01方案概述

陽臺光伏微型逆變器（以下簡稱“陽臺微逆”）是針對家庭陽臺分布式光伏系統(tǒng)設計的小型化、高可靠性電力轉換設備，可將光伏組件輸出的直流電高效轉換為符合電網標準的交流電，實現(xiàn)就近并網或本地負載供電。本方案采用GigaDevice GD32E513RET6作為主控芯片，充分利用其高性能、低功耗、豐富外設及寬溫工作特性，結合高效功率變換拓撲，打造適配500W級陽臺光伏系統(tǒng)的高性價比解決方案，具備MPPT（最大功率點跟蹤）精度高、并網電能質量優(yōu)、保護功能完善、通信便捷等優(yōu)勢。

02系統(tǒng)架構與使用示意圖

1系統(tǒng)架構原理

陽臺微逆系統(tǒng)以GD32E513RET6為主控核心，分為直流采樣與MPPT控制模塊、功率變換模塊、并網控制與電能質量調節(jié)模塊、通信與監(jiān)控模塊及保護模塊五大核心部分，具體架構如下：

直流側：光伏組件輸出直流電，經防反接電路后，由GD32E513RET6的ADC外設采集電壓、電流信號，通過內置MPPT算法（如擾動觀察法或電導增量法）輸出PWM信號，控制Boost電路調節(jié)光伏輸出電壓，追蹤最大功率點。

功率變換：Boost電路輸出的高壓直流電，經全橋逆變器（由IGBT/MOSFET構成）轉換為交流電，GD32E513RET6通過高級定時器（TIMER0/TIMER7）輸出高精度PWM波，控制功率器件開關，實現(xiàn)直流-交流變換。

并網控制：通過GD32E513RET6的ADC采集電網電壓、頻率信號，結合鎖相環(huán)（PLL）算法實現(xiàn)與電網的同步，調節(jié)輸出交流電的幅值、頻率和相位，確保并網電能質量（THD<3%）。

通信與監(jiān)控：通過GD32E513RET6的USART外設連接WiFi模塊，實現(xiàn)與云端監(jiān)控平臺的數(shù)據交互，上傳發(fā)電功率、電壓、電流、故障狀態(tài)等信息；同時支持通過USB（USBD外設）或CAN接口進行本地調試與參數(shù)配置。

保護功能：GD32E513RET6通過ADC、比較器（CMP）及定時器實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，實現(xiàn)過壓/欠壓、過流、過頻/欠頻、防孤島、過載、直流反接等多重保護，故障時快速切斷功率通路并上報告警。

2陽臺微逆使用示意圖

示意圖說明：

光伏組件：單塊或多塊串聯(lián)的陽臺光伏板（最大推薦功率600Wp，開路電壓≤60Vdc），安裝于陽臺欄桿或墻面。

微逆主機：體積小巧（建議尺寸：230x250x31mm），壁掛式安裝于陽臺角落，防護等級IP67，適應戶外潮濕、溫差變化環(huán)境。

負載與電網：微逆輸出優(yōu)先供給家庭本地負載（如燈光、家電），多余電能并網；電網停電時可切換至“離網模式”（需選配儲能模塊）保障關鍵負載供電。

監(jiān)控與調試：通過云端平臺遠程查看發(fā)電量、設備狀態(tài)；本地可通過USB或CAN接口調試參數(shù)（如并網電壓、頻率閾值）。

03核心硬件設計（基于GD32E513RET6）

GD32E513RET6作為主控芯片，其外設資源與陽臺微逆的功能需求高度匹配，核心硬件接口設計如下：

1核心外設應用方案

2關鍵硬件選型

功率器件：Boost電路選用650V N溝道MOSFET，全橋逆變電路選用650V/15A IGBT 模塊，適配500W功率等級與60Vdc輸入電壓。

采樣器件：電流采樣采用高精度分流電阻（0.01Ω/1W）+運算放大器，電壓采樣采用分壓電阻網絡（精度1%），確保采樣精度。

通信模塊：WiFi模塊選用GD32VW553模組（支持2.4GHz頻段），通過家庭WiFi接入互聯(lián)網，通過云端服務器支持手機端APP顯示設備狀態(tài)和發(fā)電量、電壓、電流等所有電性能數(shù)據。

