德州儀器（TI） 5KW微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

中心議題：

*基于TI微處理器的微逆變器設(shè)計(jì)方案

微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)將可再生能源(如太陽(yáng)能，風(fēng)能，水能，地?zé)崮?，生物質(zhì)能等)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻、同相的交流電，優(yōu)先輸送給當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，剩余的電能饋入電網(wǎng)。微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)主要包括：光伏組件、蓄電池組、蓄電池充放電設(shè)備、DC/DC變換器、微網(wǎng)逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)等。

5kw微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖15KW微逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)逆變器是微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。微網(wǎng)逆變器輸出為三相交流電，具有并網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行兩種工作模式。微網(wǎng)逆變器主電路采用智能功率模塊進(jìn)行逆變，產(chǎn)生三相交流電通過(guò)三相變壓器(Δ-γ)進(jìn)行隔離升壓，并變成三相四線輸出。

靜態(tài)開(kāi)關(guān)和電能計(jì)量設(shè)計(jì)

靜態(tài)開(kāi)關(guān)是微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的重要組成部分。靜態(tài)開(kāi)關(guān)由三組雙向可控硅、兩個(gè)空氣開(kāi)關(guān)以及一個(gè)斷路器組成，其閉合和斷開(kāi)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP產(chǎn)生。

正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)Switch1、Switch2、Switch3、Switch4同時(shí)閉合，為當(dāng)?shù)刎?fù)荷提供電能;當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)缺相、電壓嚴(yán)重跌落等非正常狀況時(shí)，由DSP檢測(cè)出異常情況，做出判斷決策，并控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與0關(guān)斷。這時(shí)，開(kāi)通Switch1和Switch2，關(guān)斷Switch3，保證重要負(fù)荷的供電。當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，立即斷開(kāi)Switch1，逆變器退出，同時(shí)斷開(kāi)Switch4，由電網(wǎng)對(duì)重要負(fù)荷供電。當(dāng)逆變器故障消失時(shí)，在與電網(wǎng)同步后，開(kāi)通Switch1，再閉合Switch4，恢復(fù)對(duì)當(dāng)?shù)刎?fù)荷的供電。當(dāng)需要檢修逆變器時(shí)，先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Switch2，檢修完成后，重新閉合Switch2。

DC/DC變換器方案設(shè)計(jì)

DC/DC變換器采用Boost拓?fù)?，?shí)現(xiàn)直流電壓的升壓功能和蓄電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP產(chǎn)生，通過(guò)采集太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流，計(jì)算瞬時(shí)輸出功率，不斷與前一時(shí)刻的輸出功率相比較，來(lái)跟蹤太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率。

蓄電池充放電設(shè)備設(shè)計(jì)

蓄電池充放電設(shè)備的硬件電路采用Buck-Boost拓?fù)?，?qū)動(dòng)信號(hào)由PIC單片機(jī)產(chǎn)生。充電時(shí)根據(jù)當(dāng)前蓄電池狀態(tài)，啟用均充模式或者浮充模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的智能化充電。當(dāng)系統(tǒng)需要蓄電池放電時(shí)，由PIC單片機(jī)產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)蓄電池對(duì)負(fù)載的放電。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器要求

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，而此系統(tǒng)中需要專用的逆變器，以保證輸出的電力滿足電網(wǎng)電力對(duì)電壓、頻率等電性能指標(biāo)的要求。因此并網(wǎng)時(shí)，對(duì)逆變器提出了較高的要求，主要有:

(1)要求逆變器輸出正弦波電流;

(2)要求逆變器在負(fù)載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運(yùn)行;

(3)要求逆變器能使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn);

(4)要求逆變器具有體積小、可靠性高的特點(diǎn);

(5)在市電斷電情況下，逆變器在日照時(shí)能夠單獨(dú)供電。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為以下三類：

(1)單級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

(2)兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

(3)多級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

5kw微網(wǎng)逆變器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件總體圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件圖主控制芯片的選擇

控制芯片要實(shí)現(xiàn)的功能有:對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;產(chǎn)生PWM波形;完成MPPT;電能計(jì)量和反孤島效應(yīng)的計(jì)算過(guò)程。控制電路的核心器件采用美國(guó)TI公司的TMS320F2812DSP(簡(jiǎn)稱2812)。

逆變器的設(shè)計(jì)

逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，選擇高可靠性的逆變模塊是電路正常工作的必要條件。下面對(duì)IPM(智能功率模塊)組成逆變器和分離元件組成逆變器進(jìn)行分別闡述。

IPM逆變模塊介紹

IPM是一種先進(jìn)的功率開(kāi)關(guān)器件，具有GTR(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的特點(diǎn)，并具有MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)高輸入阻抗高開(kāi)關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率等優(yōu)點(diǎn)。IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開(kāi)發(fā)時(shí)間，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

IPM逆變模塊保護(hù)電路設(shè)計(jì)

IPM故障輸出信號(hào)封鎖IPM的控制信號(hào)通道，軟件保護(hù)不需要增加硬件，簡(jiǎn)便易行，但可能受到軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)故障的影響;硬件保護(hù)則反應(yīng)迅速，工作可靠。應(yīng)用中軟件與硬件結(jié)合的方法能更好的彌補(bǔ)IPM自身保護(hù)的不足，提高系統(tǒng)的可靠性。

由IR2130組成逆變模塊電路設(shè)計(jì)

IR2130是600V以下高壓集成驅(qū)動(dòng)器件，它具有六路輸入信號(hào)和六路輸出信號(hào)，且只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，一片IR2130可替代3片IR2110，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路更加簡(jiǎn)單可靠。

微網(wǎng)逆變器電源設(shè)計(jì)

微網(wǎng)逆變器電源系統(tǒng)直接影響逆變器輸出的三相交流電和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以一個(gè)穩(wěn)定的電壓系統(tǒng)是逆變器穩(wěn)定工作又一必要條件。為蓄電池供電的電源系統(tǒng)需要高效率、低紋波。下面分別闡述由外部220V供電和蓄電池供電的電源設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以先用外部220V供電的電源系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)完畢成為產(chǎn)品時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，需用內(nèi)部只帶蓄電池供電。

微網(wǎng)逆變器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于DSP不能輸入負(fù)電壓，故逆變器的輸出線電壓和線電流，電網(wǎng)端的線電壓和線電流總共12路信號(hào)要通過(guò)信號(hào)調(diào)理才能送入DSP。

電壓互感器的選擇

此系統(tǒng)輸出是三相交流電，輸出線電壓為380V，故選擇TV19E電壓互感器，其輸出負(fù)載電阻可以接0~500Ω，輸出交流電壓0~2.5V，此系統(tǒng)采用240歐的電阻，輸出電壓為-1.2V~1.2V。滿足DSP的輸入要求。電路如圖3所示。

電流互感器的選擇

此系統(tǒng)輸出電流小于1A，故選擇最大可以測(cè)量1A的電壓型電流互感器TA1410，負(fù)載電阻用是200歐，輸出電壓為-1V~1V的交流電壓。電路如圖4所示。