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200W太陽能光伏并網(wǎng)逆變器控制設(shè)計全過程

發(fā)布時間:2013-08-26 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)論壇 責(zé)任編輯:Cynthiali

【導(dǎo)讀】一款功率為200W太陽能光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計全過程,可將太陽能電池板產(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)。從光伏并網(wǎng)逆變器電路原理、系統(tǒng)控制方案、主要元器件選擇……到系統(tǒng)保護,包括全套資料哦!

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。

200W太陽能光伏并網(wǎng)逆變器控制設(shè)計全過程
系統(tǒng)工作原理及其控制方案

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
圖1  電路原理框圖

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(fù)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
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。

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2.2.1 DC/DC變換器控制方案

圖3  DC/DC變換器的控制框圖
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??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(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。由于推挽式電路容易因直流偏磁導(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,除了注意電路的對稱性之外,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4  偏磁檢測電路
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(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)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(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三極管的門限電壓,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(fù)位。

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
圖5  DC/AC逆變器的控制框圖
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3 輸出功率優(yōu)化控制方案

在靜態(tài)情況下,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(yīng)使太陽能電池的輸出始終處于適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c。因此,控制方案要求當(dāng)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
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(jīng)過PI調(diào)節(jié),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(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)。

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。

圖7  Us的整流電路
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。

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。

 圖8  同步信號波形
圖8  同步信號波形

當(dāng)DSP檢測到過零信號的上跳沿時,便觸發(fā)同步中斷,以此時間點作為基準(zhǔn)給定正弦波信號時間起點,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?,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。

下頁內(nèi)容:PWM脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生
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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9  正弦脈寬調(diào)制波形
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(dǎo)通時刻;正弦波A與三角波的交點決定了Q5的導(dǎo)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。

7 TMS320F240軟件控制流程

圖10  軟件流程圖
圖10  軟件流程圖

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。

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(dāng)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(dāng)檢測到直流電壓恢復(fù)正常時,DC/DC又自動復(fù)位開始工作;當(dāng)出現(xiàn)交流過流、過熱故障時,程序進入中斷服務(wù)子程序,封鎖所有驅(qū)動信號。當(dāng)故障排除后,手動復(fù)位,系統(tǒng)重新啟動。

9 主要元器件選擇

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。
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