500W光伏并网逆变器方案设计

光伏并网发电系统是光伏系统发展的趋势。根据光伏并网发电系统的特点,设计了一套额定功率为500W的光伏并网逆变器,该并网逆变器能实现最大功率跟踪和反孤岛效应控制功能,控制部分采用基于TMS320F240型DSP的电流跟踪控制策略,实现了与网压同步的正弦电流输出。

关键词：太阳能;光伏系统;最大功率点跟踪;孤岛效应;并网逆变器

1 引言

　　太阳能的大规模应用将是21世纪人类社会进步的重要标志,而光伏并网发电系统是光伏系统的发展趋势。光伏并网发电系统的最大优点是不用蓄电池储能,因而节省了投资,系统简化且易于维护。这类光伏并网发电系统主要用于调峰光伏电站和屋顶光伏系统。目前,美、日、欧盟等发达国家都推出了相应的屋顶光伏计划,日本提出到2010年要累计安装总容量达50 000MW的家用光伏发电站。作为屋顶光伏系统的核心,并网逆变器的开发越来越受到产业界的关注[1]。

2 光伏并网系统设计

2.1 系统结构

光伏并网逆变器的结构如图1所示。光伏并网逆变器主要由二部分组成：前级DC-DC变换器和后级DC-AC逆变器。这2部分通过DClink相连接,DClink的电压为400V。在本系统中,太阳能电池板输出的额定直流电压为100V～170V。DC—DC变换器采用boost结构,DC—AC部分采用全桥逆变器,控制电路的核心是TMS320F240型DSP。其中DC-DC变换器完成最大功率跟踪控制(MPPT)功能,DC-AC逆变器维持DClink中间电压稳定并将电能转换成220V／50Hz的正弦交流电。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频和同相。

2.2 控制电路设计

2.2.1 TMS320F240控制板

　　TMS320F240控制板如图2所示,以TI公司的TMS320F240型DSP为核心,外围辅以模拟信号调理电路、CPLD、数码管及DA显示、通信及串行E2PROM,完成电压和电流信号的采样、PWM脉冲的产生、与上位机的通信和故障保护等功能。

2.2.2 电压和电流信号检测电路

模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为DSP可以读取的弱电数字信号,同时要保证强电和弱电的隔离。笔者选用惠普公司的HCPL7800A型光电耦合器,其非线性度为0.004％,共模电压为l 000V时的共模抑制能力为15kV／lμs,增益温漂为0.000 25V／℃,带宽为100kHz。具体隔离检测电路如图3所示。

2.2.3 IGBT驱动电路

　　DSP控制电路产生的PWM信号先通过驱动电路,然后控制IGBT开关管的开通状态。笔者选用惠普公司的HCPL3120型专用IGBT驱动电路,如图4所示。驱动电路的输入和输出是相互隔离的,驱动电路还有电平转换功能,将DSP的+5V控制电压转换为+15V的IGBT驱动电压,驱动电路电源采用金升阳公司的B0515型隔离电源模块。

2.2.4 辅助电源

　　为了给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供各种工作电源,需要设计1个与主电路隔离的辅助电源。辅助电源的输入电压为100VDC～170VDC;输出的3路电压分别为+15VDC(2.5W)、-15VDC(2.5W)和+5VDC(5W);输出电压波动小于1％。笔者采用最新的Topswitch系列FOP222型电路进行辅助电源的设计[3]。辅助电源主电路采用单端反激式拓扑结构,如图5所示。