單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)與研制

裴 樂(lè)，鞠文耀，苗 根2

（

1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第14研究所，江蘇 南京210039；2.63612部隊(duì)，甘肅 敦煌736200）

0 引 言

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)漏電流（共模電流）指標(biāo)是衡量光伏并網(wǎng)系統(tǒng)安全性的重要指標(biāo)。目前IEC-62109、VDE-4105等標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)漏電流指標(biāo)有嚴(yán)格限制［1，2］。近年來(lái)，非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器以其體積小、重量輕、效率高、成本低的諸多優(yōu)點(diǎn)成為單相小功率光伏并網(wǎng)逆變器的主流，但該類型逆變器存在漏電流通路，不加抑制有可能產(chǎn)生超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)的漏電流。因此低漏電流非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器成為研究熱點(diǎn)之一［3，4］。

基于此，本文以單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器為研究對(duì)象，在深入研究系統(tǒng)漏電流抑制特性與并網(wǎng)逆變控制算法的基礎(chǔ)上，研制一套基于雙CPU構(gòu)架的全數(shù)字控制光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)方案的可行性以及系統(tǒng)性能的優(yōu)良。

1 電路拓?fù)?/h2>

圖1為非隔離型單相光伏并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)?。如圖所示，逆變器主電路由Boost電路、6管H橋、并網(wǎng)濾波電路組成。

Boost電路完成對(duì)電池組件輸出電壓的升壓，并穩(wěn)定于380 VDC左右，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤（MPPT）功能。

圖1 非隔離型單相光伏并網(wǎng)逆變器

逆變電路采取特殊的6管H橋結(jié)構(gòu)，電路上增加兩個(gè)開關(guān)管（V2、V5）與續(xù)流二極管（D1、D2），實(shí)現(xiàn)對(duì)電能變換的同時(shí)，抑制系統(tǒng)漏電流的產(chǎn)生。同時(shí)，為提高系統(tǒng)效率，根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)，開關(guān)管V1、V3、V4、V6采用 MOSFET，V2、V5采用IGBT。

濾波電路采用L-C-L結(jié)構(gòu)，濾除逆變產(chǎn)生的開關(guān)諧波，將其變換為與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦波電流注入交流電網(wǎng)。

2 系統(tǒng)漏電流分析

光電池組件在安裝好后，其正負(fù)端對(duì)大地必然存在寄生電容（C1、C2），如圖2所示。

由于交流電網(wǎng)遠(yuǎn)端接地，非隔離并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)在開關(guān)器件工作時(shí)存在對(duì)地的漏電流通路。其理論值為：

圖2 6管H橋拓?fù)渎╇娏鞣治?/p>

式中，Cpv為電池板等效寄生電容；Ucm為系統(tǒng)共模電壓；UA、UB為圖3中 A、B兩點(diǎn)電壓。

由式（1），在Ucm恒定的條件下系統(tǒng)漏電流為0。而Ucm取決于開關(guān)管的工作狀態(tài)。6管H橋拓?fù)?，V1、V3、V4、V6運(yùn)行于高頻狀態(tài)，V2、V5運(yùn)行于工頻狀態(tài)。該拓?fù)浯嬖?種工作模式。

圖3 6管H橋拓?fù)涔ぷ髂Ｊ?/p>

（1）工作模式1：V5恒定導(dǎo)通，V1、V6處于高頻調(diào)制狀態(tài)且驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，V2、V3、V4截止。V1、V6導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓經(jīng)V1、L1、交流電網(wǎng)、L2、V5、V6構(gòu)成回路，如圖3（a）所示。該模式下UA＝Udc，UB＝0，Ucm＝Udc／2。

（2）工作模式2：V1、V6關(guān)斷時(shí)，由于電感電流不能突變，電網(wǎng)電流經(jīng)V5、D1、L1、L2續(xù)流，如圖3（b）所示。該模式下UA＝Udc／2，UB＝Udc／2，Ucm＝Udc／2。

