单相光伏逆变器关键技术探讨

贾永博

（西安科技大学电气与控制工程学院，西安 710054）

单相光伏逆变器关键技术探讨

贾永博

（西安科技大学电气与控制工程学院，西安 710054）

以TMS320F28335为核心处理器，对单相光伏逆变器的A/D采样、锁相环、滤波器设计3项关键技术进行探讨。文中给出了A/D采样硬件电路、快速傅里叶算法、锁相环硬件电路和软件编程思路，以及LCL滤波器基本约束条件以及电感磁环对滤波的影响。通过对300W单相逆变器参数的设计完成了实验样机，并实现并网。

A/D采样；快速傅里叶算法；锁相环；滤波器

引 言

随着近几年光伏发电不断受到重视，光伏逆变器的需求量也日益增加。文中给出了光伏逆变器A/D采样、锁相环、滤波器设计3项关键技术。根据所给硬件电路设计出一台300W的单相逆变器样机，并实现并网。单相光伏逆变器拓扑结构如图1所示。

图1 单相逆变器拓扑结构

在图1中，用蓄电池模拟光伏电池板，其电压值为48V，经过H桥和LCL滤波电路后调理为30V的正弦电压信号，通过30/220的变压器升压，连接负载。DSP TMS320F28335控制回路采集电网电压、逆变电压、并网电流以及这三路过零后的方波信号。在TMS320F28335内部运算处理后输出4路SPWM信号和一路并网控制信号。并网控制信号驱动继电器进而驱动接触器，出于安全考虑，再经过断路器控制并网。

1 A/D采样技术

1.1 硬件部分

电压A/D转换器采样硬件电路如图2所示。

图2 电压A/D采样硬件电路

电流采样电路中，采用霍尔电流传感器TBC05LX，此器件额定输出为-4～+4V的交流电压信号，其电路和电压采样类似，经过滤波，偏置、抬高、限幅得到0～3V的信号输入TMS320F28335。

1.2 软件FFT（快速傅里叶）算法

TMS320F28335的A/D转换器采集的是一连串离散的点，采样后需要将这些离散信号与实际信号的有效值进行校准，FFT傅式算法［1］能够滤去恒定直流分量，并且对二次以上谐波有较好的滤波作用。在一个周期中，电压u（t）的傅里叶级数展开式为：

因为A/D采样信号为离散点，故对上式离散化为：

其中，N为载波比，n为信号中所含的谐波次数，um为所采集信号的基波有效值。

2 锁相技术

在逆变器并网中，并网电流应与电网电压保持同频同相，所以锁相环是必不可少的。锁相分为软件锁相和硬件锁相。软件锁相可以方便系统控制软件的数据交换和调整，反应迅速，参数修改灵活，实际应用中多采用软件锁相［2］。

由此，我们可以进一步讨论新闻文本与电影文本中的底本与述本之间的联系和差异。无论是作为纪实型叙述的新闻文本，还是作为虚构型叙述的电影(故事片)，从底本到述本都会因材料上的选择组合和再现方式差异发生变形或扭曲。

图3为软件锁相环结构框图。电网电压和逆变电流信号经过捕获上升沿，比较两者相位差，实时调整SPWM的载波周期值，使逆变电流跟踪电网电压相位。

图3 锁相环结构框图

2.1 锁相硬件电路

图4为采样后的捕获电路，此电路把0～3V的正弦波经整形、滤波调理为方波，供TMS320F28335捕获其上升沿。在图4中将正弦信号放大10 000倍，取其底部近似为方波。经验证，方波上升沿和下降沿延时大概为50μs，相对于电网电压周期可以忽略，实际电路波形如图5所示，过零检测效果良好。

图4 电压捕获电路图

2.2 软件编程思路

利用硬件电路调理后将方波信号输入到TMS320F28335，利用TMS320F28335的eCAP模块捕获方波的上升沿，每两次上升沿之间时间即为逆变器输出电流周期。如图6所示，通过捕获电网电压和逆变后的电流过零时刻点，计算出电网电压相位θv和逆变后电流θi之差θd，相差调节器输出ΔT叠加到一个工频正弦信号周期Tb上，其结果作为并网电流指令周期T，根据频率和相位的积分关系得到并网电流指令信号θi。通过不断调节SPWM的载波频率最终准确跟踪电网电压，保持两者同频同相。另外由于同步信号容易受到干扰，在软件中应加入滤波程序［3］。

图5 捕获电路仿真和实测波形

图6 光伏并网锁相环控制图

3 主电路滤波器设计

3.1 硬件电路分析

对于LCL滤波器有几个约束条件，包括滤波电容C、电感、电流纹波、电感L1和L2比值、谐振频率和电感磁环。

3.1.1 滤波电容C的确定

在并网逆变器LCL滤波器设计中，电容产生的无功频率一般限制在系统额定功率的5%以内。

由图7可知因为ωL2I≤US·5%，所以Us+jωL2I≈Us。

3.1.2 L1+L2总电感确定

对于基波电流，其通道不经过电容，电路可以简化为图8所示的模型，其中L为总电感。

图7逆变器简化模型

图8 基波下的等效电路

3.1.3 电流纹波的限制

在滤波器中，桥臂侧电流纹波主要由桥臂侧电感来抑制，桥臂侧电感参数主要由桥臂侧电流纹波含量要求来设计。设一个开关周期为T，开通时间和关断时间分别为T1、T2，则：式中，Udc为直流电压，Ui为逆变电压。在工程中一般取

3.1.4 L1和L2比值的确定

3.1.5 谐振频率的限制

与LC滤波器相比，LCL滤波器在截止频率处会有一个谐振尖峰。通常情况下，谐振频率可参考下式：

其中，fr为信号波频率，fc为载波频率。

3.1.6 电感磁环的影响

电感磁环材料尽量选择铁硅铝磁环，相对于铁氧体磁环，铁硅铝的磁通量是其2倍以上，且在高功率时，能提供更好的容错特性。在边缘损耗方面，铁硅铝不会产生边缘损耗。相同参数下两种磁环绕制电感滤波性能比较如图9所示。

图9 相同参数下铁氧体磁环和铁硅铝磁环绕制电感滤波性能比较

3.2 仿真与实际波形

在300W试验样机中，直流侧为48V蓄电池，代入式（6）、式（8）、式（10）可求解滤波器参数为：c≤16μF，L≤1.3mH，L1min=0.6mH。综合以上约束条件，主电路中选择电感L1为0.8mH，L2为0.5mH，电容为10μF。此时L2/L=0.38，fres=2 567符合要求。其仿真与实验波形如图10所示。

52

Key Technologies of Single Phase Photovoltaic lnverter

Jia Yongbo
（School of Electrical and Control Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China）

Taking TMS320F28335as the core processor，the paper discusses three key technology of single phase grid-connected inverter such as A/D sampling，phase-locked loop and filter designing.The A/D sampling hardware circuit，the FFT algorithm，the phase lock loop hardware circuit and software programming ideas are given in this paper.The basic constraint conditions of LCL filter and the influence of inductive magnetic ring for filtering are also introduced.The prototype is completed by designing 300Wsingle phase inverter parameters，and is connected with the grid finally.

A/D sample；FFT algorithm；phase-locked loop；filter

TP212

A