光伏逆变器并网信号检测系统设计

王文，杨宝峰，韩俊飞，张忠，王志文

（1.内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080；2.薛家湾供电局，内蒙古鄂尔多斯010300；3.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；4.内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室，呼和浩特 010020；5.包头供电局，内蒙古 包头 014030）

0 引言

随着电力技术的发展，光伏的并网容量越来越大，因此对通过光伏逆变器并入电网的电能质量要求越来越高。为了保证光伏并网逆变器输出的交流信号符合电网的频率、相位关系，需要对并网点的电压、电流进行实时采样[1-3]，将采样得到的信号量进行调理后送入数字控制系统，从而实现光伏逆变器的高质量并网。因此，如何快速、准确地采集各种电力参数尤为重要。

数字信号处理（Digital Signal Process，DSP）具有精度高、成本低、功耗小、性能好等优势，在光伏并网逆变器的信号采集调理、控制和保护等方面起到极其重要的作用。信号采集调理是将电力系统的电压和电流通过互感器、运放电路、有源滤波电路等，变成DSP片内A/D采样模块（以下简称A/D）可识别的不含谐波分量的正弦电压数字信号[4]。由于DSP片内A/D只可识别0~3 V的电压信号，因此需对采集的正弦信号进行处理，使其提升1.5 V，变为单极性信号，从而可被DSP片内的A/D识别[5-6]。本文对光伏逆变器并网信号检测系统进行设计，并对其DSP片内A/D关于电网电压、电流信号的采样及调理电路设计进行了详细介绍。

1 电路设计结构框图

基于额定功率50 kW，额定输出线电压380 V、频率50 Hz的光伏并网逆变器进行采样、调理电路设计。DSP作为电路信号采集处理系统，由中点钳位逆变单元、TMS320F28335DSP控制单元、驱动单元、滤波单元、采样与过零点检测单元等构成[7-8]。要实现光伏逆变器的并网运行，需要对并网电压电流信号实时采样[9]。并网逆变器结构框图如图1所示。图1中采样模块①通过一级电流互感器采集并网电流信号，经调理后送入DSP的A/D；采样模块②通过一级电压互感器采集并网的电压信号，经调理后将此电压信号分成两路，其中一路送入DSP的A/D，另一路经比较电路生成同频同相的方波信号送入DSP的eCAP模块。

图1 并网逆变器结构框图

2 并网信号检测系统设计

光伏逆变器并网信号检测系统设计由硬件设计和软件设计两部分构成。软件设计包括主程序和子程序的编写。硬件设计包括电流采样与调理电路、电压采样与调理电路、同相同频率方波生成电路等部分的设计，其主要作用是调理被测电能的电压和电流信号，使其变为0~3 V的电压信号，输入至DSP的相应接收口，DSP先对收到的信号进行识别，再分析计算采集到的电压电流信号，获取被测量信息。

2.1 信号采样电路

电流采样电路如图2所示。三相光伏逆变器的额定功率为50 kW，额定输出线电压为380 V，采样电流峰值达到107 A，超出了微型互感器测量范围，因此采集的电流信号不能直接进行转换处理，需要先经过一级变换器。采集到的电流信号在经过一级电流互感器变换后，降至很低的电流范围内，一般为5 A。但是5 A电流信号依然很大，转换后的电压远超出DSP的承受范围，因此通过微型电流互感器CHB-25NP使电流信号降至-15~15 mA。因DSP只能处理电压信号，故需进行电流与电压信号的转换，而在本系统中电流与电压的转换原理，实际上是在微型互感器CHB-25NP的输出端并联电阻（阻值为100Ω）。DSP自带的A/D端口只识别0~3 V信号，专用的A/D采样芯片识别的信号范围可能更宽，但是会增加电路的复杂程度。本系统采样端口使用DSP自带的A/D，经采样电阻所得电压应保持在-0.346~0.346 V。

图2 电流采样电路图

电压采样电路如图3所示。需要检测的电压信号额定有效值为220 V，与电流采样电路原理相似，差异在于电流采样电路是先经过电流互感器变成小电流信号，而电压采样电路是先经过电压互感器变成一个能使微型电压互感器CHV-20L接受的低电压信号；同时在电压采样电路的一级电压互感器的二次侧线路上增加了一个限流电阻R0，防止流过二级电压互感器的电流过大而烧毁。

图3 电压采样电路图

2.2 信号调理电路

信号调理是指对传感器元件采集到的标准电压、电流信号进行处理，从而提高信号质量，增加信号的稳定性，电流信号调理电路由电压信号放大、电压抬升及保护等部分构成，其实现应依据信号采集的目的、现场具体环境和采集精度要求等进行，灵活性较高[10-11]。

采集的电流信号调理电路见图4。经两级互感器的采样，得到流过R1两端的电流（约为3.8 mA）。由于A/D端口只识别0~3 V信号，因此经R1和U1得到的电压应保持在-1.5~1.5 V，且通过幅值为1.5 V的电压抬升电路，使其抬升为0~3 V的直流电压信号。

