利用C2000MCU实施并网微型太阳能逆变器综述

[导读]本文将为您介绍如何利用一个TMS320F2802设计一种低成本、高性能的微型太阳能逆变器。别的，文章还将谈论如何使用交织式有源钳位反激和SCR全桥实现一个220W输出的微型太阳能逆变器，并介绍完满的系统固件架构和控制方法。最后，文章还会为您显现实验室波形大纲可再生能源应用的迅猛发展将惹起第四次工业革命。光伏发电是整个可再生能源方案的要点部分。在所有太阳能逆变器中，微型太阳能逆变器是至关重要的组成部分。本文将为您介绍如何利用一个TMS320F2802设计一种低成本、高性能的微型太阳能逆变器。别的，文章还将谈论如何使用交织式有源钳位反激和SCR全桥实现一个220W输出的微型太阳能逆变器，并介绍完满的系统固件架构和控制方法。最后，文章还会为您显现实验室波形。归纳1．1太阳能逆变器介绍资料、能源和信息是人类生计和发展的三大概素。能源利用的每一次新发现，都会极大改变和促进现代文明的发展：·蒸汽机的发明让我们进入机器时代。·电的发明让我们进入电气时代。·半导体晶体管的发明让我们进入信息时代。当前可再生能源的发展和利用将惹起第四次工业革命；在所有可再生能源利用方法中，光伏发电是整个可再生能源发展的要点组成部分。依照世界能源组织展望，随着传统能源（例如：煤炭、石油等）逐渐枯竭，可再生能源将成为人类的主要能源。图1显示了世界能源的发展趋势。图1世界能源发展趋势各国政府都对可再生能源的发展投以极大关注。2007年，中国政府称“可再生能源可满足国家长远发展规划的需求”，而在2008年，中国政府便宣布了可再生能源第11个五年发展计划。依照该计划要求，中国2010年的光伏发电装机容量需达到2，500亿瓦；据估计，到2020年，中国光伏发电装机容量将达到50，000亿瓦，其中并网光伏发电占75%。太阳能光伏发电的主要优点包括：·太阳能很丰富，无量无尽。·生产PV板的资料分布广泛，并储备丰富。·系统结构简单，变换效率高。·无污染，并且可循环利用。·光伏电池寿命长，保护成本低。太阳能光伏发电的缺点包括：·功率密度低，占用面积大。·发电受限于自然条件，没有太阳就无法发电。·单位生产成本高。光伏发电系统分类依照应用环境，光伏发电系统可分为非入网太阳能逆变器系统和入网太阳能逆变系统。非入网太阳能逆变器系统主要用于独立组建的光伏发电系统，适用于家庭、农村、岛屿、荒僻地区、城市照明以及电源系统的通信、测试与应用。图2为一个系统结构图，其描述了太阳能板组件、太阳能逆变单元、储能单元、电负载等主要组成部分。图2非入网太阳能逆变器系统入网太阳能逆变器系统主要用于同传统电网连接，太阳能逆变器把来自PV板的电能连接传统电网，其主要组成为太阳能板、太阳能逆变器、智能双向电量计、家庭用电负载和传统电网等（拜会图3）图3入网太阳能逆变器系统1.3PV板电气特点太阳能逆变器功率输出变化几乎与阳光直接相关，但是电流减少的速度远快于光照水平下降的速度。在极低光照水平下PV板一般会产生16V的电压，但是电流却极少。别的，随着PV板温度高升，电压输出下降，反之亦然。输出曲线随光照条件、温度等而变化，如图4所示。太阳能逆变器必定工作在MPP下，以获得来自PV板的最大电能。这是经过最大功率点控制环路（最大功率点追踪器，MPPT）来实现的。图4PV板电气特点太阳能逆变器拓扑改变随着照度的变化，PV板的输出电压范围为20到45伏，因此若是入网应用需要更高的输出电压，则平时会考虑并串通PV板以获得高输入电压，并使用一个逆变器来实现电能转换。这种拓扑结构被称作“中央逆变器”，如图5（a）所示；它的主要特点是：10到250kw，3相，数个并联串·变换器效率高，成本低，可靠性低·非最正确MPPT·平时用于发电厂图5中央与串型拓扑另一种应用是在所有串分支把PV板串通以实现能量变换。使用一个MPPT模块，用于获得PV板的最大电能。这种拓扑被称作“串型逆变器”，如图5（b）所示；它的主要特点是：1到10kw，典型的住处型应用。·每个串分支都有其自己的逆变器，用于实现更佳的MPPT。·各串可以有不同样的方向。·三相逆变器，用于5km以上输出功率。尽管这种串型逆变器可以获得更的电能收集效率，但是当一个串通PV板被阴影遮挡时，该串分支的电能收集也随之下降，如图6（a）所示。若是放置一个MPPT模块来收集所有PV板的电能，则可解决这个问题。这种拓扑被称作“微型逆变器”，如图7所示。图6阴影对电能收集的影响情况图7微型逆变器拓扑很明显，就微型逆变器而言，“分布式MPPT”架构增加了每PV板成本；但是，经过回收以下效率损失可将效率提高5%到25%：·PV板错配耗费（3%到5%）·部分阴影耗费（5%到25%）·简单的系统设计，更宽松的故障容限（0%到15%）·次优MPPT耗费（3%到10%）·别的，增加安全性和建筑面积（屋顶）利用因此，若是我们选择微型逆变器拓扑，则会牺牲变换器效率，但是会让电能收集变得更高效。硬件设计系统结构图在我们的太阳能逆变器解决方案中，我们选择交织反激加SCR全桥的拓扑，用于工业频率逆变。所有控制仅为一个MCU（2802x），别的还有一个RS485也许PLC接口，用于通信。图8显示了这种微型太阳能逆变器的结构图。详尽规范，请拜会《附件A》。这种拓扑拥有以下特点：·简单的系统结构·高效率，低成本·完满隔断，高可靠性·无法实现反响式功率补偿图8微型太阳能逆变器系统结构图辅助电源设计在微型太阳能逆变器中，我们需要可以向A/D采样电路、驱动电路、MCU控制器等输出多电压的辅助电源。另一方面，这种辅助电源必定完满隔断于一次侧到二次侧。因此，我们选择LM34927芯片；这种芯片拥有以下特点：9到100V的宽输入范围·低成本，集成100V、高低侧开关·恒定导通时间（COT）控制方案无需环路补偿，并拥有优异的瞬态响应。·充分保护功能，包括可调治UVLO。图9显示了LM34927的典型应用原理图。从该原理图，我们知道，一个降压电路，而二次侧为一个反激拓扑，用于实现隔断。

