CN203562977U

CN203562977U - Buck-Boost型拓扑结构的光伏逆变电源

Info

Publication number: CN203562977U
Application number: CN201320655784.2U
Authority: CN
Inventors: 田晓燕; 郑玉莲; 龙鹏; 孙频东
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2023-10-23

Abstract

本实用新型提供了一种Buck-Boost型拓扑结构的光伏逆变电源，包括光伏阵列、保护用二极管D1、输入侧和输出侧的滤波电容、全桥电路和储能电感。全桥电路中，二极管D1的阳极连接在光伏阵列的正极上，阴极与功率管T1、T2的漏极相连接，T1和T2管的源极分别与T3和T4管的漏极相连接，T3和T4管的源极连接在光伏阵列的负极上；功率管T1的源极与功率管T2的源极之间接上储能电感，二极管D2的阳极和二极管D4的阴极与T2管的源极相连接，二极管D2、D3的阴极连接功率管T5的漏极，二极管D4、D5的阳极连接功率管T5的源极，二极管D3的阳极和二极管D5的阴极连接输出侧滤波电容C的一端。通过采用新型Buck-Boos逆变拓扑结构，本实用新型可增加输出交流电压的调节幅度。

Description

Buck-Boost型拓扑结构的光伏逆变电源

技术领域

本实用新型涉及一种基于ARM的数字控制光伏逆变电源装置，属于电源技术领域。

背景技术

在光伏发电系统中，由于太阳能电池板的直接输出电压一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为了能向AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电转换成交流电，因此需要使用DC-AC逆变器。为了输出与电网电压同频、同相的正弦交流电，光伏发电系统对逆变器有以下基本要求：

1.具有较高的效率。

2.具有较高的可靠性。

3.直流输入电压有较宽的适应范围。

由此可见，为满足以上性能指标，设计一套合理的逆变拓扑结构和控制策略至关重要。

目前在光伏逆变系统中应用最广泛的拓扑结构是单相全桥和单相半桥逆变电路。其中，单相全桥逆变电路的控制技术比较成熟，直流端电压无需太高，对器件的各项要求都比较低，现阶段的大部分逆变器都应用了这种拓扑结构，但由于用到的开管较多，其驱动电路比较复杂，整体效率也不会太高。而单相半桥逆变电路虽然结构相对简单，使用的功率器件也较少，能在一定程度上提高逆变效率，但是其输出交流电压的幅值仅为直流侧电压的1/2，因此需要提高直流输入电压，同时逆变电路器件的耐压能力也要相应提高，从而导致逆变效率降低。

基于以上考虑，本实用新型提出一种基于ARM控制的和Buck-Boost电路等效的新型全桥逆变电路。

发明内容

为了满足光伏发电系统对逆变器的要求，本实用新型技术设计出一种基于ARM7的Buck-Boost型拓扑结构的光伏逆变电源。

本实用新型采用的技术方案如下：

Buck-Boost型拓扑结构的光伏逆变电源，包括光伏阵列、保护用二极管D1、输入侧和输出侧的滤波电容、全桥电路和储能电感，其中，全桥电路包括功率管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4、功率管T5、二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5；二极管D1的阳极连接在光伏阵列的正极上，阴极与功率管T1和功率管T2的漏极相连接，功率管T1和功率管T2的源极分别与功率管T3和功率管T4的漏极相连接，功率管T3和功率管T4的源极连接在光伏阵列的负极上；功率管T1的源极与功率管T2的源极之间接上储能电感，二极管D2的阳极和二极管D4的阴极与功率管T2的源极相连接，二极管D2、二极管D3的阴极连接功率管T5的漏极，二极管D4、二极管D5的阳极连接功率管T5的源极，二极管D3的阳极和二极管D5的阴极连接输出侧滤波电容C的一端，电容C的另一端连接功率管T3的漏极，负载电阻并联在电容C两端。

本实用新型的装置采用新型Buck-Boos逆变拓扑实现DC/AC变换，可增加输出交流电压的调节幅度，降低对光伏器件输出电压的要求。

附图说明

图1新型Buck-Boost DC/AC全桥逆变电路拓扑图；

图2正半周DC/AC逆变等效电路；(a)为正半周第一阶段的等效电路的回路1，(b)为正半周第一阶段的等效电路的回路2，(c)为正半周第二阶段的等效电路图；

图3负半周DC/AC逆变等效电路；(a)为负半周第一阶段的等效电路的回路1，(b)为负半周第一阶段的等效电路的回路2，(c)为负半周第二阶段的等效电路图；

图4实用新型的系统结构图；

图5实用新型的光耦隔离和全桥驱动电路图；

图6程序设计流程图；(a)为主程序流程图，(b)为定时器1中断服务程序流程图，(c)为A/D中断响应子程序流程图，(d)为定时器2中断服务程序流程图；

图7驱动信号波形；(a)为开关管T1、T4的驱动信号,(b)为开关管T2、T3驱动信号和开关管T1、T4驱动信号的时序关系，(c)为开关管T5的驱动信号，(d)为开关管T5驱动信号与开关管T1、T4驱动信号或者开关管T2、T3驱动信号的互补关系；

