模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺設計

嚴慶增，趙天潤，肖浪濤，趙仁德

（中國石油大學（華東）新能源學院，山東青島 266580）

0 引言

光伏發電是重要的新能源利用形式，其碳排放量是化石能源發電的1／10～1／20，能夠為實現“碳達峰、碳中和”提供強勁引擎［1-2］。三電平光伏并網逆變器與傳統兩電平逆變器相比，輸出電壓電平數增加，從而使輸出電流諧波含量降低、器件電壓應力減小、電磁干擾下降［3-4］。因此，三電平光伏并網逆變器有著廣泛的應用前景，也成為目前高校光伏發電相關課程的重要講授內容［5-7］。

本文設計并搭建了一種模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺，使學生更加形象直觀地認識光伏發電系統，加深對理論知識的理解。

1 模塊化實驗平臺硬件設計

設計的模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺如圖1 所示。實驗平臺包括斷路器模塊、直流母線電容模塊、L 濾波器模塊、傳感器模塊、DSP 控制板模塊、三相逆變橋模塊和隔離電源模塊，各模塊功能：

圖1 模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺設計圖

（1）斷路器模塊。用于接通或斷開光伏陣列、三相電網和220 V電源，便于調試。

（2）直流母線電容模塊。電容兩串兩并以提高耐壓和容值，電容兩端并聯有均壓電阻。

（3）L濾波器模塊。用于濾除高頻諧波電流，考慮到電感對周圍電路的干擾問題，采取外接方案。

（4）傳感器模塊。包括4 個LV-25P 型電壓傳感器和3 個LA25-NP 型電流傳感器，用于測量線電壓eab、ebc、eca、直流母線電壓vdc以及三相并網電流ia、ib、ic。

（5）DSP 控制板模塊。采用TI 公司的TMS320F28335 DSP，通過集成的模數轉換器接收傳感器模塊輸出的模擬信號，將模擬信號轉換為數字信號。用于光伏逆變器的閉環控制，同時DSP 的PWM 模塊輸出IGBT的驅動信號。

（6）三相逆變橋模塊。含有A、B、C三相橋臂，每相含有4 只IGBT 及其驅動電路和緩沖電路；直流側的P、O和N 3 個接線端子分別連接直流母線的正極、中點和負極；交流側的輸出端經過L濾波器連接至降壓變壓器。

（7）隔離電源模塊。將220 V交流電源轉換為不同電平的低壓直流電源，為傳感器模塊提供±15 V電源，為DSP控制板提供5 V 電源，為三相逆變橋的驅動電路提供24 V電源。

基于圖1 所示的設計方案，進而搭建了如圖2 所示的實驗平臺。其中，L濾波器模塊采用外接方案，直流側連接的1 kW光伏陣列由圖3 所示的4 塊光伏電池板串聯組成，放置于實驗室建筑頂部。

圖2 模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺

圖3 實驗室建筑頂部的1 kW光伏陣列

圖4 給出了每相橋臂中IGBT驅動電路和緩沖電路原理圖。其中，采用TOSHIBA 公司的TLP250 集成芯片設計了IGBT的驅動電路，兼具電平轉換和電壓隔離的作用，將DSP 輸出的0～3.3 V 驅動信號轉換為-9～15 V，以控制IGBT 的通斷。緩沖電路由電阻、電容、二極管串并聯組成，形成RCD緩沖電路。當IGBT關斷時，電壓經過二極管D 給電容C充電，從而有效抑制關斷過電壓。

