基于TMS320F2802的实施并网微型太阳能逆变器设计

摘要
可再生能源应用的迅猛发展将引发第四次工业革命。光伏发电是整个可再生能源方案的关键部分。在所有太阳能逆变器中，微型太阳能逆变器是至关重要的组成部分。

本文将为您介绍如何利用一个TMS320F2802设计一种低成本、高性能的微型太阳能逆变器。另外，文章还将讨论如何使用交叉式有源钳位反激和SCR全桥实现一个220W输出的微型太阳能逆变器，并介绍完整的系统固件架构和控制方法。最后，文章还会为您展示实验室波形。

1 概述
1．1 太阳能逆变器介绍
材料、能源和信息是人类生存和发展的三大要素。能源利用的每一次新发现，都会极大改变和促进现代文明的发展：
蒸汽机的发明让我们进入机器时代。
电的发明让我们进入电气时代。
半导体晶体管的发明让我们进入信息时代。

当前可再生能源的发展和利用将引发第四次工业革命；在所有可再生能源利用方法中，光伏发电是整个可再生能源发展的关键组成部分。根据世界能源组织预测，随着传统能源（例如：煤炭、石油等）逐渐枯竭，可再生能源将成为人类的主要能源。图1显示了世界能源的发展趋势。

图 1 世界能源发展趋势

各国政府都对可再生能源的发展投以极大关注。2007年，中国政府称"可再生能源可满足国家长期发展规划的需求"，而在2008年，中国政府便发布了可再生能源第11个五年发展计划。根据该计划要求，中国2010年的光伏发电装机容量需达到2,500亿瓦；据估计，到2020年，中国光伏发电装机容量将达到50,000亿瓦，其中并网光伏发电占75%。

太阳能光伏发电的主要优点包括：
太阳能很丰富，无穷无尽。
生产PV板的材料分布广泛，并储备丰富。
系统结构简单，转换效率高。
无污染，并且可循环利用。
光伏电池寿命长，维护成本低。

太阳能光伏发电的缺点包括：
功率密度低，占用面积大。
发电受限于自然条件，没有太阳就无法发电。
单位生产成本高。

1.2 光伏发电系统分类
根据应用环境，光伏发电系统可分为非入网太阳能逆变器系统和入网太阳能逆变系统。

非入网太阳能逆变器系统主要用于独立组建的光伏发电系统，适用于家庭、农村、岛屿、偏远地区、城市照明以及电源系统的通信、测试与应用。图2为一个系统结构图，其描述了太阳能板组件、太阳能逆变单元、储能单元、电负载等主要组成部分。

图 2 非入网太阳能逆变器系统

入网太阳能逆变器系统主要用于同传统电网连接，太阳能逆变器把来自PV板的电能连接传统电网，其主要组成为太阳能板、太阳能逆变器、智能双向电量计、家庭用电负载和传统电网等（参见图3）

图 3 入网太阳能逆变器系统

1.3 PV板电气特性
太阳能逆变器功率输出变化几乎与阳光直接相关，但是电流减少的速度远快于光照水平下降的速度。在极低光照水平下PV板一般会产生16V的电压，但是电流却极少。

另外，随着PV板温度升高，电压输出下降，反之亦然。输出曲线随光照条件、温度等而变化，如图4所示。

太阳能逆变器必须工作在MPP下，以获得来自PV板的最大电能。这是通过最大功率点控制环路（最大功率点追踪器，MPPT）来实现的。

图4 PV板电气特性

1.4 太阳能逆变器拓扑改变
随着照度的变化，PV板的输出电压范围为20到45伏，因此如果入网应用需要更高的输出电压，则通常会考虑并串联PV板以获得高输入电压，并使用一个逆变器来实现电能转换。这种拓扑结构被称作"中央逆变器"，如图5（a）所示；它的主要特点是：

10到250kw，3相，数个并联串
转换器效率高，成本低，可靠性低
非最佳MPPT
通常用于发电厂

图 5 中央与串型拓扑

另一种应用是在所有串分支把PV板串联以实现能量转换。使用一个MPPT模块，用于获得PV板的最大电能。这种拓扑被称作"串型逆变器"，如图5（b）所示；它的主要特点是：

1到10kw，典型的住宅型应用。
每个串分支都有其自己的逆变器，用于实现更佳的MPPT。
各串可以有不同的方向。
三相逆变器，用于5km以上输出功率。

尽管这种串型逆变器可以获得更的电能收集效率，但是当一个串联PV板被阴影遮挡时，该串分支的电能收集也随之下降，如图6（a）所示。如果放置一个MPPT模块来收集所有PV板的电能，则可解决这个问题。这种拓扑被称作"微型逆变器"，如图7所示。

图 6 阴影对电能收集的影响情况

图 7 微型逆变器拓扑

很明显，就微型逆变器而言，"分布式MPPT"架构增加了每PV板成本；但是，通过回收下列效率损失可将效率提高5%到25%：

PV板错配损耗（3%到5%）
部分阴影损耗（5%到25%）
简单的系统设计，更宽松的故障容限（0%到15%）
次优MPPT损耗（3%到10%）
另外，增加安全性和建筑面积（屋顶）利用

因此，如果我们选择微型逆变器拓扑，则会牺牲转换器效率，但是会让电能收集变得更高效。