Buck-Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變電源的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種Buck-Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變電源，包括光伏陣列、保護(hù)用二極管D1、輸入側(cè)和輸出側(cè)的濾波電容、全橋電路和儲(chǔ)能電感。全橋電路中，二極管D1的陽(yáng)極連接在光伏陣列的正極上，陰極與功率管T1、T2的漏極相連接，T1和T2管的源極分別與T3和T4管的漏極相連接，T3和T4管的源極連接在光伏陣列的負(fù)極上；功率管T1的源極與功率管T2的源極之間接上儲(chǔ)能電感，二極管D2的陽(yáng)極和二極管D4的陰極與T2管的源極相連接，二極管D2、D3的陰極連接功率管T5的漏極，二極管D4、D5的陽(yáng)極連接功率管T5的源極，二極管D3的陽(yáng)極和二極管D5的陰極連接輸出側(cè)濾波電容C的一端。通過(guò)采用新型Buck-Boos逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型可增加輸出交流電壓的調(diào)節(jié)幅度。
【專利說(shuō)明】Buck-Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于ARM的數(shù)字控制光伏逆變電源裝置，屬于電源【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于太陽(yáng)能電池板的直接輸出電壓一般都是DC12V、DC24V、DC48V。為了能向AC220V的電器提供電能，需要將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，因此需要使用DC-AC逆變器。為了輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器有以下基本要求:
[0003]1.具有較高的效率。
[0004]2.具有較高的可靠性。
[0005]3.直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍。
[0006]由此可見(jiàn)，為滿足以上性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)一套合理的逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略至關(guān)重要。
[0007]目前在光伏逆變系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是單相全橋和單相半橋逆變電路。其中，單相全橋逆變電路的控制技術(shù)比較成熟，直流端電壓無(wú)需太高，對(duì)器件的各項(xiàng)要求都比較低，現(xiàn)階段的大部分逆變器都應(yīng)用了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但由于用到的開(kāi)管較多，其驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，整體效率也不會(huì)太高。而單相半橋逆變電路雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，使用的功率器件也較少，能在一定程度上提高逆變效率，但是其輸出交流電壓的幅值僅為直流側(cè)電壓的1/2，因此需要提高直流輸入電壓，同時(shí)逆變電路器件的耐壓能力也要相應(yīng)提高，從而導(dǎo)致逆變效率降低。
[0008]基于以上考慮，本實(shí)用新型提出一種基于ARM控制的和Buck-Boost電路等效的新型全橋逆變電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求，本實(shí)用新型技術(shù)設(shè)計(jì)出一種基于ARM7的Buck-Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變電源。
[0010]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0011]Buck-Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變電源，包括光伏陣列、保護(hù)用二極管D1、輸入側(cè)和輸出側(cè)的濾波電容、全橋電路和儲(chǔ)能電感，其中，全橋電路包括功率管Tl、功率管T2、功率管T3、功率管T4、功率管T5、二極管D2、二極管D3、二極管D4和二極管D5 ;二極管Dl的陽(yáng)極連接在光伏陣列的正極上，陰極與功率管Tl和功率管T2的漏極相連接，功率管Tl和功率管T2的源極分別與功率管T3和功率管T4的漏極相連接，功率管T3和功率管T4的源極連接在光伏陣列的負(fù)極上；功率管Tl的源極與功率管T2的源極之間接上儲(chǔ)能電感，二極管D2的陽(yáng)極和二極管D4的陰極與功率管T2的源極相連接，二極管D2、二極管D3的陰極連接功率管T5的漏極，二極管D4、二極管D5的陽(yáng)極連接功率管T5的源極，二極管D3的陽(yáng)極和二極管D5的陰極連接輸出側(cè)濾波電容C的一端，電容C的另一端連接功率管T3的漏極，負(fù)載電阻并聯(lián)在電容C兩端。
