T型三電平并網逆變器的設計與實現

季寧一 趙 濤 徐 友 徐宏健

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T型三電平并網逆變器的設計與實現

季寧一1趙 濤2徐 友2徐宏健1

（1. 南京工程學院電力工程學院，南京 211167； 2. 南京工程學院自動化學院，南京 211167）

本文以DSP芯片TMS320F28035為控制核心設計了一臺T型三電平并網逆變器，對逆變器基于PI電壓外環和PR電流內環的雙閉環控制進行說明，并詳細介紹了主電路系統和控制系統的元器件選型與設計方案。并網實驗結果表明，該逆變器輸出電流穩定且相位對稱，諧波失真度低，滿足逆變器并網所需達到的電能質量要求，證明了逆變器設計參數的合理性與控制方案的可行性。

并網逆變器；T型三電平；數字信號處理；比例-諧振控制器

目前，分布式發電技術憑借其發電方式多樣，建設成本小等優勢成為電力行業的研究熱點，并網逆變器作為分布式電源與大電網之間的接口，對并網效果有重要的影響。其中，T型三電平結構相對于傳統的兩電平結構，輸出波形更近似于正弦波，電流電壓諧波分量低[1-3]；而相對于二極管鉗位型三電平結構，采用功率器件數減少，器件電壓等級降低，開關損耗小[4-6]。因此，采用T型三電平并網逆變器可在很大程度上改善并網電能質量，提高并網效果。

本文設計并搭建了一臺T型三電平并網逆變器，主控核心選用DSP芯片TMS320F28035，控制策略采用針對電壓電流瞬時值的雙閉環控制，PI（比例-積分）外環保證直流電壓穩定，PR（比例-諧振）內環控制并網電流。實驗結果表明，該逆變器輸出電流穩定，諧波失真度低，三相電流相位對稱。

1 T型三電平并網逆變器系統組成

T型三電平并網逆變器由主電路和控制系統組成。主電路包括開關保護電路、T型三電平逆變電路和單L濾波電路，將分布式電源輸出的直流電經過逆變和濾波后并入電網，實驗時輸入端選用可調直流源代替分布式電源。控制系統包括信號采樣電路、主控電路和驅動電路，檢測主電路電壓電流瞬時值信號，由DSP進行雙閉環控制計算和空間矢量調制后，輸出PWM脈沖驅動主電路中的功率開關管。其系統整體結構如圖1所示。

2 主電路設計

逆變器主電路采用T型三電平拓撲結構，如圖2所示，由直流側2個支撐電容1、2和12個功率開關管Ta1—Tc4組成。直流側輸入電壓范圍為600～800V，額定功率為5kW，開關管工作頻率為10kHz。以下給出直流支撐電容和功率開關管的選型與設計方案。

圖1 系統整體結構圖

圖2 T型三電平結構

2.1 支撐電容設計

在T型三電平電路中，支撐電容1、2可均分直流側電壓d，保證中點電位平衡并且抑制直流電壓諧波[7]。直流電容的電壓波動主要由3次基波分量構成，通過對中點電位平衡的分析，可得出電容值的計算公式[8]為

式中，o_max為最大中點電流；0為中點電壓波動角頻率，0=3g，g為基波角頻率；Ddc_max為兩個電容的最大電壓差。

鑒于兩個電容的電壓差應保持在直流電壓的3%以內，經過計算并考慮電容值裕量，最終選用10個450V/390mF電容，每5個電容并聯為一組再將兩組串聯，電容總容量為975mF，耐壓值為900V。

2.2 開關管選型

并網逆變器的額定電壓和額定功率是開關管選型的關鍵因素。在本系統中，直流輸入電壓范圍為600～800V，為滿足裕量，開關管需要能夠承受直流輸入電壓最大值的1.1倍，即880V。T型三電平電路每一相橋臂均有4個開關管，因此每個開關管應當能承受的電流最大值max為

式中，n為逆變器額定輸出功率；dc_min為直流電壓最小值。

本系統選用英飛凌公司的IGBT模塊F3L80R12W1H3_B11，以A相為例，結構如圖3所示，其中，+DC是直流側正極，-DC是直流側負極，是中性點，為交流輸出。該模塊可承受的最大工作電壓為1200V，額定電流為80A，符合逆變器設計需要。

圖3 IGBT模塊結構圖

3 控制系統設計

控制系統由主控板、信號采樣電路、驅動電路和上位機組成，結構如圖4所示。采樣調理電路采集直流電壓和并網電流電壓瞬時值，并對其進行限幅調節，作為DSP控制計算的實際值輸入。上位機與DSP之間通過串口通信設置控制系數與電壓電流基準值，并實時監測并網過程中各項動態數值。DSP經過雙閉環控制計算和空間矢量調制后，由CPLD對PWM脈沖進行分配輸出。驅動電路對PWM信號進行隔離放大，作為主電路的控制信號，并起到過流保護作用。以下對各電路設計過程加以詳細 說明。

圖4 控制系統結構框圖

3.1 主控電路設計

控制系統以DSP和CPLD作為控制核心，將DSP對數字的高速運算能力與CPLD的邏輯電路編程功能相結合。其中，DSP選用TMS320F28035芯片，CPLD選用EPM570TI00I5低電壓可編程邏輯芯片，不僅能滿足逆變器控制要求，還能減少程序運行時間，增加系統的可擴展性。

DSP與CPLD之間通過通用IO口進行數據傳輸，將DSP中經雙閉環控制和矢量調制后輸出的12路脈沖信號發送給CPLD，由后者搭建邏輯電路對脈沖進行比較分配后輸出PWM驅動波形。