LM34927的一次侧为图9LM34927典型应用原理图作为隔断式前端变换器设计的有源钳位反激有源钳位反激式变换器归纳图10显示了基础反激拓扑内有源钳位电路的组合情况。图中，反激式变压器被一个等效电路模型代替，其表现出磁化和漏电感（Lr表示除外面电感外一次侧反响的总变压器漏电感）。开关Q1和Q2与其相关体二极管一起出现。Cr表示两个开关的寄生电容的并联电容。与Lr谐振的这种器件电容，实现了Q1的零电压开关（ZVS）。利用有源钳位电路，晶体管关闭电压尖峰碰到控制，变压器漏电获得回收，并且主开关（Q1）和辅助开关（Q2）的ZVS都成为可能。这些优点的代价是，需要更多的功率级组件以及更高的控制电路复杂度（两个开关对一个开关）。为了描述这种电路的工作情况，我们假设：·理想开关组件·磁化电流向来为非零且为正。·Lr（包括变压器漏电感）小于变压器磁化电感Lm（平时为Lm的5%到10%）·Lr中储藏充分的电能，以完满对Cr放电，并开启Q1的体二极管。图10有源钳位反激变换器的简化原理图有源钳位反激设计零电压开关考虑为了实现Q1的ZVS，Q2必定在谐振电感电流下降区间开启。否则，谐振电感电流反向（再次变为正），其对Cr再充电，并且失去ZVS（也许最少部分失去）。因此，Q2关闭和Q1开启之间的延缓时间对ZVS运行至关重要。最正确延缓值为Lr和Cr组成谐振时间的四分之一：因此，最好是让阻滞时间位于Q1关闭和Q2打开之间，小于Tdelay，以实现部分ZVS状态。即使Lr中储藏能量不足以完满对开关电容Cr完满放电，从而最小化Q1和Q2的潜藏电压应力（并获得更高的变换器效率），我们必定小心地设计谐振电感Lr、谐振电容Cr和钳位电容Cc的参数。谐振电感Lr设计在确定Lm值今后，可对谐振电感进行设计。如前所述，我们假设其值为Lm的一小部分（平时为Lm的5%到10%）。给定变换器工作点和Cr值时，要实现ZVS，Lr的大小必定足以完满对开关电容放电。Lr设计很难，由于谐振电容电压（Vcr）为Lr值的函数，以下面方程式：但是，在实质设计中，谐振电感电压相对较小（有对于Vin+NVo），并且可求解实现ZVS状态必需的Lr近似最小值：在要求高输出电压的这种应用中，

