基于SPWM混合調(diào)制的光伏并網(wǎng)逆變實(shí)踐教學(xué)裝置研制

周 峰， 蔣 偉

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院a.智能制造學(xué)院；b.揚(yáng)州市零碳智能制造工程技術(shù)研究中心，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

光伏并網(wǎng)逆變實(shí)踐教學(xué)裝置是利用模擬、數(shù)字控制和上位機(jī)通信技術(shù)搭建的通用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)改變電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)和負(fù)載類(lèi)型，完成課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)。光伏發(fā)電技術(shù)教學(xué)涉及理論分析、電路計(jì)算等，內(nèi)容難度較高，學(xué)生難以掌握，教師利用實(shí)踐教學(xué)裝置引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐調(diào)試，充分發(fā)揮高職教育特色，理論與實(shí)踐結(jié)合，達(dá)教學(xué)目標(biāo)［1-4］。本文設(shè)計(jì)一種以SG3525 和DSP TMS320F28335 為核心的功能強(qiáng)、成本低、保護(hù)系統(tǒng)完善的光伏并網(wǎng)逆變實(shí)踐教學(xué)裝置。教學(xué)裝置旨在教授光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理以及每個(gè)部件的功能，同時(shí)提供實(shí)際操作練習(xí)，以培養(yǎng)光伏并網(wǎng)運(yùn)維人員的實(shí)踐技能。

1 教學(xué)裝置硬件

教學(xué)裝置主要由DC/DC、DC/AC 和上位機(jī)等單元組成，如圖1 所示。選用芯片SG3525 作為升壓控制器，該芯片具備可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制、可編程式軟啟動(dòng)以及脈沖控制鎖保護(hù)等多項(xiàng)功能［5-6］。選用TMS320F28335 逆變控制器實(shí)現(xiàn)正弦波脈沖寬度調(diào)制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM），同時(shí)支持與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載等操作。

1.1 DC-DC升壓電路

為達(dá)到并網(wǎng)電壓的要求，將光伏電池的輸出直流電壓12 V升壓到320 V，裝置的升壓部分采用SG3525生成2 個(gè)互補(bǔ)的方波脈沖，用于驅(qū)動(dòng)2 個(gè)IRF3205 功率管，實(shí)現(xiàn)功率管的互補(bǔ)導(dǎo)通。經(jīng)過(guò)變壓器升壓、二極管整流，最終獲得穩(wěn)定的320 V，主電路結(jié)構(gòu)圖2所示。

圖2 DC/DC升壓?jiǎn)卧娐?/p>

升壓驅(qū)動(dòng)利用SG3525 集成脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制芯片實(shí)現(xiàn)，輸出頻率由5 腳外接電容C4和6腳外接電阻R3構(gòu)成的RC振蕩器決定［7-9］，本設(shè)計(jì)頻率為33 kHz。為實(shí)現(xiàn)升壓電路軟啟動(dòng)，在芯片8號(hào)腳連接電容C7，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 DC/DC升壓?jiǎn)卧?qū)動(dòng)電路

為保證升壓電路的可靠性和輸出電壓穩(wěn)定性，增加輸出電壓反饋電路，如圖4 所示，利用電阻R3和R4分壓所得值與穩(wěn)壓源U2對(duì)比輸出信號(hào)給到隔離光耦U1，通過(guò)調(diào)整SG3525 驅(qū)動(dòng)器的輸出占空比，實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制。

圖4 電壓反饋電路

1.2 DC/AC逆變電路

逆變電路結(jié)構(gòu)采用是典型的4 橋臂與4 個(gè)反并聯(lián)二極管全橋電路，如圖5 所示［10-11］。根據(jù)升壓輸出幅值為直流320 V 和輸出電流為5 A，選擇耐壓為直流400 V、額定電流為10 A的IRF740 N型溝道MOSFET功率管，1N4007 二極管。依據(jù)輸出功率和母線電壓波動(dòng)值，選擇330 μF、直流450 V 的電解電容為母線支撐電容。

