光伏逆變器并網(wǎng)信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

王文，楊寶峰，韓俊飛，張忠，王志文

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學電力學院，呼和浩特 010080；2.薛家灣供電局，內(nèi)蒙古鄂爾多斯010300；3.內(nèi)蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020；5.包頭供電局，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，光伏的并網(wǎng)容量越來越大，因此對通過光伏逆變器并入電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求越來越高。為了保證光伏并網(wǎng)逆變器輸出的交流信號符合電網(wǎng)的頻率、相位關(guān)系，需要對并網(wǎng)點的電壓、電流進行實時采樣[1-3]，將采樣得到的信號量進行調(diào)理后送入數(shù)字控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)光伏逆變器的高質(zhì)量并網(wǎng)。因此，如何快速、準確地采集各種電力參數(shù)尤為重要。

數(shù)字信號處理（Digital Signal Process，DSP）具有精度高、成本低、功耗小、性能好等優(yōu)勢，在光伏并網(wǎng)逆變器的信號采集調(diào)理、控制和保護等方面起到極其重要的作用。信號采集調(diào)理是將電力系統(tǒng)的電壓和電流通過互感器、運放電路、有源濾波電路等，變成DSP片內(nèi)A/D采樣模塊（以下簡稱A/D）可識別的不含諧波分量的正弦電壓數(shù)字信號[4]。由于DSP片內(nèi)A/D只可識別0~3 V的電壓信號，因此需對采集的正弦信號進行處理，使其提升1.5 V，變?yōu)閱螛O性信號，從而可被DSP片內(nèi)的A/D識別[5-6]。本文對光伏逆變器并網(wǎng)信號檢測系統(tǒng)進行設(shè)計，并對其DSP片內(nèi)A/D關(guān)于電網(wǎng)電壓、電流信號的采樣及調(diào)理電路設(shè)計進行了詳細介紹。

1 電路設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

基于額定功率50 kW，額定輸出線電壓380 V、頻率50 Hz的光伏并網(wǎng)逆變器進行采樣、調(diào)理電路設(shè)計。DSP作為電路信號采集處理系統(tǒng)，由中點鉗位逆變單元、TMS320F28335DSP控制單元、驅(qū)動單元、濾波單元、采樣與過零點檢測單元等構(gòu)成[7-8]。要實現(xiàn)光伏逆變器的并網(wǎng)運行，需要對并網(wǎng)電壓電流信號實時采樣[9]。并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中采樣模塊①通過一級電流互感器采集并網(wǎng)電流信號，經(jīng)調(diào)理后送入DSP的A/D；采樣模塊②通過一級電壓互感器采集并網(wǎng)的電壓信號，經(jīng)調(diào)理后將此電壓信號分成兩路，其中一路送入DSP的A/D，另一路經(jīng)比較電路生成同頻同相的方波信號送入DSP的eCAP模塊。

圖1 并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)框圖

2 并網(wǎng)信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

光伏逆變器并網(wǎng)信號檢測系統(tǒng)設(shè)計由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分構(gòu)成。軟件設(shè)計包括主程序和子程序的編寫。硬件設(shè)計包括電流采樣與調(diào)理電路、電壓采樣與調(diào)理電路、同相同頻率方波生成電路等部分的設(shè)計，其主要作用是調(diào)理被測電能的電壓和電流信號，使其變?yōu)?~3 V的電壓信號，輸入至DSP的相應接收口，DSP先對收到的信號進行識別，再分析計算采集到的電壓電流信號，獲取被測量信息。