图8输出交流电压的波形。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型的技术实施主要包括以下几个方面：

（1）主电路设计。本实用新型的电路拓扑结构如图1所示。光伏逆变电源系统由光伏阵列、输入侧和输出侧的滤波电容、全桥电路和储能电感组成。在正半周期时，开关管T2、T3截止，第一阶段开关管T1、T4导通，开关管T5截止，等效电路如图2(a)所示，电感充电储存能量，电容C向负载提供能量；第二阶段开关管T1、T4截止，开关管T5导通，等效电路如图2(b)所示，电感释放能量，向负载供电，电容C储能。在负半周期时，开关管T1、T4截止，第一阶段开关管T2、T3导通，开关管T5截止，等效电路如图3(a)所示，电感反方向充电储能，电容C向负载反向提供能量，负载电流方向和正半周期时相反；第二阶段开关管T2、T3截止，开关管T5导通，等效电路如图3(b)所示，电感释放能量,向负载反向供电，电容C储能。从等效电路可以看出，整个电路工作原理和Buck-Boost电路相同。

（2）控制方法及其实现。本实用新型采用单周期控制策略，单周期控制是一种典型实用的非线性控制技术。单周期控制的基本工作原理为，在一个开关周期内，采集反馈电压Vg，经过比例积分环节后再与给定的参考电压进行比较，根据比较器的输出实时改变PWM波形的占空比，配合极性控制，从而使输出波形按正弦规律变化。单周期控制能使控制点输出波形严格按照给定参考电压变化，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差。另外单周期控制技术实现简单，且动态响应速度快，在此逆变电路中采用该技术，可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。

（3）驱动电路设计。驱动电路包括光耦隔离电路、全桥驱动电路两个部分。由主控制器产生的PWM触发信号先接到光耦隔离模块，经电-光-电转化后再传输到全桥驱动模块，最后的输出的PWM信号就可以直接触发各个开关管了。

Buck-Boost逆变电源的系统结构图如图4所示，以ARM控制器为主控制器，每个中断周期都能根据反馈信号实时改变驱动信号的占空比，经过光耦隔离，驱动电路，控制开关管的导通与关断，实现新型全桥电路的单极性正弦逆变，并在必要的时候关闭输出，保护电路。

1.首先搭建如图1所示的实验主电路，即实用新型Buck-Boost全桥逆变电路，直流侧输入电压为80V。主电路选用5个MOSFET功率管IRFP250N构成全桥电路，其反向耐压达200V，最大电流达33A，满足主电路的要求；MOSFET管导通压降极小，导通电阻只有0.073Ω，而且驱动比较简单可靠。

电源正极与保护用二极管D1的阳极相连接，再将二极管D1的阴极与T1、T2管的漏极相连接，它们的源极分别与T3、T4管的漏极相连接，T3、T4管的源极连接在电源的负极上，输入侧电容Cg连接在二极管D1的阴极和电源负极之间。T1管的源极与T2管的源极之间接上电感，二极管D2的阳极和D4的阴极与T2管的源极相连接，二极管D2、D3的阴极连接T5管的漏极，二极管D4、D5的阳极连接T5的源极，二极管D3的阳极和D5的阴极连接输出侧滤波电容C的一端，C的另一端连接T3管的漏极，负载电阻并联在电容C两端。即直流电源经过五个开关管构成的Buck-Boost型桥式电路进行逆变，再经输出侧的滤波电容C进行滤波，最后输出满足要求的正弦交流电压。

2.为了减少主电路和控制电路间的相互干扰，确保系统稳定运行，需要在控制回路和驱动回路之间添加隔离模块。本设计中选用光耦芯片NEC2501将ARM控制回路和驱动回路隔离。NEC2501是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响，可大大提高工作电路的可靠性。驱动芯片选用的是IR公司生产的半桥驱动芯片IR2111，其内部采用自举技术，用一片IR2111可完成两个开关管的驱动任务，减少了驱动电路对电源的需求，并具有完善的保护功能。芯片内部自动设置650ns死区时间，能够有效地防止上下管直通。本实用新型的光耦隔离和全桥驱动电路如图5所示。

3.本实用新型采用意法半导体公司的Arm Cortex-M3系列处理器STM32F103ZET6作为主控制器，实现本实用新型Buck-Boost逆变电源电路的控制。该控制器为基于ARM核心的32位微控制器，带512K片内Flash，最高工作频率为72MHz，集成单周期乘法和硬件除法，ADC采样的转化速率高，满足逆变器控制要求。同时，STM32F103ZET6外设丰富，中断响应迅速，主控制器主要完成驱动信号的产生，过压过载，欠压过流保护。

