5kW单相非隔离逆变器的研制

刘玉芝 刘治聪 陈祖成 赵绍策

摘 要：针对采用传统PI和比例谐振PR控制的并网逆变器对电网干扰信号的抑制能力较弱问题，提出了一种基于准PR控制策略的单相并网逆变器控制方案，并针对自行研制的一种可大规模用于家庭供电的体积小、成本低的单相非隔离5 kW逆变器进行了仿真研究和并网实验。从硬件和软件两方面阐述了逆变器的设计原理；采用Matlab软件中的S-Function函数进行了仿真分析，控制策略为准PR控制，将其与传统的PI和PR控制器进行了对比，并在仿真基础上用实验样机进行了实验验证。研究结果表明，所提出的准PR控制策略在消除稳态误差、提高网侧电流品质和抗电网干扰等方面，相较于PI和PR控制具有很大的优越性，不仅可以更好地实现无静差控制，且具有可扩展性。凭借准PR控制器的无静差特性，单相非隔离5 kW逆变器在家用供电系统中将具有广阔的应用前景。

关键词：电力电子技术；逆变器；并网；DSP；S-Function；准PR控制

中图分类号：TM46 文献标志码：A

文章编号：1008-1542（2018）05-0438-09

随着电力电子半导体器件、电力电子技术的快速发展，逆变器研制的速度也越来越快，目前广泛采用先进的脉宽调制技术（PWM）和基于数字信号处理器（DSP）的数字控制系统[1-2]，使得并网逆变器可以近似实现单位功率因数的并网，并且能够输出含有电网基波频率的正弦电流，以及实现能量的双向流动。笔者从硬件设计和软件设计两部分详细阐述了单相非隔离5 kW逆变器的设计与控制[3]，阐述其工作原理与控制策略，并利用S-Function函数进行仿真，将调试完的实验样机并网，从仿真和实验两方面验证设计的可行性以及可靠性。

1 单相非隔离并网逆变器的系统构成与安全性分析

1.1 单相非隔离并网逆变器的系统构成

单相非隔离逆变器主要由硬件和软件两部分组成，5 kW单相非隔离并网逆变器构成示意圖如图1所示。硬件部分主要包括电源模块（PV Modules）、H桥电路及其对应的驱动电路（Driver）、信号监测模块。信号监测模块主要包括电网电压、并网电流[4]、直流侧电压与电流等的检测。软件部分主要是实现算法，并对逆变器进行控制。本设计采用C语言进行编写，A/D采样，电流环PR控制，PWM调制，除此之外，电路中还增加了保护电路，并用DSP编写了软件保护程序。由于逆变器主拓扑需要实现升降压的功能，所以采用两级控制[5-6]，前级为DC/DC变换，后级为DC/AC变换，即直流输入经过1次整流，1次逆变，然后经过滤波电路滤去谐波[7]，最终和电网电压、电流同频同相并入电网。

1.2 系统安全性分析

单相非隔离型并网逆变器拓扑结构中没有工频变压器，所以当这种逆变器结构应用于光伏并网系统中时，大面积的太阳能电池组不可避免地会与地之间产生较大的分布电容，因此太阳能电池会对地产生共模漏电流，直接导致光伏组件与电网连接，当有人在无意中接触到光伏侧的正极或者负极时，电网电流可能经桥臂形成回路而对人体构成伤害。为抑制共模漏电流，文献[8]提出通过将滤波电感制成共模滤波器结构、调整电路中的谐振阻尼使得共模电流不超过所规定范围的解决方案。另外，采用双极性调制的方法，可使单相全桥的共模电压基本不变，而由其激励所产生的共模电流只是毫安级的，从而可有效抑制共模漏电流，保证系统的安全性。

2 硬件设计以及关键器件的选取

2.1 控制电路设计

并网逆变器系统采用DSP进行双闭环控制[9]，外环用电压环，内环用电流环。DSP芯片的工作指令的获取都是以时间为基础来进行控制的，所以DSP中包含很多时钟电路，

芯片选用的是TLV1117-33IDCY。本文主要设计了CPUCLK， SYSCLK， WDCLK等，工作电压为3.3 V，外围提供的开关电源为5 V，然后经过一个转换将5 V电压转换为3.3 V，5 V转3.3 V原理图如图2所示。

2.2 驱动电路的设计

由于DSP的工作电压很低（为3.3 V），对于MOS管来说这个驱动脉冲很弱，并且抗干扰能力很差，所以在驱动MOS管时采用5 V的电压输入，产生PWM波的芯片选IXDN604SI。驱动电路的原理图如图3所示。

