一種離網逆變光伏一體機設計

楊楠, 孫夢雨, 趙娟

(西安鐵路職業技術學院， 電子信息學院， 陜西， 西安 710014)

0 引言

許多逆變器沒有集成MPPT、沒有完成市電優先或逆變優先的切換都不太完善，因為從核心控制上，沒有一個較為成熟的方案，需要多個芯片協同工作[1-2]。因此為了解決這一問題，必須從核心控制芯片上入手，重新設計一個基于單芯片的方案。

1 設計思路

單芯片控制電路應能滿足以下幾點[3-4]。

(1) 集成MPPT充電：為了提升效率，設計為單相的BUCK DC-DC方式，結合以前MPPT成熟的經驗，專門配合在逆變一體機上。

(2) 集成光伏充電電流檢測：通過外部運放，將光伏電流提供給CPU完成MPPT運算，省去過多繁瑣的過程。

(3) 集成逆H橋的4路PWM：PWM采用目前效率最高、最穩定的雙邊調制的SPWM輸出，直接從芯片引出4路SPWM，進一步簡化外圍電路。

(4) 集成市電鎖相：采用硬件鎖相方式，在芯片內處理市電上的干擾雜波、丟波等一系列的干擾，將逆變輸出的交流電壓和市電的交流信號嚴格對稱，在有市電或切換時刻，將逆變電壓跟隨市電的頻率、相位；切換完成之后，電壓再次恢復到默認值，這樣能最大化的保證切換的平穩過渡，無壓差。

(5) 集成通訊控制功能：讓用戶能夠設置逆變優先，或者市電優先，并且能夠將MPPT數據、逆變數據、市電數據等實時輸出，這些是遠程控制和監控的基礎。

(6) 配合專門開發的電流感測元件：簡化短路保護電路，獨特的芯片內部短路保護動作電路，在外部發生短路的時候，逆變器執行恒流+電流內環模式，避免燒IGBT和驅動，另外此模式會優化帶載功能，3 kW高頻機可平穩啟動2P空調。

(7) 集成過壓，欠壓，過溫，短路和過載5大保護功能。

基于以上需求擬采用STM32芯片實現以上功能，硬件平臺使用控制板+功率主板的分開模式，使用排針對插的結構，便于調試。基本參數如下[5-6]。

① 逆變器額定輸入電壓24 V，電壓范圍為DC21-DC30 V

② 輸出電壓:AC220 V，純正弦波

③ 輸出頻率：50 hZ、60 hZ(自動追隨市電頻率，并記憶)

④ 輸出額定功率：2 000 W

⑤ MPPT輸入電壓范圍：PV/30V-180VDC

⑥ MPPT充電電流：30 A

⑦ 市電、逆變切換時間<10 ms

2 設計實現

(1) 輔助電源控制部分：

由于設計的為DC24 V電池輸入，CPU和其他的芯片都是低電壓供電[7-8]，所以需要采用一個輔助電源來將輸入的DC24 V降壓到幾種合適的電壓，提供給芯片、驅動電路供電，使用經典的UC3845芯片做成反激供電，如圖1所示，輔助電源產生12 V,5 V和3.3 V電壓，12 V電壓還有一組隔離，將會提供給逆變的IGBT驅動用，5 V提供給運放，3.3 V提供給CPU。

圖1 輔助電源

(2) 逆變升壓DC-DC部分：

為了簡化升壓部分，采用經典的SG3525芯片來實現推挽升壓，此電路下部的光耦用來隔離反饋，直接控制SG3525的SD腳，只要升壓電壓超過DC400 V，光耦會導通，SD腳電壓升高，PWM占空比會自動縮減，實現穩壓[9-10]，如圖2所示。

圖2 DC-DC

(3) CPU部分：

采用STM32F103RET6來做主控部分，為64pin芯片, 其中34、35、41和42管腳共4個PWM通道對應的是逆變的H橋，分別驅動左右橋臂的上下管子，產生SPWM，實現正弦波輸出。37/38管腳2組PWM用來產生相位交錯180度占空比，做BUCK模式的MPPT充電使用，占空比定為0-96%。為了能將PWM信號隔離CPU，不至于CPU受到外面驅動的噪音干擾，把PWM信號，用電平緩沖芯片隔離，這樣可以將3.3 V的PWM經過芯片緩沖后，進一步提高抗噪能力。

(4) 市電部分：

市電鎖相，同步，VRMS檢測首先使用差分將市電電壓降低到0-3.3 V,CPU的ADC能檢測的范圍，另外使用一個比較器，產生市電頻率同步方波，進入DSP，用來計算零點和市電周期，程序需要這些參數來實現鎖相和同步，如圖3所示。

(5) 逆變AC220 V電壓、負載電流檢測：

使用差分將逆變出來的220 V電壓衰減到0-3.3 V對應的信號，輸入到CPU的ADC口，程序使用該參數實現AC220 V的電壓閉環、瞬時值反饋。

將主板上互感器輸出信號在采樣電阻上得到一個正弦波電壓，經過運放的調理后送入CPU的ADC做IRMS檢測，依據參數實現過載保護和功率，電流顯示。10:1.65 V基準偏置電壓產生將3.3 V電壓通過2個同樣大小的電阻分壓，讓運放跟隨后，通過1.65 V穩定的偏置，由于交流參數的緣故，此1.65 V用來給各個交流信號做加法器用。

3 總結

本文提出的基于STM32芯片的控制電路經過實驗驗證，能夠完成MPPT充電以及市電優先的無縫切換，并能夠完成充電自動管理，且性能良好滿足設計要求。