分布式发电用单相中小功率并网逆变器的研制

摘  要：提出了一种基于美国TI公司TMS320LF240 DSP芯片的直接并网逆变器的实现方案。该并网逆变器采用了基于空间矢量图计算的倍频式SPWM控制策略，硬件和软件设计简单可靠，特别适用于中小功率分布式发电的场合。实验波形和分析证明了该套方案的有效性和稳定性。
关键词：分布式发电；并网逆变器；空间矢量图；倍频式SPWM

0 引言
    当今社会，能源已成为制约世界经济发展的关键问题之一。解决能源问题的根本办法是开发利用环保型的新型可再生能源，如太阳能发电、燃料电池发电等。欧洲、美国在这方面已经相继走在了世界的前列，如德国莱比锡市已建成世界上功率最大的太阳能发电站并正式并网发电。

    分布式发电的研究成果进一步为太阳能等新型能源的利用带来了新的概念。分布式发电可以简单理解为一种单台中小功率、大规模的发电方式。例如最近讨论热烈的“屋顶计划”——每家每户都利用屋顶太阳能板，成为独立的发电个体，再通过数量形成规模效应。

    而分布式发电需要有一种能将能量反馈到电网的电力电子接口装置，我们通常称之为并网逆变器。由于该逆变器在整套设备中具有关键作用，如何提高其性能以满足能量传输和电能质量的要求已成为近年的研究热点。

    本文介绍了一种基于电压矢量图计算的倍频式电压型单相并网逆变器，通过DSP控制系统实现了间接电流控制，保证了单位功率因数。具有控制简单，稳定性好，电网谐波污染小等优点，特别适用于中小功率的分布式并网发电的应用场合。

1 主电路结构
    根据采用隔离变压器的类型，并网逆变可分为低频环节并网逆变、高频环节并网逆变以及非隔离型并网逆变[3]。低频环节并网逆变器采用工频变压器作为与电网的接口，电路结构简洁、效率较高，但缺点是变压器体积和重量大、音频噪音大，并不适合分布式发电的场合；而非隔离型并网在一些国家禁止使用，因此，本文采用直接挂在电网上运行的高频环节并网逆变器，单相全桥主电路如图1所示。

    图2为其理想电路模型。

    图1中，Ud为并网逆变器的直流输入电源。Ud通过高频链DC／AC逆变技术将初级电源(如太阳能电池等)提供的低压直流电变换为质量较高的高压交流电。US、UL和UN分别为逆变器输出电压、电感L端电压和电网电压有效值。电感L除了滤除高频谐波外，还兼有平衡逆变器和电网之间电压差的作用。

2 间接电流控制策略分析
    作为并网用逆变器，其理想状态是输出功率因数λ=1，即网侧电流iN无畸变且与电网电压UN相位一致，这样回馈到电网的只有有功功率。根据图2等效模型，忽略电感电阻和线路电阻所得的电压矢量图如图3所示。

    设输入功率为P，由图3可知

    从而有

    另外，输出电压满足

    对于SPWM逆变器来说，输出电压基波满足

    式中：m为调制比。

    可见，当UN和L值一定的情况下，根据所给定的功率P和并网输出电流，IN，可通过式(2)和式(5)唯一确定US相对于UN的超前角φ和SPWM的调制比m，从而达到控制输出电压Us的幅值和相位，并最终调整并网输出电流iN的目的。此外，在US动态调整的过程中，为保证单位功率因数，输出电压向量的改变值应该使得电感上
的压降UL始终超前电网电压并与之正交，如图3中虚线所示。

    由上面分析可知，若取流经L的输出电流iL为状态变量，且考虑到电感和线路等效电阻r，可得该并网逆变器数学模型的Laplace表达式为

    当逆变器开关频率较高时，忽略开关器件和死区的影响，则逆变器可以近似等效为一个放大环节KPWM，从而有间接电流PI闭环控制框图如图4所示。

3 控制系统硬件设计
    本实验设计的高频并网逆变器系统硬件框图如图5所示。

    包括TMS320LF240 DSP控制核心、电压电流检测、控制与保护、驱动、控制电源以及人机界面5部分。

    电压电流检测电路与保护电路须与主电路保持隔离。因此，电网电压的检测通过工频采样变压器实现；电感电流通过霍尔元件得到。

    电网同步信号检测电路如图6所示。

    降压变压器输出的电网信号经过同步检测电路后输出相位和频率与电网电压相同的方波信号，最终利用DSP捕捉单元来实现简单锁相。DSP中断程序的软件滤波进一步保证了检测的可靠性。

    直流电压检测电路如图7所示，

    采用线性光耦来达到采样和隔离的目的，则有

    式中：K3为线性光耦TIL300的传输增益。

    过流保护利用了DSP的不可屏蔽中断(NMI)功能。图8所示的过流保护电路将反馈的交流电流信号与参考值进行比较，

    若幅值超过了设定范围，则送中断信号进入NMI，从而快速封锁逆变控制脉冲、断开主电路，并给出相应的故障指示信号。4 软件设计与实现本文提出的并网逆变器采用单极性倍频SP．WM的控制方式，如图9所示。倍频式SPWM与普通SPWM相比，在保持开关管工作频率不变的情况下，将输出电压U8的工作频率提高了一倍，大大减少了逆变器输出的谐波，具有开关损耗小、输出滤波容易的优点，能更好地满足电网无污染的要求。

    波形的生成主要依赖于DSP的通用定时器l以及比较寄存器CMPR1和CMPR2。设三角载波频率与工频的比值为240，则在一个工频周期内，定时器l产生240次下溢中断。每次中断后通过查询正弦表，得到在每个三角波中心时刻所对应的装载值。设第n次中断时装载的值对应正弦表中第p个值，则通过图9可以推得n和p的关系如下：

    n的初始值决定了图3中超前角度ψ 的大小。因此，我们一方面可以通过在市电过零时刻设定n的初值来调节ψ值，另一方面还可以通过将比较寄存器的装载值乘以调制比m，来实现幅值调节，从而得到需要的输出电压Us。

    软件主程序和中断子程序流程图如图10所示。

5 实验波形与分析
    本文分别采用TI公司TMS3201LF240 DSP芯片和三菱电气公司的QM30TB-2HB型号的IPM功率模块搭建了试验用单相并网逆变器的控制电路和主电路，输出功率为2 kw。直流电压由外加隔离型AC／DC模块提供。

    交流侧滤波电感L取值分析：

    在保证图3所示矢量图有效的前提下，则有

    又由式（1）和式（4）可推导出

    因此，在输入电压Ud和设定功率p一定的情况下，L取值有个最大值。从平衡电压的角度考虑，L取值越小越好，可以获得更高的电流输出，也可以减少电感制作成本；而从滤波的角度来考虑，L取值应该大一些，有利于正弦输出。因此，综合考虑设定电感取值为L=6mL。

    图11为实验所得波形，

    其中图11(a)为电感两端端电压的波形图；图11(b)为电网电压和逆变器输出并网电流波形(为观测方便，将并网电流信号反相显示)。

    由实验结果可知，该分布式发电用高频环节并网逆变器功率因数 近似于等l，电流畸变小，有较好的并网特性。

6 结语
    本文根据分布式发电的需要设计了一种单相电压型并网逆变器。该逆变器采用了基于电压矢量图分析计算的间接电流控制策略。具有稳定性高，单位功率因数和对电网输出谐波小等优点，相信会有良好的市场应用前景。