5kW單相非隔離逆變器的研制

劉玉芝 劉治聰 陳祖成 趙紹策

摘 要：針對采用傳統(tǒng)PI和比例諧振PR控制的并網(wǎng)逆變器對電網(wǎng)干擾信號的抑制能力較弱問題，提出了一種基于準PR控制策略的單相并網(wǎng)逆變器控制方案，并針對自行研制的一種可大規(guī)模用于家庭供電的體積小、成本低的單相非隔離5 kW逆變器進行了仿真研究和并網(wǎng)實驗。從硬件和軟件兩方面闡述了逆變器的設計原理；采用Matlab軟件中的S-Function函數(shù)進行了仿真分析，控制策略為準PR控制，將其與傳統(tǒng)的PI和PR控制器進行了對比，并在仿真基礎上用實驗樣機進行了實驗驗證。研究結果表明，所提出的準PR控制策略在消除穩(wěn)態(tài)誤差、提高網(wǎng)側電流品質(zhì)和抗電網(wǎng)干擾等方面，相較于PI和PR控制具有很大的優(yōu)越性，不僅可以更好地實現(xiàn)無靜差控制，且具有可擴展性。憑借準PR控制器的無靜差特性，單相非隔離5 kW逆變器在家用供電系統(tǒng)中將具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：電力電子技術；逆變器；并網(wǎng)；DSP；S-Function；準PR控制

中圖分類號：TM46 文獻標志碼：A

文章編號：1008-1542（2018）05-0438-09

隨著電力電子半導體器件、電力電子技術的快速發(fā)展，逆變器研制的速度也越來越快，目前廣泛采用先進的脈寬調(diào)制技術（PWM）和基于數(shù)字信號處理器（DSP）的數(shù)字控制系統(tǒng)[1-2]，使得并網(wǎng)逆變器可以近似實現(xiàn)單位功率因數(shù)的并網(wǎng)，并且能夠輸出含有電網(wǎng)基波頻率的正弦電流，以及實現(xiàn)能量的雙向流動。筆者從硬件設計和軟件設計兩部分詳細闡述了單相非隔離5 kW逆變器的設計與控制[3]，闡述其工作原理與控制策略，并利用S-Function函數(shù)進行仿真，將調(diào)試完的實驗樣機并網(wǎng)，從仿真和實驗兩方面驗證設計的可行性以及可靠性。

1 單相非隔離并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)構成與安全性分析

1.1 單相非隔離并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)構成

單相非隔離逆變器主要由硬件和軟件兩部分組成，5 kW單相非隔離并網(wǎng)逆變器構成示意圖如圖1所示。硬件部分主要包括電源模塊（PV Modules）、H橋電路及其對應的驅(qū)動電路（Driver）、信號監(jiān)測模塊。信號監(jiān)測模塊主要包括電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流[4]、直流側電壓與電流等的檢測。軟件部分主要是實現(xiàn)算法，并對逆變器進行控制。本設計采用C語言進行編寫，A/D采樣，電流環(huán)PR控制，PWM調(diào)制，除此之外，電路中還增加了保護電路，并用DSP編寫了軟件保護程序。由于逆變器主拓撲需要實現(xiàn)升降壓的功能，所以采用兩級控制[5-6]，前級為DC/DC變換，后級為DC/AC變換，即直流輸入經(jīng)過1次整流，1次逆變，然后經(jīng)過濾波電路濾去諧波[7]，最終和電網(wǎng)電壓、電流同頻同相并入電網(wǎng)。

1.2 系統(tǒng)安全性分析

單相非隔離型并網(wǎng)逆變器拓撲結構中沒有工頻變壓器，所以當這種逆變器結構應用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中時，大面積的太陽能電池組不可避免地會與地之間產(chǎn)生較大的分布電容，因此太陽能電池會對地產(chǎn)生共模漏電流，直接導致光伏組件與電網(wǎng)連接，當有人在無意中接觸到光伏側的正極或者負極時，電網(wǎng)電流可能經(jīng)橋臂形成回路而對人體構成傷害。為抑制共模漏電流，文獻[8]提出通過將濾波電感制成共模濾波器結構、調(diào)整電路中的諧振阻尼使得共模電流不超過所規(guī)定范圍的解決方案。另外，采用雙極性調(diào)制的方法，可使單相全橋的共模電壓基本不變，而由其激勵所產(chǎn)生的共模電流只是毫安級的，從而可有效抑制共模漏電流，保證系統(tǒng)的安全性。

