并网光伏微型逆变器设计

本应用参考设计简略描述了单级并网太阳能（PV）微型逆变器主要原理。

本设计主要使用了一颗ST公司的STM32F4系列处理器，该处理器是基于ARM1Cortex?-M4内核具有浮点运算，168MHZ的高速处理能力，增强的单周期DSP处理指令。可以进行一些复杂的计算。控制PV电池板流向电网的功率。此处理器还执行MPPT算法、故障控制，以及可选的数字通信程序。而前级使用了宽范围输入的反激DC-DC来产生与电网同相和同步的正弦输出电压和电流。

此微型逆变器的设计目标是可连接到这样的PV模块：

在22VDC至50VDC的输入电压范围内，可输出最大200W的功率，最大开路电压为55VDC。

本设计的要求如下所列：

▲最大输出功率=185W

▲标称输出电压=230V

▲标称输出电流=0.8A

▲输出电压范围=180VAC-264VAC

▲标称输出频率=50Hz

▲输出频率范围=48Hz-52Hz

▲功率因数=>0.96

▲总谐波失真=5%

▲最大效率=96%

▲最大功率点追踪=99.5%

▲最小效率>0.8

并网光伏微型逆变器参考设计的框图如图1所示。

本系统主要分7大块，PV组件、辅助电源、光伏微型逆变器、EIM滤波、STM32F4、LCD显示与键盘。这里最主要的是，光伏微型逆变器和STM32F4所以本应用设计主要对这两块做主要介绍。光伏微型逆变器硬件架构

光伏微型逆变器，如图1所示主要分两大块，前面是DC/DC升压及MPPT后面是DC/AC桥式换向。

微逆变器电路工作原理：

把半波的直流电压通过四个可控硅进行换向，变成了上下波的交流电压。通常专用术语把此半波称为馒头波，如图2微逆变的工作原理波形变换图：

由交错反激构成的微逆变器硬件框图，如图3：

微逆变器的主要原理：

如图3主要有两块组成，交错反激电路和桥式换向电路。

交错反激电路主要功能：

如图3虚线框内，来自PV的低压直流电，经交错反激电路升压到最高400V左右的峰值电压，然后在电容上形成具有正弦特性的直流半波电压。也叫馒头波，如图2。

桥式换向电路：

四个可控硅接成的桥式电路，把半波的直流电压，变成上下变换的交流正弦波，桥式可控硅的换向频率工作在低频50HZ波形图如图2。SCR桥式框图如图3A：光伏微型逆变器软件架构

本并网太阳能微型逆变器参考设计由单个STM32F4器件控制，如图4光伏微型逆变器框图

中的系统框图所示。

STM32F4器件是此光伏微型逆变器设计的核心，控制着系统的所有关键操作以及后台处理。STM32F4的功能主要分以下5类：

▲ 多工作模式的微逆变器的状态机

▲ 最大功率算法（MPPT）

▲ 数字锁相环（PLL）

▲ 系统孤岛检测与故障处理

▲ 功率转换

此光伏微型逆变器软件结构的高级别框图如图5所示，此软件主要分为两部分：

▲界面软件

▲光伏微型逆变状态机

软件架构

此并网光伏微型逆变器软件实现了状态机来确定系统的工作模式。状态机在定时器中断服务程序（ISR）内每隔100μs执行一次。状态机对片上外设进行配置以执行正确的功率变换算法。当系 统刚开启时，状态机会检查所有的输入和输出条件以及故障。如果输入和输出在指定范围之内且没有故障，则系统状态机会将系统切换到启动模式。然后状态机会在启动模式下再次检查系统条件，并将所有必需的变量和外设初始化以开始正常模式工作，然后切换到白天模式（DAY_MODE）。如果电网出现故障，状态机会将系统状态切换到系统错误（SYSTEM_ERROR）模式，而如果电网状态良好但PV电池板电压没有在指定限值内，状态机会将系统切换到晚上模式（NIGHT_MODE）。

系统状态初始化

当太阳能微型逆变器开启时，系统会进入初始化程序，将其所有外设、变量和常量初始化。系统的状态将初始化为系统启动状态。状态机首先监视所有系统变量和输入输出的状态。如果检测到任何故障，它会检查：

?电网电压条件

?电网频率条件

?逆变器输出交流电流条件

?PV电池板电压条件

?反激MOSFET电流条件

以下部分将描述本参考设计的每一种工作模式。

图6显示了本参考设计的软件状态图：

本状态结构总共有四个状态，分别是

系统启动状态SYSTEM_STARTUP

系统错误状态SYSTEM_ERROR

白天模式 DAY_MODE

黑夜模式 NIGHT_MODE

▲SYSTEM_STARTUP

如果上面描述的任一条件没有在指定限值之内，则状态机会将系统状态切换到SYSTEM_ERROR模式。如果所有条件均在指定限值范围之内，状态机将首先计算输入PV电压和输出电网电压及其频率然后设置ss_Flag系统启动标志以启动系统使其正常工作。它会重新初始化所有必需的控制环变量，以确保在PWM初始切换期间的可靠工作。在将所有必需的控制环变量初始化之后，系统状态会切换到DAY_MODE工作模式。在以SYSTEM_STARTUP模式工作期间，系统会持续检查指定的所有条件