基于SPWM混合调制的光伏并网逆变实践教学装置研制

周 峰， 蒋 伟

（扬州工业职业技术学院a.智能制造学院；b.扬州市零碳智能制造工程技术研究中心，江苏 扬州 225127）

0 引 言

光伏并网逆变实践教学装置是利用模拟、数字控制和上位机通信技术搭建的通用实验平台，通过改变电路结构、参数和负载类型，完成课程相关实验。光伏发电技术教学涉及理论分析、电路计算等，内容难度较高，学生难以掌握，教师利用实践教学装置引导学生通过实践调试，充分发挥高职教育特色，理论与实践结合，达教学目标［1-4］。本文设计一种以SG3525 和DSP TMS320F28335 为核心的功能强、成本低、保护系统完善的光伏并网逆变实践教学装置。教学装置旨在教授光伏发电系统的结构、组成、工作原理以及每个部件的功能，同时提供实际操作练习，以培养光伏并网运维人员的实践技能。

1 教学装置硬件

教学装置主要由DC/DC、DC/AC 和上位机等单元组成，如图1 所示。选用芯片SG3525 作为升压控制器，该芯片具备可调整的死区时间控制、可编程式软启动以及脉冲控制锁保护等多项功能［5-6］。选用TMS320F28335 逆变控制器实现正弦波脉冲宽度调制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM），同时支持与上位机的远程通信，实现数据的上传和下载等操作。

1.1 DC-DC升压电路

为达到并网电压的要求，将光伏电池的输出直流电压12 V升压到320 V，装置的升压部分采用SG3525生成2 个互补的方波脉冲，用于驱动2 个IRF3205 功率管，实现功率管的互补导通。经过变压器升压、二极管整流，最终获得稳定的320 V，主电路结构图2所示。

图2 DC/DC升压单元电路

升压驱动利用SG3525 集成脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制芯片实现，输出频率由5 脚外接电容C4和6脚外接电阻R3构成的RC振荡器决定［7-9］，本设计频率为33 kHz。为实现升压电路软启动，在芯片8号脚连接电容C7，驱动电路如图3所示。

图3 DC/DC升压单元驱动电路

为保证升压电路的可靠性和输出电压稳定性，增加输出电压反馈电路，如图4 所示，利用电阻R3和R4分压所得值与稳压源U2对比输出信号给到隔离光耦U1，通过调整SG3525 驱动器的输出占空比，实现电压闭环控制。

图4 电压反馈电路

1.2 DC/AC逆变电路

逆变电路结构采用是典型的4 桥臂与4 个反并联二极管全桥电路，如图5 所示［10-11］。根据升压输出幅值为直流320 V 和输出电流为5 A，选择耐压为直流400 V、额定电流为10 A的IRF740 N型沟道MOSFET功率管，1N4007 二极管。依据输出功率和母线电压波动值，选择330 μF、直流450 V 的电解电容为母线支撑电容。

图5 DC/AC主电路结构

为实现输出电压更接近正弦波形，逆变器输出端采用LC滤波［12-13］。依据10f1＜fc＜fs/10，其中：f1为基波频率；fs为载波频率；fc为LC 谐振频率。本设计基波频率选择50 Hz，载波频率选择5 kHz，输出滤波电感最小值通常由流过电感允许电流纹波决定，一般选输出额定电流的20%，本设计输出电压为交流220 V，有功功率1 kW。

由此可得，流过电感允许电流纹波

电感的状态满足：

式中，UO(t)=UDC/2 时，有最大值

根据本装置设计：UDC= 320 V，fC= 16 kHz，ΔImax=0.91 A，可得L≥3 mH，再根据2πLC10/fc，求得C=3.4 μF，因此本装置中取L=4 μF。

驱动电路采用了以IR2110 为核心的自举不隔离驱动电路，满足驱动能力前提下节约成本，电路如图6所示。

图6 驱动电路

该电路输出两路信号用来驱动同侧桥臂上下两个功率管，由于IRF740 充分导通需要足够的栅极电荷，选择低感系数自举电容C38，47 μF/25 VDC的钽电容。考虑到逆变单元过载或短路故障，驱动单元通过电流采样电阻将电流信号转换为电压信号，经信号处理传送至IR2110 的13 号脚SD，直接停止驱动，保护装置安全可靠［14-15］。

