T型三电平并网逆变器的设计与实现

季宁一 赵 涛 徐 友 徐宏健



T型三电平并网逆变器的设计与实现

季宁一1赵 涛2徐 友2徐宏健1

（1. 南京工程学院电力工程学院，南京 211167； 2. 南京工程学院自动化学院，南京 211167）

本文以DSP芯片TMS320F28035为控制核心设计了一台T型三电平并网逆变器，对逆变器基于PI电压外环和PR电流内环的双闭环控制进行说明，并详细介绍了主电路系统和控制系统的元器件选型与设计方案。并网实验结果表明，该逆变器输出电流稳定且相位对称，谐波失真度低，满足逆变器并网所需达到的电能质量要求，证明了逆变器设计参数的合理性与控制方案的可行性。

并网逆变器；T型三电平；数字信号处理；比例-谐振控制器

目前，分布式发电技术凭借其发电方式多样，建设成本小等优势成为电力行业的研究热点，并网逆变器作为分布式电源与大电网之间的接口，对并网效果有重要的影响。其中，T型三电平结构相对于传统的两电平结构，输出波形更近似于正弦波，电流电压谐波分量低[1-3]；而相对于二极管钳位型三电平结构，采用功率器件数减少，器件电压等级降低，开关损耗小[4-6]。因此，采用T型三电平并网逆变器可在很大程度上改善并网电能质量，提高并网效果。

本文设计并搭建了一台T型三电平并网逆变器，主控核心选用DSP芯片TMS320F28035，控制策略采用针对电压电流瞬时值的双闭环控制，PI（比例-积分）外环保证直流电压稳定，PR（比例-谐振）内环控制并网电流。实验结果表明，该逆变器输出电流稳定，谐波失真度低，三相电流相位对称。

1 T型三电平并网逆变器系统组成

T型三电平并网逆变器由主电路和控制系统组成。主电路包括开关保护电路、T型三电平逆变电路和单L滤波电路，将分布式电源输出的直流电经过逆变和滤波后并入电网，实验时输入端选用可调直流源代替分布式电源。控制系统包括信号采样电路、主控电路和驱动电路，检测主电路电压电流瞬时值信号，由DSP进行双闭环控制计算和空间矢量调制后，输出PWM脉冲驱动主电路中的功率开关管。其系统整体结构如图1所示。

2 主电路设计

逆变器主电路采用T型三电平拓扑结构，如图2所示，由直流侧2个支撑电容1、2和12个功率开关管Ta1—Tc4组成。直流侧输入电压范围为600～800V，额定功率为5kW，开关管工作频率为10kHz。以下给出直流支撑电容和功率开关管的选型与设计方案。

图1 系统整体结构图

图2 T型三电平结构

2.1 支撑电容设计

在T型三电平电路中，支撑电容1、2可均分直流侧电压d，保证中点电位平衡并且抑制直流电压谐波[7]。直流电容的电压波动主要由3次基波分量构成，通过对中点电位平衡的分析，可得出电容值的计算公式[8]为

式中，o_max为最大中点电流；0为中点电压波动角频率，0=3g，g为基波角频率；Ddc_max为两个电容的最大电压差。

鉴于两个电容的电压差应保持在直流电压的3%以内，经过计算并考虑电容值裕量，最终选用10个450V/390mF电容，每5个电容并联为一组再将两组串联，电容总容量为975mF，耐压值为900V。

2.2 开关管选型

并网逆变器的额定电压和额定功率是开关管选型的关键因素。在本系统中，直流输入电压范围为600～800V，为满足裕量，开关管需要能够承受直流输入电压最大值的1.1倍，即880V。T型三电平电路每一相桥臂均有4个开关管，因此每个开关管应当能承受的电流最大值max为

式中，n为逆变器额定输出功率；dc_min为直流电压最小值。

本系统选用英飞凌公司的IGBT模块F3L80R12W1H3_B11，以A相为例，结构如图3所示，其中，+DC是直流侧正极，-DC是直流侧负极，是中性点，为交流输出。该模块可承受的最大工作电压为1200V，额定电流为80A，符合逆变器设计需要。

图3 IGBT模块结构图

3 控制系统设计

控制系统由主控板、信号采样电路、驱动电路和上位机组成，结构如图4所示。采样调理电路采集直流电压和并网电流电压瞬时值，并对其进行限幅调节，作为DSP控制计算的实际值输入。上位机与DSP之间通过串口通信设置控制系数与电压电流基准值，并实时监测并网过程中各项动态数值。DSP经过双闭环控制计算和空间矢量调制后，由CPLD对PWM脉冲进行分配输出。驱动电路对PWM信号进行隔离放大，作为主电路的控制信号，并起到过流保护作用。以下对各电路设计过程加以详细 说明。

图4 控制系统结构框图

3.1 主控电路设计

控制系统以DSP和CPLD作为控制核心，将DSP对数字的高速运算能力与CPLD的逻辑电路编程功能相结合。其中，DSP选用TMS320F28035芯片，CPLD选用EPM570TI00I5低电压可编程逻辑芯片，不仅能满足逆变器控制要求，还能减少程序运行时间，增加系统的可扩展性。

DSP与CPLD之间通过通用IO口进行数据传输，将DSP中经双闭环控制和矢量调制后输出的12路脉冲信号发送给CPLD，由后者搭建逻辑电路对脉冲进行比较分配后输出PWM驱动波形。

