1.2mh,dc/ac濾波電感l(wèi)2選用33.4mh。圖11是逆變器輸出側(cè)并網(wǎng)時電壓和電流的波形。電網(wǎng)側(cè)電壓為220±20，電流的有效值為1a左右。4 結(jié)語本文闡述了一種小功率光伏并網(wǎng)逆變器的