1.3 通信电路

装置包含上位机和下位机，上位机利用C++语言编写调试界面，下位机采用TMS320F28335 处理器，C语言编程。上、下位机之间的通信是采用RS485 通信协议。为实现通信稳定、可靠，避免串扰，增加ACPLM72T隔离光耦芯片。利用此通信电路使用PC 机作为上位机对DSP 进行控制，完成不同的实验需要的不同操作，电路如图7 所示。

图7 通信电路

1.4 电源电路

装置输入电源为光伏后端储能蓄电池，直流电压为12 V。控制系统中DSP 和部分集成电路供电需要直流5 V 和3. 3 V，设计了一个输入12 V 输出5、3.3 V的直流稳压电源，电路如图8 所示。

图8 电源电路

选择MC7805BTG 为第1 级降压芯片，输出直流电压为5 V，驱动电流能达1 A。选择UA78M33QDCYRG4Q1 为第2 级降压芯片，输出直流电压3.3 V，驱动电流可达500 mA。

2 逆变控制策略

本教学装置是针对光伏并网发电逆变，为满足并网电压要求，采用了SPWM 控制技术，该技术具有开关频率固定、输出电压中只包含固定频率的高次谐波成分，并具备简单的滤波器设计。为既降低开关损耗保证器件寿命，又提高输出电压品质，一侧桥臂选择单极性SPWM调制，如图9（a）所示，另一侧桥臂选择了双极性SPWM调制的混合控制策略，如图9（b）所示。

图9 SPWM混合调制策略

利用TMS320F28335 内部自带的事件管理模块产生4 路PWM信号，要确保计数周期不变，同时使PWM占空比大小变化呈成正弦趋势。设定载波频率，计数器采用先递增再递减的计数方式，在每次计数值达到载波周期时，会重新设置比较值，在半个周期结束后改变计数方向。本设计中载波频率采用16 kHz，输出频率为50 Hz，每个周期载波数根据载波频率除以输出频率，本设计中每个周期需要载波数是320。用此方法将升压模块输出的直流320 V 调制成频率为50 Hz、有效值为直流220 V的正弦交流电压。

3 装置搭建与试验分析

光伏并网逆变实践教学装置如图10 所示。装置包括升压电路、全桥逆变电路、主控制电路和上位机平台。装置主要承担光伏并网逆变的输出调频、调压和死区时间调节等实验。

图10 手提箱式实践教学装置

（1）光伏输入升压闭环控制实验。本装置设计的升压电路输入电压为光伏蓄电池直流12 V，利用闭环升压控制使得升压单元输出直流320 V，利用示波器测得升压单元的输入、输出电压波形如图11 所示。

图11 升压单元输入、输出电压波形

（2）光伏并网逆变输出调频实验。通过上位机控制界面，改变逆变输出的基波频率设定值，利用示波器观察逆变器输出端电压频率变化。本实验要求光伏并网逆变装置能够实现输出交流电频率在50 ～60 Hz范围内可调节，精确到0.5 Hz。实验通过上位机设置频率分别为52 和58 Hz，实测结果如图12 所示。

图12 逆变交流波形

（3）光伏并网逆变输出调压实验。通过上位机控制界面，改变SPWM 调制比，实现光伏逆变输出电压有效值改变。本实验要求光伏并网逆变装置能够实现SPWM调制比在0.6 ～1 范围内可调节，分辨率为0.1。利用示波器观察逆变器输出电压频率为50 Hz，调制比分别为0.7 和0.9 的逆变器输出端电压有效值，如图13 所示。

图13 有效值波形

（4）光伏并网逆变混合调制控制策略验证。通过测量全桥逆变电路2 桥臂功率管驱动波形，2 个桥臂上管Q1和Q3的驱动波形如图14 所示，从波形可见，A通道对应Q1驱动控制策略为单极性，B 通道对应Q3驱动控制策略为双极性。

图14 混合调制控制策略驱动波形

4 结 语

本文基于模拟和数字控制技术研制一台通用光伏并网逆变实践教学装置，给出了升压电路、逆变电路、通信电路、电源电路的原理。根据光伏并网逆变的不同环节配置分别完成功能验证实验。给出了光伏发电并网逆变的控制策略和实验结果。该实验装置通用性强，硬件成本低、维护简单、便携。