圖4 IGBT驅動電路和緩沖電路原理圖

2 實驗平臺控制策略及程序設計

2.1 光伏逆變器電壓電流雙閉環并網控制策略

光伏逆變器電壓電流雙閉環并網控制策略如圖5所示［8-9］。圖中，直流母線電壓給定值通過MPPT得出。直流電壓PI調節器的輸入為vdc與的差值，輸出為d軸有功電流給定值。在交流側，分別對線電壓eab、ebc、eca進行采樣，經過線相轉換，變換為相電壓ea、eb、ec。然后，通過CLARK 和PARK 變換，并結合鎖相環PLL 模塊獲得ed、eq以及電網電壓相位角θg。逆變器輸出的三相電流經過PARK變換得到id與iq，利用有功電流給定值減去id，將其差值輸入d軸PI調節器；將無功電流給定值設定為0，實現單位功率因數控制，與iq作差輸入q軸PI調節器。經過前饋解耦和反PARK 變換，輸入到SVPWM 模塊獲得功率開關器件的驅動信號，最終實現并網控制。

圖5 光伏逆變器電壓電流雙閉環并網控制策略

2.2 電網電壓鎖相原理

在圖5 所示的控制系統中，PARK 變換和反變換均用到電網電壓相位角θg。可采用圖6 所示的同步參考坐標系鎖相環PLL 獲得θg，該PLL 具有結構簡單、精度高、適應性良好等優點［10-11］。

圖6 同步參考坐標系PLL原理框圖

由圖6 可見，三相電網相電壓ea、eb、ec通過CLARK變換得到eα、eβ，進而通過PARK變換獲得ed、eq。eq與0 作差輸入到PI調節器，與ω0＝314 rad／s疊加以加快鎖相速度，通過積分并對角度周期2π 取余獲得θg。通過圖6 鎖相回路，eq最終被調節為0，ed最終等于電網相電壓的幅值。在實驗中，可以通過觀察ed、eq的值判斷是否鎖相成功。

2.3 參考電壓分解三電平SVPWM

三電平逆變器共有27 種開關組合，對應圖7 所示的27 個空間電壓矢量。為減小計算量，采用一種基于參考電壓分解的簡化三電平SVPWM，將三電平空間矢量分解為6 個兩電平空間矢量的組合［12-13］。

由圖7 可見，整個矢量六邊形被分成I～VI 共6個菱形大扇區。每個菱形大扇區又可以分成6 個小扇區，其中每個大扇區包含一個基矢量，即Ubase1～Ubase6。當參考矢量Uref處于某個大扇區時，可令參考矢量減去相應扇區的基矢量，得到新的參考矢量。如圖7第I扇區所示，終端周圍的6 個矢量終端組成與兩電平逆變器矢量相同的六邊形。因此，可被視為傳統兩電平逆變器的參考矢量，然后再利用兩電平SVPWM 求解。通過以上矢量分解過程，將三電平SVPWM轉換成兩電平SVPWM進行實現，使計算量顯著減小。

圖7 三電平逆變器空間電壓矢量圖

2.4 擾動觀察法MPPT

光伏陣列的輸出功率受外界溫度和光照強度影響，需要采用MPPT 技術使光伏逆變器在不同條件下保持工作于最大功率點。搭建的實驗平臺采用圖8 所示的擾動觀察法MPPT［14-15］。該方法簡單、實用且易于實現，在光伏逆變器中使用率高，易于理解。

圖8 擾動觀測法MPPT流程

擾動觀察法通過擾動逆變器直流母線電壓（即光伏陣列的輸出電壓），然后根據光伏陣列輸出功率變化的趨勢，確定擾動電壓的方向，連續擾動使光伏逆變器最終工作于最大功率點。首先設定逆變器的直流母線電壓和擾動步長分別為Upv和ΔU。逆變器啟動后，令Upv＝Upv+ΔU，測量光伏陣列輸出電壓Un和輸出電流In，從而算得輸出功率Pn。將Pn與擾動前的功率Pn-1比較：若Pn＞Pn-1，則按照現有擾動方向繼續擾動；若Pn＜Pn-1，則改變擾動方向。重復以上步驟，最終使光伏逆變器工作于最大功率點。