图5为CPLD的逻辑电路示意图。CPLD接受DSP发出的2路PWM信号、1路使能控制信号和1路驱动复位信号，为主电路的一相提供两路互补驱动信号。该逻辑电路对2路PWM信号加入死区设置，通过与非门保证两个开关管不同时导通，当开关管出现过流、过压等情况时，DSP接受驱动反馈的故障信号并发出复位信号HCPL_RST，经逻辑电路后置低电平发送给驱动芯片的复位引脚，封锁PWM输出。

3.2 控制策略设计

图5 CPLD逻辑电路

图6 双闭环控制原理框图

3.3 信号采样电路设计

采样电路通过传感器采集电压电流信号发送给DSP。以图7为例，选用HNV025A霍尔电压传感器，将原边所测电压转化为小电流信号，按1∶2.5的比例放大后，通过接地电阻转化为电压信号IN作为调理电路的输入。调理电路采用两级运放控制，前级运放选择TL082，利用输入的12V电源，通过运放分压输出偏置电压，实现电压信号幅值抬升，后级运放选择LMV932，用作电平转换，通过加入箝位电路，保证输入AD的信号在0～3.3V之间变化。

图7 电压信号采样电路

3.4 驱动电路设计

驱动电路将CPLD输出的12路PWM信号转变为控制IGBT通断的驱动信号，选用带短路过流保护和故障反馈功能（CE欠饱和检测和故障状态反馈）的光耦隔离芯片HCPL-316J，最大能驱动1200V/15A的IGBT，可以满足本文所用IGBT模块的要求。

驱动电路结构如图8所示，由HCPL-316J光耦隔离芯片及其外围电路组成，输出信号E、C、G端分别与IGBT的发射极、集电极和门极相连。IN+端接受PWM信号，OUT端作为信号输出，两端的响应时间不能超过500ns，并需保证输入输出同步。外围输出电路由两个三极管互补电路组成，降低了光耦芯片的内阻，并加快IGBT的开关速度。为降低IGBT的输入阻抗并防止门极电路出现振荡，在门极和发射极之间并联双向稳压二极管D10。当IGBT出现短路或过流状况时，CE迅速升高，当超过设定的保护电压时即DESAT端对地电压大于7V时，FAULT端置低并将错误信号反馈给控制电路，RESET复位端接收CPLD发出的低电平信号，停止输出驱动信号，IGBT关断，直到故障解除后复原。

图8 HCPL-316J驱动电路

4 实验结果分析

在以上设计方案的基础上，本文搭建了一台T型三电平逆变器进行并网实验，实验平台如图9所示，输入端选用100V的低压直流源，逆变器输出端经过升压变压器接入电网。

图10（a）为逆变器输出相电压AN与相电流i的波形图，可以看到相电压有0、+50V、-50V三个等级，即为三电平电路的3种基本电平。图10（b）为逆变器输出线电压AB与相电流A的波形图，其中线电压一个周期内存在5个阶梯，且阶梯波形平整，使输出波形可更近似于正弦波，有利于降低谐波含量，提高系统电压利用率；相电流A幅值为4A，是一个近似正弦的信号，证明了本文所采用的PR电流环能较好的完成控制电流的任务。

图9 T型三电平逆变器实验平台图

图10 A相逆变器输出电压电流波形

图11（a）为并网电流阶跃变化动态波形，系统起动后，并网电流很快趋于稳定，暂态时间短且电流冲击小；图11（b）为软起动状态下的并网电流波形，可看出并网电流具有较好的正弦度和相位跟踪，有效减少了逆变器并网时对电网的冲击。

图11 A相并网电流动态波形

在并网实验中，通过电能质量分析仪CA8336获得逆变器输出的并网波形和数据。图12（a）为三相并网电流波形，图12（b）为三相并网电流相位角，从图中可看出三相并网电流波形平稳无波动，频率幅值相同，相位差均为120°，满足相位对称。

图13为相电压和相电流的谐波失真度（），其中，相电压谐波由基次谐波构成，均小于3%，相电流均小于0.6%，符合并网逆变器各特征次谐波分量均小于3%的设计标准。

图12 三相并网电流与相位角

图13 相电压与相电流谐波失真度

5 结论

本文以T型三电平并网逆变器作为分布式电源和电网之间的接口，给出主电路与控制系统的设计方案，并对所用并网控制策略加以说明。实验结果表明，该T型三电平逆变器并网电压电流稳定且相位对称，谐波失真度低，具有良好的并网效果，证明了本设计方案的正确性与可靠性。

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Design and implementation of T-type three-level grid-connected inverter

Ji Ningyi1Zhao Tao2Xu You2Xu Hongjian1

(1. School of Electric Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167; 2. School of Automation, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167)

A T-type three-level grid-connected inverter is designed with DSP chip TMS320F28335 as the control core. The article explains double closed loop control strategy based of PI voltage outer loop and PR current inner loop, and details the main circuit system and control system components selection and design options.According to the grid experiment results,the output current of the inverter is stable and its phase is symmetrical,the harmonic distortion is low, which meets the requirements of power quality required by inverter grid connection and proves the rationality of the inverter design parameters and the feasibility of the control scheme.

grid-connected inverter; T-type three-level; DSP; PR controller

2018-05-04

季宁一（1995-），男，江苏宜兴人，硕士研究生，主要从事力电子及微电网技术方面的研究工作。

江苏省配电网智能技术与装备协同创新中心开放基金项目资助（XTCX20181）