穆桂霞1，郝瑞祥2，王
（1.保定天威集团有限公司，河北保定
剑2，赵志强
1
电气工程学院，北京071056；2.北京交通大学，100044）
摘要：为满足小型家用单相光伏发电系统的需求，研制了一台6kW单相光伏并网逆变器。该逆变器前级采用
后级采用全桥逆变电路。全桥逆变电路采用单极性倍频正弦波脉宽调制（调试方式，使逆变Boost电路，SPWM）器在开关频率较低的条件下，输出电流波形畸变率能满足相关标准要求。逆变器控制系统采用基于比例谐振（控制器的电流环及电压环控制方式。实验证明，采用该方法可获得良好的稳定性和动态电流跟踪性能。PR）
关键词：逆变器；正弦脉宽调制；双闭环控制中图分类号：TM464
文献标识码：A
文章编号：1000-100X（2011）09-0069-03
NewTypeSingle-phasePhotovoltaicGridInverterDevelopment
MUGui-xia1，HAORui-xiang2，WANGJian2，ZHAOZhi-qiang1
（1.BaodingTianweiGroupCo.，Ltd.，Baoding071056，China）
Abstract：Inordertomeettheneedsofsmallhouseholdsingle-phasepowersystem，a6kWsingle-phasephotovoltaicgridinverterisdeveloped.Itisbasedonthebipolartypetopologicalstructure.ByadoptingBoostcircuittomeetawiderangeofDCinputvoltage，inswitchingfrequencylowconditions，withsinglepolarityfrequency-doublingSPWMwavemodulatemethod，theinverter’soutputcurrentwaveformTHDmeetsspecifiedrequirements.Thecontrolsystemadoptsdouble-loopscontrolstrategy.Theexperimentresultsshowthattheproposedmethodhasgoodstabilityanddy-namiccurrenttrackingperformance.
Keywords：inverter；sinepulsewidthmodulation；double-loopscontrol
1引言2.1
近年来，太阳能发电作为一种太阳能资源的利用方式正逐渐受到各国重视。作为光伏并网发
电主要设备之一的并网逆变器需不断创新以满足其发展。根据国外客户的反馈意见及市场趋势，光伏并网系统中逆变器的选型安装越来越倾向于小型化、智能化和模块化。在此研发了一台6kW单相光伏并网逆变器，以来满足小型家用单相光伏发电的要求。
DC/DC电路设计[1]
光伏电池板工作过程中电压变化范围较宽，
因此前级采用Boost电路实现DC/DC升压，使在不同天气条件下的输入电压达到一个合适的水平。Boost电路工作在电流连续模式，当太阳能电池板输出电压低于某设定值时，Boost电路工作实现升压功能；当电压达到能够维持DC/AC逆变输出要求，即电池板输出电压超过某设定值时，太阳能电池板直接通过二极Boost电路停止工作，管向逆变器供电。为了降低直流侧纹波电流，减小直流侧电容，Boost电路设计时采用双Boost交错并联控制技术。Boost电路工作开关频率越高，越能减小输出波形中的谐波含量，降低纹波，减小滤波器件（电感和电容）的体积，但同时会增加开关管和续流二极管的损耗。
高频、小容量条件下，MOSFET适用于低压、
故在此选其作为Boost电路的开关器件。在系统中
2逆变器的主电路拓扑结构
设计采用工频变压器隔离的两级式光伏逆变
拓扑结构，主电路系统如图1所示。
图1
定稿日期：2011-05-17
主电路系统图
作者简介：穆桂霞（1977-），女，宁夏固原人，工程师，研究方向为电力电子技术。
MOSFET承受的最大电压为600V，电流为30A，
采用两个MOSFET并联，进行交错控制，减小谐波含量，降低开关管损耗。选用高频操作的具有较低通态压降和快速反向恢复时间的续流二极管，在系统中其承受的最大电压为600V，电流为15A。
第45卷第9期2011年9月
电力电子技术
PowerElectronics
Vol.45，No.9September2011
2.2DC/AC电路设计
2.2.1开关器件的选择
本系统最大直流输入电压为600V，逆变器额定输出电流为27.3A。参照上述选择标准，考虑耐压、电流要求以及散热，选取一定裕量，兼顾实验条件下的不定因素，因此逆变器主电路采用高速H桥IGBT模块进行逆变。
2.2.2交流侧滤波电感的选取[2]
逆变器输出采取LCL结构的滤波器，滤除逆变器输出中的高频分量。交流侧滤波电感的大小既影响电流纹波，又影响实际电流的跟踪速度，所以此参数的选择直接影响系统的工作性能。考虑电流快速跟踪的要求，可得电感的上限为：
L≤姨Udc2-Us2/（ωIs）
为电网电流有效值。
2.2.5电磁兼容及输入保护电路的设计
光伏逆变器的输入为太阳能电池板，为了防止外部引线上的雷击或浪涌等过电压信号进入主电路，在逆变器的输入侧采用压敏电阻抑制过电压。同时逆变器工作过程中会产生高频共模和差摸干扰信号，为了减少这些信号对太阳能电池板的危害，采用图1所示的Ⅱ型EMI滤波电路。主电路工作在PWM控制模式下会产生很大的电磁干扰，这些电磁干扰通过电磁场的作用经变压器耦合至电网中，因此逆变器并网侧也设计了Ⅱ型EMI滤波电路以抑制这种干扰，使谐波畸变率达到一定的标准要求。
