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）

引言

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，并产生了良好的社会效益。针对目前世界并网发电的这一亮点和未来发展趋势，本文设计了3 KW单相非隔离型光伏并网逆变器的硬件结构，并对整个系统进行了仿真分析。工频隔离结构的光伏并网逆变器由于工频变压器的体积庞大，且最大功率跟踪控制、逆变输出波形控制、相位同步等控制目标均要求在一个环节中得到实现，算法相对较复杂，因此本文选取前级为boost型DC-DC变换器、后级为H桥的两级式结构。

1 光伏并网逆变器系统构成

如图1所示，本单相非隔离型光伏并网逆变系统由主电路、信号检测调理电路、控制器电路、驱动电路和保护电路组成。主电路由前级为boost型DC-DC变换器、后级为H桥的两级式结构组成。控制器选用TI公司的TMS320F2812 DSP作为主控芯片，在DC-DC环节实现追寻最大功率跟踪控制，在DC-AC环节实现控制直流母线电压稳定，并控制产生与电网电压同频同相的正弦电流，实现并网功能。

图1 光伏并网逆变器系统

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：。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 Δt为 83 μs。 假定 ΔU 为 5 V，那么

考虑实际情况，选择耐压为450 V，容量为4 700 μF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：

当电流处于峰值时，要满足抑制谐波电流的要求，可得到：

式中：Em为电网电动势相压峰值；Im为交流侧基波相电流峰值；Udc为直流电压；Δim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 μF/1 000 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

MPPT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子程序流程图如图3所示。

图2 主程序流程图

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[1]。

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：经仿真，完全实现并网功能。仿真结论如图6所示：

图5 仿真原理图

图6 仿真结论曲线图

6 实验结果与结论分析

依据上述软硬件设计方法，以及对整个系统的仿真分析，设计样机并进行实验，实验并网波形如图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

[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.

[2] 赵为.太阳能光伏并网系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2002.

[3] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4] 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[M].北京：科学出版社，2005.