随着人类社会的发展，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视。太阳能光伏利用的主要形式为太阳能光伏并网系统，在此背景下，研究人员在太阳能光伏并网系统的硬件设计、控制算法研究、系统仿真等方面进行了深入探索。
500W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。
500W微网逆变器系统结构图
1.微网逆变器设计
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进行隔离升压，并变成三相四线输出。
2.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。
3. 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。
4.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。
500W微网逆变器电路设计
系统的硬件总体图
1.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）。
2. 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。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。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。
3.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输出的三相交流电，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。对于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。对于实验时，可以先用外部220V供电的电源系统，对于实验完毕成为产品，为了简化电路，需用内部只带蓄电池供电。
4.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。
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0～500欧，输出交流电压0～2.5V，此系统采用240欧的电阻，输出电压-1.2V～1.2V。满足DSP的输入要求。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-1～1V的交流电压。由于DSP输入端不能输入负电平，故要对电压互感器和电流互感器的信号进行+1.25V的提升，使输入信号在0～3.3V之间。
5.微网逆变器开关驱动电路设计
为了实现微网逆变器、负载、电网间的连接，当电路出现故障，需要快速的切换，故电路中使用了静态开关（晶闸管），交流接触器，空气开关。
6. 微网逆变器电能计量电路设计
本系统采用两块ATT7022B分别对逆变器侧和电网侧进行电能计量ATT7022B是一款高精度三相电能专用计量芯片，集成了6路差分输入二阶 sigma-delta ADC，适用于三相三线和三相四线应用，在输入动态工作范围（1000：1）内非线性测量误差小于0.1％。主要功能包括：电能计量、参数测量、数字接口和数字校准。
7.微网逆变器DC-DC电路设计
为了输入实现MPPT，输入DC-DC采用BOOST电路。采用SG3525作为主控芯片。
8.微网逆变器蓄电池充放电电路设计
智能充放电器采用升降压拓扑结构，并用PIC单片机进行智能控制，电路既包括智能充电电路，也包括智能发电电路。
9. 微网逆变器变压器设计
本系统逆变其输出三相交流电线电压为190V，结果三相升压变压器（变比1:2）升压到380V，并采用△-Ｙ接法，功率500W。此变压器起升压作用，另外起隔离作用。
软件设计和测试结果
根据前面分析讨论，研制一套基于TI公司的DSP芯片TMS320LF2812的500W光伏并网发电装置，由于DSP强大的控制能力和数据处理能力，使整机硬件结构较为简单，除了主电路、取样检测电路和驱动电路外，所有的运算、数据处理均由DSP完成。因此合理有效的控制策略和简洁软件构架是该系统可靠运行的有力保证。根据前面的分析和光伏并网发电系统的基本要求，DSP应该完成最大功率点跟踪控制、独立供电运行控制、同步锁相与并网控制、孤岛检测保护控制及相应的其它保护。本章主要根据上述要求给出相应的软件架构及主要实验结果。
系统的整体软件构架
微网逆变光伏发电系统的目的是将光伏器件产生的电能优先供给本地负载使用，多余的电量回馈给电网，软件的设计不仅要准确可靠地体现控制思想，而且要保证系统稳定可靠，防止干扰信号对系统的影响。
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IEEE Std 1547-2003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。
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。
作者：黄华
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