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小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制的設(shè)計
李進國,金新民
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)字信號處理器TMS320F240來控制,。由于DSP實時處理能力極強,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)在實驗室得到驗證。
Abstract:
Key words :

1  引言

    21世紀,,人類將面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。在有限資源和保護環(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,。因此,,人類在解決能源問題,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展時,,只能依靠科技進步,,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  主電路拓撲圖

    DC/AC逆變器的主電路采用全橋式結(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指令電壓進行比較,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(shè)計難點在于如何防止變壓器的磁飽和,。在本電路中,,除了注意電路的對稱性之外,還設(shè)計了磁飽和檢測電路,,當流經(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,,變壓器得以復位,。

圖3  DC/DC變換器的控制框圖

    偏磁檢測電路如圖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。當變壓器發(fā)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(chǎn)生一個電壓,如果該電壓足夠大,,可以使穩(wěn)壓二極管D5導通,,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,。

圖4  偏磁檢測電路

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(xiàn)并網(wǎng)逆變器的脈寬調(diào)制,但是DSP實時處理能力更強大,因此可以保證系統(tǒng)有更高的開關(guān)工作頻率,。從圖5可以清楚看出系統(tǒng)輸入和輸出信號的情況,。

圖5  DC/AC逆變器的控制框圖

2.3  輸出功率優(yōu)化控制方案

    在靜態(tài)情況下,當并網(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(fā)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?shù)墓ぷ鼽c。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,。

    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(jīng)過PI調(diào)節(jié),,將得到的電流指令(直流量)IREFROM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(jīng)過比例(P)環(huán)節(jié),,將所得到的指令取反,與采集到的交流側(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PWM調(diào)制信號(三角波的頻率為20kHz)。

圖6  DSP的控制方案

2.4  交流側(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。由于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,,就比較容易換算Us的值了。

    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,。

圖7  Us的整流電路

2.5  電流指令的同步

    并網(wǎng)時要求逆變器輸出的正弦波電流與電網(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,,目的是為了捕捉電網(wǎng)電壓的過零信號。如圖8所示,,電網(wǎng)電壓正弦波,,經(jīng)過整形后就得到了方波。

    當DSP檢測到過零信號的上跳沿時,,便觸發(fā)同步中斷,,以此時間點作為基準給定正弦波信號時間起點,也就是正弦表指針復位到零,;每當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個點采用表的形式存放在存儲器中,。由于同步信號比較容易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,,判斷外部中斷腳XINT1是否仍然是高電平,,如果是高電平,就執(zhí)行中斷程序,,否則就從中斷程序跳出,。

    從圖6的控制方案可看出,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,與采集到的交流側(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敵鲭娏骱碗娋W(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)生是通過將電流指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,兩者相交決定了PWM的脈沖時刻,。實際由采樣的波形(實際上是階梯波)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進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,,如圖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與三角波的交點決定了Q3的導通時刻,;正弦波A與三角波的交點決定了Q5的導通時刻,。

    圖9(b)為Q3的脈沖示意圖,同一橋臂上Q3與Q4的脈沖是互補的,。

    圖9(c)為Q5的脈沖示意圖,,同一橋臂上Q5與Q6的脈沖是互補的。

2.7    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,。流程圖如圖10所示,。T1下溢中斷每50μs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)生電流指令;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)保護

    本系統(tǒng)設(shè)計有直流側(cè)過壓,、欠壓,交流側(cè)過流,,過熱等多種保護,。當出現(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,,當檢測到直流電壓恢復正常時,,DC/DC又自動復位開始工作;當出現(xiàn)交流過流,、過熱故障時,,程序進入中斷服務子程序,封鎖所有驅(qū)動信號,。當故障排除后,,手動復位,系統(tǒng)重新啟動,。

3  主要元器件選擇與實驗波形

    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L1選用1.2mH,DC/AC濾波電感L2選用33.4mH。

4  結(jié)語

    本文闡述了一種小功率光伏并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng),。DC/DC控制器的拓撲結(jié)構(gòu)采用推挽式電路,,是用芯片SG3525來控制的,該電路有效地防止了偏磁,;DC/AC逆變器為全橋逆變電路,,是用DSP來控制的,由于DSP的運算速度比較高,,因此逆變器的輸出電流能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓波形,。該光伏并網(wǎng)逆變器控制方案的有效性在實驗室得到驗證。該控制系統(tǒng)能確保逆變電源的輸出功率因數(shù)接近1,,輸出電流為正弦波形,。

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