特地的输出整流器软开关特点比实现主开关

ZVS要更为理想。钳位电容器Cc设计依照Lr设计，选择钳位电容的值。钳位电容器友善振电感形成的谐振频率足够低，这样，当开关关闭时，电源开关便不会出现过多的谐振振铃。但是，使用过大的钳位电容值，其实不会带来钳位性能的改进，并且代价是更大容量（同时也更加昂贵）的电容器。一种较好的折中方法是，选择一个电容器值，使钳位电容器友善振电感形成的谐振时间的一半，超出Q1的最大关闭时间。因此：其中，DHL表示最大输入电压工作，fs为Q1和Q2的工作开关频率。电容器额定电压必定超出NVo，并且超出量为Lr的压降：钳位电容器友善振电感的谐振时间可经过以下方程式计算获得：有源钳位反激的开环仿真图11为这种有源钳位反激的开环仿真模型。以下值用于该仿真：输入电压Vin=36V，主MOSFET开关频率fs=65kHz，谐振电感Lr=0.5μH，谐振电容Cr=1nF，钳位电容Cc=10μF，主开关MOSFET的最大占空因数D=0.6，而负载Rload=100Ω。图11有源钳位反激的开环仿真模型（红色波形为VGS，绿色波形为VDS）图12Q1的VDS和VGS仿真波形图12显示了漏极到源极电压降至零今后门驱动的电压上升，因此Q1实现ZVS获得了证实。别的，VDS的电压尖峰被箝至Vin+NVout，其意味着一次侧实现了有源钳位。图13仿真输出电压波形隔断式MOSFET桥驱动电路设计为了实现一次侧到二次侧的完满隔断，

除辅助电源隔断以外，还要求使用

A/D采样和驱动电路隔断。由于MCU放置于二次侧中，而主开关MOSFET位于一次侧，因此我们必定把二次侧控制信号传输至一次侧，以对MOSFET进行控制。为了把控制信号从二次侧传输至一次侧，可选择高速数字隔断器加高低端驱动器芯片。图14显示了这种隔断式MOSFET高低端驱动器的原理图。图14隔断式高低端驱动器的原理图在本应用中，隔断式MOSFET拥有好多特点，其包括：·结构简单，易于实现+600V全工作范围4kVESD保护·自举工作别的，请注意高速数字隔断器的初始状态；否则，它会损坏主开关MOSFET。表1高速数字隔断器功能表PU=上电；PD=掉电；X=没关；H=高电平；L=低电平）3、固件设计固件规范功能规范系统固件包括以下功能：1、开/关。用户可经过按下开/关按钮开启也许关闭系统。软件设置必定启用这种功能。2、自动开/关。若是需要开启状态，则系统会自动开启。当状态不适合向电网输电时，系统保持待机模式，并监控状态变化。若是系统已经开启，则当状态不适合供电时系统自动关闭。3、软件启动开启。当系统必定开启时，其从零电流供给状态启动，同时PWM在零交织点开启，从而减少给电网带来的冲击电流。4、LED控制。系统拥有一个状态

