單極性調(diào)制并網(wǎng)逆變器分析與設計

摘 要：面對愈加嚴峻的能源短缺和環(huán)境保護方面的壓力，世界各國不斷提高清潔能源供應占比，分布式發(fā)電技術(shù)逐步成為熱點研究領域。逆變器作為電能變換的裝置，是發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，其可靠、高效能運行是當前重要的研究領域。該文以非隔離型單相并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，通過分析并網(wǎng)逆變器工作原理，對全橋并網(wǎng)系統(tǒng)軟硬件參數(shù)進行分析設計；在單極性調(diào)制基礎上，考慮網(wǎng)壓前饋進行逆變器電壓電流控制系統(tǒng)設計；利用旋轉(zhuǎn)坐標系，將加上信號濾波進行PLL控制設計?；谏鲜龇桨复罱ú⒕W(wǎng)逆變器樣機，實測逆變器輸出波形諧波含量低，頻率幅值滿足并網(wǎng)要求，實驗證明設計方案的合理性、可行性、有效性。

關鍵詞： 并網(wǎng)逆變器；非隔離型；單極性；網(wǎng)壓前饋；頻率偏移法

中圖分類號：TM464 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0102-04

Abstract： Faced with increasingly severe energy shortages and environmental protection pressures， countries around the world are continuously increasing the proportion of clean energy supply， and distributed power generation technology is gradually becoming a hot research field. Inverters， as the core device of distributed power generation grid connected systems， have high research and application value. This paper takes non isolated single-phase grid connected systems as the research object， and analyzes the working principle of grid connected inverters. By analyzing the topology and working principle of the inverter main circuit， the hardware parameters of the full bridge grid connected system are analyzed and designed; On the basis of unipolar modulation， consider grid voltage feedforward for the design of inverter voltage and current control system;. The experiment has proven the rationality， feasibility， and effectiveness of the design scheme.

Keywords： grid-connected inverter; non-isolated; unipolar; network voltage feedforward; active frequency drift

化石能源逐漸面臨枯竭，能源危機加劇，嚴重影響國家能源供應體系安全，大規(guī)?；茉磻盟a(chǎn)生氧化硫等污染物也使得人們面臨著嚴峻的環(huán)境問題，同時，越來越多高端電子儀器設備對電網(wǎng)供電可靠性和電能質(zhì)量提出了更高的要求，傳統(tǒng)電網(wǎng)面臨著更多樣性的用電需求和壓力[1]。為保證能源供應安全，抑制環(huán)境污染與提高供電質(zhì)量，分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展日益加快，其憑借對能源的安全性和高效調(diào)度性正成為一種不可或缺的供電方式，并不斷地推廣應用。各發(fā)電單元構(gòu)成的微型電力系統(tǒng)與大電網(wǎng)互聯(lián)，使得電能在發(fā)供用終端上實現(xiàn)靈活調(diào)配。并網(wǎng)逆變器是新型電能供應體系的重要一環(huán)，是并網(wǎng)系統(tǒng)的核心設備，其研發(fā)制作成本和逆變器轉(zhuǎn)換效率的高低將直接影響系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，影響新型電能供應的推廣及應用[2]。本文采用DC/AC全橋并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，基于高性能TMS28335型DSP作為控制單元，對逆變器軟硬件進行分析，進行小功率高轉(zhuǎn)化效能、低造價的并網(wǎng)逆變器設計。

1 系統(tǒng)設計方案與控制

并網(wǎng)逆變器將直流電逆變成工頻交流電，經(jīng)過濾波電路與大電網(wǎng)相連接，設計采用電壓型輸入。將網(wǎng)側(cè)電壓取定坐標軸，利用鎖相環(huán)得出電網(wǎng)電壓角頻率和相角后，結(jié)合參考幅值得出輸出參考值，最終通過控制器控制PWM脈沖信號驅(qū)動主電路來控制逆變器輸出電流頻率、相位實現(xiàn)并網(wǎng)[3]。實驗拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，Vs為網(wǎng)側(cè)電壓，Cd為H橋前級儲能電容，V1—V4為實驗電路所用開關管，VD1—VD4為反并聯(lián)二極管，C1—C4與R1—R4為對應的緩沖電路電容和電阻，L、C構(gòu)成接口濾波電路，形成高頻電流流出通道，降低入網(wǎng)電流對網(wǎng)側(cè)電流的影響，降低THD（波形總畸變率）[4]。

