兩級拓撲結(jié)構(gòu)的離網(wǎng)型光伏逆變器設(shè)計

摘要：光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池陣列、蓄電池、控制器、逆變器等部件組成。本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備——逆變器，介紹了一種離網(wǎng)型逆變器的設(shè)計方法。主電路采用兩級變換拓撲結(jié)構(gòu)，控制電路選用單片機C8051F330和SG3525作為控制芯片，設(shè)計了蓄電池充放電電路、交直流變換電路、電壓采集電路和保護電路等單元，并對各單元的控制方式進行了說明，證明了該逆變器適用于離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。

引言

　　光伏發(fā)電技術(shù)是利用光伏效應(yīng)將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式，伴隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和人們對環(huán)保的重視，光伏發(fā)電越來越成為未來電力系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。我國從2008年開始陸續(xù)出臺了新的能源政策，更使得光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)如火如荼地發(fā)展起來，對光伏發(fā)電設(shè)備的研究也進入了一個新時期。但是，光伏發(fā)電設(shè)備本身存在著損耗高、運行效率低等缺點，極大地降低了其應(yīng)用價值。與此同時，逆變器效率的高低直接影響光電轉(zhuǎn)換效率，而且影響系統(tǒng)其他設(shè)備的容量選擇與配置。因此，逆變器已成為解決光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟可靠運行的關(guān)鍵因素，研究其結(jié)構(gòu)與控制方法對于降低成本、提高發(fā)電效率具有極其重要的意義。

　　本文以光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備--逆變器為研究對象，設(shè)計了一種基于低成本單片機C8051F330和SG3525集成芯片的離網(wǎng)型光伏逆變器，可以滿足戶用型小功率場合的需求。該逆變器的優(yōu)點在于，通過采用高性能單片機，使整機結(jié)構(gòu)簡單、效率高、控制靈活，一旦出現(xiàn)故障，容易維修^[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計要求

　　離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于無電地區(qū)居民家庭的電力供應(yīng)，它一般由太陽能電池組件、蓄電池、控制器和逆變器這四個部分組成。通常情況下應(yīng)當具有以下基本功能：1)控制蓄電池充放電，通過對蓄電池輸出電壓的采樣、比較和判斷，自動啟停蓄電池的充、放電過程，并且可以根據(jù)蓄電池的環(huán)境溫度來調(diào)整預(yù)定上、下限值;2) 提供DC/AC輸出短路保護，一旦短路發(fā)生，立即切斷振蕩信號和電源;3)運行狀態(tài)指示燈，即指示系統(tǒng)是否處于正常運行工作狀態(tài)，一旦蓄電池出現(xiàn)過沖或過放，立即報警;4)控制器實現(xiàn)軟啟動，避免合閘過電流。

　　上述功能依靠硬件電路設(shè)計也可以實現(xiàn)，但存在著控制精度低和調(diào)節(jié)困難等缺點。本文采用單片機控制，不但克服了上述缺點，而且提供了更多功能，如根據(jù)需要設(shè)定閾值、電路智能保護、根據(jù)閾值進行充放電管理等。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本文設(shè)計的離網(wǎng)型光伏逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各部分功能如下：

　　1)太陽能電池板：吸收太陽能，并將太陽能轉(zhuǎn)化為電能;

　　2)充、放電控制回路：對蓄電池進行充、放電控制;

　　3)DC-DC、DC-AC變換電路：將光伏電池產(chǎn)生的直流電進行升壓處理，并逆變成所需交流電;

　　4)驅(qū)動電路：產(chǎn)生可靠的控制信號保證主電路功率管正確地導(dǎo)通與截止;

　　5)電壓采樣電路：主要完成對蓄電池電壓的檢測、比較、運算放大等處理，并將其轉(zhuǎn)換成滿足C8051F330芯片使用要求的數(shù)字信號;

　　6)輔助保護電路：電路的拓展功能，主要完成過流保護、短路保護、過熱保護和過壓保護等功能。

　　本系統(tǒng)由主電路和控制回路兩部分構(gòu)成，其中主電路采用了比較簡單的隔離型兩級變換拓撲結(jié)構(gòu)，控制回路則是以C8051330單片機和SG3525為控制核心。