2.1 信號采樣電路

電流采樣電路如圖2所示。三相光伏逆變器的額定功率為50 kW，額定輸出線電壓為380 V，采樣電流峰值達到107 A，超出了微型互感器測量范圍，因此采集的電流信號不能直接進行轉(zhuǎn)換處理，需要先經(jīng)過一級變換器。采集到的電流信號在經(jīng)過一級電流互感器變換后，降至很低的電流范圍內(nèi)，一般為5 A。但是5 A電流信號依然很大，轉(zhuǎn)換后的電壓遠超出DSP的承受范圍，因此通過微型電流互感器CHB-25NP使電流信號降至-15~15 mA。因DSP只能處理電壓信號，故需進行電流與電壓信號的轉(zhuǎn)換，而在本系統(tǒng)中電流與電壓的轉(zhuǎn)換原理，實際上是在微型互感器CHB-25NP的輸出端并聯(lián)電阻（阻值為100Ω）。DSP自帶的A/D端口只識別0~3 V信號，專用的A/D采樣芯片識別的信號范圍可能更寬，但是會增加電路的復雜程度。本系統(tǒng)采樣端口使用DSP自帶的A/D，經(jīng)采樣電阻所得電壓應保持在-0.346~0.346 V。

圖2 電流采樣電路圖

電壓采樣電路如圖3所示。需要檢測的電壓信號額定有效值為220 V，與電流采樣電路原理相似，差異在于電流采樣電路是先經(jīng)過電流互感器變成小電流信號，而電壓采樣電路是先經(jīng)過電壓互感器變成一個能使微型電壓互感器CHV-20L接受的低電壓信號；同時在電壓采樣電路的一級電壓互感器的二次側(cè)線路上增加了一個限流電阻R0，防止流過二級電壓互感器的電流過大而燒毀。

圖3 電壓采樣電路圖

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理是指對傳感器元件采集到的標準電壓、電流信號進行處理，從而提高信號質(zhì)量，增加信號的穩(wěn)定性，電流信號調(diào)理電路由電壓信號放大、電壓抬升及保護等部分構(gòu)成，其實現(xiàn)應依據(jù)信號采集的目的、現(xiàn)場具體環(huán)境和采集精度要求等進行，靈活性較高[10-11]。

采集的電流信號調(diào)理電路見圖4。經(jīng)兩級互感器的采樣，得到流過R1兩端的電流（約為3.8 mA）。由于A/D端口只識別0~3 V信號，因此經(jīng)R1和U1得到的電壓應保持在-1.5~1.5 V，且通過幅值為1.5 V的電壓抬升電路，使其抬升為0~3 V的直流電壓信號。

由圖4可知：

圖4 電流信號調(diào)理電路圖

式中：Ua—二級電流互感器輸出轉(zhuǎn)化后電壓；

Ue—經(jīng)過運算放大器調(diào)理后的電壓；

R3—運算放大器的輸入電阻；

R4—運算放大器的反饋電阻。

R1、R2、R3、R4、U1、C1組成同相比例運算放大器，取10R3=3R4。由于電網(wǎng)中具有諧波，為了保證采集到的電信號準確，需對采集的信號進行低通濾波處理，以濾掉高頻諧波，得到比較準確的基波。因此加入R2和C1構(gòu)成RC低通濾波電路。由式（1）可知，經(jīng)采樣電阻和運算放大器后得到Ue為-1.5~1.5 V的交流電壓信號。

圖4中點e到點h的電路，起到對-1.5~1.5 V電壓抬升的作用。因DSP只能采集正電壓信號，而Ue是一個交流電壓，因此須將Ue進行抬升，使其大于0，計算公式如下：

由式（2）—式（4）可得：

式中：Uf—設(shè)定的抬升電壓值；

Uh—運算放大器抬升后的輸出電壓。

通?？梢园凑諏嶋H情況，通過改變滑動變阻器R8的大小來改變抬升電壓的大小。為了方便計算，本系統(tǒng)設(shè)置R6=R9。通過以上電路處理，輸出電壓被抬升1.5 V，轉(zhuǎn)變成A/D端口可以識別的0~3 V的直流電壓信號。