[0012]本實(shí)用新型的裝置采用新型Buck-B00S逆變拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)DC/AC變換，可增加輸出交流電壓的調(diào)節(jié)幅度，降低對(duì)光伏器件輸出電壓的要求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1新型Buck-Boost DC/AC全橋逆變電路拓?fù)鋱D；
[0014]圖2正半周DC/AC逆變等效電路；(a)為正半周第一階段的等效電路的回路1，(b)為正半周第一階段的等效電路的回路2，(c)為正半周第二階段的等效電路圖；
[0015]圖3負(fù)半周DC/AC逆變等效電路；(a)為負(fù)半周第一階段的等效電路的回路1，(b)為負(fù)半周第一階段的等效電路的回路2，(c)為負(fù)半周第二階段的等效電路圖；
[0016]圖4實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖5實(shí)用新型的光耦隔離和全橋驅(qū)動(dòng)電路圖；
[0018]圖6程序設(shè)計(jì)流程圖；(a)為主程序流程圖，(b)為定時(shí)器I中斷服務(wù)程序流程圖，(c)為A/D中斷響應(yīng)子程序流程圖，(d)為定時(shí)器2中斷服務(wù)程序流程圖；
[0019]圖7驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形；(a)為開(kāi)關(guān)管T1、T4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，(b)為開(kāi)關(guān)管T2、T3驅(qū)動(dòng)信號(hào)和開(kāi)關(guān)管Τ1、Τ4驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，(c)為開(kāi)關(guān)管Τ5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，(d)為開(kāi)關(guān)管T5驅(qū)動(dòng)信號(hào)與開(kāi)關(guān)管Tl、T4驅(qū)動(dòng)信號(hào)或者開(kāi)關(guān)管T2、T3驅(qū)動(dòng)信號(hào)的互補(bǔ)關(guān)系；
[0020]圖8輸出交流電壓的波形。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022]本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)施主要包括以下幾個(gè)方面:
[0023](I)主電路設(shè)計(jì)。本實(shí)用新型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏逆變電源系統(tǒng)由光伏陣列、輸入側(cè)和輸出側(cè)的濾波電容、全橋電路和儲(chǔ)能電感組成。在正半周期時(shí)，開(kāi)關(guān)管T2、T3截止，第一階段開(kāi)關(guān)管Τ1、Τ4導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管Τ5截止，等效電路如圖2 (a)所示，電感充電儲(chǔ)存能量，電容C向負(fù)載提供能量；第二階段開(kāi)關(guān)管Tl、T4截止，開(kāi)關(guān)管T5導(dǎo)通，等效電路如圖2(b)所示，電感釋放能量，向負(fù)載供電，電容C儲(chǔ)能。在負(fù)半周期時(shí)，開(kāi)關(guān)管Tl、T4截止，第一階段開(kāi)關(guān)管T2、T3導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管T5截止，等效電路如圖3 (a)所示，電感反方向充電儲(chǔ)能，電容C向負(fù)載反向提供能量，負(fù)載電流方向和正半周期時(shí)相反；第二階段開(kāi)關(guān)管T2、T3截止，開(kāi)關(guān)管T5導(dǎo)通，等效電路如圖3(b)所示，電感釋放能量，向負(fù)載反向供電，電容C儲(chǔ)能。從等效電路可以看出，整個(gè)電路工作原理和Buck-Boost電路相同。
[0024](2)控制方法及其實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型采用單周期控制策略，單周期控制是一種典型實(shí)用的非線性控制技術(shù)。單周期控制的基本工作原理為，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，采集反饋電壓Vg，經(jīng)過(guò)比例積分環(huán)節(jié)后再與給定的參考電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較器的輸出實(shí)時(shí)改變PWM波形的占空比，配合極性控制，從而使輸出波形按正弦規(guī)律變化。單周期控制能使控制點(diǎn)輸出波形嚴(yán)格按照給定參考電壓變化，有效地抑制電源側(cè)的擾動(dòng)，既沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒(méi)有暫態(tài)誤差。另外單周期控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，在此逆變電路中采用該技術(shù)，可以有效地克服傳統(tǒng)電壓反饋控制中的缺陷，同時(shí)也不必考慮電流模式控制中的人為補(bǔ)償。
