【導(dǎo)讀】由于近年來不可再生能源的不斷消耗，能源危機(jī)日益凸顯，各國都在加緊開發(fā)新能源。受到越來越廣泛的關(guān)注。本文針對太陽能應(yīng)用的一個(gè)重要研究領(lǐng)域——光伏發(fā)電系統(tǒng)，尤其是小功。率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于DSP控制的單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件電路。然后提出了以逆變器DC/AC變換技術(shù)為核心的單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件電路設(shè)計(jì)方案，并。在Matlab軟件上進(jìn)行了仿真測試。最后對后續(xù)研究工作進(jìn)行了展望，為進(jìn)一步制作電路板及其調(diào)試

　　

【正文】 出額定電流為 25mA? 。取得電壓傳感器的電壓幅值在 [5V， +5V]范圍內(nèi)。其電路調(diào)理電路如圖 所示。 圖 交流側(cè)電壓采樣電路 上圖中的輸入為霍爾電壓傳感器采集到的輸出信號，范圍為 [5V， +5V]。利用一個(gè)電壓跟隨器將霍爾電壓傳 感器的輸出信號減半；因?yàn)?DSP 只能接收正的信號，所以利用一個(gè)加法器 [13]，將輸入的交流正負(fù)信號轉(zhuǎn)換為單極性的 [0V， 5V]的信號。然后再將信號減半，通過 RC 濾波電路，經(jīng)過兩個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 41 串聯(lián)的肖特基二極管限幅送到 DSP 的 AD4 引腳。 四、交流側(cè)電流采樣電路 通過霍爾電流傳感器得到一定比例的弱電壓信號。其采樣調(diào)理電路如圖 所示。 圖 交流側(cè)電流采樣電路 本設(shè)計(jì)所采用的霍爾電流傳感器型號為 HNC100LA，交流絕緣電壓 。其額定電流為 100A/輸出額定電流為 50mA，電源電壓為 15V? 。將被測量信號穿過電流傳感器中間的孔即為原邊的輸入信號。輸出端的電流信號串接合適的電阻即可轉(zhuǎn)換為一定范圍的采樣電壓信號。經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理送入 DSP 的 AD4 引腳。 五、電網(wǎng)交流側(cè)過零比較電路 由于 TMS320F2812芯片只能采集 TTL信號，所以需要硬件電路輔助實(shí)現(xiàn)將電網(wǎng)正弦波電壓信號轉(zhuǎn)換為 ，該脈沖信號和正弦波有相同的過零點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 電網(wǎng)交流側(cè)過零比較電路 將電網(wǎng)電壓通過霍爾電壓傳感器，送入到 21倍的運(yùn)算放大電路中，然后驅(qū)動(dòng) 三極管的開斷，產(chǎn)生方波信號，利用與非門產(chǎn)生數(shù)字信號送入 DSP 的 IOA8/cap 引腳，正向脈沖信號被 DSP 的捕捉到產(chǎn)生一個(gè)中斷。因而能夠檢測到電壓的過零點(diǎn)，確定光伏并網(wǎng)逆變器電流跟蹤電網(wǎng)電壓的同步。 六、電網(wǎng)電壓同步信號采樣電路設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 41 逆變器輸出的電壓只有與電網(wǎng)側(cè)的電壓幅值、相位、頻率一致時(shí)，才能并入交流電網(wǎng)之中。電網(wǎng)電壓同步信號采樣電路如圖 所示。 圖 電網(wǎng)電壓同步信號采樣電路 七、 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 IR2110驅(qū)動(dòng)芯片 是美國國際整流器公司 (International Rectifier Company )利用自身獨(dú)有的高壓集成電路及無門鎖 COMS 技術(shù) ，于 1990 年前后開發(fā)并投放市場的大功率 MOSFET 和 IGBT 專用驅(qū)動(dòng)集成電路 ， 已在電源變換 、 馬達(dá)調(diào)速等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。該電路芯片體積?。?DIP14）、 集成度高 （ 可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路 ）， 響應(yīng) 速度 快 （ 12094onofft nst ?） 偏值電壓高 （ 600 V ）驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) ， 內(nèi)設(shè)欠壓封鎖 ， 而且其成本低 ， 易于調(diào)試 ， 并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電 ， 使得驅(qū)動(dòng)電源路數(shù)目較其他 IC 驅(qū)動(dòng)大大減小。 對于發(fā)射 極 4個(gè)開關(guān) 管構(gòu)成的全橋電路 ， 采用 2 片 IR2110 驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)橋臂 ， 僅需要一 路 1020V 電源 ， 從而大大減小了控制變壓器的體積和電源數(shù)目 ， 降低了產(chǎn)品成本 ， 提高了系統(tǒng)的可靠性。 其驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 41 主電路設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)選擇 本設(shè)計(jì)屬于單相雙級光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 單相雙級光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Boost電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇 圖 Boost 斬波電路 一、 Boost 升壓電感參數(shù)的設(shè)計(jì) 對于一般的 變換器來說，由于電感和電容寄生電阻的影響，隨負(fù)載電流增加，輸出電壓會(huì)下降，輸出電壓對占空比 ? 的敏感度下降，控制特性變差。為了輸出電壓的穩(wěn)定，控制電路盡量增大占空比，使電壓增益變大以便于維持輸出電壓的恒定。因此，設(shè)計(jì)中選擇濾波元件總是盡量選取小的寄生電阻元件，且實(shí)際應(yīng)用中，是占空比調(diào)節(jié) ?? [14]。 為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠不間斷的往外輸出功率，前級的 Boost 升壓斬波電路應(yīng)該工作在電感足夠大電流連續(xù)的模式下。 根據(jù)伏秒平衡的定理，電感電壓在開關(guān)管的一個(gè)周期內(nèi)對時(shí)間的積分為零。即如式 所示： ? ? ? ?10P V S P V d c SU T U U T??? ? ? ? ? ? （ ） 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 41 其中： PVU 是太陽能電池陣列的輸出電壓， dcU 是直流母線 DClink 的電壓，也即 Boost 電路的輸出電壓， ST 是開關(guān)管的開關(guān)周期 ， ? 是 Boost電路開關(guān)管的占空比， ST? 是開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 onT ，? ?1 ST?? 是開關(guān)管的截止時(shí)間。 整理可得： 11dcPVUU ?? ? （ ） 本系統(tǒng)中，太 陽能電池板陣列輸入電壓范圍是 60～ 140V，直流母線電壓為 dcU =380V，有上式（ ）可得m a x 4 0 0 6 0 0 . 8 5400d c P VdcUUU? ? ?? ? ?，m i n 4 0 0 1 4 0 0 . 6 5400d c P VdcUUU? ? ?? ? ?，所以本系統(tǒng)中boost升壓斬波電路中占空比 ? 的范圍是 ～ 。 由于電感一直處于充電、放電過程，而且充放電過程都是曲線的，所以電感電流不是一個(gè)直流分量，還存在紋波量，其中紋波分量由電感兩端的電壓 ： * ll dIULdt? （ ） 可得流過電感的電流變化量： *PV onl UTI L?? （ ） 電感電流的紋波系數(shù)的定義 lliI? ?? 。 有以上各式可得電感的大小 ： 220(1 ) dc sUTL P????? （ ） 其中 0 1000PW? 為輸出功率。電流紋波系數(shù)的選取 ? ，需要考慮電感的飽和問題、減少 IGBT中的峰值電流及電壓損耗問題，這里取電流紋波系數(shù) 25%?? 。開關(guān)頻率的選取時(shí)，應(yīng)該綜合考慮。工作頻率過高，則 輸出波形諧波含量少，有利于濾波器的設(shè)計(jì)。但工作頻率過高則功率開關(guān)管的發(fā)熱和和損耗都會(huì)增加。本系統(tǒng)選用開關(guān)管的頻率為 100f KHz? ，當(dāng) ?? 時(shí)，有： ? ? 2 251 0 . 6 5 0 . 6 5 4 0 0 1 0 5 0 9 . 62 5 % 1 0 0 0LH ??? ? ? ???? （ ） 所以選取 600LH?? 。 二、直流母線穩(wěn)壓電容參數(shù)的設(shè)計(jì) 升壓斬波電路輸出端電容的作用：①給直流母線 穩(wěn)壓②盡可能的濾除紋波電壓。由電容兩端電流的變化量： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 41 dcdUIC dt? ? ? （ ） 電容兩端電壓的變化量： sdc dcITU C???? （ ） 上下同乘 dcU 得： 0 sdc dc dcPTU CU??? （ ） 電容電壓的文波系數(shù) dcdcUU? ?? 。 所以電容值的大小為： 0 sdc dcPTC U??? （ ） 其中 400dcUV? ， 0 1000PW? ， 2%?? ， ?? ， 510sTs?? 代入上式（ ）得： 510 00 10 2 40 0dcCF ??????? （ ） 在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)開關(guān)管給電感充電時(shí)，后級逆變部分所需要的能量是由電容提供 的，所以給設(shè)計(jì)的電容留下充足的裕量，所以給電容留一定的 5倍以上的容量，本文采用 4500F? /450V的電容。 三、開關(guān)管的參數(shù)選擇 IGBT 結(jié)合了 GTR 和 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，所以 Boost 升壓斬波電路中選用 IGBT 作為開關(guān)管。其承受的最大電壓為 400V，最大電流為 14A。本設(shè)計(jì)最終采用了英飛凌公司的 IKW25N120T2，其主要參數(shù)為： 1200V/25A。 