為了保證接入DSP的電壓不超過其耐壓值，設(shè)計了0~3 V的限幅保護電路和無源濾波電路：D1、D2、D3、R10、C2組成輸出0~3 V的限幅保護電路及無源濾波電路。當p點電壓小于0.7 V時，限壓二極管D2正向電壓導通，電流正向流動。因二極管正向?qū)▔航禐?.7 V，所以p點電壓被鉗位在0.7 V。與此類似，當p點電壓超過3.7 V時，二極管D1正向電壓導通，電流正向流動，使得p點電壓被二極管D1鉗位在3.7 V。上述兩種情況下，都有R10的作用，R10保護U2的輸出級，起到限制電流的作用。

總之，p點電壓Up被限定在0.7~3.7 V，再經(jīng)過D3的壓差補償后，k點電壓Uk的輸出被限定在0~3 V，稱為DSP單極性調(diào)理電路。當Uk的輸出在0~3 V時，C2起到無源濾波的作用，進一步改善濾波效果。電壓調(diào)理電路與電流調(diào)理電路原理相似，這里不做介紹。

2.3 同步信號生成電路

信號周期不同步，會造成波形間斷，使逆變器輸出的信號不能很好匹配電網(wǎng)信號，無法實現(xiàn)同步并網(wǎng)，甚至對電網(wǎng)安全造成影響。在光伏并網(wǎng)電路中需對電網(wǎng)的頻率進行實時監(jiān)測。為了保證采樣的準確性，必須使采樣頻率有快速的自適應能力。在每個工頻周期，DSP通過發(fā)出觸發(fā)脈沖信號進而控制逆變器。為了控制晶閘管的開關(guān)，觸發(fā)信號需要有一個確定的基準時鐘周期，也就是生成和采樣信號同步的方波信號[12-18]。同步信號生成電路如圖5所示。

圖5 同步信號生成電路

由于Ue處的采樣電壓經(jīng)過了RC低通濾波電路，采樣到的電壓信號會有相位偏移。為了使采樣信號不發(fā)生相位偏移，電路中需要有相位補償功能的電路。圖5中相位補償電路為s點到m點，通過調(diào)節(jié)R14、R18的阻值，可以補償所造成的相位偏移。

圖5中的點m至點n是過零點比較方波生成電路，經(jīng)過調(diào)理電路后，m點處采集到需要的電壓信號。該信號經(jīng)由R16、R17、R19、R20和U4轉(zhuǎn)換成同相同頻率的方波信號，將此信號輸入到DSP的eCAP捕獲單元。

3 仿真結(jié)果驗證

本文采用Multism軟件對設(shè)計電路進行了仿真，以驗證電路設(shè)計的有效性和可靠性。F28335DSP的A/D只能處理0~3 V的信號，所有采集的電信號都必須經(jīng)過調(diào)理抬升后才可送入DSP的A/D，調(diào)理前后的信號波形如圖6所示。

圖6 調(diào)理前后的信號波形

頻率跟蹤是電能檢測的重要部分。在采樣調(diào)理電路中用到低通濾波會導致相位偏移，在方波轉(zhuǎn)換時就會不同步。未經(jīng)過相位補償?shù)倪^零比較輸出方波波形如圖7所示。從圖7可以看出，n點電壓與母線電壓有相位偏移。經(jīng)過調(diào)節(jié)U3組成的相位補償電路的過零比較輸出方波波形如圖8所示。由圖8可以看出，n點電壓與母線電壓沒有相位偏移，本電路可以很好地生成同步方波信號。

圖7 未經(jīng)相位補償?shù)牟蓸狱c與n點波形圖

圖8 經(jīng)過相位補償后的采樣點與n點波形圖

4 結(jié)語

信號檢測處理系統(tǒng)是整個DSP微處理器的重要組成部分。傳感器采集的電壓、電流信號經(jīng)過一系列的調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成DSP片內(nèi)A/D所能接收的電壓信號。本文基于光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)采樣需求，對電網(wǎng)三相交流電壓、電流采樣電路以及過零檢測電路的設(shè)計做了詳細介紹。仿真結(jié)果證明，通過本采樣電路采集到的電壓電流信號具有良好的實時性與精確性，可以提高并網(wǎng)運行的性能。