2 硬件設計以及關鍵器件的選取

2.1 控制電路設計

并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)采用DSP進行雙閉環(huán)控制[9]，外環(huán)用電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)用電流環(huán)。DSP芯片的工作指令的獲取都是以時間為基礎來進行控制的，所以DSP中包含很多時鐘電路，

芯片選用的是TLV1117-33IDCY。本文主要設計了CPUCLK， SYSCLK， WDCLK等，工作電壓為3.3 V，外圍提供的開關電源為5 V，然后經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，5 V轉(zhuǎn)3.3 V原理圖如圖2所示。

2.2 驅(qū)動電路的設計

由于DSP的工作電壓很低（為3.3 V），對于MOS管來說這個驅(qū)動脈沖很弱，并且抗干擾能力很差，所以在驅(qū)動MOS管時采用5 V的電壓輸入，產(chǎn)生PWM波的芯片選IXDN604SI。驅(qū)動電路的原理圖如圖3所示。

由圖3 a）和 b）可知， U40芯片的供電電壓為5 V，通電后經(jīng)芯片內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換產(chǎn)生2個PWM波輸入到IXDN604SI芯片中，經(jīng)變壓器變換，輸出2個電壓，然后輸入到U11芯片中，最終產(chǎn)生2個介于0～15 V驅(qū)動MOS管的電壓，分別驅(qū)動上下2個橋臂導通。其中U40芯片為UCC2808APW-2，U11芯片為1EDI60N12AF。

2.3 采樣電路的設計

并網(wǎng)系統(tǒng)需實時檢測電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流和直流側電壓，且需要進行最大功率點跟蹤及孤島檢測（本設計不涉及孤島檢測算法），所以要對電網(wǎng)電壓并網(wǎng)電流以及直流側電壓、電流進行采樣。采樣電路主要通過電壓和電流傳感器來實現(xiàn)，電壓和電流傳感器輸出的是電流信號，需將其轉(zhuǎn)化為電壓信號。采樣電壓要送入DSP中，在電路中加入合適的電阻使其轉(zhuǎn)化為0～3.3 V之內(nèi)的電壓，留出一定的裕量。交流電壓采樣電路如圖4所示。

采樣輸出電壓信號VGrid，芯片采用LMV324M。

直流電壓采樣電路如圖5所示。

2.4 關鍵參數(shù)電感的選取

電感的設計分為交流電感和直流電感兩種，應滿足：

2.5 控制芯片的選取

控制芯片釆用的是TI公司生產(chǎn)的TMS320F28069（簡稱F28069）芯片，由于并網(wǎng)逆變器需要復雜的算法控制，所以選擇高速的數(shù)字控制更為準確，F(xiàn)28069的優(yōu)點在于它的運算速度很快，并且具有很多可編程的I/O接口，ADC采集模塊，EPWM脈寬調(diào)制等特別適用于本系統(tǒng)的設計，采樣后的電流電壓最終都通過DSP中的ADC模塊由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量進行鎖相，準PR控制，以及驅(qū)動MOS管等操作。相對于傳統(tǒng)的TMS320F28335或者TMS320F2812芯片，F(xiàn)28069多了控制律加速器（CLA）模塊。CLA的存在可以緩解F28069主CPU的運算壓力，有CLA的F28069處理器中，CLA可與CPU同時使用，自動控制外設的運作，達到更高的控制精度以及更好的實時性。

3 系統(tǒng)控制與程序設計

3.1 系統(tǒng)控制

單相非隔離逆變器的控制策略有很多種，近年來隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各種控制策略更是層出不窮。每種算法都有它的優(yōu)缺點，本文主要采用基于準比例諧振（準PR）調(diào)節(jié)器的雙環(huán)控制[9]。相對于傳統(tǒng)的基于PI，P調(diào)節(jié)器的雙環(huán)控制策略[10]，準PR控制[11-16]有很多優(yōu)點，能實現(xiàn)電流環(huán)的無靜差控制；在輸出濾波器的電容較大時也不會發(fā)生系統(tǒng)震蕩；通過直接控制網(wǎng)側電流，網(wǎng)側的電流品質(zhì)不會降低。