LED指示。当系统处在待机模式下时，

相应

LED每

秒闪烁一次。当系统开启时，

LED每隔

2.4秒闪烁一次。当出现故障时，

LED连续亮起。5、用户控制键。逆变器拥有一个用户键。该用户键可开启也许关闭逆变器，并且还可以除去故障。当系统处在待机模式下时，若是该键被按下1秒以上，则若是条件吻合系统便开启。若是系统已经开启，则当该键被按下1秒以上时，系统关闭。当出现故障且系统处在故障模式下时，按下该用户键1秒以上，可除去故障并再次进入待机模式。测量为了控制和监测系统状态，需计算以下测量结果：·电网电压RMS·电网频率·逆变器的输出有效功率·输入功率·输入PV电压·温度保护系统拥有一些基本保护功能。1、一次侧冲击电流保护。当短路也许主电感惹起冲击电流时，

PWM首选会进入

CBC模式；但是，当CBC三次以上时，系统关闭并进入故障模式。2、二次侧过电压保护。当SCR未正常开启时，出现二次侧超高压。系统关闭，并进入故障模式。3、输出过电流保护。当输出电流量超出阈值时，出现输出过电流。系统关闭，并进入故障模式。4、电网电压/频率过高/过低保护。若是系统已经开启，当电网电压/频率超出正常范围时，系统在五个电网周期内关闭。5、反孤岛控制保护。若是达到孤岛条件，则系统在4秒内关闭。若是恢复至正常状态，则系统在1秒内重新启动。6、过温保护入网变换器控制器为了向电网输电，必定在系统中实现以下控制器算法：1、锁相环（PLL）控制器。PLL控制器用于与电网电压同步，其可向电流控制器供给一个基准相。2、入网电流控制器。电流控制器可保证输出电流为正弦波，并依照电流基准，从而平衡输入功率和输出功率。3、最大功率点追踪（MPPT）。MPPT用于让太阳能板进入最大功率输出状态。固件结构后台与任务整个固件系统为一个前向后台系统。图15显示了该后台结构。图15后台结构本系统中，有一个1ms任务和四个4ms任务。1、1ms任务A0。1ms如期任务。在这种任务中，LED控制执行。除此以外，PLL控制器也位于该任务中。2、4ms任务A1。A14ms如期任务。状态机办理器。3、4ms任务A2。A24ms如期任务。所有测量均在该任务受骗算。4、4ms任务A3。A34ms如期任务。用户键检测便在这里，同时检测超出也许未达到运行状态范围，并发出故障指令。5、4ms任务A4。A44ms如期任务。MPPT控制器与调试支持。系统状态机图16状态机图16显示了任务A1中办理的状态机。不同样状态代表不同样的运行模式。本系统中共有4种状态模式：·上电·待机·开启·故障上电模式是系统上电的一种过渡模式。在这种模式下，系统进行一些初始化，统便自动进入待机模式。

此后，系待机模式是系统等待开启指令的一种模式。所有PWM和SCR控制信号都关闭。在这种模式下，所有测量均有效。系统探测外面状态，并检查系统可否可以开启。当系统成功地从待机模式启动今后，系统进入开启模式。这种模式下，所有

PWM和

SCR控制信号均开启。系统开始向电网输电。若是出现故障，系统进入故障模式，所有PWM和SCR控制信号均关闭。若是故障除去，则系统自动返回待机模式。中断服务程序本系统的中断服务程序（ISR）拥有以下功能：·读取ADC结果和部分测量计算。·入网电流控制器SCR开/关控制·紧急保护。一次侧冲击电流、二次侧过电压和输出电流保护。·调试支持。把调试数据记录到缓冲器。图17ISR流程图入网变换器控制器图18显示了整个入网变换器结构。图18控制器结构3.3.1PLL控制器图19显示了PLL控制器系统图19PLL控制系统图PLL系统由以下几部分组成：·相位误差检测。检测基准和正弦波输出之间的相位误差。该检测功能在1ms任务A0中实现。·PLL控制器。闭环控制器，控制器在1ms任务A0中执行。·正弦波生成器。依照频率和采样时间生成正弦波；在ISR中完成这项工作。电流控制器为了设计电流环路，必定第一建筑对象模型。这里可以使用小信号模型。图20反激电路假设反激电路如图6所示；别的，假设其在连续模式下工作。图21反激连续模式