濾波器件：輸入側采用電解電容（3300μF/63V*4）+陶瓷電容（100nF）組合濾波，輸出側采用LC濾波網絡，具有降低EMI諧波和防雷作用。

04軟件功能模塊設計

以GD32E513RET6為核心，軟件采用模塊化設計，基于RT-Thread實時操作系統(tǒng)（或裸機架構）開發(fā)，主要包含以下功能模塊：

1MPPT控制模塊

基于電導增量法實現(xiàn)MPPT算法，通過ADC周期性采集光伏電壓和電流（采樣周期10ms），計算功率變化率與電壓變化率的比值，判斷光伏組件工作點與最大功率點的偏差，通過TIMER0輸出PWM占空比調節(jié)指令，控制Boost電路輸出電壓，使光伏組件始終工作在最大功率點，跟蹤精度>99.5%，適應光照強度、溫度變化導致的功率波動。

2逆變與并網同步模塊

SPWM生成：通過SHRTIMER生成正弦脈沖寬度調制（SPWM）波，結合死區(qū)控制（死區(qū)時間可配置，典型值200nS），避免功率器件直通損壞。

電網鎖相：采用軟件實現(xiàn)三相鎖相環(huán)（PLL），通過ADC采集電網電壓過零點，調節(jié)SPWM波的相位與頻率，實現(xiàn)與電網的同步（同步誤差<0.5°），確保并網電流與電網電壓同頻同相，功率因數(shù)控制在0.85~0.85（滯后/超前）范圍內。

3數(shù)據采集與處理模塊

周期性采集直流側（光伏電壓、電流、Boost輸出電壓）、交流側（電網電壓、并網電流、輸出功率）及設備狀態(tài)（溫度、故障標志）數(shù)據，通過GD32E513RET6的DMA控制器實現(xiàn)ADC數(shù)據高速傳輸，降低CPU負載；數(shù)據經濾波（滑動平均濾波）、校準后，用于控制算法輸入、狀態(tài)顯示及上傳。

4通信與監(jiān)控模塊

上行通信：通過USART1與WiFi模塊通信，實時上傳發(fā)電數(shù)據（實時功率、當日發(fā)電量、累計發(fā)電量）、設備狀態(tài)（正常/故障）及告警信息（過壓/過流等）至云端監(jiān)控平臺，并通過APP實時觀察所有數(shù)據。

下行通信：通過云服務器，配置并網參數(shù)（如電網電壓范圍、頻率范圍）、MPPT啟動電壓閾值等；本地通過USB（USBD外設）連接電腦，支持調試指令交互與固件升級。

5保護與故障處理模塊

故障發(fā)生時，系統(tǒng)立即執(zhí)行保護動作（關閉PWM輸出、切斷并網繼電器），并通過WiFi上傳故障代碼，同時點亮LED故障指示燈（不同故障對應不同閃爍頻率）。

05關鍵參數(shù)表

1陽臺微逆整機參數(shù)（500W級）

2GD32E513RET6主控芯片參數(shù)

06方案優(yōu)勢

高性能主控適配性強：GD32E513RET6基于Cortex-M33內核，180MHz主頻與DSP/FPU擴展，可高效運行MPPT、PLL等復雜算法，12位ADC與豐富定時器確保精準控制，滿足微逆對實時性、控制精度的需求。

高可靠性與寬環(huán)境適應性：主控芯片工作溫度范圍-40~85℃，防護等級IP67的整機設計，適應陽臺戶外潮濕、溫差大的環(huán)境；完善的硬件保護與軟件故障處理機制，降低設備故障率。

