一種小功率光伏并網(wǎng)逆變器的控制系統：DC/DC控制器的拓撲結構采用推挽式電路，是用芯片SG3525來(lái)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(lái)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(shí)驗室得到驗證。該控制系統能確保逆變電源的輸出功率因數接近1，輸出電流為正弦波形。

系統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(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變器的主電路原理圖如圖1所示。在本系統中，太陽(yáng)能電池板輸出的額定電壓為62V的直流電，通過(guò)DC/DC變換器被轉換為400V直流電，接著(zhù)經(jīng)過(guò)DC/AC逆變后就得到220V/50Hz的交流電。系統保證并網(wǎng)逆變器輸出的220V/50Hz正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同步。


2 系統控制方案

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(kāi)關(guān)管電流變大，而采用全橋式則控制復雜、開(kāi)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成，它將太陽(yáng)能電池板輸出的62V的直流電壓轉換成400V的直流電壓。


DC/AC逆變器的主電路采用全橋式結構，由4個(gè)MOS管(該管內部寄生了反并聯(lián)的二極管)構成，它將400V的直流電轉換成為220V/50Hz的工頻交流電。

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2.2.1 DC/DC變換器控制方案


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的驅動(dòng)信號，經(jīng)門(mén)極驅動(dòng)電路加在推挽電路開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的門(mén)極上。為保持DC/DC變換器輸出電壓的穩定，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調節器后控制 SG3525輸出驅動(dòng)信號的占空比。該控制電路還具有限制輸出過(guò)流過(guò)壓的保護功能。當檢測到DC/DC變換器輸出電流過(guò)大時(shí)，SG3525將減小門(mén)極脈沖的寬度，降低輸出電壓，進(jìn)而降低了輸出電流。當輸出電壓過(guò)高時(shí)，會(huì )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，推挽式電路的設計難點(diǎn)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(chēng)性之外，還設計了磁飽和檢測電路，當流經(jīng)推挽電路的兩個(gè)支路電流失衡時(shí)，就會(huì )啟動(dòng)SG3525的軟啟動(dòng)功能，使DC/DC變換器重新啟動(dòng)，變壓器得以復位。


偏磁檢測電路如圖4所示。圖中只畫(huà)出了磁環(huán)的副邊。原邊兩個(gè)線(xiàn)圈接在主電路的變壓器原邊的兩個(gè)繞組上，流過(guò)兩個(gè)線(xiàn)圈中的電流方向要相反。當變壓器發(fā)生偏磁時(shí)，某一方向的電流異常大，通過(guò)電流互感器檢測，可在互感器的輸出電阻R1上產(chǎn)生一個(gè)電壓，如果該電壓足夠大，可以使穩壓二極管D5導通，在電位器上產(chǎn)生壓降，將電位器的值調到合適的阻值，使電位器上的壓降大于三極管的門(mén)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(dòng)，從而使變壓器磁心復位。

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(diǎn)和難點(diǎn)，因此以下將著(zhù)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(shí)現并網(wǎng)逆變器的脈寬調制，但是DSP實(shí)時(shí)處理能力更強大，因此可以保證系統有更高的開(kāi)關(guān)工作頻率。從圖5可以清楚看出系統輸入和輸出信號的情況。

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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(yáng)能電池相連時(shí)，并網(wǎng)逆變器可等效為太陽(yáng)能電池的負載電阻。當光強λ和溫度T變化時(shí)，太陽(yáng)能電池輸出的端電壓將會(huì )隨之發(fā)生變化。為了有效地利用太陽(yáng)能，應使太陽(yáng)能電池的輸出始終處于適當的工作點(diǎn)。因此，控制方案要求當太陽(yáng)能電池的電壓升高時(shí)，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(yáng)能電池的實(shí)際電壓相比較后，其誤差經(jīng)過(guò)PI調節，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(shí)際的輸出電流值比較后，其誤差經(jīng)過(guò)比例(P)環(huán)節，將所得到的指令取反，與采集到的交流側電壓Us相加后，所得到的波形再與三角波比較，就產(chǎn)生4路PWM調制信號(三角波的頻率為20kHz)。

4 交流側電壓Us的檢測

將同步變壓器副邊的同步信號，濾波、整流，就可以得到比較穩定的直流電，將其送到DSP的A/D轉換口。由于最后得到的直流電壓與電網(wǎng)電壓有一個(gè)比較穩定的關(guān)系，因此，就比較容易換算Us的值了。


由于涉及到共地的問(wèn)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(shí)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(guò)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(guò)零信號。如圖8所示，電網(wǎng)電壓正弦波，經(jīng)過(guò)整形后就得到了方波。


當DSP檢測到過(guò)零信號的上跳沿時(shí)，便觸發(fā)同步中斷，以此時(shí)間點(diǎn)作為基準給定正弦波信號時(shí)間起點(diǎn)，也就是正弦表指針復位到零;每當T1下溢中斷(PWM實(shí)時(shí)控制)時(shí)，正弦表指針便加1，并從正弦表中取值。一個(gè)周期的單位正弦波數據被分成了400個(gè)點(diǎn)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(gè)延時(shí)，判斷外部中斷腳XINT1是否仍然是高電平，如果是高電平，就執行中斷程序，否則就從中斷程序跳出。

從圖6的控制方案可看出，IREF與正弦表中數據相乘后，便形成了幅值可調的正弦波的電流給定信號，然后，再實(shí)時(shí)比較電流給定值，經(jīng)過(guò)P環(huán)節后，所得信號反相后，與采集到的交流側電網(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(guò)電流跟蹤控制實(shí)現的。

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6 PWM脈寬調制波的產(chǎn)生

PWM波的產(chǎn)生是通過(guò)TMS320F240的全比較單元輸出的，頻率為20kHz。從圖6可知，調制脈沖的產(chǎn)生是通過(guò)將電流指令值與實(shí)際電流值比較后，經(jīng)過(guò)P環(huán)節，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(jiàn)圖2)脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻可以從圖8得出，參照正弦波與三角波調制，兩者相交決定了PWM的脈沖時(shí)刻。實(shí)際由采樣的波形(實(shí)際上是階梯波)與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。本系統是在三角波的底點(diǎn)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(diǎn)所確定的脈寬在一個(gè)采樣周期內的位置是對稱(chēng)的，如圖9所示。


圖9(a)正弦波B與三角波的交點(diǎn)決定了Q3的導通時(shí)刻；正弦波A與三角波的交點(diǎn)決定了Q5的導通時(shí)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


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(lái)生成 PWM波；T2下溢中斷每10ms發(fā)生一次，程序主要用來(lái)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 系統保護

本系統設計有直流側過(guò)壓、欠壓，交流側過(guò)流，過(guò)熱等多種保護。當出現太陽(yáng)能電池板的輸出電壓過(guò)壓、欠壓故障的時(shí)候，由TMS320F240向SG3525發(fā)出一個(gè)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(shí)，DC/DC又自動(dòng)復位開(kāi)始工作;當出現交流過(guò)流、過(guò)熱故障時(shí)，程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，封鎖所有驅動(dòng)信號。當故障排除后，手動(dòng)復位，系統重新啟動(dòng)。

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。