圖5 DC/AC主電路結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)輸出電壓更接近正弦波形，逆變器輸出端采用LC濾波［12-13］。依據(jù)10f1＜fc＜fs/10，其中：f1為基波頻率；fs為載波頻率；fc為L(zhǎng)C 諧振頻率。本設(shè)計(jì)基波頻率選擇50 Hz，載波頻率選擇5 kHz，輸出濾波電感最小值通常由流過(guò)電感允許電流紋波決定，一般選輸出額定電流的20%，本設(shè)計(jì)輸出電壓為交流220 V，有功功率1 kW。

由此可得，流過(guò)電感允許電流紋波

電感的狀態(tài)滿足：

式中，UO(t)=UDC/2 時(shí)，有最大值

根據(jù)本裝置設(shè)計(jì)：UDC= 320 V，fC= 16 kHz，ΔImax=0.91 A，可得L≥3 mH，再根據(jù)2πLC10/fc，求得C=3.4 μF，因此本裝置中取L=4 μF。

驅(qū)動(dòng)電路采用了以IR2110 為核心的自舉不隔離驅(qū)動(dòng)電路，滿足驅(qū)動(dòng)能力前提下節(jié)約成本，電路如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路

該電路輸出兩路信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)同側(cè)橋臂上下兩個(gè)功率管，由于IRF740 充分導(dǎo)通需要足夠的柵極電荷，選擇低感系數(shù)自舉電容C38，47 μF/25 VDC的鉭電容。考慮到逆變單元過(guò)載或短路故障，驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)電流采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理傳送至IR2110 的13 號(hào)腳SD，直接停止驅(qū)動(dòng)，保護(hù)裝置安全可靠［14-15］。

1.3 通信電路

裝置包含上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)利用C++語(yǔ)言編寫(xiě)調(diào)試界面，下位機(jī)采用TMS320F28335 處理器，C語(yǔ)言編程。上、下位機(jī)之間的通信是采用RS485 通信協(xié)議。為實(shí)現(xiàn)通信穩(wěn)定、可靠，避免串?dāng)_，增加ACPLM72T隔離光耦芯片。利用此通信電路使用PC 機(jī)作為上位機(jī)對(duì)DSP 進(jìn)行控制，完成不同的實(shí)驗(yàn)需要的不同操作，電路如圖7 所示。

圖7 通信電路

1.4 電源電路

裝置輸入電源為光伏后端儲(chǔ)能蓄電池，直流電壓為12 V?？刂葡到y(tǒng)中DSP 和部分集成電路供電需要直流5 V 和3. 3 V，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入12 V 輸出5、3.3 V的直流穩(wěn)壓電源，電路如圖8 所示。

圖8 電源電路

選擇MC7805BTG 為第1 級(jí)降壓芯片，輸出直流電壓為5 V，驅(qū)動(dòng)電流能達(dá)1 A。選擇UA78M33QDCYRG4Q1 為第2 級(jí)降壓芯片，輸出直流電壓3.3 V，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)500 mA。

2 逆變控制策略

本教學(xué)裝置是針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變，為滿足并網(wǎng)電壓要求，采用了SPWM 控制技術(shù)，該技術(shù)具有開(kāi)關(guān)頻率固定、輸出電壓中只包含固定頻率的高次諧波成分，并具備簡(jiǎn)單的濾波器設(shè)計(jì)。為既降低開(kāi)關(guān)損耗保證器件壽命，又提高輸出電壓品質(zhì)，一側(cè)橋臂選擇單極性SPWM調(diào)制，如圖9（a）所示，另一側(cè)橋臂選擇了雙極性SPWM調(diào)制的混合控制策略，如圖9（b）所示。