圖5為CPLD的邏輯電路示意圖。CPLD接受DSP發出的2路PWM信號、1路使能控制信號和1路驅動復位信號，為主電路的一相提供兩路互補驅動信號。該邏輯電路對2路PWM信號加入死區設置，通過與非門保證兩個開關管不同時導通，當開關管出現過流、過壓等情況時，DSP接受驅動反饋的故障信號并發出復位信號HCPL_RST，經邏輯電路后置低電平發送給驅動芯片的復位引腳，封鎖PWM輸出。

3.2 控制策略設計

圖5 CPLD邏輯電路

圖6 雙閉環控制原理框圖

3.3 信號采樣電路設計

采樣電路通過傳感器采集電壓電流信號發送給DSP。以圖7為例，選用HNV025A霍爾電壓傳感器，將原邊所測電壓轉化為小電流信號，按1∶2.5的比例放大后，通過接地電阻轉化為電壓信號IN作為調理電路的輸入。調理電路采用兩級運放控制，前級運放選擇TL082，利用輸入的12V電源，通過運放分壓輸出偏置電壓，實現電壓信號幅值抬升，后級運放選擇LMV932，用作電平轉換，通過加入箝位電路，保證輸入AD的信號在0～3.3V之間變化。

圖7 電壓信號采樣電路

3.4 驅動電路設計

驅動電路將CPLD輸出的12路PWM信號轉變為控制IGBT通斷的驅動信號，選用帶短路過流保護和故障反饋功能（CE欠飽和檢測和故障狀態反饋）的光耦隔離芯片HCPL-316J，最大能驅動1200V/15A的IGBT，可以滿足本文所用IGBT模塊的要求。

驅動電路結構如圖8所示，由HCPL-316J光耦隔離芯片及其外圍電路組成，輸出信號E、C、G端分別與IGBT的發射極、集電極和門極相連。IN+端接受PWM信號，OUT端作為信號輸出，兩端的響應時間不能超過500ns，并需保證輸入輸出同步。外圍輸出電路由兩個三極管互補電路組成，降低了光耦芯片的內阻，并加快IGBT的開關速度。為降低IGBT的輸入阻抗并防止門極電路出現振蕩，在門極和發射極之間并聯雙向穩壓二極管D10。當IGBT出現短路或過流狀況時，CE迅速升高，當超過設定的保護電壓時即DESAT端對地電壓大于7V時，FAULT端置低并將錯誤信號反饋給控制電路，RESET復位端接收CPLD發出的低電平信號，停止輸出驅動信號，IGBT關斷，直到故障解除后復原。

圖8 HCPL-316J驅動電路

4 實驗結果分析

在以上設計方案的基礎上，本文搭建了一臺T型三電平逆變器進行并網實驗，實驗平臺如圖9所示，輸入端選用100V的低壓直流源，逆變器輸出端經過升壓變壓器接入電網。

圖10（a）為逆變器輸出相電壓AN與相電流i的波形圖，可以看到相電壓有0、+50V、-50V三個等級，即為三電平電路的3種基本電平。圖10（b）為逆變器輸出線電壓AB與相電流A的波形圖，其中線電壓一個周期內存在5個階梯，且階梯波形平整，使輸出波形可更近似于正弦波，有利于降低諧波含量，提高系統電壓利用率；相電流A幅值為4A，是一個近似正弦的信號，證明了本文所采用的PR電流環能較好的完成控制電流的任務。

圖9 T型三電平逆變器實驗平臺圖

圖10 A相逆變器輸出電壓電流波形

圖11（a）為并網電流階躍變化動態波形，系統起動后，并網電流很快趨于穩定，暫態時間短且電流沖擊小；圖11（b）為軟起動狀態下的并網電流波形，可看出并網電流具有較好的正弦度和相位跟蹤，有效減少了逆變器并網時對電網的沖擊。

圖11 A相并網電流動態波形

在并網實驗中，通過電能質量分析儀CA8336獲得逆變器輸出的并網波形和數據。圖12（a）為三相并網電流波形，圖12（b）為三相并網電流相位角，從圖中可看出三相并網電流波形平穩無波動，頻率幅值相同，相位差均為120°，滿足相位對稱。

圖13為相電壓和相電流的諧波失真度（），其中，相電壓諧波由基次諧波構成，均小于3%，相電流均小于0.6%，符合并網逆變器各特征次諧波分量均小于3%的設計標準。

圖12 三相并網電流與相位角

圖13 相電壓與相電流諧波失真度

5 結論

本文以T型三電平并網逆變器作為分布式電源和電網之間的接口，給出主電路與控制系統的設計方案，并對所用并網控制策略加以說明。實驗結果表明，該T型三電平逆變器并網電壓電流穩定且相位對稱，諧波失真度低，具有良好的并網效果，證明了本設計方案的正確性與可靠性。

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Design and implementation of T-type three-level grid-connected inverter

Ji Ningyi1Zhao Tao2Xu You2Xu Hongjian1

(1. School of Electric Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167; 2. School of Automation, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167)

A T-type three-level grid-connected inverter is designed with DSP chip TMS320F28335 as the control core. The article explains double closed loop control strategy based of PI voltage outer loop and PR current inner loop, and details the main circuit system and control system components selection and design options.According to the grid experiment results,the output current of the inverter is stable and its phase is symmetrical,the harmonic distortion is low, which meets the requirements of power quality required by inverter grid connection and proves the rationality of the inverter design parameters and the feasibility of the control scheme.

grid-connected inverter; T-type three-level; DSP; PR controller

2018-05-04

季寧一（1995-），男，江蘇宜興人，碩士研究生，主要從事力電子及微電網技術方面的研究工作。

江蘇省配電網智能技術與裝備協同創新中心開放基金項目資助（XTCX20181）