由图3 a）和 b）可知， U40芯片的供电电压为5 V，通电后经芯片内部电路转换产生2个PWM波输入到IXDN604SI芯片中，经变压器变换，输出2个电压，然后输入到U11芯片中，最终产生2个介于0～15 V驱动MOS管的电压，分别驱动上下2个桥臂导通。其中U40芯片为UCC2808APW-2，U11芯片为1EDI60N12AF。

2.3 采样电路的设计

并网系统需实时检测电网电压、并网电流和直流侧电压，且需要进行最大功率点跟踪及孤岛检测（本设计不涉及孤岛检测算法），所以要对电网电压并网电流以及直流侧电压、电流进行采样。采样电路主要通过电压和电流传感器来实现，电压和电流传感器输出的是电流信号，需将其转化为电压信号。采样电压要送入DSP中，在电路中加入合适的电阻使其转化为0～3.3 V之内的电压，留出一定的裕量。交流电压采样电路如图4所示。

采样输出电压信号VGrid，芯片采用LMV324M。

直流电压采样电路如图5所示。

2.4 关键参数电感的选取

电感的设计分为交流电感和直流电感两种，应满足：

2.5 控制芯片的选取

控制芯片釆用的是TI公司生产的TMS320F28069（简称F28069）芯片，由于并网逆变器需要复杂的算法控制，所以选择高速的数字控制更为准确，F28069的优点在于它的运算速度很快，并且具有很多可编程的I/O接口，ADC采集模块，EPWM脉宽调制等特别适用于本系统的设计，采样后的电流电压最终都通过DSP中的ADC模块由模拟量转化为数字量进行锁相，准PR控制，以及驱动MOS管等操作。相对于传统的TMS320F28335或者TMS320F2812芯片，F28069多了控制律加速器（CLA）模块。CLA的存在可以缓解F28069主CPU的运算压力，有CLA的F28069处理器中，CLA可与CPU同时使用，自动控制外设的运作，达到更高的控制精度以及更好的实时性。

3 系统控制与程序设计

3.1 系统控制

单相非隔离逆变器的控制策略有很多种，近年来随着光伏产业的快速发展，各种控制策略更是层出不穷。每种算法都有它的优缺点，本文主要采用基于准比例谐振（准PR）调节器的双环控制[9]。相对于传统的基于PI，P调节器的双环控制策略[10]，准PR控制[11-16]有很多优点，能实现电流环的无静差控制；在输出滤波器的电容较大时也不会发生系统震荡；通过直接控制网侧电流，网侧的电流品质不会降低。

本文将从传递函数、波特图、误差分析和抗干扰分析等角度，对比3个方法的优缺点。并网逆变器的系统模型如图6所示[16]。

在不考虑电网扰动的情况下，为了方便观察对比，将PI控制器、PR控制器和准PR控制器的传递函数用Matlab编程画在同一个波特图中，如图7所示。

1）误差分析 从图7 PI，PR及准PR控制器的波特图比较可以看出，在基波频率处，PR控制器的增益趋近于无穷大，准PR控制器也具有足够大的增益，PI控制器的增益远小于PR控制器和准PR控制器。因此，PR控制器和准PR控制器在基波频率处无差控制上优于PI控制；从波特图上还可以看出，在基波频率附近PR控制器的增益会出现大幅度的下降，而准PR控制器在基波频率附近仍然可以保持足够大的增益。因此，准PR控制器的控制性能比PR控制器性能更加优越[16]。

2）抗电网干扰分析 不考虑系统的输入，结合图6并网逆变器的系统模型可以得出系统扰动的闭环传递函数为

将式（2）—式（4）代入到式（5）中，可得到3种控制器在系统扰动的情况下的闭环传递函数，将3个函数的波特图画在一个图后的效果如图8所示。

从图8系统闭环模型波特图可以看出，基于PI控制器的闭环系统在基波频率处扰动信号的衰减频率大约为40 dB，而基于PR和准PR控制器的闭环系统对该扰动信号的衰减频率均大于60 dB。所以PR和准PR控制器在抗电网电压干扰上比PI控制器优越。在基波频率附近，PR控制器对扰动的衰减作用远远不及准PR 控制器，因此从抗电网电压衰减方面可以看出，准PR控制器相较于PI和PR控制器而言，其对抗扰动衰减性能更优越。综上所述，PR控制器和准PR控制器在基波频率处的无差控制和抗电网干扰方面比PI控制器更优越。然而，在基波频率附近，PR控制器的控制性能会急剧下降，而准PR控制器仍然可以保持良好的控制性能[17]。实际上，电网电压的频率是实时变化的[18]，因此，准PR控制器在并网电流控制中具有更好的控制效果。