圖9 SPWM混合調(diào)制策略

利用TMS320F28335 內(nèi)部自帶的事件管理模塊產(chǎn)生4 路PWM信號(hào)，要確保計(jì)數(shù)周期不變，同時(shí)使PWM占空比大小變化呈成正弦趨勢(shì)。設(shè)定載波頻率，計(jì)數(shù)器采用先遞增再遞減的計(jì)數(shù)方式，在每次計(jì)數(shù)值達(dá)到載波周期時(shí)，會(huì)重新設(shè)置比較值，在半個(gè)周期結(jié)束后改變計(jì)數(shù)方向。本設(shè)計(jì)中載波頻率采用16 kHz，輸出頻率為50 Hz，每個(gè)周期載波數(shù)根據(jù)載波頻率除以輸出頻率，本設(shè)計(jì)中每個(gè)周期需要載波數(shù)是320。用此方法將升壓模塊輸出的直流320 V 調(diào)制成頻率為50 Hz、有效值為直流220 V的正弦交流電壓。

3 裝置搭建與試驗(yàn)分析

光伏并網(wǎng)逆變實(shí)踐教學(xué)裝置如圖10 所示。裝置包括升壓電路、全橋逆變電路、主控制電路和上位機(jī)平臺(tái)。裝置主要承擔(dān)光伏并網(wǎng)逆變的輸出調(diào)頻、調(diào)壓和死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)等實(shí)驗(yàn)。

圖10 手提箱式實(shí)踐教學(xué)裝置

（1）光伏輸入升壓閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)。本裝置設(shè)計(jì)的升壓電路輸入電壓為光伏蓄電池直流12 V，利用閉環(huán)升壓控制使得升壓?jiǎn)卧敵鲋绷?20 V，利用示波器測(cè)得升壓?jiǎn)卧妮斎?、輸出電壓波形如圖11 所示。

圖11 升壓?jiǎn)卧斎?、輸出電壓波?/p>

（2）光伏并網(wǎng)逆變輸出調(diào)頻實(shí)驗(yàn)。通過(guò)上位機(jī)控制界面，改變逆變輸出的基波頻率設(shè)定值，利用示波器觀察逆變器輸出端電壓頻率變化。本實(shí)驗(yàn)要求光伏并網(wǎng)逆變裝置能夠?qū)崿F(xiàn)輸出交流電頻率在50 ～60 Hz范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，精確到0.5 Hz。實(shí)驗(yàn)通過(guò)上位機(jī)設(shè)置頻率分別為52 和58 Hz，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖12 所示。

圖12 逆變交流波形

（3）光伏并網(wǎng)逆變輸出調(diào)壓實(shí)驗(yàn)。通過(guò)上位機(jī)控制界面，改變SPWM 調(diào)制比，實(shí)現(xiàn)光伏逆變輸出電壓有效值改變。本實(shí)驗(yàn)要求光伏并網(wǎng)逆變裝置能夠?qū)崿F(xiàn)SPWM調(diào)制比在0.6 ～1 范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，分辨率為0.1。利用示波器觀察逆變器輸出電壓頻率為50 Hz，調(diào)制比分別為0.7 和0.9 的逆變器輸出端電壓有效值，如圖13 所示。

圖13 有效值波形

（4）光伏并網(wǎng)逆變混合調(diào)制控制策略驗(yàn)證。通過(guò)測(cè)量全橋逆變電路2 橋臂功率管驅(qū)動(dòng)波形，2 個(gè)橋臂上管Q1和Q3的驅(qū)動(dòng)波形如圖14 所示，從波形可見(jiàn)，A通道對(duì)應(yīng)Q1驅(qū)動(dòng)控制策略為單極性，B 通道對(duì)應(yīng)Q3驅(qū)動(dòng)控制策略為雙極性。

圖14 混合調(diào)制控制策略驅(qū)動(dòng)波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于模擬和數(shù)字控制技術(shù)研制一臺(tái)通用光伏并網(wǎng)逆變實(shí)踐教學(xué)裝置，給出了升壓電路、逆變電路、通信電路、電源電路的原理。根據(jù)光伏并網(wǎng)逆變的不同環(huán)節(jié)配置分別完成功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。給出了光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變的控制策略和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)裝置通用性強(qiáng)，硬件成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、便攜。