摘 要： 為了推進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到居民家居生活中，提出了一套適用于家用小功率電器工作的光伏逆變系統(tǒng)。系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VC作為控制系統(tǒng)的核心，運(yùn)用軟件方式產(chǎn)生SPWM波。逆變主拓?fù)浠芈?/a>采用兩級(jí)全橋變換器，中間環(huán)節(jié)配合高頻變壓器升壓。與傳統(tǒng)的逆變器設(shè)計(jì)思路不同，前級(jí)全橋變換器采用SPWM波控制實(shí)現(xiàn)逆變?nèi)〈酝愣}寬PWM控制，后級(jí)變換器作為頻率50 Hz翻轉(zhuǎn)開關(guān)來重構(gòu)正弦波。該系統(tǒng)可將太陽能電池板輸出的12 V電壓轉(zhuǎn)換為適用于家用電器工作的220 V/50 Hz交流電。
現(xiàn)今，歐洲各國以及日本、美國等國家政府推廣實(shí)施太陽能光伏工程計(jì)劃，大力普及太陽能住宅區(qū)，在住宅的屋頂或者墻壁上安裝太陽能電池板[1]。我國太陽能住宅區(qū)也在逐步發(fā)展中。本文設(shè)計(jì)旨在將光伏發(fā)電技術(shù)推廣到家居生活中，響應(yīng)我國節(jié)能綠色環(huán)保政策。本文設(shè)計(jì)了一款住宅家用型光伏逆變系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于獨(dú)立供電的場(chǎng)合，能滿足小功率家用電器的用電需求。光伏逆變系統(tǒng)選用的是單相電壓源型逆變器，逆變器主拓?fù)浠芈凡捎萌?jí)式結(jié)構(gòu)(DC-AC-DC)，由前級(jí)DC-AC全橋變換器、隔離高頻變壓器、后級(jí)DC-AC全橋變換器組成，采用軟件編程方式產(chǎn)生SPWM波驅(qū)動(dòng)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器上的功率開關(guān)管，產(chǎn)生適用的正弦交流電。由于意法半導(dǎo)體公司推出的STM32系列芯片[2-3]使用ARM最新的、先進(jìn)框架的Cortex-M3內(nèi)核的32 bit嵌入式處理器，其實(shí)時(shí)性能優(yōu)異，功耗控制杰出，成為本次設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)芯片的首選。本文設(shè)計(jì)中在逆變器主拓?fù)浠芈返目刂品绞缴吓c傳統(tǒng)方式有所改變，嘗試的過程中發(fā)現(xiàn)該種控制方式解決了逆變環(huán)節(jié)全橋變換器上的功率開關(guān)管(MOSFE管)工作于高頻高壓狀況下發(fā)熱嚴(yán)重的問題。
光電隔離電路中的光電耦合器具有輸入、輸出間2.5 kV以上的電絕緣能力、信號(hào)單向傳輸、抗干擾能力強(qiáng)；低壓控制系統(tǒng)模塊包括前級(jí)DC-AC全橋轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電路、STM32微控制系統(tǒng)三大部分，主要的工作是將太陽能電池板輸出的直流低壓通過STM32系統(tǒng)產(chǎn)生4路SPWM波驅(qū)動(dòng)全橋變換器上的功率開關(guān)管,使之逆變?yōu)檎野氩ū砻}寬變化的雙極性方波。整個(gè)模塊的工作電壓實(shí)際是太陽能電池板輸出電壓的幅值(約12 V），這樣通過高頻變壓器、光電隔離電路完全與高壓工作模塊隔離開來，可以有效保護(hù)STM32微控制系統(tǒng)；高壓控制系統(tǒng)模塊包括橋式整流濾波電路、后級(jí)DC-AC全橋變換器、光電隔離電路等部分，該模塊的任務(wù)是將經(jīng)過高頻變壓器升壓之后的正弦半波表脈寬變化的雙極性方波通過橋式整流濾波電路轉(zhuǎn)換成100 Hz只包含正半周的正弦波，最后通過后級(jí)全橋變換器間隔地翻轉(zhuǎn)正半周至負(fù)半周轉(zhuǎn)換成220 V/50 Hz正弦波。整個(gè)模塊工作在320 V左右，為了避免高壓信號(hào)串入低壓模塊，將高壓控制系統(tǒng)與低壓控制系統(tǒng)分成兩模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的關(guān)鍵。
