單極性調制并網逆變器分析與設計

摘 要：面對愈加嚴峻的能源短缺和環境保護方面的壓力，世界各國不斷提高清潔能源供應占比，分布式發電技術逐步成為熱點研究領域。逆變器作為電能變換的裝置，是發電并網系統的關鍵環節，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系統為研究對象，通過分析并網逆變器工作原理，對全橋并網系統軟硬件參數進行分析設計；在單極性調制基礎上，考慮網壓前饋進行逆變器電壓電流控制系統設計；利用旋轉坐標系，將加上信號濾波進行PLL控制設計?；谏鲜龇桨复罱ú⒕W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： 并網逆變器；非隔離型；單極性；網壓前饋；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?；茉磻盟a生氧化硫等污染物也使得人們面臨著嚴峻的環境問題，同時，越來越多高端電子儀器設備對電網供電可靠性和電能質量提出了更高的要求，傳統電網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，抑制環境污染與提高供電質量，分布式發電與微電網技術發展日益加快，其憑借對能源的安全性和高效調度性正成為一種不可或缺的供電方式，并不斷地推廣應用。各發電單元構成的微型電力系統與大電網互聯，使得電能在發供用終端上實現靈活調配。并網逆變器是新型電能供應體系的重要一環，是并網系統的核心設備，其研發制作成本和逆變器轉換效率的高低將直接影響系統的能量轉化效率，影響新型電能供應的推廣及應用[2]。本文采用DC/AC全橋并網逆變器結構，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，進行小功率高轉化效能、低造價的并網逆變器設計。

1 系統設計方案與控制

并網逆變器將直流電逆變成工頻交流電，經過濾波電路與大電網相連接，設計采用電壓型輸入。將網側電壓取定坐標軸，利用鎖相環得出電網電壓角頻率和相角后，結合參考幅值得出輸出參考值，最終通過控制器控制PWM脈沖信號驅動主電路來控制逆變器輸出電流頻率、相位實現并網[3]。實驗拓撲結構如圖1所示，Vs為網側電壓，Cd為H橋前級儲能電容，V1—V4為實驗電路所用開關管，VD1—VD4為反并聯二極管，C1—C4與R1—R4為對應的緩沖電路電容和電阻，L、C構成接口濾波電路，形成高頻電流流出通道，降低入網電流對網側電流的影響，降低THD（波形總畸變率）[4]。

2 并網逆變器控制策略

2.1 電壓電流雙閉環控制

為實現微網與大電網的互聯，逆變器所輸出的電流頻率和相位須與主網相同，近乎一致，偏差應在系統允許范圍內，本系統設計中采用PI算法進行電壓電流閉環的控制設計，將電壓外環差值作為電流內環指令值幅值給定，然后通過與鎖相環分離出的電網電壓頻率和相角構成電流內環電流指令。電流指令再通過電流控制器（PI）生成調制波，并與載波比較，進而由DSP發出PWM波，最后通過驅動回路將PWM信號進行隔離放大來驅動開關管動作，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存在內阻，G3（s）簡化為

在未進行Vs補償時，Vs對H橋側并網電流產生作用如下

補償后，Vs對H橋側并網電流作用為

若使前饋環節G4（s）為1/G2（s）時，則上式為0，網側不對輸出電流產生影響，從而有效降低電流控制器調節量[6]。

G1（s）通道函數簡化為

電流環閉環傳遞函數為

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

電壓外環控制框圖如圖3所示。

由于電流環響應速度相較電壓環快[7]，外環截止頻率小，因此電流環傳遞函數可簡化為

電壓外環閉環傳遞函數為

2.2 單相鎖相環分析設計

鎖相技術基于dq旋轉坐標變換來實現，提高鎖相性能的關鍵在于相位檢測環節[8]，區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坐標角[9]，輸入信號Vi經過同步旋轉坐標系變換后得到Vd和Vq，變換過程如下

。 （10）

經過低通濾波器得到Vd′和Vq′，再經過Park變換得到Vα′、Vβ′，構成閉環，變換過程如下

。 （11）

當鎖相環工作在穩態時，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。

3 系統硬件參數設計

系統工況參數設定如下：直流母線設定值Ud=100 V，逆變電路輸出并網交流電壓，系統開關頻率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

取電流紋波系數為ri，根據（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。根據系統參數計算，儲能電容Cd為300 uF。

4 實驗結果分析

實驗平臺由負載電阻以及并網逆變器等構成， MOSFET選用英飛凌公司生產的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。

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

5 結論

本文以非隔離型單相全橋并網逆變器為研究對象，搭建了基于DSP28335控制芯片的300 W數字化控制單相并網平臺，以非隔離型單相并網系統為研究對象，通過分析并網逆變器工作原理，對全橋并網系統軟硬件參數進行分析設計；在單極性調制基礎上，考慮網壓前饋進行逆變器電壓電流控制系統設計；利用旋轉坐標系，將加上信號濾波進行PLL控制設計。逆變器工作十分穩定，有著THD含量低、轉換效率高等特點，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。

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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、自動控制。