[0025](3)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路包括光耦隔離電路、全橋驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)部分。由主控制器產(chǎn)生的PWM觸發(fā)信號(hào)先接到光耦隔離模塊，經(jīng)電-光-電轉(zhuǎn)化后再傳輸?shù)饺珮蝌?qū)動(dòng)模塊，最后的輸出的PWM信號(hào)就可以直接觸發(fā)各個(gè)開(kāi)關(guān)管了。
[0026]Buck-Boost逆變電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，以ARM控制器為主控制器，每個(gè)中斷周期都能根據(jù)反饋信號(hào)實(shí)時(shí)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，經(jīng)過(guò)光耦隔離，驅(qū)動(dòng)電路，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)新型全橋電路的單極性正弦逆變，并在必要的時(shí)候關(guān)閉輸出，保護(hù)電路。
[0027]1.首先搭建如圖1所示的實(shí)驗(yàn)主電路，即實(shí)用新型Buck-Boost全橋逆變電路，直流側(cè)輸入電壓為80V。主電路選用5個(gè)MOSFET功率管IRFP250N構(gòu)成全橋電路，其反向耐壓達(dá)200V，最大電流達(dá)33A，滿足主電路的要求；M0SFET管導(dǎo)通壓降極小，導(dǎo)通電阻只有0.073 Ω，而且驅(qū)動(dòng)比較簡(jiǎn)單可靠。
[0028]電源正極與保護(hù)用二極管Dl的陽(yáng)極相連接，再將二極管Dl的陰極與Tl、T2管的漏極相連接，它們的源極分別與T3、T4管的漏極相連接，Τ3、Τ4管的源極連接在電源的負(fù)極上，輸入側(cè)電容Cg連接在二極管Dl的陰極和電源負(fù)極之間。Tl管的源極與Τ2管的源極之間接上電感，二極管D2的陽(yáng)極和D4的陰極與Τ2管的源極相連接，二極管D2、D3的陰極連接Τ5管的漏極，二極管D4、D5的陽(yáng)極連接T5的源極，二極管D3的陽(yáng)極和D5的陰極連接輸出側(cè)濾波電容C的一端，C的另一端連接T3管的漏極，負(fù)載電阻并聯(lián)在電容C兩端。即直流電源經(jīng)過(guò)五個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的Buck-Boost型橋式電路進(jìn)行逆變，再經(jīng)輸出側(cè)的濾波電容C進(jìn)行濾波，最后輸出滿足要求的正弦交流電壓。
[0029]2.為了減少主電路和控制電路間的相互干擾，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要在控制回路和驅(qū)動(dòng)回路之間添加隔離模塊。本設(shè)計(jì)中選用光耦芯片NEC2501將ARM控制回路和驅(qū)動(dòng)回路隔離。NEC2501是常用的線性光藕，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當(dāng)作耦合器件，具有上下級(jí)電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響，可大大提高工作電路的可靠性。驅(qū)動(dòng)芯片選用的是IR公司生產(chǎn)的半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2111，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，用一片IR2111可完成兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，減少了驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電源的需求，并具有完善的保護(hù)功能。芯片內(nèi)部自動(dòng)設(shè)置650ns死區(qū)時(shí)間，能夠有效地防止上下管直通。本實(shí)用新型的光耦隔離和全橋驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。