2 并網(wǎng)逆變器控制策略

2.1 電壓電流雙閉環(huán)控制

為實現(xiàn)微網(wǎng)與大電網(wǎng)的互聯(lián)，逆變器所輸出的電流頻率和相位須與主網(wǎng)相同，近乎一致，偏差應在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，本系統(tǒng)設計中采用PI算法進行電壓電流閉環(huán)的控制設計，將電壓外環(huán)差值作為電流內(nèi)環(huán)指令值幅值給定，然后通過與鎖相環(huán)分離出的電網(wǎng)電壓頻率和相角構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)電流指令。電流指令再通過電流控制器（PI）生成調(diào)制波，并與載波比較，進而由DSP發(fā)出PWM波，最后通過驅(qū)動回路將PWM信號進行隔離放大來驅(qū)動開關管動作，控制框圖如圖2所示。

圖2中， G1（s）為電流控制器，G3（s）為并網(wǎng)接口通道，G2（s）為H橋通道，G4（s）為Vs前饋補償通道[5]。

實際分析中，將G2（s）簡化得

式中：TPWM為功率管動作周期。由于濾波電感L存在內(nèi)阻，G3（s）簡化為

在未進行Vs補償時，Vs對H橋側(cè)并網(wǎng)電流產(chǎn)生作用如下

補償后，Vs對H橋側(cè)并網(wǎng)電流作用為

若使前饋環(huán)節(jié)G4（s）為1/G2（s）時，則上式為0，網(wǎng)側(cè)不對輸出電流產(chǎn)生影響，從而有效降低電流控制器調(diào)節(jié)量[6]。

G1（s）通道函數(shù)簡化為

電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

直流側(cè)采用電容濾波，電容電流由兩部分組成，分別為整流側(cè)流入電流Ip和流入逆變側(cè)流出電流Idc，電容電壓變化實質(zhì)是電容充放電造成。直流側(cè)電壓可表示為

電壓外環(huán)控制框圖如圖3所示。

由于電流環(huán)響應速度相較電壓環(huán)快[7]，外環(huán)截止頻率小，因此電流環(huán)傳遞函數(shù)可簡化為

電壓外環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

2.2 單相鎖相環(huán)分析設計

鎖相技術(shù)基于dq旋轉(zhuǎn)坐標變換來實現(xiàn)，提高鎖相性能的關鍵在于相位檢測環(huán)節(jié)[8]，區(qū)別于過零檢測的硬件鎖相，理論框圖如圖4所示。

Vs設定為α軸，以預估的相位角作為同步旋轉(zhuǎn)坐標角[9]，輸入信號Vi經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)坐標系變換后得到Vd和Vq，變換過程如下

。 （10）

經(jīng)過低通濾波器得到Vd′和Vq′，再經(jīng)過Park變換得到Vα′、Vβ′，構(gòu)成閉環(huán)，變換過程如下

。 （11）

當鎖相環(huán)工作在穩(wěn)態(tài)時，有=θ，通過公式（10）和（11）可得

由式（12）可知，只需要令Vq′為零，便可以獲得Vs相位角，并賦值電流環(huán)。

3 系統(tǒng)硬件參數(shù)設計

系統(tǒng)工況參數(shù)設定如下：直流母線設定值Ud=100 V，逆變電路輸出并網(wǎng)交流電壓，系統(tǒng)開關頻率20 kHz，流過開關管的電流最大值Imos不大于8 A，輸出功率儲能P為300 W，電感L最大輸入電流IL取5 A。

3.1 濾波電感參數(shù)分析設計

由伏安特性UL=Ldi/dt可得紋波電流為

式中：VL（t）為電感壓降，在輸出電壓峰值時紋波較大[10]，式（13）可寫為

由伏秒平衡得

取電流紋波系數(shù)為ri，根據(jù)（14）、（15）得

取ri為0.15，則Lf取1.32 mH。

3.2 儲能電容分析與設計

在開關管動作時間，直流母線吸收的功率為

， （17）

式中：η為逆變器效率。通過紋波電壓計算得到電容吸收的能量為[11]

