一種離網(wǎng)逆變光伏一體機(jī)設(shè)計(jì)

楊楠, 孫夢(mèng)雨, 趙娟

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 電子信息學(xué)院， 陜西， 西安 710014)

0 引言

許多逆變器沒(méi)有集成MPPT、沒(méi)有完成市電優(yōu)先或逆變優(yōu)先的切換都不太完善，因?yàn)閺暮诵目刂粕希瑳](méi)有一個(gè)較為成熟的方案，需要多個(gè)芯片協(xié)同工作[1-2]。因此為了解決這一問(wèn)題，必須從核心控制芯片上入手，重新設(shè)計(jì)一個(gè)基于單芯片的方案。

1 設(shè)計(jì)思路

單芯片控制電路應(yīng)能滿足以下幾點(diǎn)[3-4]。

(1) 集成MPPT充電：為了提升效率，設(shè)計(jì)為單相的BUCK DC-DC方式，結(jié)合以前MPPT成熟的經(jīng)驗(yàn)，專門配合在逆變一體機(jī)上。

(2) 集成光伏充電電流檢測(cè)：通過(guò)外部運(yùn)放，將光伏電流提供給CPU完成MPPT運(yùn)算，省去過(guò)多繁瑣的過(guò)程。

(3) 集成逆H橋的4路PWM：PWM采用目前效率最高、最穩(wěn)定的雙邊調(diào)制的SPWM輸出，直接從芯片引出4路SPWM，進(jìn)一步簡(jiǎn)化外圍電路。

(4) 集成市電鎖相：采用硬件鎖相方式，在芯片內(nèi)處理市電上的干擾雜波、丟波等一系列的干擾，將逆變輸出的交流電壓和市電的交流信號(hào)嚴(yán)格對(duì)稱，在有市電或切換時(shí)刻，將逆變電壓跟隨市電的頻率、相位；切換完成之后，電壓再次恢復(fù)到默認(rèn)值，這樣能最大化的保證切換的平穩(wěn)過(guò)渡，無(wú)壓差。

(5) 集成通訊控制功能：讓用戶能夠設(shè)置逆變優(yōu)先，或者市電優(yōu)先，并且能夠?qū)PPT數(shù)據(jù)、逆變數(shù)據(jù)、市電數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)輸出，這些是遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控的基礎(chǔ)。

(6) 配合專門開(kāi)發(fā)的電流感測(cè)元件：簡(jiǎn)化短路保護(hù)電路，獨(dú)特的芯片內(nèi)部短路保護(hù)動(dòng)作電路，在外部發(fā)生短路的時(shí)候，逆變器執(zhí)行恒流+電流內(nèi)環(huán)模式，避免燒IGBT和驅(qū)動(dòng)，另外此模式會(huì)優(yōu)化帶載功能，3 kW高頻機(jī)可平穩(wěn)啟動(dòng)2P空調(diào)。

(7) 集成過(guò)壓，欠壓，過(guò)溫，短路和過(guò)載5大保護(hù)功能。

基于以上需求擬采用STM32芯片實(shí)現(xiàn)以上功能，硬件平臺(tái)使用控制板+功率主板的分開(kāi)模式，使用排針對(duì)插的結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試。基本參數(shù)如下[5-6]。

① 逆變器額定輸入電壓24 V，電壓范圍為DC21-DC30 V

② 輸出電壓:AC220 V，純正弦波

③ 輸出頻率：50 hZ、60 hZ(自動(dòng)追隨市電頻率，并記憶)

④ 輸出額定功率：2 000 W

⑤ MPPT輸入電壓范圍：PV/30V-180VDC

⑥ MPPT充電電流：30 A

⑦ 市電、逆變切換時(shí)間<10 ms

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

(1) 輔助電源控制部分：

由于設(shè)計(jì)的為DC24 V電池輸入，CPU和其他的芯片都是低電壓供電[7-8]，所以需要采用一個(gè)輔助電源來(lái)將輸入的DC24 V降壓到幾種合適的電壓，提供給芯片、驅(qū)動(dòng)電路供電，使用經(jīng)典的UC3845芯片做成反激供電，如圖1所示，輔助電源產(chǎn)生12 V,5 V和3.3 V電壓，12 V電壓還有一組隔離，將會(huì)提供給逆變的IGBT驅(qū)動(dòng)用，5 V提供給運(yùn)放，3.3 V提供給CPU。

圖1 輔助電源

(2) 逆變升壓DC-DC部分：

為了簡(jiǎn)化升壓部分，采用經(jīng)典的SG3525芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)推挽升壓，此電路下部的光耦用來(lái)隔離反饋，直接控制SG3525的SD腳，只要升壓電壓超過(guò)DC400 V，光耦會(huì)導(dǎo)通，SD腳電壓升高，PWM占空比會(huì)自動(dòng)縮減，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓[9-10]，如圖2所示。

圖2 DC-DC

(3) CPU部分：

采用STM32F103RET6來(lái)做主控部分，為64pin芯片, 其中34、35、41和42管腳共4個(gè)PWM通道對(duì)應(yīng)的是逆變的H橋，分別驅(qū)動(dòng)左右橋臂的上下管子，產(chǎn)生SPWM，實(shí)現(xiàn)正弦波輸出。37/38管腳2組PWM用來(lái)產(chǎn)生相位交錯(cuò)180度占空比，做BUCK模式的MPPT充電使用，占空比定為0-96%。為了能將PWM信號(hào)隔離CPU，不至于CPU受到外面驅(qū)動(dòng)的噪音干擾，把PWM信號(hào)，用電平緩沖芯片隔離，這樣可以將3.3 V的PWM經(jīng)過(guò)芯片緩沖后，進(jìn)一步提高抗噪能力。

(4) 市電部分：

市電鎖相，同步，VRMS檢測(cè)首先使用差分將市電電壓降低到0-3.3 V,CPU的ADC能檢測(cè)的范圍，另外使用一個(gè)比較器，產(chǎn)生市電頻率同步方波，進(jìn)入DSP，用來(lái)計(jì)算零點(diǎn)和市電周期，程序需要這些參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相和同步，如圖3所示。

(5) 逆變AC220 V電壓、負(fù)載電流檢測(cè)：

使用差分將逆變出來(lái)的220 V電壓衰減到0-3.3 V對(duì)應(yīng)的信號(hào)，輸入到CPU的ADC口，程序使用該參數(shù)實(shí)現(xiàn)AC220 V的電壓閉環(huán)、瞬時(shí)值反饋。

將主板上互感器輸出信號(hào)在采樣電阻上得到一個(gè)正弦波電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)放的調(diào)理后送入CPU的ADC做IRMS檢測(cè)，依據(jù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)和功率，電流顯示。10:1.65 V基準(zhǔn)偏置電壓產(chǎn)生將3.3 V電壓通過(guò)2個(gè)同樣大小的電阻分壓，讓運(yùn)放跟隨后，通過(guò)1.65 V穩(wěn)定的偏置，由于交流參數(shù)的緣故，此1.65 V用來(lái)給各個(gè)交流信號(hào)做加法器用。

3 總結(jié)

本文提出的基于STM32芯片的控制電路經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠完成MPPT充電以及市電優(yōu)先的無(wú)縫切換，并能夠完成充電自動(dòng)管理，且性能良好滿足設(shè)計(jì)要求。