3 逆變器主電路設(shè)計

　　常見的逆變器主電路的設(shè)計方法有兩種：隔離式的逆變器和非隔離式的逆變器，兩者的主要區(qū)別在于，交流輸出端與直流輸入端有無變壓器。是否需要變壓器主要看客戶要求，目前行業(yè)內(nèi)通用的做法是：500kW及以上逆變器均未使用隔離變壓器，即輸出為270V;250kW及以下逆變器均標配隔離變壓器，輸出為380V。和非隔離式的逆變器相比，隔離式的逆變器具有以下優(yōu)點：1)實現(xiàn)了直流輸入與交流輸出的電氣隔斷，提高了安全性;2)變壓器具有變壓功能，可以改變輸出電壓;3)變壓器可以衰減逆變器開關(guān)器件的電磁噪聲，提高電磁兼容性;4)過濾掉了逆變器輸出的直流電流，提高了電能質(zhì)量。

　　考慮到以上優(yōu)點，本文選用了簡單實用的兩級變換拓撲結(jié)構(gòu)，即DC/DC升壓變換和DC/AC逆變變換，設(shè)計出了一種隔離型逆變器，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的電路運行可靠，控制相對獨立，便于系統(tǒng)軟件和硬件的模塊化設(shè)計^[2]。

　　(1)充電環(huán)節(jié)

　　選用閥控式密封鉛酸蓄電池，控制芯片C8051F330的一個I/O口輸出的控制信號控制MOSFET管Q1的柵極，從而實現(xiàn)蓄電池的充電控制。二極管Dl可以防止蓄電池向光伏電池板反向充電，損壞電池板。

　　(2)DC/DC部分

　　本文要求逆變器輸入電壓為12V直流電，輸出電壓為220V正弦交流電，因此必須加入升壓環(huán)節(jié)。升壓環(huán)節(jié)是由DC-DC升壓電路實現(xiàn)的。本文選用推挽變換電路作為升壓電路，推挽變換電路適用于中小功率場合和低壓大電流輸入，滿足本系統(tǒng)要求。推挽變換電路如圖2中DC-DC升壓電路所示。

　　MOSFET管V1和V2是由SG3525芯片的兩個引腳Output A(腳11)和Output B(腳14)輸出的兩組PWM控制信號，通過控制使V1、V2以相同的開關(guān)頻率交替導(dǎo)通，且每個開關(guān)管的占空比均小于50%，以留出一定死區(qū)時間避免V1和V2同時導(dǎo)通，將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流信號。通過變壓器傳送到次級，再經(jīng)過全波整流和濾波后得到所期望的直流電壓。

　　(3)DC/AC部分

　　DC/AC逆變環(huán)節(jié)的作用是將前級輸出的330V直流電逆變成用戶終端所需要的220V正弦交流電，供負載使用。常用逆變器的拓撲有單相全橋和單相半橋兩種形式，本文選用單相全橋式逆變器完成DC/AC變換，因為全橋比半橋具有更高的直流電壓利用率，且電路結(jié)構(gòu)簡單、容易控制。

　　另外，電容C2作為連接升壓與逆變的中間環(huán)節(jié)，作用是減小逆變輸入電壓的脈動，保證逆變輸出穩(wěn)定的正弦交流電^[3]。

4 控制電路設(shè)計

4.1 C8051F330芯片

　　本文選用的C8051F330芯片是美國Silabs公司生產(chǎn)的一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。內(nèi)置高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核、全速非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試接口、768字節(jié)片內(nèi)RAM、8KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器、17個I/O端口、真正帶模擬多路器的10位200ksps的16通道單端/差分ADC、高精度可編程的25MHz內(nèi)部振蕩器、4個通用的16位定時器、可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等數(shù)字資源。因此，這款芯片可完全滿足離網(wǎng)型光伏逆變器的要求。

　　C8051F330除了具有以上數(shù)字資源外，還有幾個非常關(guān)鍵的特點。一個是Silicon Labs二線(C2)開發(fā)接口，它允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速的在系統(tǒng)調(diào)試;一個是優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器，它按照預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先權(quán)，靈活地給片內(nèi)各數(shù)字資源分配端口引腳;還有一個是C8051系列的芯片，與8051完全兼容，因此可以很方便地進行開發(fā)和應(yīng)用^[4]。