本文將從傳遞函數(shù)、波特圖、誤差分析和抗干擾分析等角度，對比3個方法的優(yōu)缺點。并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)模型如圖6所示[16]。

在不考慮電網(wǎng)擾動的情況下，為了方便觀察對比，將PI控制器、PR控制器和準PR控制器的傳遞函數(shù)用Matlab編程畫在同一個波特圖中，如圖7所示。

1）誤差分析 從圖7 PI，PR及準PR控制器的波特圖比較可以看出，在基波頻率處，PR控制器的增益趨近于無窮大，準PR控制器也具有足夠大的增益，PI控制器的增益遠小于PR控制器和準PR控制器。因此，PR控制器和準PR控制器在基波頻率處無差控制上優(yōu)于PI控制；從波特圖上還可以看出，在基波頻率附近PR控制器的增益會出現(xiàn)大幅度的下降，而準PR控制器在基波頻率附近仍然可以保持足夠大的增益。因此，準PR控制器的控制性能比PR控制器性能更加優(yōu)越[16]。

2）抗電網(wǎng)干擾分析 不考慮系統(tǒng)的輸入，結合圖6并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)模型可以得出系統(tǒng)擾動的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

將式（2）—式（4）代入到式（5）中，可得到3種控制器在系統(tǒng)擾動的情況下的閉環(huán)傳遞函數(shù)，將3個函數(shù)的波特圖畫在一個圖后的效果如圖8所示。

從圖8系統(tǒng)閉環(huán)模型波特圖可以看出，基于PI控制器的閉環(huán)系統(tǒng)在基波頻率處擾動信號的衰減頻率大約為40 dB，而基于PR和準PR控制器的閉環(huán)系統(tǒng)對該擾動信號的衰減頻率均大于60 dB。所以PR和準PR控制器在抗電網(wǎng)電壓干擾上比PI控制器優(yōu)越。在基波頻率附近，PR控制器對擾動的衰減作用遠遠不及準PR 控制器，因此從抗電網(wǎng)電壓衰減方面可以看出，準PR控制器相較于PI和PR控制器而言，其對抗擾動衰減性能更優(yōu)越。綜上所述，PR控制器和準PR控制器在基波頻率處的無差控制和抗電網(wǎng)干擾方面比PI控制器更優(yōu)越。然而，在基波頻率附近，PR控制器的控制性能會急劇下降，而準PR控制器仍然可以保持良好的控制性能[17]。實際上，電網(wǎng)電壓的頻率是實時變化的[18]，因此，準PR控制器在并網(wǎng)電流控制中具有更好的控制效果。

3.2 程序設計

主控芯片采用TI公司的TMS320F28069芯片作為核心處理器，平臺選擇的是CCS5.5，編程語言為C語言。采用模塊化的思想，系統(tǒng)的軟件設計包括DC/DC和DC/AC兩部分，其中DC/AC部分主要是完成波形矯正算法的設計。主程序的設計流程圖如圖9所示。系統(tǒng)運行前要對系統(tǒng)進行檢測，并完成DSP內(nèi)部的一些模塊的初始化。這些初始化主要包括：中斷初始化、初始化FLASH、初始化中斷向量表、初始化EPWM、初始化GPIO、初始化CLA、初始化看門狗等。

初始化函數(shù)然后配置GPIO口，啟動系統(tǒng)，DSP采集電壓電流進行轉(zhuǎn)換，然后等待ADC中斷，當有中斷后進入中斷，進入中斷后DSP進行采樣，電流環(huán)程序模塊開始執(zhí)行，給CMPRx賦值，此時進行過壓過流保護程序判斷，保護程序啟動則使能產(chǎn)生PWM波，驅(qū)動DC/DC的MOS管從而啟動DC/DC，然后DSP采集直流母線電壓，如果直流母線電壓達到了400 V，則通過驅(qū)動DC/AC的MOS管開通或關斷使得DC/AC電路啟動，經(jīng)過逆變還有LC濾波電路并入電網(wǎng)，由于DSP一直進行鎖相，所以能保證并入電網(wǎng)的電壓和電網(wǎng)電壓是同頻同相的。鎖相直接采用DSP進行軟鎖相[19-20]。若未啟動過壓過流保護程序則失效使能產(chǎn)生PWM波，返回主程序并報故障。