， （18）

式中：Δud為母線紋波電壓。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算，儲能電容Cd為300 uF。

4 實驗結(jié)果分析

實驗平臺由負載電阻以及并網(wǎng)逆變器等構(gòu)成， MOSFET選用英飛凌公司生產(chǎn)的IPB073N15N5，其Rdc（on）max為7.3 mΩ，耐壓Vdcmax為150 V，Idmax為114 A；VGS（th）為3.8 V，實驗搭建如圖5所示。

實驗結(jié)果可以看出，逆變器濾波后輸出正弦波電壓，跟蹤了電網(wǎng)電壓且波形質(zhì)量高，THD為4.1，諧波含量較少，系統(tǒng)具有較好的工作穩(wěn)定性，阻性負載下，H橋輸出并網(wǎng)電流與Vs完全跟蹤，相位一致如圖6所示，THD分析如圖7所示。

5 結(jié)論

本文以非隔離型單相全橋并網(wǎng)逆變器為研究對象，搭建了基于DSP28335控制芯片的300 W數(shù)字化控制單相并網(wǎng)平臺，以非隔離型單相并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，通過分析并網(wǎng)逆變器工作原理，對全橋并網(wǎng)系統(tǒng)軟硬件參數(shù)進行分析設計；在單極性調(diào)制基礎上，考慮網(wǎng)壓前饋進行逆變器電壓電流控制系統(tǒng)設計；利用旋轉(zhuǎn)坐標系，將加上信號濾波進行PLL控制設計。逆變器工作十分穩(wěn)定，有著THD含量低、轉(zhuǎn)換效率高等特點，驗證了該設計的有效性、可行性，為單相并網(wǎng)設計提供了切實可行的參考方案，具有較好的工程實踐指導價值。

參考文獻：

[1] 曾豪.光儲一體化單相并網(wǎng)逆變器研究[D].湘潭：湖南科技大學，2022.

[2] 趙杰.光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的相關技術(shù)研究[D].天津：天津大學，2013.

[3] NIAN H， SHEN Y， YANG H， et al. Flexible Grid Connection Technique of Voltage-Source Inverter Under Unbalanced Grid Conditions Based on Direct Power Control[J].IEEE Transactions on Industry Applications， 2015，51（5）：4041-4050.

[4] 董志意.單相光伏并網(wǎng)逆變器的設計及研究[D].北京：北京化工大學，2012.

[5] 許津銘，喬瑜，羅運虎，等.開環(huán)同步型單相并網(wǎng)逆變器小干擾建模與弱電網(wǎng)下穩(wěn)定性分析[J/OL].中國電機工程學報：1-12[2024-02-04].https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.231173.

[6] 江瑋，劉鳴，陳瑤琴，等.基于模糊PI和重復控制的逆變器復合控制研究[J].電子器件，2020，43（6）：1273-1277.

[7] 閆根弟，趙晉斌，張廣勇，等.基于RMPPT/PID雙模控制的光伏發(fā)電MPPT研究[J].電測與儀表，2022，59（3）：169-173.

[8] 程成，謝少軍，張晴晴，等.計及鎖相環(huán)動態(tài)的單相并網(wǎng)逆變器建模及穩(wěn)定性研究綜述[J].中國電機工程學報，2024，44（1）：255-269.

[9] 張自強，高建勇，時翔，等.考慮鎖相環(huán)多單相光伏逆變器并聯(lián)穩(wěn)定性分析[J].電氣傳動，2021，51（10）：23-29，44.

[10] NGUYEN M K， LIM Y C， PARK S J. Improved Trans-Z-Source Inverter With Continuous Input Current and Boost Inversion Capability[J].IEEE Transactions on Power Electronics， 2013，28（10）：4500-4510.

[11] 宗海煥，孫帥，喻宙，等.孤島微電網(wǎng)下的單相H橋并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J].電子器件，2021，44（3）：564-568.

基金項目：2023年度安徽省高校自然科學研究重大項目（2023AH040206）；2023年度安徽省高校自然科學研究重點項目（2023AH051501）

第一作者簡介：鄭小朋（1993-），男，碩士，助教。研究方向為電力電子技術(shù)、自動控制。