德州仪器（TI） 5KW微网逆变器系统设计方案

中心议题：

*基于TI微处理器的微逆变器设计方案

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15KW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。

蓄电池充放电设备设计

蓄电池充放电设备的硬件电路采用Buck-Boost拓扑，驱动信号由PIC单片机产生。充电时根据当前蓄电池状态，启用均充模式或者浮充模式，实现对蓄电池的智能化充电。当系统需要蓄电池放电时，由PIC单片机产生PWM驱动脉冲，实现蓄电池对负载的放电。

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

控制芯片要实现的功能有:对检测信号进行A/D转换;产生PWM波形;完成MPPT;电能计量和反孤岛效应的计算过程。控制电路的核心器件采用美国TI公司的TMS320F2812DSP(简称2812)。

逆变器的设计

逆变器是光伏并网发电系统的核心部件，选择高可靠性的逆变模块是电路正常工作的必要条件。下面对IPM(智能功率模块)组成逆变器和分离元件组成逆变器进行分别阐述。

IPM逆变模块介绍

IPM是一种先进的功率开关器件，具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的特点，并具有MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗高开关频率和低驱动功率等优点。IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也增强了系统的可靠性。

IPM逆变模块保护电路设计

IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道，软件保护不需要增加硬件，简便易行，但可能受到软件设计和计算机故障的影响;硬件保护则反应迅速，工作可靠。应用中软件与硬件结合的方法能更好的弥补IPM自身保护的不足，提高系统的可靠性。

由IR2130组成逆变模块电路设计

IR2130是600V以下高压集成驱动器件，它具有六路输入信号和六路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，一片IR2130可替代3片IR2110，使整个驱动电路更加简单可靠。

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。

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。