高性價比與易集成：GD32E513RET6集成豐富外設（ADC、定時器、通信接口等），減少外部芯片數(shù)量（如無需額外配置PWM控制器、通信芯片），降低硬件成本與PCB面積，適配陽臺微逆小型化需求。

靈活的通信與監(jiān)控：支持WiFi云端通信與USART本地調試，適配家庭用戶對設備狀態(tài)監(jiān)控、發(fā)電量統(tǒng)計的需求，同時支持并網參數(shù)遠程配置，提升運維便捷性。

高效節(jié)能：MPPT跟蹤效率>99.5%，整機峰值效率96.5%，夜間待機功耗<50mW，兼顧發(fā)電效率與節(jié)能需求，提升用戶收益。

07應用場景與安裝建議

1典型應用場景

家庭陽臺分布式光伏系統(tǒng)（1~2塊300Wp光伏組件串聯(lián)），實現(xiàn)光伏發(fā)電就近并網，抵消家庭部分用電負荷，降低電費支出。

公寓、別墅陽臺小型光伏系統(tǒng)，適配城市住宅有限安裝空間，無需大規(guī)模施工，安裝便捷。

2安裝建議

微逆主機安裝于陽臺墻面（距離地面≥1.5m），避免陽光直射與雨水直接沖刷，確保通風良好以保障自然散熱效果。

光伏組件安裝于陽臺欄桿或朝南墻面，傾角建議30°~45°，最大化接收光照；組件輸出線纜采用PV1-F光伏專用線纜，接入微逆直流輸入端（注意正負極性）。

交流輸出端通過漏電保護開關接入家庭電網（需符合當?shù)仉娋W規(guī)范），并預留通信天線安裝位置（天線建議朝向開闊區(qū)域）。

關于GD32 MCU

兆易創(chuàng)新GD32 MCU是中國高性能通用微控制器領域的領跑者，中國最大的Arm MCU家族，中國第一個推出的Arm Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M23、Cortex-M33及Cortex-M7內核通用MCU產品系列，并在全球首家推出RISC-V內核通用32位MCU產品系列，已經發(fā)展成為32位通用MCU市場的核心之選。以累計超過20億顆的出貨數(shù)量，超過2萬家客戶數(shù)量，64個系列700余款產品選擇所提供的廣闊應用覆蓋率穩(wěn)居中國本土首位。

兆易創(chuàng)新GD32 MCU也是Arm大學計劃（University Program,AUP）中國首批合作伙伴、Arm mbed IoT平臺生態(tài)合作伙伴、RISC-V基金會戰(zhàn)略會員、“兆易創(chuàng)新杯”中國研究生電子設計競賽的冠名廠商。GD32以打造“MCU百貨商店”規(guī)劃發(fā)展藍圖，為用戶提供更加全面的系統(tǒng)級產品和解決方案支撐，構建智能化開發(fā)平臺和完善的產品應用生態(tài)。

關于兆易創(chuàng)新

兆易創(chuàng)新科技集團股份有限公司（股票代碼603986）是全球領先的Fabless芯片供應商，公司成立于2005年4月，總部設于中國北京，在全球多個國家和地區(qū)設有分支機構，營銷網絡遍布全球，提供優(yōu)質便捷的本地化支持服務。兆易創(chuàng)新致力于構建以存儲器、微控制器、傳感器、模擬產品為核心驅動力的完整生態(tài)，為工業(yè)、汽車、計算、消費電子、物聯(lián)網、移動應用以及通信領域的客戶提供完善的產品技術和服務，已通過ISO26262:2018汽車功能安全最高等級ASIL D體系認證，并獲得IEC 61508功能安全產品認證以及ISO 9001、ISO 14001、ISO 45001等體系認證和鄧白氏認證。同時，公司與多家世界知名晶圓廠、封裝測試廠建立戰(zhàn)略合作伙伴關系，共同推進半導體領域的技術創(chuàng)新。