（3）工作模式3：V2恒定導(dǎo)通，V3、V4處于高頻調(diào)制狀態(tài)且驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，V1、V5、V6截止。當(dāng)V3、V4導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓經(jīng)V4、L2、交流電網(wǎng)、L1、V2、V3構(gòu)成回路，如圖4（c）所示。該模式下：UA＝0，UB＝Udc，Ucm＝Udc／2。

（4）工作模式4：V3、V4關(guān)斷時(shí)，由于電感電流不能突變，電網(wǎng)電流經(jīng)V2、D3、L1、L2續(xù)流，如圖3（d）所示。該模式下：UA＝Udc／2，UB＝Udc／2，Ucm＝Udc／2。

根據(jù)上述分析，6管H橋拓?fù)?種工作模式共模電壓Ucm均恒定為Udc／2。該拓?fù)鋵?duì)漏電流有很強(qiáng)的抑制作用，滿足IEC 62109等標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于并網(wǎng)逆變器漏電流的限值要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

單相光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)選用TI公司TMS320LF2407A型DSP作為主CPU，選用TMS320LF2801型DSP作為從CPU對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制。

主CPU對(duì)系統(tǒng)各狀態(tài)量進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)MPPT算法、功率平衡算法、運(yùn)行模式切換算法、并網(wǎng)控制算法，并最終生成PWM脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制開關(guān)器件運(yùn)行。

從CPU完成LED顯示、溫度檢測(cè)、與上位機(jī)數(shù)據(jù)交換等功能。同時(shí)，對(duì)于影響系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵狀態(tài)量，如漏電流、直流分量等主、從CPU同時(shí)監(jiān)控，并控制不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在故障狀態(tài)下的雙重保護(hù)控制。此外主、從CPU之間通過(guò)SPI通訊實(shí)現(xiàn)信息交互，互相監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 并網(wǎng)控制策略

本文所述單相逆變器采用雙環(huán)加前饋的并網(wǎng)控制策略，其控制系統(tǒng)框圖見圖5。母線電壓外環(huán)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流量無(wú)靜差調(diào)節(jié)，輸出電流內(nèi)環(huán)采取純P調(diào)節(jié)器，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。合理選擇PI、P兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的并網(wǎng)電流對(duì)電網(wǎng)電壓、相位的跟蹤。

圖5 并網(wǎng)控制系統(tǒng)框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)架與軟件算法的可行性，研制了一臺(tái)3 kW光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。以TI公司TMS320LF2407A與TMS320LF2801雙CPU作為控制芯片，系統(tǒng)參數(shù)為：輸入電壓Upv為200 V～550 V；母線電壓UDC為380 V，輸出電流有效值Is為14 A。Boost電感感值為1 m H，輸出濾波電感L2＝L3＝1.2 mH，輸出濾波電容C3＝4.7μF。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6為單相并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)波形，圖6（a）為并網(wǎng)電壓及電流波形，圖6（b）為并網(wǎng)電流THD分析。由圖6可知，并網(wǎng)電流is能很好地跟蹤電網(wǎng)電壓us的頻率與相位，在輸出功率近3 k W的條件下，逆變器并網(wǎng)電流THD＝1.897%，系統(tǒng)性能優(yōu)良。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié) 論

本文所提出的單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件構(gòu)架與全數(shù)字算法，具有一定的通用性，利用3 kW單相并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，編寫的數(shù)字化軟件可以達(dá)到滿意的控制和運(yùn)行性能。

［1］ 張 犁，孫 凱，馮蘭蘭，等.一種低漏電流六開關(guān)非隔離全橋光伏并網(wǎng)逆變器［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（15）：1-7.

［2］ Freddy Tan Kheng Suan，Nasrudin A Rahim，Nasrudin ARahim.Modeling，Analysis and Control of Various Typesof Transformedess Grid Connected PV Inverters［C］.IEEEFirst Conference on Clean Energy and TechnologyCET，2011：51-56.

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［4］ 趙清林，郭小強(qiáng)，鄔偉揚(yáng).單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研究［J］.中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2007，27（16）：60-64.