3.2 程序设计

主控芯片采用TI公司的TMS320F28069芯片作为核心处理器，平台选择的是CCS5.5，编程语言为C语言。采用模块化的思想，系统的软件设计包括DC/DC和DC/AC两部分，其中DC/AC部分主要是完成波形矫正算法的设计。主程序的设计流程图如图9所示。系统运行前要对系统进行检测，并完成DSP内部的一些模块的初始化。这些初始化主要包括：中断初始化、初始化FLASH、初始化中断向量表、初始化EPWM、初始化GPIO、初始化CLA、初始化看门狗等。

初始化函数然后配置GPIO口，启动系统，DSP采集电压电流进行转换，然后等待ADC中断，当有中断后进入中断，进入中断后DSP进行采样，电流环程序模块开始执行，给CMPRx赋值，此时进行过压过流保护程序判断，保护程序启动则使能产生PWM波，驱动DC/DC的MOS管从而启动DC/DC，然后DSP采集直流母线电压，如果直流母线电压达到了400 V，则通过驱动DC/AC的MOS管开通或关断使得DC/AC电路启动，经过逆变还有LC滤波电路并入电网，由于DSP一直进行锁相，所以能保证并入电网的电压和电网电压是同频同相的。锁相直接采用DSP进行软锁相[19-20]。若未启动过压过流保护程序则失效使能产生PWM波，返回主程序并报故障。

4 實验及其仿真

仿真模型用S-Function模块搭建。S函数也称为Simulink中的系统函数，是用来描述模块的Simulink宏函数，支持M，C等多种语言。由于Simulink中默认提供的模块不能满足用户的要求，故采用此函数进行仿真。其优点在于S-Function要完成的任务，用相应的代码去替代模板里各个子函数的代码即可。S-Function的仿真图如图10所示。

Simulink在每个仿真阶段都会对S-Function进行调用，工作原理为在调用时，Simulink会根据所处的仿真阶段给flag传入不同的数值，而且还会为sys这个返回参数指定不同的角色，尽管sys变量可能相同，但是在仿真的不同阶段它具有不同的意义，这种变化由Simulink自动完成。

硬件电路搭建如图11所示，图中所示电路用PLECS搭建，Vdc为直流电输入，Q1，Q2，Q3，Q4为MOS管，Vac为电网电压，其中PWM1～4是用来驱动Q1，Q2，Q3，Q4的导通，Scope1用来测量电网电压和并网电流的波形，Scope2用来测量PWM1～4的波形，电路仿真波形如图12所示。

图12仿真波形图中，上部是电网电压，下部是并网电流，电网电压的频率为50 Hz，国标规定在电力系统非正常状况下，供电频率允许偏差不应超过±1.0 Hz，经计算频率偏差为0.8 Hz，所以满足要求。

实验波形并网电流和电网电压如图13所示。图13并网电流和电网电压是实验样机并网后的示波器所显示的波形图，其中1通道为并网电流的实验波形，使用电流探头所测，2通道为电网电压实验波形，使用电压探头所测。从图13可以看出，并网电流和电网电压同相位，满足并网的要求，同时由实验波形也可以看出在准PR控制策略下，并网后的电流波形跟踪性能较好，具有很大的优越性。

5 结 论

在分析逆变器重要性的基础上，从研制和控制两方面进行了说明。

1）硬件上详细阐述了单相非隔离5 kW逆变器的电路设计、器件选取，关键参数的计算以及构思方案。

2）控制策略方面采用了准PR控制，并从传递函数和抗电网干扰分析两方面通过Matlab编程分析比较了各个控制策略的优缺点。从仿真和实验结果可以看出，准PR控制可以更好地实现无静差控制[21]，并且提高网侧电流的品质，具有可扩展性，在消除稳态误差和抗电网干扰方面相较于PI和PR控制具有很大的优越性。

3）采用S-Function进行联合仿真，这种方法的优越性在于它和CCS平台具有相容性，即CCS的源程序代码可以在S-Function中添加，可以根据需要设计出所需功能的模块并在Simulink中添加，特别适合仿真复杂的控制系统。

4）搭建了一台5 kW的实验样机，通过实验验证了准PR控制在单相非隔离并网逆变器控制方面具有很大的优越性，从并网波形可以看出准PR控制具有无静差跟踪特性。

5）对逆变器还有很大的研究空间，比如锁相环瞬态响应如何变得更快、直流分量的抑制、谐波的抑制，今后将对此展开进一步的研究。

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