并網型逆變器的設計方案

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

　　在能源日益緊張的今天，光伏發(fā)電技術越來越受到重視。太陽能電池和風力發(fā)電機產生的直流電需要經過逆變器逆變并達到規(guī)定要求才能并網，因此逆變器的設計關乎到光伏系統(tǒng)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220V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(wěn)定性好、失真度小等優(yōu)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(jié)IGBT門極驅動電路脈沖頻率，通過基于DSP芯片的軟件鎖相環(huán)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(shù)字信號處理器芯片，硬件架構以16位為基本數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)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

　?。?）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。

　　圖5 電網電壓過零檢測電路

　　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(fā)中斷，進行鎖相。

　　（2）交流電流檢測電路

　　交流電流檢測電路使用CSM300LT閉環(huán)式電流傳感器，如圖6.CSM300LT是應用霍爾效應閉環(huán)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+15V、-15V、+5V三種，采用單端反激式DC/DC拓撲結構，運行穩(wěn)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(shù)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

　　通帶增益

　　中心頻率

　　通帶寬度

　　品質因數(shù)

　　6 結語

　　基于光伏并網逆變器的基本原理和控制策略，設計了并網型逆變器的結構，其采用了內置高頻變壓器的前后兩級結構，即前級DC/DC高頻升壓，后級DC/AC工頻逆變。該設計模式具有電路簡單、性能穩(wěn)定、轉換效率高等優(yōu)點。