一种离网逆变光伏一体机设计

杨楠, 孙梦雨, 赵娟

(西安铁路职业技术学院， 电子信息学院， 陕西， 西安 710014)

0 引言

许多逆变器没有集成MPPT、没有完成市电优先或逆变优先的切换都不太完善，因为从核心控制上，没有一个较为成熟的方案，需要多个芯片协同工作[1-2]。因此为了解决这一问题，必须从核心控制芯片上入手，重新设计一个基于单芯片的方案。

1 设计思路

单芯片控制电路应能满足以下几点[3-4]。

(1) 集成MPPT充电：为了提升效率，设计为单相的BUCK DC-DC方式，结合以前MPPT成熟的经验，专门配合在逆变一体机上。

(2) 集成光伏充电电流检测：通过外部运放，将光伏电流提供给CPU完成MPPT运算，省去过多繁琐的过程。

(3) 集成逆H桥的4路PWM：PWM采用目前效率最高、最稳定的双边调制的SPWM输出，直接从芯片引出4路SPWM，进一步简化外围电路。

(4) 集成市电锁相：采用硬件锁相方式，在芯片内处理市电上的干扰杂波、丢波等一系列的干扰，将逆变输出的交流电压和市电的交流信号严格对称，在有市电或切换时刻，将逆变电压跟随市电的频率、相位；切换完成之后，电压再次恢复到默认值，这样能最大化的保证切换的平稳过渡，无压差。

(5) 集成通讯控制功能：让用户能够设置逆变优先，或者市电优先，并且能够将MPPT数据、逆变数据、市电数据等实时输出，这些是远程控制和监控的基础。

(6) 配合专门开发的电流感测元件：简化短路保护电路，独特的芯片内部短路保护动作电路，在外部发生短路的时候，逆变器执行恒流+电流内环模式，避免烧IGBT和驱动，另外此模式会优化带载功能，3 kW高频机可平稳启动2P空调。

(7) 集成过压，欠压，过温，短路和过载5大保护功能。

基于以上需求拟采用STM32芯片实现以上功能，硬件平台使用控制板+功率主板的分开模式，使用排针对插的结构，便于调试。基本参数如下[5-6]。

① 逆变器额定输入电压24 V，电压范围为DC21-DC30 V

② 输出电压:AC220 V，纯正弦波

③ 输出频率：50 hZ、60 hZ(自动追随市电频率，并记忆)

④ 输出额定功率：2 000 W

⑤ MPPT输入电压范围：PV/30V-180VDC

⑥ MPPT充电电流：30 A

⑦ 市电、逆变切换时间<10 ms

2 设计实现

(1) 辅助电源控制部分：

由于设计的为DC24 V电池输入，CPU和其他的芯片都是低电压供电[7-8]，所以需要采用一个辅助电源来将输入的DC24 V降压到几种合适的电压，提供给芯片、驱动电路供电，使用经典的UC3845芯片做成反激供电，如图1所示，辅助电源产生12 V,5 V和3.3 V电压，12 V电压还有一组隔离，将会提供给逆变的IGBT驱动用，5 V提供给运放，3.3 V提供给CPU。

图1 辅助电源

(2) 逆变升压DC-DC部分：

为了简化升压部分，采用经典的SG3525芯片来实现推挽升压，此电路下部的光耦用来隔离反馈，直接控制SG3525的SD脚，只要升压电压超过DC400 V，光耦会导通，SD脚电压升高，PWM占空比会自动缩减，实现稳压[9-10]，如图2所示。

图2 DC-DC

(3) CPU部分：

采用STM32F103RET6来做主控部分，为64pin芯片, 其中34、35、41和42管脚共4个PWM通道对应的是逆变的H桥，分别驱动左右桥臂的上下管子，产生SPWM，实现正弦波输出。37/38管脚2组PWM用来产生相位交错180度占空比，做BUCK模式的MPPT充电使用，占空比定为0-96%。为了能将PWM信号隔离CPU，不至于CPU受到外面驱动的噪音干扰，把PWM信号，用电平缓冲芯片隔离，这样可以将3.3 V的PWM经过芯片缓冲后，进一步提高抗噪能力。

(4) 市电部分：

市电锁相，同步，VRMS检测首先使用差分将市电电压降低到0-3.3 V,CPU的ADC能检测的范围，另外使用一个比较器，产生市电频率同步方波，进入DSP，用来计算零点和市电周期，程序需要这些参数来实现锁相和同步，如图3所示。

(5) 逆变AC220 V电压、负载电流检测：

使用差分将逆变出来的220 V电压衰减到0-3.3 V对应的信号，输入到CPU的ADC口，程序使用该参数实现AC220 V的电压闭环、瞬时值反馈。

将主板上互感器输出信号在采样电阻上得到一个正弦波电压，经过运放的调理后送入CPU的ADC做IRMS检测，依据参数实现过载保护和功率，电流显示。10:1.65 V基准偏置电压产生将3.3 V电压通过2个同样大小的电阻分压，让运放跟随后，通过1.65 V稳定的偏置，由于交流参数的缘故，此1.65 V用来给各个交流信号做加法器用。

3 总结

本文提出的基于STM32芯片的控制电路经过实验验证，能够完成MPPT充电以及市电优先的无缝切换，并能够完成充电自动管理，且性能良好满足设计要求。