基于一款小功率光伏并网逆变器控制的设计方案

引言

21世纪，人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战。在有限资源和保护环境的双重制约下能源问题将更加突出，这主要体现在：①能源短缺;②环境污染;③温室效应。因此，人类在解决能源问题，实现可持续发展时，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点，因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视，成为理想的替代能源。文中阐述的功率为200W太阳能光伏并网逆变器，将太阳能电池板产生的直流电直接转换为220V/50Hz的工频正弦交流电输出至电网。

系统工作原理及其控制方案

1光伏并网逆变器电路原理

太阳能光伏并网逆变器的主电路原理图如图1所示。在本系统中，太阳能电池板输出的额定电压为62V的直流电，通过DC/DC变换器被转换为400V直流电，接着经过DC/AC逆变后就得到220V/50Hz的交流电。系统保证并网逆变器输出的220V/50Hz正弦电流与电网的相电压同步。

图1电路原理框图

系统控制方案

图2主电路拓扑图

图2为光伏并网逆变器的主电路拓扑图，此系统由前级的DC/DC变换器和后级的DC/AC逆变器组成。DC/DC变换器的逆变电路可选择的型式有半桥式、全桥式、推挽式。考虑到输入电压较低，如采用半桥式则开关管电流变大，而采用全桥式则控制复杂、开关管功耗增大，因此这里采用推挽式电路。DC/DC变换器由推挽逆变电路、高频变压器、整流电路和滤波电感构成，它将太阳能电池板输出的62V的直流电压转换成400V的直流电压。

DC/AC逆变器的主电路采用全桥式结构，由4个MOS管(该管内部寄生了反并联的二极管)构成，它将400V的直流电转换成为220V/50Hz的工频交流电。

1、DC/DC变换器控制方案

图3 DC/DC变换器的控制框图

DC/DC变换器的控制框图如图3所示。控制电路是以集成电路SG3525为核心，由SG3525输出的两路50kHz的驱动信号，经门极驱动电路加在推挽电路开关管Q1和Q2的门极上。为保持DC/DC变换器输出电压的稳定，将检测到的输出电压与指令电压进行比较，该误差电压经PI调节器后控制SG3525输出驱动信号的占空比。该控制电路还具有限制输出过流过压的保护功能。当检测到DC/DC变换器输出电流过大时，SG3525将减小门极脉冲的宽度，降低输出电压，进而降低了输出电流。当输出电压过高时，会停止DC/DC变换器的工作。由于推挽式电路容易因直流偏磁导致变压器饱和，因此，推挽式电路的设计难点在于如何防止变压器的磁饱和。在本电路中，除了注意电路的对称性之外，还设计了磁饱和检测电路，当流经推挽电路的两个支路电流失衡时，就会启动SG3525的软启动功能，使DC/DC变换器重新启动，变压器得以复位。

图4偏磁检测电路

偏磁检测电路如图4所示。图中只画出了磁环的副边。原边两个线圈接在主电路的变压器原边的两个绕组上，流过两个线圈中的电流方向要相反。当变压器发生偏磁时，某一方向的电流异常大，通过电流互感器检测，可在互感器的输出电阻R1上产生一个电压，如果该电压足够大，可以使稳压二极管D5导通，在电位器上产生压降，将电位器的值调到合适的阻值，使电位器上的压降大于三极管的门限电压，使三极管导通，接在芯片SG3525的脚8与地之间的电容放电，然后SG3525中的恒流源对它充电，SG3525重新启动，从而使变压器磁心复位。

2、DC/AC逆变器控制方案

图5 DC/AC逆变器的控制框图

DC/AC逆变器是光伏并网的重点和难点，因此以下将着重阐述该部分。DC/AC逆变器控制框图如图5所示。核心控制芯片采用了TI公司的TMS320F240.尽管单片机也能实现并网逆变器的脉宽调制，但是DSP实时处理能力更强大，因此可以保证系统有更高的开关工作频率。从图5可以清楚看出系统输入和输出信号的情况。

3、输出功率优化控制方案

在静态情况下，当并网逆变器与太阳能电池相连时，并网逆变器可等效为太阳能电池的负载电阻。当光强λ和温度T变化时，太阳能电池输出的端电压将会随之发生变化。为了有效地利用太阳能，应使太阳能电池的输出始终处于适当的工作点。因此，控制方案要求当太阳能电池的电压升高时，可以增大它的输出功率;反之就降低它的输出功率。

图6 DSP的控制方案

DSP的控制方案如图6所示，参考电压和太阳能电池的实际电压相比较后，其误差经过PI调节，将得到的电流指令(直流量)IREF与ROM里的正弦表值相乘，就得到交变的输出电流指令iref，再将它与实际的输出电流值比较后，其误差经过比例(P)环节，将所得到的指令取反，与采集到的交流侧电压Us相加后，所得到的波形再与三角波比较，就产生4路PWM调制信号(三角波的频率为20kHz)。

4、交流侧电压Us的检测

将同步变压器副边的同步信号，滤波、整流，就可以得到比较稳定的直流电，将其送到DSP的A/D转换口。由于最后得到的直流电压与电网电压有一个比较稳定的关系，因此，就比较容易换算Us的值了。

图7 Us的整流电路

由于涉及到共地的问题，因此，采用了运算放大器的全波精密整流电路，如图7所示。