单相两级式非隔离型光伏并网逆变器的研制

第２期　电　源　学　报　Ｎｏ．２　２０ｌ１年３月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｍａｒ．２０ｌ１　单相两级式非隔离型光伏并网逆变器的研制　刘迪．陈国联　（西安交通大学，西安７１００４９）　摘要：基于非隔离型光伏并网逆变器的原理与控制策略，文中给出了３　ＫＷ单相两级光伏并网逆变器的主电路　的硬件设计方法与整个系统的仿真分析，并基于该设计方法研制了并网逆变器的样机．实测结果证明该并网逆变器　工作正常，达到了预期目的。　关键词：光伏；并网；逆变器；非隔离型　中图分类号：ＴＭ　３４４．１　文献标志码：Ａ　文章编号：ＣＮ１２—１４２０（２０１　１）０２—００２９—０５　引言　前级为ｂｏｏｓｔ型ＤＣ—ＤＣ变换器、后级为Ｈ桥的两级　式结构。　能源危机与环境污染成为全球一个亟待解决　的问题．因此无污染的绿色可再生能源发电具有广　１光伏并网逆变器系统构成　阔的发展前景。太阳能光伏发电作为可再生能源发　电的一种形式，逐步得到深入的研究，并产生了良　如图ｌ所示，本单相非隔离型光伏并网逆变系　好的社会效益。针对目前世界并网发电的这一亮点　统由主电路、信号检测调理电路、控制器电路、驱动　和未来发展趋势，本文设计了３　ＫＷ单相非隔离型　电路和保护电路组成。主电路由前级为ｂｏｏｓｔ型　光伏并网逆变器的硬件结构，并对整个系统进行了　ＤＣ—ＤＣ变换器、后级为Ｈ桥的两级式结构组成。控　仿真分析。工频隔离结构的光伏并网逆变器由于工　制器选用ＴＩ公司的ＴＭ￥３２０Ｆ２８１２　ＤＳＰ作为主控芯　频变压器的体积庞大，且最大功率跟踪控制、逆变　片，在ＤＣ—ＤＣ环节实现追寻最大功率跟踪控制。在　输出波形控制、相位同步等控制目标均要求在一个　ＤＣ—ＡＣ环节实现控制直流母线电压稳定，并控制产　环节中得到实现，算法相对较复杂，因此本文选取　生与电网电压同频同相的正弦电流．实现并网功　图１光伏并网逆变器系统　收稿日期：２０１０—１ｌ一２２　电　源　能。　２硬件设计　本系统的输入电压为２００～６００　Ｖ。额定功率为　３　ｋＷ，最大输入电流为１５　Ａ。ＤＣ—ＤＣ部分的开关频　率选为２０　ｋＨｚ．ＤＣ—ＡＣ部分的开关频率选为１２　ｋＨｚ。　２．１主功率逆变模块选取　逆变桥由ＩＰＭ模块实现。由于逆变器的最大输　出功率为３　ｋＷ，电网电压的有效值为２２０　Ｖ，得到　ＩＰＭ的最大输出电流为：　：—ｘ／２　￣３０００－：１９．３　Ａ。前　级ｂｏｏｓｔ的输出最大电压为６００　Ｖ，得到ＩＰＭ模块　的最大耐压为６００　Ｖ。ＩＰＭ模块的开关频率为１２　ｋＨｚ。为留有足够的裕量，本系统采用三菱公司的　ＩＰＭ模块：ＰＭ７５ＣＬＡ１２０。其最大耐压为１　２００　Ｖ。完　全满足本系统设计要求。而且本模块具有保护功　能，可以为ＤＳＰ提供保护信号。　２．２　ｂｏｏｓｔ电路开关管的选取　由于最大输入电压为６００　Ｖ，所以ＤＣ—ＤＣ部分　的ｂｏｏｓｔ电路的开关管选用耐压为６００　Ｖ，额定电流　为３０　Ａ的ＩＸＦＨ３０Ｎ６０Ｐ。　２＿３直流母线电容的选取　当ＩＰＭ模块开关频率为１２　ｋＨｚ时，一个开关　周期　为８３　ｓ。假定△　为５　Ｖ，那么　ｃ　Ａｆ坐：１９３Ａ×—８３ｌａｓ—．：３２０ＩｘＦ　△　５Ｖ　考虑实际情况，选择耐压为４５０　Ｖ，容量为　４　７００　Ｆ的电解电容两两串联后再两两并联组成。　这样耐压可达９００　Ｖ，满足设计要求。　２．４并网滤波电抗器的设计　根据稳态交流侧电压矢量关系，可求得滤波电　抗器的最大值：　（　２　）　２／．　。　当电流处于峰值时，要满足抑制谐波电流的要　求，可得到：　２Ｕ　Ａｉ　盟（　１一出～。５　～　出ｍ　学　报　总第３４期　式中：　为电网电动势相压峰值；厶为交流侧　基波相电流峰值；　为直流电压；Ａｉ　为最大允许谐　波电流脉动量。　因此，可选取滤波电感量为２　ｍＨ，实际中升压　电感也选取为２　ｍＨ。　２．５均压电阻、吸收电容的选取　为实现母线电容均压，提供均压电阻，选为１００　Ｋ／５Ｗ。为抑制引线电感的作用，提供吸收电容１　Ｆ／　ｌ　０００　Ｖ。　２．６驱动芯片的选取　为驱动ｂｏｏｓｔ电路的ＭＯＳＦＥＴ开关管．本文选　用ＩＲ２１１３作为驱动芯片。由于ＩＰＭ内部集成了驱　动模块．只需要提供ＰＷＭ信号即可驱动ＩＰＭ，值得　注意的是在加入ＰＷＭ信号时需要加入光电耦合器　进行隔离。　３软件设计　主控芯片采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２　ＤＳＰ作　为核心处理器，软件平台采用ＣＣＳ３．３，为达到代码　的高效率，采用Ｃ语言嵌入汇编的形式进行编程。　采用模块化编程的思想，系统的软件设计包括　ＤＣ／ＤＣ部分的软件设计和ＤＣ／ＡＣ部分的软件设计，　其中在ＤＣ／ＤＣ部分中实现最大功率点跟踪算法的　软件设计．ＤＣ／ＡＣ部分实现波形校正算法的软件设　计。　３．１主程序的设计　主程序主要完成系统运行前的一些初始状态　检测初始化工作，主要包括初始化设置系统的时　钟．进行芯片内部的一些专用寄存器的定义与初始　化．ＤＳＰ定时器参数、中断等级、中断向量、控制方　式、所用变量的定义和初始赋值及控制系统状态的　初始定义等。　