單相光伏逆變器關(guān)鍵技術(shù)探討

賈永博

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安 710054）

單相光伏逆變器關(guān)鍵技術(shù)探討

賈永博

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安 710054）

以TMS320F28335為核心處理器，對(duì)單相光伏逆變器的A/D采樣、鎖相環(huán)、濾波器設(shè)計(jì)3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。文中給出了A/D采樣硬件電路、快速傅里葉算法、鎖相環(huán)硬件電路和軟件編程思路，以及LCL濾波器基本約束條件以及電感磁環(huán)對(duì)濾波的影響。通過(guò)對(duì)300W單相逆變器參數(shù)的設(shè)計(jì)完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

A/D采樣；快速傅里葉算法；鎖相環(huán)；濾波器

引 言

隨著近幾年光伏發(fā)電不斷受到重視，光伏逆變器的需求量也日益增加。文中給出了光伏逆變器A/D采樣、鎖相環(huán)、濾波器設(shè)計(jì)3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)所給硬件電路設(shè)計(jì)出一臺(tái)300W的單相逆變器樣機(jī)，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。單相光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖1中，用蓄電池模擬光伏電池板，其電壓值為48V，經(jīng)過(guò)H橋和LCL濾波電路后調(diào)理為30V的正弦電壓信號(hào)，通過(guò)30/220的變壓器升壓，連接負(fù)載。DSP TMS320F28335控制回路采集電網(wǎng)電壓、逆變電壓、并網(wǎng)電流以及這三路過(guò)零后的方波信號(hào)。在TMS320F28335內(nèi)部運(yùn)算處理后輸出4路SPWM信號(hào)和一路并網(wǎng)控制信號(hào)。并網(wǎng)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)接觸器，出于安全考慮，再經(jīng)過(guò)斷路器控制并網(wǎng)。

1 A/D采樣技術(shù)

1.1 硬件部分

電壓A/D轉(zhuǎn)換器采樣硬件電路如圖2所示。

圖2 電壓A/D采樣硬件電路

電流采樣電路中，采用霍爾電流傳感器TBC05LX，此器件額定輸出為-4～+4V的交流電壓信號(hào)，其電路和電壓采樣類似，經(jīng)過(guò)濾波，偏置、抬高、限幅得到0～3V的信號(hào)輸入TMS320F28335。

1.2 軟件FFT（快速傅里葉）算法

TMS320F28335的A/D轉(zhuǎn)換器采集的是一連串離散的點(diǎn)，采樣后需要將這些離散信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的有效值進(jìn)行校準(zhǔn)，F(xiàn)FT傅式算法［1］能夠?yàn)V去恒定直流分量，并且對(duì)二次以上諧波有較好的濾波作用。在一個(gè)周期中，電壓u（t）的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為：

因?yàn)锳/D采樣信號(hào)為離散點(diǎn)，故對(duì)上式離散化為：

其中，N為載波比，n為信號(hào)中所含的諧波次數(shù)，um為所采集信號(hào)的基波有效值。

2 鎖相技術(shù)

在逆變器并網(wǎng)中，并網(wǎng)電流應(yīng)與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，所以鎖相環(huán)是必不可少的。鎖相分為軟件鎖相和硬件鎖相。軟件鎖相可以方便系統(tǒng)控制軟件的數(shù)據(jù)交換和調(diào)整，反應(yīng)迅速，參數(shù)修改靈活，實(shí)際應(yīng)用中多采用軟件鎖相［2］。

由此，我們可以進(jìn)一步討論新聞文本與電影文本中的底本與述本之間的聯(lián)系和差異。無(wú)論是作為紀(jì)實(shí)型敘述的新聞文本，還是作為虛構(gòu)型敘述的電影(故事片)，從底本到述本都會(huì)因材料上的選擇組合和再現(xiàn)方式差異發(fā)生變形或扭曲。

圖3為軟件鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖。電網(wǎng)電壓和逆變電流信號(hào)經(jīng)過(guò)捕獲上升沿，比較兩者相位差，實(shí)時(shí)調(diào)整SPWM的載波周期值，使逆變電流跟蹤電網(wǎng)電壓相位。

圖3 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 鎖相硬件電路

圖4為采樣后的捕獲電路，此電路把0～3V的正弦波經(jīng)整形、濾波調(diào)理為方波，供TMS320F28335捕獲其上升沿。在圖4中將正弦信號(hào)放大10 000倍，取其底部近似為方波。經(jīng)驗(yàn)證，方波上升沿和下降沿延時(shí)大概為50μs，相對(duì)于電網(wǎng)電壓周期可以忽略，實(shí)際電路波形如圖5所示，過(guò)零檢測(cè)效果良好。

