基于DSP的3 kW单相光伏并网逆变器设计

曾杨杨，陈宇晨，李正明

(1.上海电力学院电气工程学院，上海 200082；2.上海工程技术大学电子与电气工程学院，上海 201600)



基于DSP的3 kW单相光伏并网逆变器设计

曾杨杨1，陈宇晨2，李正明2

(1.上海电力学院电气工程学院，上海 200082；2.上海工程技术大学电子与电气工程学院，上海 201600)

基于光伏并网逆变器的基本原理和拓扑结构，提出一种基于DSP的3 kW非隔离型光伏并网逆变器的设计。通过理论分析和计算，进行电路元件参数的设计，包括主电路参数、检测和保护电路、驱动电路的设计。搭建3 kW实验样机一台，样机实验表明，该设计方案满足了逆变器的设计要求，能够实现安全、可靠并网运行，输出电流具有较低的谐波含量。

光伏；逆变器；并网；拓扑；主回路；谐波

0 引言

环境问题和日益严重的能源危机推动了光伏发电等新能源技术的发展。光伏发电系统按与电网的连接关系分为并网型(有源)和离网型(无源)两种。前者的输出电能直接输送给电网，后者将电能供给本地负载或者存入能量储存系统，如蓄电池。按照逆变器的拓扑结构分为有变压器隔离型和无变压器隔离型。前者带有变压器，体积和质量会大大增加；后者省去了隔离变压器，体积和质量大大减小。作为光伏发电系统的关键部分，逆变器的主要任务是进行太阳能电池板最大功率点跟踪并通过一定的控制算法将电能送入电网。

一台性能优良的逆变器需要有可靠的硬件电路以及控制算法做支撑。 随着数字信号处理器的快速发展，逆变器正朝着数字化的方向发展，基于此，本文提出了基于数字信号处理器DSP的3 kW光伏并网逆变器的设计，包括硬件电路和软件的控制算法。

1 系统组成

本文所设计的逆变器系统主要包括主回路、控制器、检测电路、保护电路以及驱动电路等。如图1所示，逆变器采用两级结构：前级为DC-DC环节，采用Boost升压电路，提高了电池板输入电压范围；后级DC-AC环节，采用全桥逆变结构，输出与电网电压同频同相的正弦电流输入电网。

图1 系统拓扑结构图

2 主电路设计

逆变器设计输入电压范围为125～550 V，最大直流输入电流25 A，额定功率3 kW，DC/DC和DC/AC环节开关管开关频率设计为20 kHz。下面进行主电路参数的设计，包括升压电感、直流母线支撑电容以及开关管的选型。

2.1 升压电感L1的参数设计

由于电路寄生电阻的存在，Boost电路最大占空比约为0.88，此电路最大占空比为

当输出最大负载电流时至少应满足电路工作在电流连续模式下，则

式中：Vs为开关管导通时的压降，其值远小于Vin，可忽略；I0为直流母线额定输出电流；Vi为直流输入电压。

同时考虑到在10%负载电流以上使电路工作在电流连续模式下，电感纹波电流ΔLL为平均电流的20%～30%。在增加ΔL的情况下可减小电感量L，但为不增大输出纹波电压，应增大母线支撑电容C，那么此设计中取20%为平衡点：

2.2 直流母线支撑电容的设计

在两级式单相并网光伏逆变器系统中，直流母线都会并联较大容量的稳压电容。设逆变器输出峰值电流为Im，电网峰值电压Um，角频率ω=2πf=314 rad/s，则当输出瞬时功率大于直流功率时，电容将提供这部分电能，则有

功率脉动的半个周期内，电容释放电能为

又有

得到

式中：U1，U2分别为直流母线电压的最大、最小值；P为逆变器输出平均功率；Udc为直流母线电压；ΔUmax为母线电压纹波最大值。

在本设计中，最大纹波电压为额定母线电压5%，母线电容为

2.3 开关管型号的选取

太阳能光伏阵列的输入电压范围：125～550 V。DC/DC环节两片MOSFET并联使用，型号为SPW47N60C3，耐压650 V，耐流为47 A，具有极低的导通电阻0.07 Ω，双管并联可实现自动均流。DC/AC侧采用全桥逆变拓扑结构，IGBT选用IKW50N60T，耐压600 V，耐流为50 A，导通电阻小于0.45 Ω。以上开关管在耐压、耐流能力以及开关速度上能满足本系统设计要求。

3 控制电路设计

控制电路主要完成对于整个系统的控制，包括输入、输出信号的采集与处理，MOEFET、IGBT的驱动脉宽调节，开关管的驱动电路，逆变器状态的判断与保护等功能。系统控制框图如图2所示。

图2 系统控制框图

3.1 控制芯片的选取

控制芯片选用TMS320F2812 DSP，与CPLD芯片EPM570T100C5协同完成系统的控制工作。TMS320F2812是一款数字处理芯片，在工业控制领域应用比较广泛。DSP强大的运算能力配合CPLD快速的信号处理能力，能够很好地完成系统所设定的控制任务。

