单极性调制并网逆变器分析与设计

摘 要：面对愈加严峻的能源短缺和环境保护方面的压力，世界各国不断提高清洁能源供应占比，分布式发电技术逐步成为热点研究领域。逆变器作为电能变换的装置，是发电并网系统的关键环节，其可靠、高效能运行是当前重要的研究领域。该文以非隔离型单相并网系统为研究对象，通过分析并网逆变器工作原理，对全桥并网系统软硬件参数进行分析设计；在单极性调制基础上，考虑网压前馈进行逆变器电压电流控制系统设计；利用旋转坐标系，将加上信号滤波进行PLL控制设计。基于上述方案搭建并网逆变器样机，实测逆变器输出波形谐波含量低，频率幅值满足并网要求，实验证明设计方案的合理性、可行性、有效性。

关键词： 并网逆变器；非隔离型；单极性；网压前馈；频率偏移法

中图分类号：TM464 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）22-0102-04

Abstract： Faced with increasingly severe energy shortages and environmental protection pressures， countries around the world are continuously increasing the proportion of clean energy supply， and distributed power generation technology is gradually becoming a hot research field. Inverters， as the core device of distributed power generation grid connected systems， have high research and application value. This paper takes non isolated single-phase grid connected systems as the research object， and analyzes the working principle of grid connected inverters. By analyzing the topology and working principle of the inverter main circuit， the hardware parameters of the full bridge grid connected system are analyzed and designed; On the basis of unipolar modulation， consider grid voltage feedforward for the design of inverter voltage and current control system;. The experiment has proven the rationality， feasibility， and effectiveness of the design scheme.

Keywords： grid-connected inverter; non-isolated; unipolar; network voltage feedforward; active frequency drift

化石能源逐渐面临枯竭，能源危机加剧，严重影响国家能源供应体系安全，大规模化石能源应用所产生氧化硫等污染物也使得人们面临着严峻的环境问题，同时，越来越多高端电子仪器设备对电网供电可靠性和电能质量提出了更高的要求，传统电网面临着更多样性的用电需求和压力[1]。为保证能源供应安全，抑制环境污染与提高供电质量，分布式发电与微电网技术发展日益加快，其凭借对能源的安全性和高效调度性正成为一种不可或缺的供电方式，并不断地推广应用。各发电单元构成的微型电力系统与大电网互联，使得电能在发供用终端上实现灵活调配。并网逆变器是新型电能供应体系的重要一环，是并网系统的核心设备，其研发制作成本和逆变器转换效率的高低将直接影响系统的能量转化效率，影响新型电能供应的推广及应用[2]。本文采用DC/AC全桥并网逆变器结构，基于高性能TMS28335型DSP作为控制单元，对逆变器软硬件进行分析，进行小功率高转化效能、低造价的并网逆变器设计。

1 系统设计方案与控制

并网逆变器将直流电逆变成工频交流电，经过滤波电路与大电网相连接，设计采用电压型输入。将网侧电压取定坐标轴，利用锁相环得出电网电压角频率和相角后，结合参考幅值得出输出参考值，最终通过控制器控制PWM脉冲信号驱动主电路来控制逆变器输出电流频率、相位实现并网[3]。实验拓扑结构如图1所示，Vs为网侧电压，Cd为H桥前级储能电容，V1—V4为实验电路所用开关管，VD1—VD4为反并联二极管，C1—C4与R1—R4为对应的缓冲电路电容和电阻，L、C构成接口滤波电路，形成高频电流流出通道，降低入网电流对网侧电流的影响，降低THD（波形总畸变率）[4]。

2 并网逆变器控制策略

2.1 电压电流双闭环控制

为实现微网与大电网的互联，逆变器所输出的电流频率和相位须与主网相同，近乎一致，偏差应在系统允许范围内，本系统设计中采用PI算法进行电压电流闭环的控制设计，将电压外环差值作为电流内环指令值幅值给定，然后通过与锁相环分离出的电网电压频率和相角构成电流内环电流指令。电流指令再通过电流控制器（PI）生成调制波，并与载波比较，进而由DSP发出PWM波，最后通过驱动回路将PWM信号进行隔离放大来驱动开关管动作，控制框图如图2所示。

