第 2 期 2011 年 3 月 电 源 学 Journal of Power Supply 报 No.2 Mar.2011 刘 迪袁陈国联 渊西安交通大学袁西安 710049冤 摘要院基于非隔离型光伏并网逆变器的原理与控制策略袁文中给出了 3 KW 单相两级光伏并网逆变器的主电路 的硬件设计方法与整个系统的仿真分析袁并基于该设计方法研制了并网逆变器的样机袁实测结果证明该并网逆变器 工作正常袁达到了预期目的遥 关键词院光伏曰并网曰逆变器曰非隔离型 中图分类号院TM 344.1 文献标志码院A 文章编号院CN12-1420渊2011冤02-0029-05 能源危机与环境污染成为全球一个亟待解决 的问题袁因此无污染的绿色可再生能源发电具有广 阔的发展前景遥 太阳能光伏发电作为可再生能源发 电的一种形式袁逐步得到深入的研究袁并产生了良 好的社会效益遥 针对目前世界并网发电的这一亮点 和未来发展趋势袁 本文设计了 3 KW 单相非隔离型 光伏并网逆变器的硬件结构袁并对整个系统进行了 仿真分析遥 工频隔离结构的光伏并网逆变器由于工 频变压器的体积庞大袁且最大功率跟踪控制尧逆变 输出波形控制尧相位同步等控制目标均要求在一个 环节中得到实现袁算法相对较复杂袁因此本文选取 前级为 boost 型 DC-DC 变换器尧后级为 H 桥的两级 式结构遥 如图 1 所示袁本单相非隔离型光伏并网逆变系 统由主电路尧信号检测调理电路尧控制器电路尧驱动 电路和保护电路组成遥 主电路由前级为 boost 型 DC-DC 变换器尧后级为 H 桥的两级式结构组成遥 控 制器选用 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 作为主控芯 片袁在 DC-DC 环节实现追寻最大功率跟踪控制袁在 DC-AC 环节实现控制直流母线电压稳定袁并控制产 生与电网电压同频同相的正弦电流袁 实现并网功 收稿日期院2010-11-22 图 1 光伏并网逆变器系统 

30 能遥 电 源 本系统的输入电压为 200耀600 V袁 额定功率为 3 kW袁最大输入电流为 15 A遥DC-DC 部分的开关频 率选为 20 kHz袁DC-AC 部分的开关频率选为 12 kHz遥 逆变桥由 IPM 模块实现遥 由于逆变器的最大输 出功率为 3 kW袁电网电压的有效值为 220 V袁得到 IPM 的最大输出电流为院Imax= =19.3 A遥 前 级 boost 的输出最大电压为 600 V袁 得到 IPM 模块 的最大耐压为 600 V遥 IPM 模块的开关频率为 12 kHz遥 为留有足够的裕量袁 本系统采用三菱公司的 IPM 模块院PM75CLA120袁其最大耐压为 1 200 V袁完 全满足本系统设计要求遥 而且本模块具有保护功 能袁可以为 DSP 提供保护信号遥 由于最大输入电压为 600 V袁所以 DC-DC 部分 的 boost 电路的开关管选用耐压为 600 V袁额定电流 为 30 A 的 IXFH30N60P遥 当 IPM 模块开关频率为 12 kHz 时袁 一个开关 周期 驻t 为 83 滋s遥 假定 驻U 为 5 V袁那么 考 虑实 际 情 况袁 选 择 耐 压 为 450 V袁 容 量 为 4 700 滋F 的电解电容两两串联后再两两并联组成遥 这样耐压可达 900 V袁满足设计要求遥 根据稳态交流侧电压矢量关系袁可求得滤波电 抗器的最大值院 当电流处于峰值时袁要满足抑制谐波电流的要 求袁可得到院 报 学 总第 34 期 式中院Em 为电网电动势相压峰值曰Im 为交流侧 基波相电流峰值曰Udc 为直流电压曰驻im 为最大允许谐 波电流脉动量遥 因此袁可选取滤波电感量为 2 mH袁实际中升压 电感也选取为 2 mH遥 为实现母线电容均压袁提供均压电阻袁选为 100 K/5W遥为抑制引线电感的作用袁提供吸收电容 1 滋F/ 1 000 V遥 为驱动 boost 电路的 MOSFET 开关管袁 本文选 用 IR2113 作为驱动芯片遥 由于 IPM 内部集成了驱 动模块袁只需要提供 PWM 信号即可驱动 IPM袁值得 注意的是在加入 PWM 信号时需要加入光电耦合器 进行隔离遥 主控芯片采用 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 作 为核心处理器袁软件平台采用 CCS3.3袁为达到代码 的高效率袁采用 C 语言嵌入汇编的形式进行编程遥 采用模块化编程的思想袁系统的软件设计包括 DC/DC 部分的软件设计和 DC/AC 部分的软件设计袁 其中在 DC/DC 部分中实现最大功率点跟踪算法的 软件设计袁DC/AC 部分实现波形校正算法的软件设 计遥 主程序主要完成系统运行前的一些初始状态 检测初始化工作袁 主要包括初始化设置系统的时 钟袁进行芯片内部的一些专用寄存器的定义与初始 化袁DSP 定时器参数尧中断等级尧中断向量尧控制方 式尧所用变量的定义和初始赋值及控制系统状态的 初始定义等遥 主程序的流程图如图 2 所示院 MPPT 控制算法采用改进的变步长导纳增量 法袁 实时检测光伏电池的输出电压与输出电流袁根 应的 boost 电路的占空比袁 从而改变光伏电池的输 出电压袁使之对应最大功率点的工作电压袁MPPT 子 据变步长导纳增量法计算光伏电池最大功率时对 

