0 引言

自20世紀90年代以來，太陽能發(fā)電技術得到了持續(xù)高速發(fā)展，光伏并網發(fā)電已經成為當今太陽能主要利用形式之一。并網逆變器作為并網發(fā)電系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，已經成為該領域的研究熱點。本文基于光伏并網逆變器的基本原理和控制策略，提出了一種單相光伏并網逆變器的電路設計方案，從功率回路、采樣、驅動以及保護等模塊介紹逆變器的硬件設計到結合逆變器實際控制結構的軟件設計，通過實驗證明，本設計能夠很好地達到并網的要求。

1 光伏并網系統(tǒng)的組成

結合以上控制策略與光伏并網發(fā)電系統(tǒng)結構及逆變器的實際需求，設計了一種單相可調度式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)。如圖1所示，此系統(tǒng)主要有光伏陣列、Buck/Boost變換電路、全橋逆變器、濾波電路、工頻隔離變壓器、切換電路、儲能環(huán)節(jié)、信號采集調理電路、驅動電路、DSP及輸入輸出設備等組成。

1.1 硬件電路設計

1.1.1 功率回路設計

功率回路又叫一次回路，如圖2所示，電路采用前級直流升壓后級全橋逆變的拓撲結構。直流電壓經過濾波升壓之后進入逆變環(huán)節(jié)，通過控制全橋逆變開關管的開通關斷，使逆變器輸出占空比變化的一系列SPWM波，后經過LC濾波后得到低壓交流電，然后通過升壓變壓器將輸出電壓升到符合并網要求的電壓，同時防止直流量注入電網。

1.1.2 驅動電路設計

Boost驅動電路選用TI公司的專用驅動芯片UCC27324。該芯片可同時輸出兩路信號，用來驅動低端MOSFET/IGBT，功耗低、驅動能力強、響應速度快、電路簡單性能優(yōu)越，電路設計如圖3所示。

與升壓電路不同，全橋逆變電路的驅動需要考慮高端管子和低端管子的問題，因此可以采用獨立電源供電或附加自舉電路兩種驅動方式，本系統(tǒng)選擇的驅動芯片為美國國際整流公司生產的IR2110芯片，該芯片內部使用自舉技術，實現一塊芯片同時輸出兩個驅動逆變橋中高端與低端的通道信號，它內部的自舉操作提供了懸浮電源，懸浮電壓保證了IR2110可直接用于母線電壓為-4～500V的系統(tǒng)中驅動MOSFET/IG BT，如圖4所示。

1.1.3 檢測電路設計

為了降低研發(fā)成本，同時解決隔離問題，220V交流電檢測電路采用簡單的降壓檢測方法，即首先使用限流電阻將電壓信號轉換為電流信號，然后通過1000：1000的電流互感器進行隔離，輸出的電流信號經過跟隨得到電壓小信號，最后通過一系列整流濾波將電壓轉換為DSP可以允許的0～3.3V之間的電壓信號。

通過硬件電路將正弦電壓信號轉化為方波信號，這樣便于DSP控制器的CAP單元準確地捕獲該信號，從而計算該電壓信號的頻率和相位。實際硬件電路是通過比較器LM311實現這一功能的，該交流電壓的檢測電路與相位檢測電路仿真圖如圖5所示，頻率相位檢測結果如圖6所示。

1.2 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計的好壞嚴重影響著系統(tǒng)的可靠性和高效性。本系統(tǒng)設計時，考慮到許多控制參量的實時性要求高，并且系統(tǒng)中包含多個控制狀態(tài)，因此在設計時借鑒了TI公司的軟件編寫結構以及采用了狀態(tài)機的控制模式，從而實現系統(tǒng)工作的實時性和多種工作模式的有效切換。如圖7所示。

根據狀態(tài)機控制圖，結合逆變器實際控制結構，設計軟件編寫結構，該結構采用三種不同的計時時間解決緊急事件，另外三個中斷事件處理優(yōu)先級更高的事件，它們是閉環(huán)控制、捕獲事件、SCI數據接收。系統(tǒng)的軟件結構如圖8所示。

在該系統(tǒng)中，使用了3個主要任務，即Task_A0、Task_B0、Task_C0。Task_A0：1ms任務，它包括四個子任務，在本系統(tǒng)中只用到了A1、A3兩個子任務。A1的任務為處理狀態(tài)機的轉換，狀態(tài)機的狀態(tài)每20ms檢查一次，因此新的運行模式將在20ms以后開始運行;A3用于逆變器上的按鈕檢測及相關LED指示燈及相關顯示控制。

Task_B0：4ms任務，同樣具有四個子任務。B1用于故障檢測，包括短路檢測、過流檢測、電網電壓、頻率檢測以及直流母線電壓檢測;B2處理測量數據的計算，如計算電網電壓有效值和輸出電流有效值、有功功率、直流母線電壓以及過零檢測等;B3處理開機檢測;B4沒有使用，可用于控制板之間通訊的擴展。

Task_CO：0.5ms任務，C0用于SCI通訊。

2 光伏并網逆變器控制策略

對于并網逆變器，要想實現并網運行需要具備以下幾個要求：1)輸出的電壓和電網電壓同頻同相且幅值相同;2)要求逆變器輸出的電流與電網電壓同頻同相即功率因數為1;3)逆變器輸出滿足電網電能質量要求。滿足以上要求除合理的拓撲結構、設計合理的信號采集調理電路外，有效的控制策略也是不可或缺的。

逆變器有兩種工作模式：獨立運行模式和并網運行模式。當逆變器工作于獨立運行模式時，控制器通過檢測逆變器的輸出電壓實現對逆變器的控制，多采用電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。但是，在并網模式下，需要保證逆變器輸出的電壓電流與電網同頻同相，減小并聯環(huán)流，同時需檢測逆變器輸出電流的大小，以控制逆變器輸出功率，因此，當逆變器工作于并網模式下，一般采用電流控制方式。

3 實驗結果及結論

依照以上硬件電路與軟件設計方案，基于TMS320F28035編寫軟件程序，在允許輸入波動范圍內保證逆變器輸出電壓恒定且滿足實驗要求，在實驗時采用逐步增加功率的方法，搭建了600W光伏并網逆變器系統(tǒng)的實驗平臺。如圖9所示，實驗的輸入由直流開關電源提供，實驗中的負載為100W白熾燈，測試儀器為質量分析儀、數字萬用表、示波器等。最終的實驗結果如圖10所示，圖(a)、(b)為逆變器在滿功率運行時的電壓電流輸出波形，輸出電壓為225.2V，輸出電流為9.3A，電壓電流波形THD為3.3%、4.2%。需要說明的是，為了便于實驗中電流的測試，在檢測電流時，由于選用的電流鉗的量程很大，因此為了提高測量精度，將電流放大了不等倍數，現滿載運行時的測量電流為實際電流的四倍。從實驗波形可以看出，實驗輸出波形滿足設計要求。

4 總結

本文從硬件電路設計和軟件設計兩方面介紹了單相并網逆變器的設計過程。通過功率回路、驅動電路、檢測電路的介紹與軟件編程結構的分析成功搭建實驗平臺。實驗表明，硬件電路設計合理，軟件邏輯正確，能夠確保逆變器在并網狀態(tài)下平穩(wěn)、高效、精確的運行。