小功率光伏并網逆變器控制的設計
時間:2013-06-03 點擊:2330 次

 摘要:闡述了一種小功率光伏并網逆變器的控制系統。該光伏并網逆變器由DC/DC變換器與DC/AC變換器兩部分組成,其中DC/DC變換器采用芯片SG3525來控制,DC/AC變換器采用數字信號處理器TMS320F240來控制。由于DSP實時處理能力極強,采用合適的算法能確保逆變電源什么是逆變電源?

 

  1  引言

  21世紀,人類將面臨著實現經濟和社會可持續發展的重大挑戰。在有限資源和保護環境的雙重制約下能源問題將更加突出,這主要體現在:①能源短缺;②環境污染;③溫室效應。因此,人類在解決能源問題,實現可持續發展時,只能依靠科技進步,大規模地開發利用可再生潔凈能源。太陽能具有儲量大、普遍存在、利用經濟、清潔環保等優點,因此太陽能的利用越來越受到人們的廣泛重視,成為理想的替代能源。文中闡述的功率為200W太陽能光伏并網逆變器,將太陽能電池板產生的直流電直接轉換為220V/50Hz的工頻正弦交流電輸出至電網。

  2  系統工作原理及其控制方案

  2.1  光伏并網逆變器電路原理

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


 

  圖1  電路原理框圖

  2.2  系統控制方案

  圖2為光伏并網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,如采用半橋式則開關管電流變大,而采用全橋式則控制復雜、開關管功耗增大,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什么是濾波電感?構成,它將太陽能電池板輸出的62V的直流電壓轉換成400V的直流電壓。

  濾波電感是指將信號中特定波段頻率濾除的用于抑制和防止干擾的電感。具有優良之絕緣性,對電流之變化,感量有相當之穩定性,一般用于并聯電源等電路中,起濾波整流作用。它一般采用鐵氧體材料,它可以方便地與穿心電容組合起來,形成復合濾波器,在高性能濾波器中,也采用線繞電感。 [全文]

 

 


  圖2  主電路拓撲圖

  DC/AC逆變器的主電路采用全橋式結構,由4個MOS管(該管內部寄生了反并聯的二極管什么是二極管?)構成,它將400V的直流電轉換成為220V/50Hz的工頻交流電。

  二極管又叫半導體二極管、晶體二極管,是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個方向傳送電流,由p型半導體和n型半導體形成的p-n結構成,在其界面處兩側形成空間電荷層,并建有自建電場。當不存在外加電壓時,由于p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。 [全文]

 

 

  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?a target="_blank" style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(112, 103, 97); text-decoration: none; outline: none; ">集成電路什么是集成電路?SG3525為核心,由SG3525輸出的兩路50kHz的驅動信號,經門極驅動電路加在推挽電路開關管Q1和Q2的門極上。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行比較,該誤差電壓經PI調節器后控制SG3525輸出驅動信號的占空比。該控制電路還具有限制輸出過流過壓的保護功能。當檢測到DC/DC變換器輸出電流過大時,SG3525將減小門極脈沖的寬度,降低輸出電壓,進而降低了輸出電流。當輸出電壓過高時,會停止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性之外,還設計了磁飽和檢測電路,當流經推挽電路的兩個支路電流失衡時,就會啟動SG3525的軟啟動功能,使DC/DC變換器重新啟動,變壓器得以復位。

  集成電路是采用半導體制作工藝,在一塊較小的單晶硅片上制作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件,并按照多層布線或遂道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。它在電路中用字母"IC"(也有用文字符號"N"等)表示。 [全文]

 

 


  圖3  DC/DC變換器的控制框圖

  偏磁檢測電路如圖4所示。圖中只畫出了磁環的副邊。原邊兩個線圈接在主電路的變壓器原邊的兩個繞組上,流過兩個線圈中的電流方向要相反。當變壓器發生偏磁時,某一方向的電流異常大,通過電流互感器檢測,可在互感器的輸出電阻什么是電阻?R1上產生一個電壓,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,從而使變壓器磁心復位。

  電阻,物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體,簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體,簡稱絕緣體。 [全文]

 

 


  圖4  偏磁檢測電路

  2.2.2  DC/AC逆變器控制方案

  DC/AC逆變器是光伏并網的重點和難點,因此以下將著重闡述該部分。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。盡管單片機什么是單片機?也能實現并網逆變器的脈寬調制,但是DSP實時處理能力更強大,因此可以保證系統有更高的開關工作頻率。從圖5可以清楚看出系統輸入和輸出信號的情況。

  單片機是單片微型計算機(Single-Chip Microcomputer)的簡稱,是一種將中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能(可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)采用超大規模集成電路技術集成到一塊硅片上構成的微型計算機系統。 [全文]

 

 


  圖5  DC/AC逆變器的控制框圖

  2.3  輸出功率優化控制方案

  在靜態情況下,當并網逆變器與太陽能電池相連時,并網逆變器可等效為太陽能電池的負載電阻。當光強λ和溫度T變化時,太陽能電池輸出的端電壓將會隨之發生變化。為了有效地利用太陽能,應使太陽能電池的輸出始終處于適當的工作點。因此,控制方案要求當太陽能電池的電壓升高時,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,參考電壓和太陽能電池的實際電壓相比較后,其誤差經過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,再將它與實際的輸出電流值比較后,其誤差經過比例(P)環節,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,就產生4路PWM調制信號(三角波的頻率為20kHz)。
 


 

  圖6  DSP的控制方案

  2.4  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電壓有一個比較穩定的關系,因此,就比較容易換算Us的值了。