3
（1）
逆变器控制策略及软件控制流程
开关管的驱动信号由三角波和正弦波比较匹
式中：Udc为中间电容两端的电压；Us为电网电压有效值；Is
配得到，在常规SPWM中，开关频率与输出脉冲频率相等。开关频率越高，则输出的电流波形中谐
波含量越小，但开关频率过高会导致开关损耗增大；开关管发热严重且开关器件高速通断，会产生很高的电压尖峰，有可能造成开关管或其他元件被击穿。开关频率降低会使输出波形中谐波含量变高，不能满足最终指标要求。因此本逆变器采用了一种单极性倍频SPWM调制方式，使一个载波周期内输出脉冲的频率是开关频率的两倍。3.1
单极性倍频SPWM调制原理[3]
代入系统参数计算得L≤35.5mH。
为了抑制电流纹波，电感不可过小。当并网电流达到峰值时其波动最大。已知σ为纹波系数，当要求电流纹波△i≤σIs时，有：
L≥（Udc-uAB）uABf/（△iUdc）
（2）
式中：uAB为逆变器输出电压；f为输出电压脉波频率。
当uAB=311V时，电感电流纹波最大，取σ=代入各参数计算得L≥0.93mH。0.15，
综上所述，滤波电感的取值范围为0.93mH≤L≤35.5mH，但在实际设计过程中还需考虑电感的体积、成本及实际情况下电网电压的波动范围来最终确定电感值，电感的额定电流为40A。2.2.3控制系统设计
控制板采用TMS320F28335型DSP为核心，可实现对Udc、网侧电压、并网电流以及电池板电压、电流信号采样、DC/DC变换器和DC/AC逆变器控制脉冲的产生、系统运行状态的监视和控制、故障保护和存储、通讯等功能。控制系统主要包括
信号检测及调理电路、保护逻CPU及其外围电路、
辑及通讯等电路。保护逻辑电路保证发生故障时，系统能从硬件上直接封锁输出脉冲信号。2.2.4驱动电路设计
系统的驱动部分为IGBT驱动以及MOSFET驱动，前级DC/DC的驱动电路使用隔离放大芯片直接驱动，同时实现控制电路与主电路隔离及驱动MOSFET的目的。DC/AC的驱动电路将DSP输出的PWM信号通过驱动模块2SC0108T驱动全桥IGBT，该模块体积小、驱动能力强，保证功率模块的可靠触通。
单极性倍频SPWM调制将一个全桥逆变器拆分成前后两个半桥逆变器，用两个相位相反的正
弦波进行调制后得到的信号分别对其进行SPWM控制，最终使全桥逆变器的输出达到倍频的效果，图2示出单极性倍频SPWM脉冲生成原理。
图2单极性倍频SPWM调制原理
由图可见，参考波ur与三角波uc两者的交点决定后桥臂两管的导通时刻。当ur>uc时，后桥臂的下管导通，上管关闭，结合图1所示，此时B点电压uB=0；当ur 则uc时，前桥臂的上管导通，下管关闭，uA=Udc， 由图2可见，输出电压脉动频率为开关uAB=uA-uB，频率的两倍。3.2 逆变器控制系统的设计[4] 控制程序采用模块化设计，流程简洁，具有可读性及可移植性，主要完成以下功能：主电路一些 参数的采样计算；有、无Boost两种情况下的MPPT控制；生成DC/DC，DC/AC两级电路的控制信号；系统故障检测及处理；通讯功能及显示。 双闭环控制结构由外环电压调节器和内环电感电流调节器组成，前者采用PI调节器，后者采 如图3所示。用PR调节器， 4实验结果 在上述主电路拓扑结构、调制方式及控制策 略下，对该逆变器进行满功率实验。表1为测量的直流侧及网侧的实验参数。由表可计算出该逆变器的效率为95.11%。图5a为满功率时逆变侧及网侧并网电流波形，图5b，c分别为满功率时逆变 Udc，Udc*为中间直流电压采样值和给定值；Icmp为指令电流幅值；i为电流指令瞬时值；ue为网侧电压；u为参考电压指令值。 * * 侧及网侧的电流THD图。 表1 直流侧与网侧实验参数 图3双环控制系统控制框图 电流PR调节器既消除了系统输出的稳态误 差，又保证了系统良好的动态性能；电压PI调节器可使输出电压波形瞬时跟踪给定值。该双环控制方式动态响应速度很快，且静态误差也很小。 控制过程中，Udc与Udc*相比较的误差值给出电流指令，当Udc＞Udc*时，增大输出电流，反之则减小输出电流，以此来实现Udc稳定控制。在得到电压环给出的电流指令后，经同步与正弦表相乘，得与交流采样电流相比较，经PR调节到真正的i*，后，加入ue，产生SPWM波来控制IGBT的开断。3.3 控制程序流程图 参数 直流侧网侧电压/V393.079246.055电流/A15.698723.9827功率/kW功率因数6.1680.999495.86620.99409 图4示出逆变器并网过程及并网运行流程。 图5 实验波形 5结论 所提出的两级式单相光伏并网逆变器能适应宽范围的直流输入电压，在较低开关频率下，采用单极性倍频的调制方式能改善并网电流波形，使减少开关损耗，提高并网电流总畸变率小于3%，逆变器的效率。同时采用双闭环的控制策略，使系统具有良好的稳定性和动态电流跟踪性能。 参考文献 [1][2] 杨 军.光伏并网逆变器的研制[D].北京：北京交通大学，2007. 王玉斌，陈建良.基于LCL滤波器的并网/独立双模式控制高性能逆变器的设计与并联技术研究[J].电力系：统保护与控制，2010，38（20）110-111.[3][4] 李宋 琛.基于单极性倍频SPWM调制的逆变电源系统伟，曹太强，刘兴民.采用电感电流内环的单相逆研究[J].宁夏工程技术，：2009，8（3）197-200.变器设计[J].电子元器件应用，：2010，12（10）73-75. 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容