2.5 光伏逆變器程序設計

采用TI 公司的CCS 軟件（Code Composer Studio）對DSP程序進行編寫、編譯、調試和下載。DSP 程序流程圖如圖9 所示，包含主程序和中斷程序。在主程序中完成頭文件引用、常量和變量的定義及初始化、功能模塊的聲明和定義等任務，最后進入死循環等待中斷事件；在中斷程序中實現AD轉換、PLL、MPPT、雙閉環控制、SVPWM等功能，中斷函數執行結束后返回主程序。此外，程序中需添加過壓、過流等保護功能，保障實驗的安全性。

圖9 DSP主程序和中斷程序流程

3 實驗過程設計

基于搭建的光伏逆變器實驗平臺，設計了如下實驗過程，逐步實現電網電壓鎖相、三電平SVPWM、并網、最大功率跟蹤等功能。實驗相關參數如表1 所示。其中，為保障實驗安全，電網相電壓有效值通過隔離變壓器降低至35 V。

表1 實驗參數

首先，對電網電壓進行采樣，利用CCS 軟件的在線調試功能，驗證編寫的PLL程序模塊是否正確。如圖10 所示，獲得的相位角θg應在0～2π 之間往復變化，與A相電網電壓ea呈余弦關系。并且，此時eq等于零，ed等于電網相電壓的幅值。

圖10 CCS在線調試PLL獲得的電網電壓相位角

在充分學習理解三電平SVPWM原理的基礎上編寫程序，輸出三相逆變橋模塊的驅動信號。為驗證程序編寫的正確性，采用LC 低通濾波電路將驅動信號的高頻分量濾除，獲得如圖11 所示低頻分量，其形狀與三電平典型的調制波形狀相同。為防止逆變器發生直通短路故障，需要進一步驗證輸出互補驅動信號之間的死區添加情況。如圖12 所示，IGBTQa1和Qa3驅動信號之間的死區時間應為2 μs。

圖11 DSP輸出的驅動信號濾波波形

圖12 DSP輸出的驅動信號之間的死區

在驗證SVPWM 驅動信號和死區設定正確后，進行開環逆變實驗，以測試驅動電路和主電路。將光伏逆變器直流側連接光伏陣列，交流側連接阻感負載，逆變器輸出的線電壓波形如圖13 所示。

圖13 開環實驗線電壓波形

在并網實驗中，光伏逆變器交流側經L 濾波器連接至隔離變壓器。在電壓外環中，設定直流電壓為恒定值，獲得的線電壓eab和并網電流ia波形如圖14 所示。需要說明的是，實驗中變壓器的逆變器側為三角形接法，因此未給出相電壓波形。

圖14 線電壓eab和并網電流ia 的實驗波形

在完成并網實驗的基礎上，進一步實現MPPT 功能。從逆變器啟動開始，采用示波器記錄逆變器的直流電壓和直流電流變化情況。如圖15 所示，光伏陣列的開路電壓為135 V，MPPT 初始給定電壓Upv為125 V，擾動步長ΔU為1 V，MPPT的擾動時間間隔為3 s。通過MPPT算法調節，逐步使光伏陣列的輸出功率增加。最終，光伏陣列輸出電壓和電流穩定在118 V 和1.9A左右，即功率為224 W左右。

圖15 MPPT過程中的光伏陣列輸出電壓和電流波形

4 結語

本文設計并搭建了一種模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺，對其硬件、控制策略和軟件設計進行了詳細介紹。將該平臺用于光伏發電相關課程的實驗教學，能夠完成電網電壓鎖相、三電平SVPWM、并網、最大功率跟蹤等實驗。基于該平臺的實驗教學能夠使學生將三相三電平光伏并網逆變器的理論知識聯系實際，加深對理論知識的理解。使學生熟悉實際光伏逆變器的硬件和軟件組成，培養并提高工程實踐能力和解決實際問題的能力，為將來從事新能源領域的工作和研究奠定堅實的基礎。