第 2 期 刘 迪袁等院单相两级式非隔离型光伏并网逆变器的研制 31 图 2 主程序流程图 程序流程图如图 3 所示遥 图 4 流程图 面积的太阳能电池组又不可避免地与地之间有较 非隔离型并网逆变器由于没有隔离变压器袁大 大的分布电容的存在袁因此太阳电池对地会产生共 模漏电流袁可导致光伏组件与电网相连接袁当人接 触到光伏侧的正极或负极时袁电网的电有可能经桥 臂形成回路而对人体构成伤害遥 为抑制共模漏电 流袁本文提出解决方案袁具体原理请见参考文献[1]遥 为有效抑制共模漏电流袁可通过将滤波电感制 成共模滤波器结构袁调整电路中的谐振阻尼袁使得 共模电流不超过所规定的范围遥 另外袁采用双极性 调制的方法袁 使得单相全桥的共模电压基本不变袁 而由其激励所产生的共模电流只是毫安级的遥 因此 可有效抑制共模漏电流袁从而保证系统的安全性遥 依据硬件设计的参数分析袁 构建 PSIM 仿真模 型如下院前级由 DLL 文件实现最大功率跟踪的软件 算法袁后级实现并网功能遥 其仿真原理图如图 5 所 示院 图 3 子程序流程图 DC/AC 部分的程序是利用事件管理器 EVA 的 全比较单元 CMPR1 产生 2 路互补的 PWM 信号袁为 防止上下桥臂的死区时间由控制器 DBTCONA 来 控制袁可产生最小一个 CPU 周期的死区时间遥 其流 程图如图 4 所示院 

32 电 源 学 报 总第 34 期 经仿真袁完全实现并网功能遥 仿真结论如图 6 所示院 图 5 仿真原理图 图 6 仿真结论曲线图 依据上述软硬件设计方法袁以及对整个系统的 仿真分析袁设计样机并进行实验袁实验并网波形如 图 7 所示院 的功能袁与理论分析与仿真结论一致遥 实现了逆变器输出电流与电网电压同频同相 图 7 实验并网波形图 

第 2 期 刘 迪袁等院单相两级式非隔离型光伏并网逆变器的研制 参考文献院 [1] 孙龙林.单相非隔离型光伏并网逆变器的研究[D].合肥院 [2] 赵为.太阳能光伏并网系统的研究[D].合肥院合肥工业大 合肥工业大学袁2009. 学袁2002. 33 [3] 张崇巍袁张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京院机械工业 [4] 苏奎峰.TMS320X281X DSP 原理及 C 程序开发 [M].北 [5] 赵争鸣袁刘建政袁孙晓瑛袁等.太阳能光伏发电及其应用 出版社袁2003. 京院北京航空航天大学出版社袁2008. [M].北京院科学出版社袁2005. Development of Single-phase Two-stage Non-isolated Grid-connected Photovoltaic Inverter LIU Di, CHEN Guo-lian (Xi'an Jiaotong University, Xi'an Shanxi 710049, China) Abstract院Based on the principle and control strategy of non-isolated PV inverter, the hardware design and system simulation of a 3KW single phase two-stage photovoltaic inverter main circuit of is given. The inverter prototype is developed based on the method. The results show that the grid-connected inverter work well to achieve the desired purpose. Key words院PV; grid; inverter; non-isolated