一种基于TI微处理器的微逆变器电源设计方案

5kw微网逆变器系统设计

微网逆变器系统将可再生能源(如太阳能，风能，水能，地热能，生物质能等)转变为与电网同频、同相的交流电，优先输送给当地负荷供电，剩余的电能馈入电网。微网逆变器系统主要包括：光伏组件、蓄电池组、蓄电池充放电设备、DC/DC变换器、微网逆变器、静态开关等。

5kw微网逆变器系统结构如图1所示。

图1 5KW微逆变器系统结构

微网逆变器是微网逆变器系统中的关键部分。微网逆变器输出为三相交流电，具有并网和独立运行两种工作模式。微网逆变器主电路采用智能功率模块进行逆变，产生三相交流电通过三相变压器(Δ-γ)进行隔离升压，并变成三相四线输出。

静态开关和电能计量设计

静态开关是微网逆变器系统中的重要组成部分。静态开关由三组双向可控硅、两个空气开关以及一个断路器组成，其闭合和断开的驱动信号由DSP产生。

正常工作时，开关Switch1、Switch2、Switch3、Switch4同时闭合，为当地负荷提供电能;当出现电网缺相、电压严重跌落等非正常状况时，由DSP检测出异常情况，做出判断决策，并控制开关的开通与0关断。这时，开通Switch1和Switch2，关断Switch3，保证重要负荷的供电。当逆变器发生故障时，立即断开Switch1，逆变器退出，同时断开Switch4，由电网对重要负荷供电。当逆变器故障消失时，在与电网同步后，开通Switch1，再闭合Switch4，恢复对当地负荷的供电。当需要检修逆变器时，先断开开关Switch2，检修完成后，重新闭合 Switch2。

DC/DC变换器方案设计

DC/DC变换器采用Boost拓扑，实现直流电压的升压功能和蓄电池的最大功率点跟踪(MPPT)。PWM驱动信号由DSP产生，通过采集太阳能电池板的输出电压和电流，计算瞬时输出功率，不断与前一时刻的输出功率相比较，来跟踪太阳能电池板的最大输出功率。

光伏并网系统逆变器要求

并网光伏发电系统的核心是并网逆变器，而此系统中需要专用的逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压、频率等电性能指标的要求。因此并网时，对逆变器提出了较高的要求，主要有：

(1)要求逆变器输出正弦波电流；

(2)要求逆变器在负载和日照变化幅度较大的情况下均能高效运行；

(3)要求逆变器能使光伏方阵工作在最大功率点；

(4)要求逆变器具有体积小、可靠性高的特点；

(5)在市电断电情况下，逆变器在日照时能够单独供电。

光伏并网系统的拓扑结构

光伏并网系统的拓扑结构可分为以下三类：

(1)单级式并网逆变器拓扑

(2)两级式并网逆变器拓扑

(3)多级式并网逆变器拓扑

5kw微网逆变器电路设计

系统的硬件总体图如图2所示。

图2系统硬件图主控制芯片的选择

微网逆变器电源设计

微网逆变器电源系统直接影响逆变器输出的三相交流电和整个系统的稳定性，所以一个稳定的电压系统是逆变器稳定工作又一必要条件。为蓄电池供电的电源系统需要高效率、低纹波。下面分别阐述由外部220V供电和蓄电池供电的电源设计。实验时，可以先用外部220V供电的电源系统;实验完毕成为产品时，为了简化电路，需用内部只带蓄电池供电。

微网逆变器信号调理电路设计

由于DSP不能输入负电压，故逆变器的输出线电压和线电流，电网端的线电压和线电流总共12路信号要通过信号调理才能送入DSP。

电压互感器的选择

此系统输出是三相交流电，输出线电压为380V，故选择TV19E电压互感器，其输出负载电阻可以接0~500Ω，输出交流电压0~2.5V，此系统采用240欧的电阻，输出电压为-1.2V~1.2V。满足DSP的输入要求。电路如图3所示。

图3电压互感器电路图

电流互感器的选择

此系统输出电流小于1A，故选择最大可以测量1A的电压型电流互感器TA1410，负载电阻用是200欧，输出电压为-1V~1V的交流电压。电路如图4所示。

图4电流互感器电路图

同步锁相控制

光伏并网发电系统要实现并网，必须使逆变输出与电网电压的幅度、相位与频率达到一致，否则将会使电网谐波增加、电能质量下降，并产生并网环流，甚至造成光伏发电系统的损坏。因此在并网过程中必须进行同步锁相控制、输出电压幅度控制以满足并网的要求。根据IEEEStd1547-2003规定最大相位误差为 20度，瞬时电压误差不能超过电网电压的10%、最大频率误差不能超过0.3Hz。图5为独立工作模式时纯电阻负载两端的电压波形。

图5独立工作模式时纯电阻负载两端的电压波形

孤岛检测与保护

孤岛效应是包括光伏发电在内的分布式能源必须重视的一个重要问题。所谓孤岛效应是指在分布式能源系统逆变器并网工作过程中，当市电输入被人为断开或出现故障而停止供电时，逆变器仍持续向局部电网供电，从而使本地负载的供电电源继续处于工作状态。