一种基于ccm模式的微逆变器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于CCM模式的微逆变器及其控制方法，该微逆变器采用通用ARM芯片STM32作为微逆变器控制系统的主控芯片，利用芯片的AD转换、定时器、温度传感器和内嵌Flash等固有功能，完成微逆变器AD转换、PWM波占空比控制，掉电保护和温度保护的要求，降低系统总成本；该控制方法使得微逆变器反激变换电路工作于CCM模式，减小开关频率，使得通用ARM芯片STM32的控制得以实现，同时降低开关损耗，减小对滤波器的要求，进一步降低系统成本，提高工作效率，实测最高效率可达94.63%。
【专利说明】—种基于CCM模式的微逆变器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于CCM模式的微逆变器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]光伏电池产生的电能并入电网之前，必须通过逆变器逆变，使其达到电网标准，才能并网。光伏发电系统越来越趋向于采用分布式微逆变器作为直流-交流的转换工具，而大规模集成电路、DSP技术的飞速发展，使微逆变器的全数字控制得以实现。
[0003]反激变换电路是微逆变器主电路的组成部分之一，其工作模式分为CCM(电流连续模式)和DCM (电流断续模式)。与DCM模式相比，CCM模式反激变换电路变压器原边和副边峰值电流小，对MOSFET和二极管的电流应力要求低，元器件成本低；同时CCM模式开关频率低，纹波损耗小，改善了电磁兼容性；且CCM模式效率高，波形品质好，THD ( 3% ;虽然CCM模式下反激变换电路变压器较大，但磁通密度变化幅度小，铁芯损耗也小；而由于CCM模式下尖峰电压不高，所以滤波器简单，继而降低成本。
[0004]然而，CCM模式微逆变器为非最小相位系统，PI控制参数校正比较复杂，且CCM模式下反激变换电路变压器较大，所以目前微逆变器反激变换电路较多采用DCM模式，国内外市场上还未出现CCM模式的微逆变器。
【发明内容】
[0005]本发明提出一种基于CCM模式的微逆变器及其控制方法，其目的在于，采用通用ARM芯片STM32作为控制系统的主控芯片，使交错反激变换电路工作于CCM模式，降低开关频率和损耗，减小对滤波器的要求，从而降低微逆变器的成本，提高微逆变器的工作效率。
[0006]STM32系列处理器是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的基于ARMCortex-M3内核，同时也是通用型处理器。STM32系列处理器的ARM Cortex_M3内核集成嵌入式Flash和SRAM存储器，完全满足目前微逆变器所要求的代码效率；STM32系列处理器的嵌入式Flash存储器和RAM存储器，可在芯片掉电时记录现场，从而恢复现场；STM32系列处理器所包含的定时器、快速I/O端口等功能可方便快捷地实现微逆变器中PWM波生成，而其本身具有AD转换器，无需外置AD芯片即可完成AD转换；STM32系列处理器内部包含温度传感器，可根据热传导模型和实测结果预测功率器件或变压器的温度来进行保护；STM32系列处理器内部包含晶振，无需外设晶振，节约成本。
[0007]一种基于CCM模式的微逆变器，包括交错反激变换电路102、全桥逆变电路103、EMI滤波电路104和控制系统106，所述交错反激变换电路的输入端与光伏电池101相连，所述交错反激变换电路、全桥逆变电路、EMI滤波电路的输入端相连及电网105依次相连，所述光伏电池的两端、交错反激变换电路中的MOS管开关控制端、交错反激变换电路中变压器原边、全桥逆变电路中MOS管和晶闸管开关控制端及EMI滤波电路与电网的连接端均与控制系统相连，所述控制系统包括主控芯片1061、电压采样电路1062、电流采样电路1063、交错反激变换电路驱动电路1064及全桥逆变电路驱动电路1065，电压采样电路1062、电流采样电路1063、交错反激变换电路驱动电路1064及全桥逆变电路驱动电路1065均与主控芯片1061相连；
[0008]所述控制系统的主控芯片为STM32芯片，STM32芯片通过交错反激变换电路驱动电路1064对交错反激变换电路中的MOS管Qp Q2进行控制，STM32芯片通过全桥逆变电路驱动电路1065对全桥逆变电路中的MOS管S3、S4、晶闸管SpS2进行控制，STM32芯片利用电压采样电路1062和电流采样电路1063实时采集全桥逆变电路的输出电压Vinv和输出电流iAC、光伏电池电压Vpv、交错反激变换电路中两个变压器原边电流Ipl、Ip2以及电网电压V#id ；所述EMI滤波电路为单级LC滤波电路，用于对全桥逆变电路输出的正弦电流进行滤波，使输出电流波形平滑。
[0009]交错 反激变换电路102包括第一变压器Tl、第二变压器T2、功率MOS管Q1A2及电
力二极管Dratl和Drect2 ；
[0010]第一反向阻断型功率开关Q1的S极接光伏电池的负极，第一反向阻断型功率开关Q1的D极通过第一变压器Tl的原边接光伏电池的正极；第二反向阻断型功率开关Q2的S极接光伏电池的负极，第二反向阻断型功率开关Q2的D极通过第二变压器T2的原边接光伏电池的正极；
[0011]第一变压器Tl的副边绕组的非同名端接Dratl的正极，Drectl的负极接S1和S2的正极；第二变压器T2的副边绕组的非同名端D_t2的正极，D_t2的负极与Dratl的负极相连；MOS管S3和S4的S极以及第一变压器Tl和第二变压器T2副边绕组的同名端接在一起；