圖3所示為逆變器比較傳統(tǒng)的控制方案[6]，其主要方案為將直流低壓(太陽能電池板或其他電源輸出)先經(jīng)過兩對(duì)互補(bǔ)PWM波控制前級(jí)全橋變換器橋臂上的4個(gè)功率管轉(zhuǎn)換為雙極性的高頻低壓方波，接著通過變壓器升壓整流濾波電路轉(zhuǎn)換為高壓直流電(幅值一般為110 V以上)，最后通過后級(jí)全橋變換器整流濾波電路轉(zhuǎn)換為220 V/50 Hz的正弦交流電。其中，后級(jí)變換器上的兩對(duì)橋臂分別是通過兩對(duì)互補(bǔ)的頻率約為30 kHz的SPWM波驅(qū)動(dòng)控制的，在該階段后級(jí)全橋變換器上的功率開關(guān)管工作在高頻高壓環(huán)境下，功率管發(fā)熱發(fā)燙。為了減緩功率管的發(fā)燙現(xiàn)象，采用了圖4所示的逆向控制流程。
圖4所示即為本文借鑒TIMNOLAN個(gè)人網(wǎng)頁上光伏并網(wǎng)逆變器文章的控制流程思路，與傳統(tǒng)控制流程的區(qū)別在于前后兩級(jí)全橋變換器的控制策略不同：圖4中前級(jí)全橋變換器直接采用正弦脈寬調(diào)制算法產(chǎn)生4路SPWM波控制4個(gè)功率開關(guān)管，經(jīng)過升壓整流濾波之后轉(zhuǎn)換為頻率100 Hz的只包含正半周的正弦波；最大特點(diǎn)是后級(jí)全橋變換器作為一個(gè)翻轉(zhuǎn)的開關(guān)，開關(guān)頻率為50 Hz，全橋變換器上兩對(duì)斜對(duì)角的功率管每隔20 ms輪流導(dǎo)通或關(guān)斷，將產(chǎn)生正弦波的正半周間隔地翻轉(zhuǎn)為負(fù)半周，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的正弦交流電。
程序設(shè)計(jì)思路為：設(shè)置STM32F103VC的TIM1定時(shí)器為中央對(duì)齊的PWM輸出模式；設(shè)置TIM1周期寄存器TIM1_ARR,使得PWM波載波頻率為30 kHz；使能TIM1所對(duì)應(yīng)的CH1/CH1N、CH2/CH2N兩對(duì)互補(bǔ)通道,TIM1的CH1、CH2產(chǎn)生兩路相位差為180°的PWM波形,相應(yīng)的CH1N和CH2N產(chǎn)生互補(bǔ)的兩路PWM波。同時(shí)，設(shè)置STM32F103VC的通用定時(shí)器TIM2為向上計(jì)數(shù)模式并配置周期寄存器TIM2_ARR,使得TIM2計(jì)數(shù)周期T為20 ms；使能TIM2比較通道1中斷，每隔T/64產(chǎn)生一次中斷讀取對(duì)應(yīng)指針?biāo)赶虻恼也ū碇械拿}寬值，更新TIM1中TIM_CCR1、TIM_CCR2的值，更新對(duì)應(yīng)PWM波的脈寬值W1，最終使得TIM產(chǎn)生兩對(duì)互補(bǔ)移相180°的SPWM波。相關(guān)流程如圖6(a)和圖6(b)所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電技術(shù)；光伏逆變系統(tǒng)；STM32F103VC；逆變主拓?fù)浠芈?/p>
1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