4.2 SG3525芯片

　　隨著功率MOSFET在開關(guān)變換器中廣泛使用，美國硅通用半導(dǎo)體公司(Silicon General)推出SG3525。SG3525是電流控制型PWM控制器，用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。它的工作電壓范圍寬：8V~35V;振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz~400kHz，并且同時具有振蕩器外部同步功能。該芯片另一個重要特點是，可以同時輸出兩路PWM信號。除此以外，芯片還具有欠電壓鎖定功能，內(nèi)置軟啟動電路和鎖存器。它的輸出方式為推挽式，不但開關(guān)速度更快，而且驅(qū)動能力更強。因此，這款芯片是目前比較理想的新型控制器。

　　圖4是SG3525芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用中，SG3525的CT端(腳5)接振蕩電容，RT端(腳6)接振蕩電阻。Discharge端(腳7)是振蕩器放電端，該端與腳5之間外接放電電阻，構(gòu)成放電回路。輸出反饋信號加在誤差放大器(EA)的反相端(腳1)，與腳2的參考電壓比較后產(chǎn)生誤差信號以調(diào)制輸出信號的脈寬。Output A(腳11)和Output B(腳14)分別是輸出端A和B，輸出兩組PWM信號，用以驅(qū)動功放MOSFET，當輸人電壓或負載發(fā)生變化時，PWM信號的脈寬會隨之而變，以穩(wěn)定輸出電壓。Soft-Start端(腳8)是軟啟動電容接入端，該端通常接一個電解電容以實現(xiàn)軟啟動。Shutdown端(腳10)是外部關(guān)斷信號輸入端，連接從MCU送來的控制信號，當過流或短路時該端接高電。OSC.Output端(腳4)振蕩器輸出被禁止，以實現(xiàn)故障保護。

4.3 控制方案實現(xiàn)

　　1)蓄電池充、放電控制。MOSFET管Q1的柵極是由C8051F330單片機的一個I/O口輸出的控制信號控制。當蓄電池電壓低于設(shè)定值VD時，MCU跳過PCA，I/O口直接輸出高電平信號，打開MOSFET管Q1，使太陽能電池板向蓄電池充電。達到充電電壓上限VH后，MCU接入PCA，改為PWM方式充電。充電的脈寬隨著蓄電池電壓的升高而逐漸變窄。達到充電上限VH后，再次跳過PCA，I/O口輸出低電平，關(guān)斷充電。

　　2)直流輸出控制。直流輸出MOSFET管也是由C8051F330單片機的一個I/O口控制。當電壓采樣電路檢測出蓄電池的電壓低于欠壓限值PD時，MCU輸出關(guān)斷信號，放電停止;當檢測出的電壓高于恢復(fù)限值PG時，MCU輸出開啟信號，使放電MOSFET導(dǎo)通，開始放電。在PD和PG之間時，MCU的輸出保持不變。

　　3)電壓采樣電路控制。直流電壓選用霍爾傳感器進行檢測，傳感器型號則選用LEM公司型號為LV100的電壓傳感器，具有精度高、線性度好、頻帶寬、抗干擾能力強等優(yōu)點，同時它也是霍爾效應(yīng)的閉環(huán)電壓傳感器，所以原副邊具有非常良好的隔離作用。交流電壓傳感器的型號為CHV-50P，具有過載能力強、性能穩(wěn)定可靠、易于安裝、原副邊電氣隔離等優(yōu)點。不管直流還是交流，傳感器的輸出信號都需要再經(jīng)過信號調(diào)制電路，以保證最終輸出的采樣信號正確地輸入給控制器。

　　4)輔助保護電路控制。當檢測到短路發(fā)生時，立即啟動優(yōu)先級最高的外中斷程序，向SG3525的OSC.Output端(腳4)和Shutdown端(腳10)送出短路保護信號，關(guān)斷振蕩器輸出。同時，切斷為逆變器供電的繼電器，使逆變器電源中斷^[4]。

5 結(jié)語

　　本文選用單片機C8051F330和SG3525作為控制芯片，設(shè)計了主電路為兩級變換拓撲結(jié)構(gòu)的離網(wǎng)型光伏逆變器，基本可以滿足戶用型小功率場合利用太陽能發(fā)電的需求。雖然該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和易于控制等優(yōu)點，但從長遠看，高集成度的模塊化設(shè)計、提高逆變器的轉(zhuǎn)化效率和更多級的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計是未來逆變器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，也是本文作者接下來的研究方向。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第63頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。