[0012]全桥逆变电路103包括晶闸管Sp S2和MOS管S3、S4, S2和S3构成正向换流桥臂，S3的D极与滤波电容和电网相连，S2的负极通过滤波电感与电网相连A1和S4构成反向换流桥臂，S1的负极与滤波电容和电网相连，S4的D极通过滤波电感与电网相连。
[0013]—种基于CCM模式的微逆变器的控制方法,米用上述的基于CCM模式的微逆变器，控制过程如下:
[0014]步骤1:利用STM32芯片的控制系统采集微逆变器工作过程中的数据，并对采集数据进行AD转换；
[0015]所述微逆变器工作过程中的数据包括光伏电池电压Vpv，交错反激变换电路中两个变压器原边电流Ipl、Ip2，全桥逆变电路的输出电压Vinv，全桥逆变电路的输出电流iAC，电网电压VgHd ；
[0016]步骤2:由最大功率点跟踪法计算微逆变器的输出电流iAC的参考电流Iackef ;
[0017]步骤3:根据Ia和|i」的差值对、。进行PI控制，得到交错反激变换电路中的MOS管Q1和Q2的动态占空比dCCM ；
[0018]步骤4:计算CCM模式下交错反激变换电路中MOS管开关Ql和Q2的稳态占空比
【权利要求】
1.一种基于CCM模式的微逆变器，包括交错反激变换电路(102)、全桥逆变电路(103)、EMI滤波电路(104)和控制系统(106)，所述交错反激变换电路的输入端与光伏电池(101)相连，所述交错反激变换电路、全桥逆变电路、EMI滤波电路的输入端相连及电网(105)依次相连，所述光伏电池的两端、交错反激变换电路中的MOS管开关控制端、交错反激变换电路中变压器原边、全桥逆变电路中MOS管和晶闸管开关控制端及EMI滤波电路与电网的连接端均与控制系统相连，其特征在于，所述控制系统包括主控芯片(1061 )、电压采样电路(1062)、电流采样电路(1063)、交错反激变换电路驱动电路(1064)及全桥逆变电路驱动电路(1065),电压采样电路(1062),电流采样电路(1063)、交错反激变换电路驱动电路(1064)及全桥逆变电路驱动电路(1065)均与主控芯片(1061)相连； 所述控制系统的主控芯片为STM32芯片，STM32芯片通过交错反激变换电路驱动电路(1064)对交错反激变换电路中的MOS管Qp Q2进行控制，STM32芯片通过全桥逆变电路驱动电路(1065)对全桥逆变电路中的MOS管S3、S4、晶闸管Sp S2进行控制，STM32芯片利用电压采样电路(1062 )和电流采样电路(1063 )实时采集全桥逆变电路的输出电压Vinv和输出电流iAC、光伏电池电压Vpv、交错反激变换电路中两个变压器原边电流Ipl、Ip2以及电网电压v#id ;所述EMI滤波电路为单级LC滤波电路。
2.一种基于CCM模式的微逆变器的控制方法，其特征在于，米用权利要求1所述的基于CCM模式的微逆变器，控制过程如下: 步骤1:利用STM32芯片的控制系统采集微逆变器工作过程中的数据，并对采集数据进行AD转换； 所述微逆变器工作过程中的数据包括光伏电池电压Vpv，交错反激变换电路中两个变压器原边电流Ipl、Ip2，全桥逆变电路的输出电压Vinv，全桥逆变电路的输出电流iAC，电网电压Vgrid ? 步骤2:由最大功率点跟踪法计算微逆变器的输出电流iAC的参考电流Iackef ； 步骤3:根据ΙΑ.和I iAe|的差值对iA。进行PI控制，得到交错反激变换电路中的MOS管Q1和Q2的动态占空比Clratl ； 步骤4:计算CCM模式下交错反激变换电路中MOS管开关Ql和Q2的稳态占空比Dccm ；
3.根据权利要求2所述的基于CCM模式的微逆变器的控制方法，其特征在于，所述STM32芯片利用定时器--Μ1，采用中央对齐计数模式输出两路PWM波，所述两路PWM波是PWMl和PWM2，STM32芯片通过PWMl和PWM2分别控制交错反激变换电路中MOS管Q1和Q2的通断，PWMl相位超前PWM2相位半个PWM波周期，两者的频率均为50kHz。
4.根据权利要求3所述的基于CCM模式的微逆变器的控制方法，其特征在于，所述步骤I中的完成一次AD转换的时间为两个PWM波周期，在第一个PWM波周期转换交错反激变换电路中变压器Tl的原边电流Ipl，全桥逆变电路输出电压Vinv，全桥逆变电路输出电流iAC和电网电压v#id ;在第二个PWM波周期转换交错反激变换电路中变压器T2的原边电流Ip2、光伏电池电压Vpv。
5.根据权利要求4所述的基于CCM模式的微逆变器的控制方法，其特征在于，利用STM32芯片控制系统对微逆变器进行温度保护: 根据热传导模型和实测结果，按照以下公式预测变压器的温度，当变压器温度高于65°C时，控制芯片发出控制信号使得微逆变器中所有的开关管断开:
6.根据权利要求4所述的基于CCM模式的微逆变器的控制方法，其特征在于，所述微逆变器利用STM32芯片内部嵌入式Flash进行掉电保护，记录现场及恢复现场； 所述记录现场是指记录当前数据，包括所有的AD转换数据和微逆变器工作状态，微逆变器工作状态包括启动模式、错误模式及运行模式三种，由控制芯片提供； 每个控制周期STM32芯片记录一次现场数据，STM32芯片掉电时，上一控制周期现场数据存储于Flash中，当芯片再次上电时，STM32芯片读取Flash中的现场数据，恢复掉电前的工作。
【文档编号】H02M7/48GK103647453SQ201310683493
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】杨建 , 阮璇, 粟梅, 张鹏飞, 孙尧, 王海龙 申请人:中南大学