由图4可知：

图4 电流信号调理电路图

式中：Ua—二级电流互感器输出转化后电压；

Ue—经过运算放大器调理后的电压；

R3—运算放大器的输入电阻；

R4—运算放大器的反馈电阻。

R1、R2、R3、R4、U1、C1组成同相比例运算放大器，取10R3=3R4。由于电网中具有谐波，为了保证采集到的电信号准确，需对采集的信号进行低通滤波处理，以滤掉高频谐波，得到比较准确的基波。因此加入R2和C1构成RC低通滤波电路。由式（1）可知，经采样电阻和运算放大器后得到Ue为-1.5~1.5 V的交流电压信号。

图4中点e到点h的电路，起到对-1.5~1.5 V电压抬升的作用。因DSP只能采集正电压信号，而Ue是一个交流电压，因此须将Ue进行抬升，使其大于0，计算公式如下：

由式（2）—式（4）可得：

式中：Uf—设定的抬升电压值；

Uh—运算放大器抬升后的输出电压。

通常可以按照实际情况，通过改变滑动变阻器R8的大小来改变抬升电压的大小。为了方便计算，本系统设置R6=R9。通过以上电路处理，输出电压被抬升1.5 V，转变成A/D端口可以识别的0~3 V的直流电压信号。

为了保证接入DSP的电压不超过其耐压值，设计了0~3 V的限幅保护电路和无源滤波电路：D1、D2、D3、R10、C2组成输出0~3 V的限幅保护电路及无源滤波电路。当p点电压小于0.7 V时，限压二极管D2正向电压导通，电流正向流动。因二极管正向导通压降为0.7 V，所以p点电压被钳位在0.7 V。与此类似，当p点电压超过3.7 V时，二极管D1正向电压导通，电流正向流动，使得p点电压被二极管D1钳位在3.7 V。上述两种情况下，都有R10的作用，R10保护U2的输出级，起到限制电流的作用。

总之，p点电压Up被限定在0.7~3.7 V，再经过D3的压差补偿后，k点电压Uk的输出被限定在0~3 V，称为DSP单极性调理电路。当Uk的输出在0~3 V时，C2起到无源滤波的作用，进一步改善滤波效果。电压调理电路与电流调理电路原理相似，这里不做介绍。

2.3 同步信号生成电路

信号周期不同步，会造成波形间断，使逆变器输出的信号不能很好匹配电网信号，无法实现同步并网，甚至对电网安全造成影响。在光伏并网电路中需对电网的频率进行实时监测。为了保证采样的准确性，必须使采样频率有快速的自适应能力。在每个工频周期，DSP通过发出触发脉冲信号进而控制逆变器。为了控制晶闸管的开关，触发信号需要有一个确定的基准时钟周期，也就是生成和采样信号同步的方波信号[12-18]。同步信号生成电路如图5所示。

图5 同步信号生成电路

由于Ue处的采样电压经过了RC低通滤波电路，采样到的电压信号会有相位偏移。为了使采样信号不发生相位偏移，电路中需要有相位补偿功能的电路。图5中相位补偿电路为s点到m点，通过调节R14、R18的阻值，可以补偿所造成的相位偏移。

图5中的点m至点n是过零点比较方波生成电路，经过调理电路后，m点处采集到需要的电压信号。该信号经由R16、R17、R19、R20和U4转换成同相同频率的方波信号，将此信号输入到DSP的eCAP捕获单元。

3 仿真结果验证

本文采用Multism软件对设计电路进行了仿真，以验证电路设计的有效性和可靠性。F28335DSP的A/D只能处理0~3 V的信号，所有采集的电信号都必须经过调理抬升后才可送入DSP的A/D，调理前后的信号波形如图6所示。

图6 调理前后的信号波形

频率跟踪是电能检测的重要部分。在采样调理电路中用到低通滤波会导致相位偏移，在方波转换时就会不同步。未经过相位补偿的过零比较输出方波波形如图7所示。从图7可以看出，n点电压与母线电压有相位偏移。经过调节U3组成的相位补偿电路的过零比较输出方波波形如图8所示。由图8可以看出，n点电压与母线电压没有相位偏移，本电路可以很好地生成同步方波信号。

图7 未经相位补偿的采样点与n点波形图

图8 经过相位补偿后的采样点与n点波形图

4 结语

信号检测处理系统是整个DSP微处理器的重要组成部分。传感器采集的电压、电流信号经过一系列的调理电路，转换成DSP片内A/D所能接收的电压信号。本文基于光伏并网逆变控制系统采样需求，对电网三相交流电压、电流采样电路以及过零检测电路的设计做了详细介绍。仿真结果证明，通过本采样电路采集到的电压电流信号具有良好的实时性与精确性，可以提高并网运行的性能。