光伏并網逆變器的設計

郝敏啟，賈傳圣，時 斌

（江蘇師范大學科文學院，江蘇 徐州221000）

0 引 言

在能源日益緊張的今天，光伏發電技術越來越受到重視。太陽能電池和風力發電機產生的直流電需要經過逆變器逆變并達到規定要求才能并網，因此逆變器的設計關乎到光伏系統是否合理、高效、經濟的運行。

1 光伏逆變器的原理結構

光伏并網逆變器的結構如圖1所示，主要由前級DC／DC變換器和后級DC／AC逆變器構成。其基本原理是通過高頻變換技術將低壓直流電變成高壓直流電，然后通過工頻逆變電路得到220 V交流電。這種結構具有電路簡單、逆變電源空載損耗很小、輸出功率大、逆變效率高、穩定性好、失真度小等優點。

圖1 光伏逆變器結構圖

逆變器主電路如圖2所示。DC／DC模塊的控制使用SG3525芯片。SG3525是雙端輸出式SPWM脈寬調制芯片，產生占空比可變的PWM波形用于驅動晶閘管的門極來控制晶閘管通斷，從而達到控制輸出波形的目的。

作為并網逆變器的關鍵模塊，DC／AC模塊具有更高的控制要求，本設計采用TI公司的TMS320F240作為主控芯片，用于采集電網同步信號、交流輸入電壓信號、調節IGBT門極驅動電路脈沖頻率，通過基于DSP芯片的軟件鎖相環控制技術，完成對并網電流的頻率、相位控制，使輸出電壓滿足與電網電壓的同頻、同相關系。

濾波采用二階帶通濾波器，是有源濾波器的一種，用于傳輸有用頻段的信號，抑制或衰減無用頻段的信號。其可以有效地濾除逆變后產生的高頻干擾波形，使逆變后的電壓波形達到并網的要求。

圖2 逆變器主電路

2 DC／DC控制模塊

SG3525是專用于驅動N溝道功率MOSFET的PWM控制芯片。SG3525的輸出驅動為推拉輸出形式，可直接驅動MOS管；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，具有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比。其2個輸出分別接2個MOS管控制其開斷，為了提高對推挽式DC／DC高頻升壓過程有效的控制，提高頻寬調制的準確性，相應設計了檢測電路，檢測輸出電流、電壓，然后反饋到控制芯片。檢測電路包括偏磁檢測電路、電壓反饋采樣電路、電流反饋采樣電路。SG3525控制模塊結構如圖3。

圖3 SG3525主控芯片框圖

3 DC／AC控制模塊

3.1 TMS320F240控制核心

TMS320F240是美國TI公司的定點式數字信號處理器芯片，硬件架構以16位為基本數據處理單元，它集成了高性能DSP內核，并且有著豐富的外設功能，處理速度快。DSP系統的外圍電路包括時鐘電路、復位電路、電源電路等，配合各種信號檢測電路、驅動電路，以達到對逆變系統的波形控制、脈寬調制、故障保護等要求，其結構圖如圖4。

圖4 TMS320F240主控芯片框圖

3.2 電壓和電流檢測電路

（1）電網電壓過零檢測電路

逆變后交流電的電壓必須與電網電壓同相、同頻才能并網，因此要對輸出電壓進行鎖相控制。由于輸出的電壓信號為正弦波，而控制芯片只能識別TTL電平信號，因此需要一個電路將正弦波信號轉換為控制芯片可以識別的TTL電平信號。本設計中用LV25P電壓傳感器，將電網電壓采集并轉換成與電網電壓等相位的低電壓脈沖信號，經過一組比較器電路，可以輸出一組與電網電壓同相的低壓方波信號。當被檢測的電網電壓超過零點，則輸出高電平。電網電壓過零檢測電路如圖5所示。

電網電壓過零檢測電路得到的方波信號，經過雙施密特反相電路將信號送到DSP芯片的捕獲引腳上，捕獲單元在檢測到上升沿時觸發中斷，進行鎖相。

圖5 電網電壓過零檢測電路

（2）交流電流檢測電路

交流電流檢測電路使用CSM300LT閉環式電流傳感器，如圖6。CSM300LT是應用霍爾效應閉環原理的電流傳感器，在電隔離條件下測量交流電流。當交流電通過傳感器時，傳感器將電流信號轉換成電壓信號送給信號調理電路，經處理后輸入到DSP芯片的管腳。調理電路由RC濾波電路和二組集成運放隔離電路組成。

圖6 交流電流檢測電路

4 輔助電源

逆變器的控制電路、信號采集電路及開關管驅動電路等需要不同的適應電源，因此需要一個獨立的電源為其供電。所設計輔助電源輸出的電壓分別為＋15 V、－15 V、＋5 V三種，采用單端反激式DC／DC拓撲結構，運行穩定、可靠，輔助電源電路的基本電路如圖7所示。

圖7 單端反激式輔助電源

5 有源濾波

有源濾波采用二階帶通濾波器，它是由運算放大器和阻容元件組成的一種選頻網絡，用來濾除逆變過程中產生的高次諧波，其原理是通過設置電路參數允許某一個通頻帶范圍內的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制，如圖8。

圖8 二階帶通濾波器

6 結束語

光伏發電作為新能源開發利用的重要內容，對于解決能源和環境問題，有著深遠的意義。逆變器是光伏發電過程中的重要環節。文中對逆變系統的拓撲結構進行了研究，設計了以高頻升壓和全橋逆變為拓撲結構的逆變系統，再配合有源濾波，為太陽能的進一步開發利用起到一定的作用。

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