4 實驗及其仿真

仿真模型用S-Function模塊搭建。S函數(shù)也稱為Simulink中的系統(tǒng)函數(shù)，是用來描述模塊的Simulink宏函數(shù)，支持M，C等多種語言。由于Simulink中默認提供的模塊不能滿足用戶的要求，故采用此函數(shù)進行仿真。其優(yōu)點在于S-Function要完成的任務，用相應的代碼去替代模板里各個子函數(shù)的代碼即可。S-Function的仿真圖如圖10所示。

Simulink在每個仿真階段都會對S-Function進行調(diào)用，工作原理為在調(diào)用時，Simulink會根據(jù)所處的仿真階段給flag傳入不同的數(shù)值，而且還會為sys這個返回參數(shù)指定不同的角色，盡管sys變量可能相同，但是在仿真的不同階段它具有不同的意義，這種變化由Simulink自動完成。

硬件電路搭建如圖11所示，圖中所示電路用PLECS搭建，Vdc為直流電輸入，Q1，Q2，Q3，Q4為MOS管，Vac為電網(wǎng)電壓，其中PWM1～4是用來驅(qū)動Q1，Q2，Q3，Q4的導通，Scope1用來測量電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的波形，Scope2用來測量PWM1～4的波形，電路仿真波形如圖12所示。

圖12仿真波形圖中，上部是電網(wǎng)電壓，下部是并網(wǎng)電流，電網(wǎng)電壓的頻率為50 Hz，國標規(guī)定在電力系統(tǒng)非正常狀況下，供電頻率允許偏差不應超過±1.0 Hz，經(jīng)計算頻率偏差為0.8 Hz，所以滿足要求。

實驗波形并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓如圖13所示。圖13并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓是實驗樣機并網(wǎng)后的示波器所顯示的波形圖，其中1通道為并網(wǎng)電流的實驗波形，使用電流探頭所測，2通道為電網(wǎng)電壓實驗波形，使用電壓探頭所測。從圖13可以看出，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同相位，滿足并網(wǎng)的要求，同時由實驗波形也可以看出在準PR控制策略下，并網(wǎng)后的電流波形跟蹤性能較好，具有很大的優(yōu)越性。

5 結 論

在分析逆變器重要性的基礎上，從研制和控制兩方面進行了說明。

1）硬件上詳細闡述了單相非隔離5 kW逆變器的電路設計、器件選取，關鍵參數(shù)的計算以及構思方案。

2）控制策略方面采用了準PR控制，并從傳遞函數(shù)和抗電網(wǎng)干擾分析兩方面通過Matlab編程分析比較了各個控制策略的優(yōu)缺點。從仿真和實驗結果可以看出，準PR控制可以更好地實現(xiàn)無靜差控制[21]，并且提高網(wǎng)側電流的品質(zhì)，具有可擴展性，在消除穩(wěn)態(tài)誤差和抗電網(wǎng)干擾方面相較于PI和PR控制具有很大的優(yōu)越性。

3）采用S-Function進行聯(lián)合仿真，這種方法的優(yōu)越性在于它和CCS平臺具有相容性，即CCS的源程序代碼可以在S-Function中添加，可以根據(jù)需要設計出所需功能的模塊并在Simulink中添加，特別適合仿真復雜的控制系統(tǒng)。

4）搭建了一臺5 kW的實驗樣機，通過實驗驗證了準PR控制在單相非隔離并網(wǎng)逆變器控制方面具有很大的優(yōu)越性，從并網(wǎng)波形可以看出準PR控制具有無靜差跟蹤特性。

5）對逆變器還有很大的研究空間，比如鎖相環(huán)瞬態(tài)響應如何變得更快、直流分量的抑制、諧波的抑制，今后將對此展開進一步的研究。

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