基于STM32的微电网光伏逆变器的设计策略

摘要：人类社会迅速发展，太阳能作为一种高效而清洁的新能源开始受到更多关注，这一能源的应用使光伏产业实现进一步发展。本文以STM32型的微电网光伏逆变器为例，对其类型进行分析和研究，主要包含独立式离网发电系统和光伏离网逆变器两种类型，提出了STM32的微电网光伏逆变器的设计策略，从而有效提高太阳能的利用率。

关键词：STM32；微电网光伏逆变器；设计策略

引言

从21世纪开始，人们逐渐重视新能源的发展，而光伏发电是最受重视的领域之一。与传统的离网存储模式相比，将光伏发电的能量应用到电网系统中，可以有效地提升光伏发电的效率。在有大量太阳能源的区域，可以采用将光伏发电与电力系统相结合的方法，以减少在加入蓄电池时电能经多次变换而出现电能损耗，并且能够保证整个发电系统始终处于最大功率运行状态，极大地提升了将太阳能转化为电能的效率。本文以STM32的微电网光伏逆变器的设计策略为重点展开研究，主要包含系统结构设计、硬件设计和软件设计等诸多方面，以此来提高太阳能的应用效率。

1.光伏发电系统类型

1.1 独立式离网发电系统

所谓独立式离网发电系统，指的就是在光伏发电系统当中独立于大电网系统之外的发电系统。这个系统的构成结构包括：DC/AC逆变器、光伏阵列、蓄电池以及DC/DC转换器。其中，在光照强度不充足时，蓄电池就可以发挥作用，即给独立式离网发电系统的运行供应电能[1]。

1.2 光伏离网逆变器

在光伏离网发电系统实际应用和运行过程中，能够实现直流电与交流电有效转换的重要设备为DC/AC逆变器，它是光伏离网发电系统的核心部件。为保证系统运行稳定，提高转换效率，应选择有较高安全系数的光伏离网逆变器。在全球范围内，光伏离网逆变器的设计一直都是对光伏离网发电系统发展有重要影响，而我国也通过对离网逆变器进行深入研究并取得显著成效，才一步跨入了世界光伏行业的领先地位。当前，基于其在应用中与负荷之间有无连接的特性，隔离式光伏离网逆变器和非隔离型光伏离网逆变器为光伏逆变器的两种重要分类[2]。

（1）非隔离型光伏离网逆变器

从系统构成上看，非隔离型光伏离网逆变器需进行两级能量转换。两个阶段的电能转化，分别完成了对直流电压的提升和从直流到交流的变换。但在实际应用中，非隔离型光伏离网逆变器经两次能源转化后，其利用率较低。

（2）隔离型光伏离网逆变器

在拓扑结构当中，隔离型光伏离网逆变器并未与负载直接相连，在实际应用过程中光伏阵列当中直流电与交流电实现有效转换，为其提供交流电压。合理应用隔离型光伏离网逆变器，不仅可以大幅度提升光伏发电系统的稳定性和安全性，同时还能够提高工频变压器与电压的匹配性。

2.基于STM32的微电网光伏逆变器的设计策略

2.1 系统结构设计

在逆变过程中根据电量转化的级数，将光伏逆变分为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、输出波形控制等问题集中到一个环节来完成，因此其控制过程十分复杂，且控制线路较为混乱，通常很少被采用。光伏发电主要关注的是光电转换效率和总体的稳定性[3]，采用多层次的拓扑将更为合理。其中，前者能够实现电压的提升和最高功率的跟踪，后者则能够实现直流电流的变换。通过将具有多个功能的控制流程分解成多个模块来完成，减少了系统的复杂性，并且在软件和硬件上都很容易实现。在光伏发电系统中主要包括太阳能电池、升压、控制、逆变、检测等多个部分，升压和逆变环节实现电能的转化。其中，以控制器为核心，起到了控制、检测和信息传输的作用。从对输入端最大功率的追踪，到对输出端的稳定进行监测，再到对信号的传递、电路的保护都离不开对系统的控制。

2.2 硬件设计

（1）升压电路设计

隔离式和推挽输出的全桥整流电路是升压电流的主要结构，这一结构在实际应用过程中使二极管不导通情况下所承受的反压与交流电压幅值相同，而且变压器的构成较为简单。该系统采用单片PWM脉冲宽度调制器KA3525A，实现双通道PWM脉冲的互补输出。其参考电源是一个三端稳压电路，输出电压从8V到35V不等，可以用来给晶圆内和周边电路提供参考电压。错误放大器的同相输入端接入参考电压，反转输入端接入电压反馈信号，其输出用来调整占比，从而实现输出电流对错误电压变化的跟踪[4]。

（2）逆变主回路设计

该逆变器的主回路由IR2110执行机构驱动，该执行机构具有光电耦合和电磁分离的特点。采用TSP740作为全桥式逆变器的FET，并采用1N4007作为继电器。在向IR2110输入STM32生成的激励脉冲信号后，在IR2110中，STM32的输出随着输入的改变而改变，从而在全桥式逆变器电路中对TSP470进行驱动。

2.3 软件设计

（1）SPWM波的生成

SPWM波的生成能够通过多种方法进行实现，但是在实时控制过程中难以应用自然采样法进行有效计算，而规则采样法在应用时精度不足，所以可以应用面积等效法，利用窄脉宽的特点，将窄脉宽的区域等效化成各个区域的区域，把窄脉宽的开启时刻转化为相应的占空系数，利用查找表方法调整占空系数，从而产生SPWM波形。STM32中的先进定时和一般定时均为16位的加载计数，并配有16位预分频器，能对SPWM进行实时调整，从而能对SPWM进行有效的控制。该方案还能完成可编程的补偿输出，能通过事件驱动的方式进行断续，还能提供基于递增编码的定向定位以及霍尔传感等功能。

（2）最大功率点跟踪

光伏发电过程中，难免会受到光照角度和温度等客观条件的影响，所以通过调节逆变器的工作点，可以提高光伏转化效率。采用干扰观测的方法进行测量。该系统采用功率环，在保持良好稳定的情况下，使输出功率达到最大。

结束语

在当前社会发展背景下，由于光伏发电系统的运行情况和运行效果受到诸多因素的影响，微电网光伏逆变器设计是其中一项重要内容，所以在对其中关键环节进行科学的设计时，必须要兼顾各种技术因素。因此，本文针对光伏发电系统类型进行详细分析和探讨，同时提出了关于STM32的微电网光伏逆变器的设计策略，只有在各个部件的协同作用下，才能保证光伏离网逆变器的稳定、高效和安全运行。

参考文献：

[1]陆多多，许剑波. 多光伏逆变器微电网自主运行控制及稳定性分析[J]. 电工电气，2023（3）：13-19.

[2]王丽娜，刘立群. 应用于微电网光伏并网逆变器的孤岛检测[J]. 电工技术，2017（2）：121-123，126.

[3]骆子健，宋幸航. 光伏微电网并网逆变器的反步控制研究[J]. 电力科学与工程，2019，35（7）：49-54.

[4]许亚坡，胡海兵，邢岩. 适用于微电网的软开关型高效光伏并网微型逆变器[J]. 电源学报，2017，15（6）：75-81，95.