1  引言

    21世紀(jì)，人類將面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn),。在有限資源和保護(hù)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(yīng),。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(jìn)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(jì),、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?fù)鋱D,，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,。考慮到輸入電壓較低,，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?fù)鋱D

    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(jìn)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(hù)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(jìn)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(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,。

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(jī)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(qiáng)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(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(fù)載電阻,。當(dāng)光強(qiáng)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。

    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）I_REF與R_OM里的正弦表值相乘,，就得到交變的輸出電流指令i_ref,，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U_s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U_s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  U_s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(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(jìn)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,，I_REF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U_s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,。總之,，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(jìn)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(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,。

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(hù)

    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(hù),。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(jìn)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,。

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?fù)浣Y(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。