四、升壓電路二極管的選擇 Boost升壓斬波電路中的續(xù)流兼有防反作用的二極管應(yīng)該具有較低的通太電壓降和快速恢復(fù) 的特性。二極管承受的最大電壓是 400V和最大電流 14A的電流，所以選用 Infineon 公司快速恢復(fù)二極管IDP18E120，其主要參數(shù)為 1200V/18A。 逆變器電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇 一、 IGBT 開關(guān)管的選擇 逆變器的功率開關(guān)器件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率開關(guān)器件有門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，雙極結(jié)型晶體管 (BJT)，金屬氧化物功率場效應(yīng)管 (MOSFET)和絕緣柵極晶體管 (IGBT)等。在低壓小容量系統(tǒng)中較常使用的器件為 MOSFET，因?yàn)?MOSFET 具有較高的開關(guān)頻率和較低的通態(tài)壓降，以及正的溫度系 數(shù)，熱穩(wěn)定性較好。但在逆變器的設(shè)計(jì)中，由于輸出濾波電感電容的作用，使續(xù)流時(shí)間較長，容易燒壞 MOSFET。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 41 在高壓大容量系統(tǒng)中一般常使用 IGBT 模塊，由于 MOSFET 隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而 IGBT 在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢，而在特大容量 (100kVA以上 )系統(tǒng)中，一般采用 GTO作為功率開關(guān)元件。隨著光伏并網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，主電路開關(guān)器件的選擇也需要具體考慮與研究。因此，針對本設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用 IGBT 作為開關(guān)器件。它是復(fù)合型功率開關(guān)器件，是 GTR和 MOSFET 復(fù)合而成。它擁有單極性電壓 驅(qū)動(dòng) MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了雙極型 GTR 耐壓高、大電流的優(yōu)點(diǎn)。在 IGBT 選擇中，需要注意以下幾個(gè)方面的問題： ：在 IGBT 工作過程中，集電極峰值電流 cMI 必須要處于 IGBT 開關(guān)安全工作區(qū)以內(nèi)。 ，在 IGBT 開關(guān)過程中，最大集射極電壓 cesU 不能超過器件的最高耐壓值，否則器件將會(huì)被過壓擊穿而損壞。 ：在 IGBT 開關(guān)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的開關(guān)損耗而使器件發(fā)熱，因此，在選擇器件時(shí)必須 綜合考慮系統(tǒng)的散熱條件 —— 最大集電極功耗 CMP 。 分別從以上幾方面考慮，在本系統(tǒng)中， IGBT 的最大集射極電壓 cesU 為直流電壓 400V 左右，考慮到器件開關(guān)過程中有電壓尖峰的影響，選取一定的電壓裕量（一般選為 2～ 3 倍 ）。在電流方面，為了保證系統(tǒng)的工作安全，對開關(guān)管電流也要選取較大的裕量；逆變器的開關(guān)頻率為 10kHz，在散熱方面，為了保證開關(guān)管的充分散熱，采用了將 IGBT 固定在散熱器上的措施。綜上所述，本設(shè)計(jì)最終采用了 英飛凌公司的 IKW25N120T2，其主要參數(shù)為： 1200V/25A。 二、交流測輸出濾波電感的設(shè)計(jì) 在單相全橋逆變器中，逆變器輸出濾波電感的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵的元器件，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)要求逆變器輸出側(cè)的波形為正弦波，輸出側(cè)要實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為 1，就能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)側(cè)電壓同頻同相。所以，電感值選取的是否合適直接影響電路的整體工作性能。我們可以從以下幾個(gè)方面來選取電感值： （ 1）電流的紋波系數(shù) 并網(wǎng)逆變器輸出的濾波電感的值將直接影響輸出文波電流的大小，通過電感基本的伏安關(guān)系*diULdt?? 可得： 0onT ll UI dtL??? （ ） 其中 lU 為電感的電壓，當(dāng)輸出電壓在峰值附近即 0 gridUU? 時(shí)，輸出電流的紋波系數(shù)最大，設(shè)此時(shí)開關(guān)管的開關(guān)周期為 Ts，占空比為 ? ，則有： grid onl UTI L?? （ ） 另外根據(jù)電感的伏秒特性平衡原理，可得： ? ?? ?1g r i d s d c g r i d sU T U U T??? ? ? （ ） 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 41 于是可得占空比： dc griddcUUU? ?? （ ） 有以