圖1所示為整個(gè)光伏逆變系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)主要由低壓控制模塊電路、高頻升壓變壓器、高壓控制模塊電路三部分組成。整個(gè)電路主要完成的工作是將太陽能電池板輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為家用電器工作的正弦交流電壓。本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)涉及強(qiáng)弱電結(jié)合，圖1中STM32微控制系統(tǒng)中的工作芯片STM32F103VC是整個(gè)系統(tǒng)的CPU，該芯片工作電壓為3.3 V，其標(biāo)準(zhǔn)I/O端口能承受的輸入電壓約為2 V~3.5 V，但是系統(tǒng)工作中需要用STM32F103VC芯片的低壓端口測(cè)量高壓器件的模擬量，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入保護(hù)電路模塊(即隔離變壓器、光電隔離電路),將低壓控制系統(tǒng)和高壓控制系統(tǒng)分成兩個(gè)電路板，使得整個(gè)電路基本安全可靠。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
圖2所示為家用型光伏逆變系統(tǒng)的功率主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]電路框圖，主要由前級(jí)全橋轉(zhuǎn)換器、高頻升壓變壓器、橋式整流器、LC濾波器、后級(jí)全橋轉(zhuǎn)換器四部分組成。系統(tǒng)主拓?fù)浠芈凡捎脗鹘y(tǒng)逆變器拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案，起初開始調(diào)試系統(tǒng)時(shí)采用的仍然是傳統(tǒng)的控制方案，但是在調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)高壓控制系統(tǒng)模塊電路的功率開關(guān)管(MOSFET)工作在高頻高壓條件下發(fā)燙嚴(yán)重，因而借鑒了美國一名電源電子愛好者TIMNOLAN個(gè)人網(wǎng)站[5]提出的一種逆向的控制方案，可以很好地改善這個(gè)問題。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本文采用軟件方式產(chǎn)生SPWM波，功率主拓?fù)浠芈凡捎靡葡嗾{(diào)壓全橋逆變控制策略，圖5中為STM32微控制系統(tǒng)產(chǎn)生的兩對(duì)互補(bǔ)相位相差180°的SPWM波,用于驅(qū)動(dòng)控制前級(jí)全橋變換器。STM32F103VC芯片的高級(jí)定時(shí)器TIM1擁有4個(gè)獨(dú)立輸出通道，能產(chǎn)生3對(duì)互補(bǔ)輸出的PWM波,而且PWM輸出模式下死區(qū)時(shí)間可以編程。
本文設(shè)計(jì)了一款小功率家用型光伏逆變系統(tǒng)，其系統(tǒng)功率主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為圖2所示。采用100 W/12 V太陽能電池板供電，輸出適合家用電器用電的220 V/50 Hz電壓，SPWM波載波頻率為30 kHz,母線濾波電容采用220 V/470 ?滋F的電解電容和105/630V的CBB電容并聯(lián)于電源輸入端，變壓器初級(jí)匝數(shù)與次級(jí)1匝數(shù)比為3:90、與次級(jí)2和3的匝數(shù)比同為3:4,輸出濾波器電感值為1 036 ?滋H，濾波電容值為3 ?滋F。高頻變壓器磁芯采用PQ3230，磁芯對(duì)接時(shí)不加氣隙。
為了驗(yàn)證文中所提出的控制原理，圖7給出高頻示波器所測(cè)的波形圖。圖7(a)為驅(qū)動(dòng)前級(jí)全橋變換器左半橋MOSFET管的兩路互補(bǔ)的SPWM波；圖7(b)為移相的兩路驅(qū)動(dòng)前級(jí)全橋變換器上半橋MOSFET管的SPWM波；圖7(c)為前級(jí)全橋變換器輸出的雙極性方波，與之對(duì)應(yīng)的圖7(d)為高頻變壓器升壓后的雙極性方波； 圖7(e)為高壓控制模塊橋式整流濾波電路之后只有正半周的正弦波,與之對(duì)應(yīng)的圖7(f)為后級(jí)全橋變換器翻轉(zhuǎn)后所得的正弦波。
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