主程序的流程图如图２所示：　３．２最大功率跟踪的算法软件设计　ＭＰＰｒ控制算法采用改进的变步长导纳增量　法．实时检测光伏电池的输出电压与输出电流，根　据变步长导纳增量法计算光伏电池最大功率时对　应的ｂｏｏｓｔ电路的占空比．从而改变光伏电池的输　出电压，使之对应最大功率点的工作电压，ＭＰＰＴ子　第２期　刘迪，等：单相两级式非隔离型光伏并网逆变器的研制　３ｌ　图２主程序流程图　程序流程图如图３所示。　保护虮场　◆　ｌ检测Ｕｋ，ｌｋ　ｌ　汁算Ｐｋ，近似汁钾：　ｄＵ，ｄＬｄＰ　计算ｓｔｅｐ值　导纳增帚算法　输出ＰＷＭ控制信号　◆　恢复现场　ｌ　图３子程序流程图　３．３　ＤＣ—ＡＣ部分软件算法设计　ＤＣ／ＡＣ部分的程序是利用事件管理器ＥＶＡ的　全比较单元ＣＭＰＲ１产生２路互补的ＰＷＭ信号。为　防止上下桥臂的死区时间由控制器ＤＢＴＣＯＮＡ来　控制，可产生最小一个ＣＰＵ周期的死区时间。其流　程图如图４所示：　图４流程图　４系统安全性分析　非隔离型并网逆变器由于没有隔离变压器。大　面积的太阳能电池组又不可避免地与地之间有较　大的分布电容的存在，因此太阳电池对地会产生共　模漏电流，可导致光伏组件与电网相连接，当人接　触到光伏侧的正极或负极时，电网的电有可能经桥　臂形成回路而对人体构成伤害。为抑制共模漏电　流，本文提出解决方案，具体原理请见参考文献『ｌ１。　为有效抑制共模漏电流，可通过将滤波电感制　成共模滤波器结构．调整电路中的谐振阻尼，使得　共模电流不超过所规定的范围。另外．采用双极性　调制的方法，使得单相全桥的共模电压基本不变．　而由其激励所产生的共模电流只是毫安级的。因此　可有效抑制共模漏电流，从而保证系统的安全性。　５逆变系统仿真分析　依据硬件设计的参数分析，构建ＰＳＩＭ仿真模　型如下：前级由ＤＬＬ文件实现最大功率跟踪的软件　算法，后级实现并网功能。其仿真原理图如图５所　示：　３２　电　源　学　报　总第３４期　图５仿真原理图　经仿真，完全实现并网功能。仿真结论如图６所示：　图６仿真结论曲线图　仿真分析，设计样机并进行实验，实验并网波形如　６实验结果与结论分析　依据ｊ一述软硬件设计方法，以及对整个系统的　图７所示：　实现了逆变器输出电流与电网电压同频同相　的功能，与理论分析与仿真结论一致。　图７实验并网波形图　第２期　刘迪．等：单相两级式非隔离型光伏并网逆变器的研制　３３　【３】张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制【Ｍ】．北京：机械工业　参考文献：　［１】孙龙林．单相非隔离型光伏并网逆变器的研究【Ｄ】．合肥：　合肥工业大学，２００９．　出版社，２００３．　苏奎峰．ＴＭＳ３２０Ｘ２８１Ｘ　ＤＳＰ原理及Ｃ程序开发【Ｍ］．北　京：北京航空航天大学出版社，２００８．　［５】赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等．太阳能光伏发电及其应用　【２】赵为．太阳能光伏并网系统的研究【ＤＪ．合肥：合肥工业大　学．２００２．　『Ｍ］．北京：科学出版社，２００５．　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ　Ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ　Ｎｏｎ－－ｉｓｏｌａｔｅｄ　Ｇｒｉｄ—ｃ０ｎｎｅｃｔｅｄ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＬＩＵ　Ｄｉ，ＣＨＥＮ　Ｇｕｏ－ｌｉａｎ　（Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　Ｓｈａｎｘｉ　７１００４９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇＴ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｉｓｏｌａｔｅｄ　ＰＶ　ｉｎｖｅ￣ｅｒ，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　３ＫＷ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｔＷＯ——ｓｔａｇｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｉｎｖｅ￣ｅｒ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｉｎｖｅ＝ｅｒ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｏｒｋ　ｗｅｌｌ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｒｅｄ　ｐｕｒｐｏｓｅ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＶ；　ｄ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｎｏｎ—ｉｓｏｌａｔｅｄ