  由于涉及到共地的問題,因此,采用了運算放大器什么是運算放大器?的全波精密整流電路,如圖7所示。

  運算放大器(Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP)是一種直流耦合﹐差模(差動模式)輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器。在實際電路中,通常結合反饋網絡和不同的反饋方式,共同組成某些功能和特性不同的模塊,這些模塊是各種電子電路中最基本的環節??梢娺\放在電子電路中的應用之廣。 [全文]

 

 


  圖7  Us的整流電路

  2.5  電流指令的同步

  并網時要求逆變器輸出的正弦波電流與電網電壓同頻、同相。首先,將電網電壓信號經過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電壓的過零信號。如圖8所示,電網電壓正弦波,經過整形后就得到了方波。

  當DSP檢測到過零信號的上跳沿時,便觸發同步中斷,以此時間點作為基準給定正弦波信號時間起點,也就是正弦表指針復位到零;每當T1下溢中斷(PWM實時控制)時,正弦表指針便加1,并從正弦表中取值。一個周期的單位正弦波數據被分成了400個點采用表的形式存放在存儲器什么是存儲器?中。由于同步信號比較容易受到諧波和尖峰電壓的干擾,因此在進入同步中斷后可以先做一個延時,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。

  存儲器是用來存儲程序和數據的部件,有了存儲器,計算機才有記憶功能,才能保證正常工作。它根據控制器指定的位置存進和取出信息。 [全文]

 

 

  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,再實時比較電流給定值,經過P環節后,所得信號反相后,與采集到的交流側電網電壓信號Us相加,所得波形與三角波比較,就產生了PWM波,控制橋臂的通斷??傊?,輸出電流和電網電壓的同頻、同相的要求是通過電流跟蹤控制實現的。

  2.6  PWM脈寬調制波的產生

  PWM波的產生是通過TMS320F240的全比較單元輸出的,頻率為20kHz。從圖6可知,調制脈沖的產生是通過將電流指令值與實際電流值比較后,經過P環節,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(見圖2)脈沖的產生時刻可以從圖8得出,參照正弦波與三角波調制,兩者相交決定了PWM的脈沖時刻。實際由采樣的波形(實際上是階梯波)與三角波相交,由交點得出脈沖寬度。本系統是在三角波的底點位置對波形進行采樣而形成的階梯波。此階梯波與三角波的交點所確定的脈寬在一個采樣周期內的位置是對稱的,如圖9所示。
 


 

  圖8  同步信號波形
 


 

  圖9  正弦脈寬調制波形

  圖9(a)正弦波B與三角波的交點決定了Q3的導通時刻;正弦波A與三角波的交點決定了Q5的導通時刻。

  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。

  2.7    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發生一次,程序主要用來生成PWM波;T2下溢中斷每10ms發生一次,程序主要用來產生電流指令;同步中斷大約每20ms(網壓周期)發生一次。
 


 

  圖10  軟件流程圖

  2.8  系統保護

  本系統設計有直流側過壓、欠壓,交流側過流,過熱等多種保護。當出現太陽能電池板的輸出電壓過壓、欠壓故障的時候,由TMS320F240向SG3525發出一個信號,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,DC/DC又自動復位開始工作;當出現交流過流、過熱故障時,程序進入中斷服務子程序,封鎖所有驅動信號。當故障排除后,手動復位,系統重新啟動。

  3  主要元器件選擇與實驗波形

  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。

  圖11是逆變器輸出側并網時電壓和電流的波形。電網側電壓為220±20%,電流的有效值為1A左右。

  4  結語

  本文闡述了一種小功率光伏并網逆變器的控制系統。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電壓波形。該光伏并網逆變器控制方案的有效性在實驗室得到驗證。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。



  來源:lele

該文章來至網絡或用戶,僅供學習交流之用,版權歸原作者所有。 
如有侵權,請及時與我們聯系!現在聯系我們

 

解讀光伏發電系統中逆變器的原理與應用

目前我國光伏發電系統主要是直流系統,即將太陽電池發出的電能給蓄電池充電,而蓄電池直接給負載供電,如我國西北地區使用較多的太陽能戶用照明系統以及遠離電網的微波站供電系...

開關電源集成控制器概述

開關電源是由主電路和控制電路兩大部分組成,其中,主電路是將市電的電能傳遞給負載的電路,控制電路是按輸入/輸出條件控制主電路的工作狀態的電路,將控制電路集成化即稱...

高頻開關的電壓模式PWM控制器

PWM控制技術主要分為兩種:一種是電壓模式PWM控制技術;另一種是電流模式PWM控制技術?! ¢_關電源最初采用的是電壓模式PWM控制技術,其基本工作原理如圖1所示。輸出電壓...

雙正激DC/DC變換器的一種新型拓撲研究

摘要: 介紹一種新型的雙端正激式DC/DC 變換器電路拓撲,分析其所構成的開關電源主電路及控制、自啟動等回路的結構原理,針對其適用于直流高電壓輸入和高變壓器變比場合所必須...

逆變電源(八)

大多數的逆變電源為方波輸出,其缺點是不能帶電風扇、洗衣機、電動機等感性負載。這種逆變器產生的多次諧波對影碟機、音頻功放等電器的干擾也很大?! ”纠榻B一款輸出功...

 

  "逆變"是逆變與"整流"交流電轉換為直流電的方法就是整流;而直流電轉換為交流電的方法是逆變。   整流,全波整流電路就是利用二極管單向導通的特性,用4個二極管連成一個橋式整流電路,使輸入端E2是交流電流,其波形是正弦波,電流方向是交變的,而輸出端波形電流變為同一方向,再經過濾波電路將波形濾掉之后可得到直流電。

返回