控制电路采用了ARM7来实现数字单周期控制，可以很好的抑制输出电压的扰动，使系统具有良好的跟随特性和较强的抗扰动性，提高了输出电压瞬态响应的速度和稳定度，改善逆变电路的性能。同时，该控制电路也比较简单可靠，可以大大缩小系统的体积，是一种高性价比的控制方案。

STM32F103ZET6内嵌3个12位的模拟/数字转换器(ADC)和4个可同步运行的通用定时器(TIM2-TIM5)。每个ADC共用多达21个外部通道，可以实现模拟信号到数字信号的单次或扫描转换。而每个通用定时器都有一个16位的自动加载递加/递减计数器、一个16位的预分频器和4个独立的通道，可以产生四路相互独立的PWM波。本系统采用ADC1采集反馈信号，经控制程序计算出实时占空比，再由通用定时器TIM3产生两路PWM，经过相应的驱动电路和逻辑电路来控制5个开关管的开通和关断。软件设计主要是围绕控制部分展开的，主要完成驱动信号的产生，关键的设计流程图如图6所示，其中(a)为主程序流程图，(b)为定时器1中断服务程序流程图，(c)为A/D中断响应子程序流程图，(d)为定时器2中断服务程序流程图。

由Buck-Boost电路的工作原理可以得到，

V_{o} = \frac{D}{1 - D} V_{g} - - - (1)

其中V₀为输出电压，V_g为输入电压，D=τ/Ts为占空比，Ts为开关管的切换周期，τ为为正半周开关管T1、T4导通时间，或负半周T2、T3导通时间。通过调整D的大小可以使输出的交流电压V₀的幅值发生变化：当0<D<0.5时，输出电压幅值小于输入直流电压值；当0.5<D<1时，输出电压幅值可大于输入直流电压值。由(1)式可知，为了使输出电压为正弦值，应该满足

即只需控制Buck-Boost电路开关管的占空比D按所示的规律变化，配合极性控制，则可输出正弦电压V₀，调整k_v的值可以改变输出电压的幅值。

4.系统还设置了过载过流保护，当采集的电流信号超过设定值时，便会封锁PWM输出，使通道处于无效电平状态，快速关断功率开关管。关断MOSFET管后，系统会根据电流的变化情况判断是重启还是保持关断。

5.使用万用表测试电路是否可靠连接，确认无误后，运行信号电路，检测驱动端电压是否正常，再加载主电路电源。本设计中D_max=0.8，开关管的工作频率为20kHz。使用示波器测试电路关键点的波形，并记录。实验测得由ARM单周期控制产生的驱动信号波形如图7所示，其中图7（a）为开关管T1、T4的驱动信号，T2、T3的驱动信号和T1、T4的驱动信号分别在正、负半周有效，如图7（b）,开关管T5的驱动信号如图7(c)，该驱动信号在正半周与T1、T4的驱动信号互补，在负半周与T2、T3的驱动信号互补，如图7（d）。输出交流电压波形如图8所示，从图中可以看出输出电压的波形稳定，几乎不存在畸变。

Claims

1.Buck-Boost型拓扑结构的光伏逆变电源，包括光伏阵列、保护用二极管D1、输入侧和输出侧的滤波电容、全桥电路和储能电感，其特征在于，全桥电路包括功率管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4、功率管T5、二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5；二极管D1的阳极连接在光伏阵列的正极上，阴极与功率管T1和功率管T2的漏极相连接，功率管T1和功率管T2的源极分别与功率管T3和功率管T4的漏极相连接，功率管T3和功率管T4的源极连接在光伏阵列的负极上；功率管T1的源极与功率管T2的源极之间接上储能电感，二极管D2的阳极和二极管D4的阴极与功率管T2的源极相连接，二极管D2、二极管D3的阴极连接功率管T5的漏极，二极管D4、二极管D5的阳极连接功率管T5的源极，二极管D3的阳极和二极管D5的阴极连接输出侧滤波电容C的一端，电容C的另一端连接功率管T3的漏极，负载电阻并联在电容C两端。

2.根据权利要求1所述的Buck-Boost型拓扑结构的光伏逆变电源，其特征在于，所述全桥电路的驱动电路包括光耦隔离电路、全桥驱动电路两个部分。

3.根据权利要求1或2所述的Buck-Boost型拓扑结构的光伏逆变电源，其特征在于，所述全桥电路的控制电路和驱动电路之间添加隔离模块。

4.根据权利要求3所述的Buck-Boost型拓扑结构的光伏逆变电源，其特征在于，所述隔离模块为光耦芯片NEC2501。