基于STM32的光伏并网逆变器设计

刘威峰 肖金凤

摘 要：本文介绍了一种基于STM32的并网逆变器实现方案，采用直接面积等效法生成SPWM波形，控制逆变主回路的输出及进行相应的保护，并控制直流升压环节完成太阳能光伏电池板的最大输出功率跟踪，得到了转换效率较高的适合并网的交流输出。

关键词：光伏并网;MPPT;STM32;SPWM

中图分类号：TM464文献标识码：A文章编号：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

进入21世纪以来，新能源和可再生能源的开发利用受到广泛关注，其中光伏发电备受瞩目。相较于离网储能方式，光伏电池所发电量直接并入电网，可提高光电转换效率。太阳能资源丰富的地区可采取直接并入电网的方式，避免加入蓄电池时所发电能反复转换造成的浪费。同时，可以使发电系统一直工作在功率最大点，大大提高太阳能转换为并网电能的效率。

1 系统结构设计

按照逆变过程中能量转换的级数，光伏逆变包括单级式拓扑结构和多级式拓扑结构。单级式拓扑结构将升压、最大功率点追踪、输出波形控制这些问题放在一个环节进行，使得它的控制过程极为复杂，控制电路比较杂乱，一般很少使用。光伏发电着重关心的指标是光电转换效率和整体的稳定性。因此，多级式拓扑结构将会更合理。前级可以完成升压与最大功率的追踪，后级主要完成直流向交流的转换。将不同功能的控制过程分散到不同的环节实现，可以降低系统的复杂程度，软硬件的实现都比较方便。

光伏并网发电系统包括太阳能电池、升压、逆变、控制、检测几部分，升压与逆变环节完成能量的转换;控制器是整个系统的核心，需要完成控制、检测及信息传递的职能。从输入点的最大功率跟踪到输出波形稳定性的检测，人们要做好信息传递、电路保护，整个过程都需要控制器的参与。整体结构框图如图1所示。

升压模块将光伏电池输出的电压提升至合适的大小，使电压稳定且经逆变后适合并入电网，可以和后级的逆变环节之间建立起直流环。采集其电压、电流信号，结合光伏电池的伏安特性曲线完成对最大功率点的追踪，提升光电转换的效率。逆变模块将升压模块输出的电压逆变为能直接并入电网的交流电压，控制程序中的保护措施和继电保护系统的配合使用可以为光伏发电系统和电网的安全提供保障[1]。

如图1所示，将高性能专用开关电源控制芯片和STM32结合构成控制回路，其分为前级DC/DC升压模块和后级DC/AC逆变模块。前级升压模块调节电路选用电流控制型PWM控制器KA3525A，根據反馈电流来改变脉宽。后级DC/AC逆变主回路使用专门的驱动芯片IR2110来驱动桥式逆变电路，用于驱动的SPWM脉冲信号由STM32生成。逆变器的输出使用滤波电路减少谐波，然后经检测合格再并入电网。

2 硬件设计

2.1 升压电路设计与分析

升压电路的结构选用推挽输出、隔离式的全桥整流电路。此种结构使得二极管不导通时承受的反压等于交流电压的幅值，并且变压器的构成并不复杂。具体电路如图2所示。

升压电路选用一片式集成脉宽调制电路芯片KA3525A作为核心，它可以生成互补的两路PWM信号输出。其内部的基准电压源是三端稳压电路，输出电压在8～35 V之间变化，可为芯片内部或外围电路提供标准电压。误差放大器的同相输入端接入基准电压，反向输入端接入电压反馈信号，输出用来调节占空比，实现输出电感电流对误差电压变化的跟随[2]。

2.2 逆变主回路设计与分析

逆变主回路如图3所示。逆变主电路采用兼有光耦隔离和电磁隔离优点的IR2110驱动器来驱动全桥逆变电路。全桥逆变电路的场效应管选择TSP740，并使用1N4007为其续流。STM32产生的驱动脉冲信号输入IR2110后，输出跟随输入变化来驱动全桥逆变电路中的TSP470。

2.3 硬件防死区设计与分析

若全桥逆变电路的同一桥臂上下管同时导通，则会对系统产生不可逆的损害，因此，要特别重视上下管交替导通的死区时间。为防止意外输入的信号导致上下管同时导通，本研究设计了如图4所示的电路。根据逻辑电路的输入输出关系，硬件防死区电路中PWM1、PWM2的输入真值与U3A、U2B、U2C的输出真值如表1所示。

可见，当PWM输入同时为高时，输入IR2110的信号同时为0，且输出中不会出现同时为高的情况，对逆变电路起到了有效的保护作用。

3 软件设计

3.1 SPWM波的生成

SPWM波的生成可用多种方法实现，但自然采样法[3]难以在实时控制中进行在线计算，规则采样法[4]精度不高，因此，采用直接面积等效法[5]，用窄脉冲的面积等效被若干等分的各部分面积，并将窄脉冲的开通时间转换为STM32中对应的占空比，通过查表法改变占空比来实现SPWM波的生成[6]。