劉威峰 肖金鳳

摘 要：本文介紹了一種基于STM32的并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)方案，采用直接面積等效法生成SPWM波形，控制逆變主回路的輸出及進行相應的保護，并控制直流升壓環(huán)節(jié)完成太陽能光伏電池板的最大輸出功率跟蹤，得到了轉換效率較高的適合并網(wǎng)的交流輸出。

關鍵詞：光伏并網(wǎng);MPPT;STM32;SPWM

中圖分類號：TM464文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0007-04

Abstract： This paper introduced an implementation scheme of a grid-connected inverter based on STM32， which used the direct area equivalent method to generate the SPWM waveform， controled the output of the inverter main circuit and performed corresponding protection， and controled the DC boost link to complete the maximum output power tracking of the solar photovoltaic panel， and obtained an AC output suitable for grid connection with a higher conversion efficiency.

Keywords： photovoltaic grid-connected;MPPT;STM32;SPWM

進入21世紀以來，新能源和可再生能源的開發(fā)利用受到廣泛關注，其中光伏發(fā)電備受矚目。相較于離網(wǎng)儲能方式，光伏電池所發(fā)電量直接并入電網(wǎng)，可提高光電轉換效率。太陽能資源豐富的地區(qū)可采取直接并入電網(wǎng)的方式，避免加入蓄電池時所發(fā)電能反復轉換造成的浪費。同時，可以使發(fā)電系統(tǒng)一直工作在功率最大點，大大提高太陽能轉換為并網(wǎng)電能的效率。

1 系統(tǒng)結構設計

按照逆變過程中能量轉換的級數(shù)，光伏逆變包括單級式拓撲結構和多級式拓撲結構。單級式拓撲結構將升壓、最大功率點追蹤、輸出波形控制這些問題放在一個環(huán)節(jié)進行，使得它的控制過程極為復雜，控制電路比較雜亂，一般很少使用。光伏發(fā)電著重關心的指標是光電轉換效率和整體的穩(wěn)定性。因此，多級式拓撲結構將會更合理。前級可以完成升壓與最大功率的追蹤，后級主要完成直流向交流的轉換。將不同功能的控制過程分散到不同的環(huán)節(jié)實現(xiàn)，可以降低系統(tǒng)的復雜程度，軟硬件的實現(xiàn)都比較方便。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能電池、升壓、逆變、控制、檢測幾部分，升壓與逆變環(huán)節(jié)完成能量的轉換;控制器是整個系統(tǒng)的核心，需要完成控制、檢測及信息傳遞的職能。從輸入點的最大功率跟蹤到輸出波形穩(wěn)定性的檢測，人們要做好信息傳遞、電路保護，整個過程都需要控制器的參與。整體結構框圖如圖1所示。

升壓模塊將光伏電池輸出的電壓提升至合適的大小，使電壓穩(wěn)定且經(jīng)逆變后適合并入電網(wǎng)，可以和后級的逆變環(huán)節(jié)之間建立起直流環(huán)。采集其電壓、電流信號，結合光伏電池的伏安特性曲線完成對最大功率點的追蹤，提升光電轉換的效率。逆變模塊將升壓模塊輸出的電壓逆變?yōu)槟苤苯硬⑷腚娋W(wǎng)的交流電壓，控制程序中的保護措施和繼電保護系統(tǒng)的配合使用可以為光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全提供保障[1]。

如圖1所示，將高性能專用開關電源控制芯片和STM32結合構成控制回路，其分為前級DC/DC升壓模塊和后級DC/AC逆變模塊。前級升壓模塊調(diào)節(jié)電路選用電流控制型PWM控制器KA3525A，根據(jù)反饋電流來改變脈寬。后級DC/AC逆變主回路使用專門的驅動芯片IR2110來驅動橋式逆變電路，用于驅動的SPWM脈沖信號由STM32生成。逆變器的輸出使用濾波電路減少諧波，然后經(jīng)檢測合格再并入電網(wǎng)。

2 硬件設計

2.1 升壓電路設計與分析

升壓電路的結構選用推挽輸出、隔離式的全橋整流電路。此種結構使得二極管不導通時承受的反壓等于交流電壓的幅值，并且變壓器的構成并不復雜。具體電路如圖2所示。

升壓電路選用一片式集成脈寬調(diào)制電路芯片KA3525A作為核心，它可以生成互補的兩路PWM信號輸出。其內(nèi)部的基準電壓源是三端穩(wěn)壓電路，輸出電壓在8～35 V之間變化，可為芯片內(nèi)部或外圍電路提供標準電壓。誤差放大器的同相輸入端接入基準電壓，反向輸入端接入電壓反饋信號，輸出用來調(diào)節(jié)占空比，實現(xiàn)輸出電感電流對誤差電壓變化的跟隨[2]。

2.2 逆變主回路設計與分析

逆變主回路如圖3所示。逆變主電路采用兼有光耦隔離和電磁隔離優(yōu)點的IR2110驅動器來驅動全橋逆變電路。全橋逆變電路的場效應管選擇TSP740，并使用1N4007為其續(xù)流。STM32產(chǎn)生的驅動脈沖信號輸入IR2110后，輸出跟隨輸入變化來驅動全橋逆變電路中的TSP470。

2.3 硬件防死區(qū)設計與分析

若全橋逆變電路的同一橋臂上下管同時導通，則會對系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的損害，因此，要特別重視上下管交替導通的死區(qū)時間。為防止意外輸入的信號導致上下管同時導通，本研究設計了如圖4所示的電路。根據(jù)邏輯電路的輸入輸出關系，硬件防死區(qū)電路中PWM1、PWM2的輸入真值與U3A、U2B、U2C的輸出真值如表1所示。

可見，當PWM輸入同時為高時，輸入IR2110的信號同時為0，且輸出中不會出現(xiàn)同時為高的情況，對逆變電路起到了有效的保護作用。

3 軟件設計

3.1 SPWM波的生成

SPWM波的生成可用多種方法實現(xiàn)，但自然采樣法[3]難以在實時控制中進行在線計算，規(guī)則采樣法[4]精度不高，因此，采用直接面積等效法[5]，用窄脈沖的面積等效被若干等分的各部分面積，并將窄脈沖的開通時間轉換為STM32中對應的占空比，通過查表法改變占空比來實現(xiàn)SPWM波的生成[6]。