控制信号(包括PWM驱动信号、控制信号和保护信号)通过CPLD到达被控制器件，一旦发生故障,CPLD可进行快速封锁保证系统的安全、可靠。同时故障信号产生的电平变化会返回DSP外部中断引脚，在发生故障等不正常运行状态时，执行封锁PWM信号的操作。

3.2 Boost 环节MOSFET驱动电路设计

驱动芯片采用6 A高速MOSFET驱动芯片TC4420，为单输出驱动芯片，每片TC4420驱动一片MOSFET，二极管RB5的作用是在MOSFET关断时形成快速放电回路，完成对电池板输入电压的升压和MPPT加快关断速度。驱动电路设计如图3所示。

3.3 DC/AC环节IGBT驱动电路设计

逆变桥IGBT的驱动芯片选用HCPL-316J，这是一款性能优良的逆变模块驱动IC。当开关管发生过流故障时，HCPL-316J能够检测过流状态，芯片Pin6会反馈给DSP故障信号，起到快速保护的目的。HCPL-316J保护过程如下：在正常情况下，HCPL-316J所驱动的开关管的C、E两极与驱动芯片的Pin14和Pin16引脚形成闭合回路，当过流故障发生时，开关管的导通管压降会增大，当电压大于7 V时，HCPL-316J芯片Pin6 Fault引脚产生低电平(低电平有效)，反馈给CPU，通知DSP执行停机保护操作。待故障解除，Fault信号恢复高电平，通知CPU故障解除，CPU输出一个低电平(低电平有效)信号给HCPL-316J，进行复位操作，恢复正常工作状态。驱动电路如图4所示。

3.4 保护电路设计

为了确保逆变器安全运行，系统进行了各电气参数检测与保护功能，包括输入电压过/欠压保护、逆变器输出过/欠压保护、直流输入电流过流保护、直流母线过压保护、逆变器输出过/欠压保护、电网电压过/欠压保护、逆变器输出过流保护、孤岛保护、逆变器过热保护等保护功能。逆变器的启动条件及控制时序如下：

(1)电源供电正常；

(2)电池板输入电压在允许范围内(125～550 V)；

图3 MOS管驱动电路

图4 IGBT驱动电路

(3)电网电压正常(电网频率49～51 Hz，电网电压190～250 V)。

以上条件同时满足时启动Boost电路，启动Boost电路之后，电路满足以下条件时启动DC-AC电路：

(1)直流母线电压稳定在400 V；

(2)电网电压正常(电网频率49～51 Hz，电网电压190～250 V)；

(3)未检测出故障状态。

以上条件同时满足时启动DC-AC，当并网继电器吸合后，进行MPPT计算，逆变器并网输出电流，否则DC-DC与DC-AC电路均不启动(DSP无脉冲输出)。程序流程框图如图5所示。

图5 主程序流程图

3.5 逆变器控制方案设计

采用数字PID算法实现直流母线电压外环、电流瞬时值内环的双闭环控制方案。Boost电路开关管以及逆变桥开关管PWM信号均是由DSP芯片产生，经过驱动电路驱动MOSFET及IGBT，脉宽根据程序算法计算给出，双闭环控制算法控制框图如图6所示。

图6 系统控制图

4 试验结果及结论

根据本文的设计方案，设计了一台3 kW的样机，并进行了试验验证。图7为逆变器并网电流波形。正弦波为并网电流波形，另一信号为SPWM信号。锁相试验如图8所示，输出电流与电网电压相位一致，实现单位功率因数运行。

试验表明，逆变器输出电流与电网电压同频、同相，能够达到将电能输入电网的功能。锁相和控制效果比较理想，经仪器测定，总谐波含量THD 4%。本文进行的硬件设计与控制方案的使用能过达到设计要求，实现安全可靠并网，

现已在并网条件下长期运行，是光伏并网逆变器设计的一种可行的方案。

图7 并网电流波形

图8 锁相波形

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Design for 3 kW Single-phase Photovoltaic Grid-connected Inverter Based on DSP

ZENG Yang-yang1,CHEN Yu-chin2,LI Zheng-ming2

(1.Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200082,China；2.Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201600,China )

Based on the basic principle and topology of the inverter,aiming at presenting a design for 3kW single-phase photovoltaic grid-connected inverter using DSP was presented.Through the theoretical analysis and calculation,the design of parameters of the circuit element was implemented,including the design of parameters of the main circuit,detection and protection circuit,and the driver circuit.A 3kW grid-connected inverter prototype was set up in the laboratory.Experiments prove that the design is well applied to this photovoltaic grid-connected inverter,the inverter was with good security and reliability and low harmonic content.

photovoltaic;inverter;grid-connected;topology;main circuit;harmonic content

2015-01-10 收修改稿日期：2015-07-16

TM64

A

1002-1841(2015)10-0016-03