圖4 電壓捕獲電路圖

2.2 軟件編程思路

利用硬件電路調(diào)理后將方波信號(hào)輸入到TMS320F28335，利用TMS320F28335的eCAP模塊捕獲方波的上升沿，每?jī)纱紊仙刂g時(shí)間即為逆變器輸出電流周期。如圖6所示，通過(guò)捕獲電網(wǎng)電壓和逆變后的電流過(guò)零時(shí)刻點(diǎn)，計(jì)算出電網(wǎng)電壓相位θv和逆變后電流θi之差θd，相差調(diào)節(jié)器輸出ΔT疊加到一個(gè)工頻正弦信號(hào)周期Tb上，其結(jié)果作為并網(wǎng)電流指令周期T，根據(jù)頻率和相位的積分關(guān)系得到并網(wǎng)電流指令信號(hào)θi。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)SPWM的載波頻率最終準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓，保持兩者同頻同相。另外由于同步信號(hào)容易受到干擾，在軟件中應(yīng)加入濾波程序［3］。

圖5 捕獲電路仿真和實(shí)測(cè)波形

圖6 光伏并網(wǎng)鎖相環(huán)控制圖

3 主電路濾波器設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路分析

對(duì)于LCL濾波器有幾個(gè)約束條件，包括濾波電容C、電感、電流紋波、電感L1和L2比值、諧振頻率和電感磁環(huán)。

3.1.1 濾波電容C的確定

在并網(wǎng)逆變器LCL濾波器設(shè)計(jì)中，電容產(chǎn)生的無(wú)功頻率一般限制在系統(tǒng)額定功率的5%以內(nèi)。

由圖7可知因?yàn)棣豅2I≤US·5%，所以Us+jωL2I≈Us。

3.1.2 L1+L2總電感確定

對(duì)于基波電流，其通道不經(jīng)過(guò)電容，電路可以簡(jiǎn)化為圖8所示的模型，其中L為總電感。

圖7逆變器簡(jiǎn)化模型

圖8 基波下的等效電路

3.1.3 電流紋波的限制

在濾波器中，橋臂側(cè)電流紋波主要由橋臂側(cè)電感來(lái)抑制，橋臂側(cè)電感參數(shù)主要由橋臂側(cè)電流紋波含量要求來(lái)設(shè)計(jì)。設(shè)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期為T，開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間分別為T1、T2，則：式中，Udc為直流電壓，Ui為逆變電壓。在工程中一般取

3.1.4 L1和L2比值的確定

3.1.5 諧振頻率的限制

與LC濾波器相比，LCL濾波器在截止頻率處會(huì)有一個(gè)諧振尖峰。通常情況下，諧振頻率可參考下式：

其中，fr為信號(hào)波頻率，fc為載波頻率。

3.1.6 電感磁環(huán)的影響

電感磁環(huán)材料盡量選擇鐵硅鋁磁環(huán)，相對(duì)于鐵氧體磁環(huán)，鐵硅鋁的磁通量是其2倍以上，且在高功率時(shí)，能提供更好的容錯(cuò)特性。在邊緣損耗方面，鐵硅鋁不會(huì)產(chǎn)生邊緣損耗。相同參數(shù)下兩種磁環(huán)繞制電感濾波性能比較如圖9所示。

圖9 相同參數(shù)下鐵氧體磁環(huán)和鐵硅鋁磁環(huán)繞制電感濾波性能比較

3.2 仿真與實(shí)際波形

在300W試驗(yàn)樣機(jī)中，直流側(cè)為48V蓄電池，代入式（6）、式（8）、式（10）可求解濾波器參數(shù)為：c≤16μF，L≤1.3mH，L1min=0.6mH。綜合以上約束條件，主電路中選擇電感L1為0.8mH，L2為0.5mH，電容為10μF。此時(shí)L2/L=0.38，fres=2 567符合要求。其仿真與實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。

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Key Technologies of Single Phase Photovoltaic lnverter

Jia Yongbo
（School of Electrical and Control Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China）

Taking TMS320F28335as the core processor，the paper discusses three key technology of single phase grid-connected inverter such as A/D sampling，phase-locked loop and filter designing.The A/D sampling hardware circuit，the FFT algorithm，the phase lock loop hardware circuit and software programming ideas are given in this paper.The basic constraint conditions of LCL filter and the influence of inductive magnetic ring for filtering are also introduced.The prototype is completed by designing 300Wsingle phase inverter parameters，and is connected with the grid finally.

A/D sample；FFT algorithm；phase-locked loop；filter

TP212

A