基于STM32的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

劉威峰 肖金鳳

摘 要：本文介紹了一種基于STM32的并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)方案，采用直接面積等效法生成SPWM波形，控制逆變主回路的輸出及進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，并控制直流升壓環(huán)節(jié)完成太陽(yáng)能光伏電池板的最大輸出功率跟蹤，得到了轉(zhuǎn)換效率較高的適合并網(wǎng)的交流輸出。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng);MPPT;STM32;SPWM

中圖分類號(hào)：TM464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）29-0007-04

Abstract： This paper introduced an implementation scheme of a grid-connected inverter based on STM32， which used the direct area equivalent method to generate the SPWM waveform， controled the output of the inverter main circuit and performed corresponding protection， and controled the DC boost link to complete the maximum output power tracking of the solar photovoltaic panel， and obtained an AC output suitable for grid connection with a higher conversion efficiency.

Keywords： photovoltaic grid-connected;MPPT;STM32;SPWM

進(jìn)入21世紀(jì)以來，新能源和可再生能源的開發(fā)利用受到廣泛關(guān)注，其中光伏發(fā)電備受矚目。相較于離網(wǎng)儲(chǔ)能方式，光伏電池所發(fā)電量直接并入電網(wǎng)，可提高光電轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)可采取直接并入電網(wǎng)的方式，避免加入蓄電池時(shí)所發(fā)電能反復(fù)轉(zhuǎn)換造成的浪費(fèi)。同時(shí)，可以使發(fā)電系統(tǒng)一直工作在功率最大點(diǎn)，大大提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)電能的效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照逆變過程中能量轉(zhuǎn)換的級(jí)數(shù)，光伏逆變包括單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將升壓、最大功率點(diǎn)追蹤、輸出波形控制這些問題放在一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行，使得它的控制過程極為復(fù)雜，控制電路比較雜亂，一般很少使用。光伏發(fā)電著重關(guān)心的指標(biāo)是光電轉(zhuǎn)換效率和整體的穩(wěn)定性。因此，多級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)更合理。前級(jí)可以完成升壓與最大功率的追蹤，后級(jí)主要完成直流向交流的轉(zhuǎn)換。將不同功能的控制過程分散到不同的環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，軟硬件的實(shí)現(xiàn)都比較方便。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池、升壓、逆變、控制、檢測(cè)幾部分，升壓與逆變環(huán)節(jié)完成能量的轉(zhuǎn)換;控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，需要完成控制、檢測(cè)及信息傳遞的職能。從輸入點(diǎn)的最大功率跟蹤到輸出波形穩(wěn)定性的檢測(cè)，人們要做好信息傳遞、電路保護(hù)，整個(gè)過程都需要控制器的參與。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

升壓模塊將光伏電池輸出的電壓提升至合適的大小，使電壓穩(wěn)定且經(jīng)逆變后適合并入電網(wǎng)，可以和后級(jí)的逆變環(huán)節(jié)之間建立起直流環(huán)。采集其電壓、電流信號(hào)，結(jié)合光伏電池的伏安特性曲線完成對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤，提升光電轉(zhuǎn)換的效率。逆變模塊將升壓模塊輸出的電壓逆變?yōu)槟苤苯硬⑷腚娋W(wǎng)的交流電壓，控制程序中的保護(hù)措施和繼電保護(hù)系統(tǒng)的配合使用可以為光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全提供保障[1]。

如圖1所示，將高性能專用開關(guān)電源控制芯片和STM32結(jié)合構(gòu)成控制回路，其分為前級(jí)DC/DC升壓模塊和后級(jí)DC/AC逆變模塊。前級(jí)升壓模塊調(diào)節(jié)電路選用電流控制型PWM控制器KA3525A，根據(jù)反饋電流來改變脈寬。后級(jí)DC/AC逆變主回路使用專門的驅(qū)動(dòng)芯片IR2110來驅(qū)動(dòng)橋式逆變電路，用于驅(qū)動(dòng)的SPWM脈沖信號(hào)由STM32生成。逆變器的輸出使用濾波電路減少諧波，然后經(jīng)檢測(cè)合格再并入電網(wǎng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 升壓電路設(shè)計(jì)與分析

升壓電路的結(jié)構(gòu)選用推挽輸出、隔離式的全橋整流電路。此種結(jié)構(gòu)使得二極管不導(dǎo)通時(shí)承受的反壓等于交流電壓的幅值，并且變壓器的構(gòu)成并不復(fù)雜。具體電路如圖2所示。

升壓電路選用一片式集成脈寬調(diào)制電路芯片KA3525A作為核心，它可以生成互補(bǔ)的兩路PWM信號(hào)輸出。其內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源是三端穩(wěn)壓電路，輸出電壓在8～35 V之間變化，可為芯片內(nèi)部或外圍電路提供標(biāo)準(zhǔn)電壓。誤差放大器的同相輸入端接入基準(zhǔn)電壓，反向輸入端接入電壓反饋信號(hào)，輸出用來調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電感電流對(duì)誤差電壓變化的跟隨[2]。

2.2 逆變主回路設(shè)計(jì)與分析

逆變主回路如圖3所示。逆變主電路采用兼有光耦隔離和電磁隔離優(yōu)點(diǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路。全橋逆變電路的場(chǎng)效應(yīng)管選擇TSP740，并使用1N4007為其續(xù)流。STM32產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入IR2110后，輸出跟隨輸入變化來驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路中的TSP470。

2.3 硬件防死區(qū)設(shè)計(jì)與分析

若全橋逆變電路的同一橋臂上下管同時(shí)導(dǎo)通，則會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的損害，因此，要特別重視上下管交替導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間。為防止意外輸入的信號(hào)導(dǎo)致上下管同時(shí)導(dǎo)通，本研究設(shè)計(jì)了如圖4所示的電路。根據(jù)邏輯電路的輸入輸出關(guān)系，硬件防死區(qū)電路中PWM1、PWM2的輸入真值與U3A、U2B、U2C的輸出真值如表1所示。

可見，當(dāng)PWM輸入同時(shí)為高時(shí)，輸入IR2110的信號(hào)同時(shí)為0，且輸出中不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)為高的情況，對(duì)逆變電路起到了有效的保護(hù)作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 SPWM波的生成

SPWM波的生成可用多種方法實(shí)現(xiàn)，但自然采樣法[3]難以在實(shí)時(shí)控制中進(jìn)行在線計(jì)算，規(guī)則采樣法[4]精度不高，因此，采用直接面積等效法[5]，用窄脈沖的面積等效被若干等分的各部分面積，并將窄脈沖的開通時(shí)間轉(zhuǎn)換為STM32中對(duì)應(yīng)的占空比，通過查表法改變占空比來實(shí)現(xiàn)SPWM波的生成[6]。