图2中， G1（s）为电流控制器，G3（s）为并网接口通道，G2（s）为H桥通道，G4（s）为Vs前馈补偿通道[5]。

实际分析中，将G2（s）简化得

式中：TPWM为功率管动作周期。由于滤波电感L存在内阻，G3（s）简化为

在未进行Vs补偿时，Vs对H桥侧并网电流产生作用如下

补偿后，Vs对H桥侧并网电流作用为

若使前馈环节G4（s）为1/G2（s）时，则上式为0，网侧不对输出电流产生影响，从而有效降低电流控制器调节量[6]。

G1（s）通道函数简化为

电流环闭环传递函数为

直流侧采用电容滤波，电容电流由两部分组成，分别为整流侧流入电流Ip和流入逆变侧流出电流Idc，电容电压变化实质是电容充放电造成。直流侧电压可表示为

电压外环控制框图如图3所示。

由于电流环响应速度相较电压环快[7]，外环截止频率小，因此电流环传递函数可简化为

电压外环闭环传递函数为

2.2 单相锁相环分析设计

锁相技术基于dq旋转坐标变换来实现，提高锁相性能的关键在于相位检测环节[8]，区别于过零检测的硬件锁相，理论框图如图4所示。

Vs设定为α轴，以预估的相位角作为同步旋转坐标角[9]，输入信号Vi经过同步旋转坐标系变换后得到Vd和Vq，变换过程如下

。 （10）

经过低通滤波器得到Vd′和Vq′，再经过Park变换得到Vα′、Vβ′，构成闭环，变换过程如下

。 （11）

当锁相环工作在稳态时，有=θ，通过公式（10）和（11）可得

由式（12）可知，只需要令Vq′为零，便可以获得Vs相位角，并赋值电流环。

3 系统硬件参数设计

系统工况参数设定如下：直流母线设定值Ud=100 V，逆变电路输出并网交流电压，系统开关频率20 kHz，流过开关管的电流最大值Imos不大于8 A，输出功率储能P为300 W，电感L最大输入电流IL取5 A。

3.1 滤波电感参数分析设计

由伏安特性UL=Ldi/dt可得纹波电流为

式中：VL（t）为电感压降，在输出电压峰值时纹波较大[10]，式（13）可写为

由伏秒平衡得

取电流纹波系数为ri，根据（14）、（15）得

取ri为0.15，则Lf取1.32 mH。

3.2 储能电容分析与设计

在开关管动作时间，直流母线吸收的功率为

， （17）

式中：η为逆变器效率。通过纹波电压计算得到电容吸收的能量为[11]

， （18）

式中：Δud为母线纹波电压。根据系统参数计算，储能电容Cd为300 uF。

4 实验结果分析

实验平台由负载电阻以及并网逆变器等构成， MOSFET选用英飞凌公司生产的IPB073N15N5，其Rdc（on）max为7.3 mΩ，耐压Vdcmax为150 V，Idmax为114 A；VGS（th）为3.8 V，实验搭建如图5所示。

实验结果可以看出，逆变器滤波后输出正弦波电压，跟踪了电网电压且波形质量高，THD为4.1，谐波含量较少，系统具有较好的工作稳定性，阻性负载下，H桥输出并网电流与Vs完全跟踪，相位一致如图6所示，THD分析如图7所示。

5 结论

本文以非隔离型单相全桥并网逆变器为研究对象，搭建了基于DSP28335控制芯片的300 W数字化控制单相并网平台，以非隔离型单相并网系统为研究对象，通过分析并网逆变器工作原理，对全桥并网系统软硬件参数进行分析设计；在单极性调制基础上，考虑网压前馈进行逆变器电压电流控制系统设计；利用旋转坐标系，将加上信号滤波进行PLL控制设计。逆变器工作十分稳定，有着THD含量低、转换效率高等特点，验证了该设计的有效性、可行性，为单相并网设计提供了切实可行的参考方案，具有较好的工程实践指导价值。

参考文献：

[1] 曾豪.光储一体化单相并网逆变器研究[D].湘潭：湖南科技大学，2022.

[2] 赵杰.光伏发电并网系统的相关技术研究[D].天津：天津大学，2013.

[3] NIAN H， SHEN Y， YANG H， et al. Flexible Grid Connection Technique of Voltage-Source Inverter Under Unbalanced Grid Conditions Based on Direct Power Control[J].IEEE Transactions on Industry Applications， 2015，51（5）：4041-4050.

[4] 董志意.单相光伏并网逆变器的设计及研究[D].北京：北京化工大学，2012.

[5] 许津铭，乔瑜，罗运虎，等.开环同步型单相并网逆变器小干扰建模与弱电网下稳定性分析[J/OL].中国电机工程学报：1-12[2024-02-04].https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.231173.

[6] 江玮，刘鸣，陈瑶琴，等.基于模糊PI和重复控制的逆变器复合控制研究[J].电子器件，2020，43（6）：1273-1277.

[7] 闫根弟，赵晋斌，张广勇，等.基于RMPPT/PID双模控制的光伏发电MPPT研究[J].电测与仪表，2022，59（3）：169-173.

[8] 程成，谢少军，张晴晴，等.计及锁相环动态的单相并网逆变器建模及稳定性研究综述[J].中国电机工程学报，2024，44（1）：255-269.

[9] 张自强，高建勇，时翔，等.考虑锁相环多单相光伏逆变器并联稳定性分析[J].电气传动，2021，51（10）：23-29，44.

[10] NGUYEN M K， LIM Y C， PARK S J. Improved Trans-Z-Source Inverter With Continuous Input Current and Boost Inversion Capability[J].IEEE Transactions on Power Electronics， 2013，28（10）：4500-4510.

[11] 宗海焕，孙帅，喻宙，等.孤岛微电网下的单相H桥并网逆变器系统稳定性分析[J].电子器件，2021，44（3）：564-568.

基金项目：2023年度安徽省高校自然科学研究重大项目（2023AH040206）；2023年度安徽省高校自然科学研究重点项目（2023AH051501）

第一作者简介：郑小朋（1993-），男，硕士，助教。研究方向为电力电子技术、自动控制。