[0030]3.本實(shí)用新型采用意法半導(dǎo)體公司的Arm Cortex_M3系列處理器STM32F103ZET6作為主控制器，實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型Buck-Boost逆變電源電路的控制。該控制器為基于ARM核心的32位微控制器，帶512K片內(nèi)Flash，最高工作頻率為72MHz，集成單周期乘法和硬件除法，ADC采樣的轉(zhuǎn)化速率高，滿足逆變器控制要求。同時(shí)，STM32F103ZET6外設(shè)豐富，中斷響應(yīng)迅速，主控制器主要完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，過(guò)壓過(guò)載，欠壓過(guò)流保護(hù)。
[0031]控制電路采用了 ARM7來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字單周期控制，可以很好的抑制輸出電壓的擾動(dòng)，使系統(tǒng)具有良好的跟隨特性和較強(qiáng)的抗擾動(dòng)性，提高了輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)的速度和穩(wěn)定度，改善逆變電路的性能。同時(shí)，該控制電路也比較簡(jiǎn)單可靠，可以大大縮小系統(tǒng)的體積，是一種高性價(jià)比的控制方案。
[0032]STM32F103ZET6內(nèi)嵌3個(gè)12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和4個(gè)可同步運(yùn)行的通用定時(shí)器(--Μ2---Μ5)。每個(gè)ADC共用多達(dá)21個(gè)外部通道，可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的單次或掃描轉(zhuǎn)換。而每個(gè)通用定時(shí)器都有一個(gè)16位的自動(dòng)加載遞加/遞減計(jì)數(shù)器、一個(gè)16位的預(yù)分頻器和4個(gè)獨(dú)立的通道，可以產(chǎn)生四路相互獨(dú)立的PWM波。本系統(tǒng)采用ADCl采集反饋信號(hào)，經(jīng)控制程序計(jì)算出實(shí)時(shí)占空比，再由通用定時(shí)器--Μ3產(chǎn)生兩路PWM，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路和邏輯電路來(lái)控制5個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。軟件設(shè)計(jì)主要是圍繞控制部分展開(kāi)的，主要完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，其中(a)為主程序流程圖，(b)為定時(shí)器I中斷服務(wù)程序流程圖，(c)為A/D中斷響應(yīng)子程序流程圖，(d)為定時(shí)器2中斷服務(wù)程序流程圖。
[0033]由Buck-Boost電路的工作原理可以得到，
[0034]
【權(quán)利要求】
1.Buck-Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變電源，包括光伏陣列、保護(hù)用二極管D1、輸入側(cè)和輸出側(cè)的濾波電容、全橋電路和儲(chǔ)能電感，其特征在于，全橋電路包括功率管Tl、功率管T2、功率管T3、功率管T4、功率管T5、二極管D2、二極管D3、二極管D4和二極管D5 ;二極管Dl的陽(yáng)極連接在光伏陣列的正極上，陰極與功率管Tl和功率管T2的漏極相連接，功率管Tl和功率管T2的源極分別與功率管T3和功率管T4的漏極相連接，功率管T3和功率管T4的源極連接在光伏陣列的負(fù)極上；功率管Tl的源極與功率管T2的源極之間接上儲(chǔ)能電感，二極管D2的陽(yáng)極和二極管D4的陰極與功率管T2的源極相連接，二極管D2、二極管D3的陰極連接功率管T5的漏極，二極管D4、二極管D5的陽(yáng)極連接功率管T5的源極，二極管D3的陽(yáng)極和二極管D5的陰極連接輸出側(cè)濾波電容C的一端，電容C的另一端連接功率管T3的漏極，負(fù)載電阻并聯(lián)在電容C兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Buck-Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變電源，其特征在于，所述全橋電路的驅(qū)動(dòng)電路包括光耦隔離電路、全橋驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的Buck-Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變電源，其特征在于，所述全橋電路的控制電路和驅(qū)動(dòng)電路之間添加隔離模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Buck-Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變電源，其特征在于，所述隔離模塊為光耦芯片NEC2501。
【文檔編號(hào)】H02M7/5387GK203562977SQ201320655784
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】田曉燕, 鄭玉蓮, 龍鵬, 孫頻東 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)