光伏發(fā)電作為新能源開發(fā)利用的重要內(nèi)容，對于解決能源和環(huán)境問題，有著深遠(yuǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，設(shè)計了以高頻升壓和全橋逆變?yōu)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變系統(tǒng)，再配合有源濾波，為太陽能的進(jìn)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(shù)越來越受到重視。太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的直流電需要經(jīng)過逆變器逆變并達(dá)到規(guī)定要求才能并網(wǎng)，因此逆變器的設(shè)計關(guān)乎到光伏系統(tǒng)是否合理、高效、經(jīng)濟(jì)的運行。

1 光伏逆變器的原理結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器構(gòu)成。其基本原理是通過高頻變換技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)制芯片，產(chǎn)生占空比可變的PWM波形用于驅(qū)動晶閘管的門極來控制晶閘管通斷，從而達(dá)到控制輸出波形的目的。

作為并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵模塊，DC/AC模塊具有更高的控制要求，本設(shè)計采用TI公司的TMS320F240作為主控芯片，用于采集電網(wǎng)同步信號、交流輸入電壓信號、調(diào)節(jié)IGBT門極驅(qū)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(shù)，完成對并網(wǎng)電流的頻率、相位控制，使輸出電壓滿足與電網(wǎng)電壓的同頻、同相關(guān)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(chǎn)生的高頻干擾波形，使逆變后的電壓波形達(dá)到并網(wǎng)的要求。

圖2 逆變器主電路

2 DC/DC控制模塊

SG3525是專用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET的PWM控制芯片。SG3525的輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，可直接驅(qū)動MOS管；內(nèi)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(hù)功能，頻率可調(diào)，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(diào)制的準(zhǔn)確性，相應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)以16位為基本數(shù)據(jù)處理單元，它集成了高性能DSP內(nèi)核，并且有著豐富的外設(shè)功能，處理速度快。DSP系統(tǒng)的外圍電路包括時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路等，配合各種信號檢測電路、驅(qū)動電路，以達(dá)到對逆變系統(tǒng)的波形控制、脈寬調(diào)制、故障保護(hù)等要求，其結(jié)構(gòu)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(wǎng)電壓過零檢測電路

逆變后交流電的電壓必須與電網(wǎng)電壓同相、同頻才能并網(wǎng)，因此要對輸出電壓進(jìn)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(zhuǎn)換為控制芯片可以識別的TTL電平信號。本設(shè)計中用LV25P電壓傳感器，將電網(wǎng)電壓采集并轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電壓等相位的低電壓脈沖信號，經(jīng)過一組比較器電路，可以輸出一組與電網(wǎng)電壓同相的低壓方波信號。當(dāng)被檢測的電網(wǎng)電壓超過零點，則輸出高電平。電網(wǎng)電壓過零檢測電路如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)電壓過零檢測電路

電網(wǎng)電壓過零檢測電路得到的方波信號，經(jīng)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(jìn)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(yīng)用霍爾效應(yīng)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(dāng)交流電通過傳感器時，傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號送給信號調(diào)理電路，經(jīng)處理后輸入到DSP芯片的管腳。調(diào)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(guān)管驅(qū)動電路等需要不同的適應(yīng)電源，因此需要一個獨立的電源為其供電。所設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)，用來濾除逆變過程中產(chǎn)生的高次諧波，其原理是通過設(shè)置電路參數(shù)允許某一個通頻帶范圍內(nèi)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(zhì)因數(shù)

6 結(jié)語

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