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    模块化三相三电平低压光伏逆变器实验平台设计

    时间：2023-03-24 15:45:06来源：百花范文网本文已影响人

    严庆增，赵天润，肖浪涛，赵仁德

    （中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580）

    光伏发电是重要的新能源利用形式，其碳排放量是化石能源发电的1／10～1／20，能够为实现“碳达峰、碳中和”提供强劲引擎［1-2］。三电平光伏并网逆变器与传统两电平逆变器相比，输出电压电平数增加，从而使输出电流谐波含量降低、器件电压应力减小、电磁干扰下降［3-4］。因此，三电平光伏并网逆变器有着广泛的应用前景，也成为目前高校光伏发电相关课程的重要讲授内容［5-7］。

    本文设计并搭建了一种模块化三相三电平低压光伏逆变器实验平台，使学生更加形象直观地认识光伏发电系统，加深对理论知识的理解。

    设计的模块化三相三电平低压光伏逆变器实验平台如图1 所示。实验平台包括断路器模块、直流母线电容模块、L 滤波器模块、传感器模块、DSP 控制板模块、三相逆变桥模块和隔离电源模块，各模块功能：

    图1 模块化三相三电平低压光伏逆变器实验平台设计图

    （1）断路器模块。用于接通或断开光伏阵列、三相电网和220 V电源，便于调试。

    （2）直流母线电容模块。电容两串两并以提高耐压和容值，电容两端并联有均压电阻。

    （3）L滤波器模块。用于滤除高频谐波电流，考虑到电感对周围电路的干扰问题，采取外接方案。

    （4）传感器模块。包括4 个LV-25P 型电压传感器和3 个LA25-NP 型电流传感器，用于测量线电压eab、ebc、eca、直流母线电压vdc以及三相并网电流ia、ib、ic。

    （5）DSP 控制板模块。采用TI 公司的TMS320F28335 DSP，通过集成的模数转换器接收传感器模块输出的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号。用于光伏逆变器的闭环控制，同时DSP 的PWM 模块输出IGBT的驱动信号。

    （6）三相逆变桥模块。含有A、B、C三相桥臂，每相含有4 只IGBT 及其驱动电路和缓冲电路；
    直流侧的P、O和N 3 个接线端子分别连接直流母线的正极、中点和负极；
    交流侧的输出端经过L滤波器连接至降压变压器。

    （7）隔离电源模块。将220 V交流电源转换为不同电平的低压直流电源，为传感器模块提供±15 V电源，为DSP控制板提供5 V 电源，为三相逆变桥的驱动电路提供24 V电源。

    基于图1 所示的设计方案，进而搭建了如图2 所示的实验平台。其中，L滤波器模块采用外接方案，直流侧连接的1 kW光伏阵列由图3 所示的4 块光伏电池板串联组成，放置于实验室建筑顶部。

    图2 模块化三相三电平低压光伏逆变器实验平台

    图3 实验室建筑顶部的1 kW光伏阵列

    图4 给出了每相桥臂中IGBT驱动电路和缓冲电路原理图。其中，采用TOSHIBA 公司的TLP250 集成芯片设计了IGBT的驱动电路，兼具电平转换和电压隔离的作用，将DSP 输出的0～3.3 V 驱动信号转换为-9～15 V，以控制IGBT 的通断。缓冲电路由电阻、电容、二极管串并联组成，形成RCD缓冲电路。当IGBT关断时，电压经过二极管D 给电容C充电，从而有效抑制关断过电压。

    图4 IGBT驱动电路和缓冲电路原理图

    2.1 光伏逆变器电压电流双闭环并网控制策略

    光伏逆变器电压电流双闭环并网控制策略如图5所示［8-9］。图中，直流母线电压给定值通过MPPT得出。直流电压PI调节器的输入为vdc与的差值，输出为d轴有功电流给定值。在交流侧，分别对线电压eab、ebc、eca进行采样，经过线相转换，变换为相电压ea、eb、ec。然后，通过CLARK 和PARK 变换，并结合锁相环PLL 模块获得ed、eq以及电网电压相位角θg。逆变器输出的三相电流经过PARK变换得到id与iq，利用有功电流给定值减去id，将其差值输入d轴PI调节器；
    将无功电流给定值设定为0，实现单位功率因数控制，与iq作差输入q轴PI调节器。经过前馈解耦和反PARK 变换，输入到SVPWM 模块获得功率开关器件的驱动信号，最终实现并网控制。

    图5 光伏逆变器电压电流双闭环并网控制策略

    2.2 电网电压锁相原理

    在图5 所示的控制系统中，PARK 变换和反变换均用到电网电压相位角θg。可采用图6 所示的同步参考坐标系锁相环PLL 获得θg，该PLL 具有结构简单、精度高、适应性良好等优点［10-11］。

    图6 同步参考坐标系PLL原理框图

    由图6 可见，三相电网相电压ea、eb、ec通过CLARK变换得到eα、eβ，进而通过PARK变换获得ed、eq。eq与0 作差输入到PI调节器，与ω0＝314 rad／s叠加以加快锁相速度，通过积分并对角度周期2π 取余获得θg。通过图6 锁相回路，eq最终被调节为0，ed最终等于电网相电压的幅值。在实验中，可以通过观察ed、eq的值判断是否锁相成功。

    2.3 参考电压分解三电平SVPWM

    三电平逆变器共有27 种开关组合，对应图7 所示的27 个空间电压矢量。为减小计算量，采用一种基于参考电压分解的简化三电平SVPWM，将三电平空间矢量分解为6 个两电平空间矢量的组合［12-13］。

    由图7 可见，整个矢量六边形被分成I～VI 共6个菱形大扇区。每个菱形大扇区又可以分成6 个小扇区，其中每个大扇区包含一个基矢量，即Ubase1～Ubase6。当参考矢量Uref处于某个大扇区时，可令参考矢量减去相应扇区的基矢量，得到新的参考矢量。如图7第I扇区所示，终端周围的6 个矢量终端组成与两电平逆变器矢量相同的六边形。因此，可被视为传统两电平逆变器的参考矢量，然后再利用两电平SVPWM 求解。通过以上矢量分解过程，将三电平SVPWM转换成两电平SVPWM进行实现，使计算量显著减小。

    图7 三电平逆变器空间电压矢量图

    2.4 扰动观察法MPPT

    光伏阵列的输出功率受外界温度和光照强度影响，需要采用MPPT 技术使光伏逆变器在不同条件下保持工作于最大功率点。搭建的实验平台采用图8 所示的扰动观察法MPPT［14-15］。该方法简单、实用且易于实现，在光伏逆变器中使用率高，易于理解。

    图8 扰动观测法MPPT流程

    扰动观察法通过扰动逆变器直流母线电压（即光伏阵列的输出电压），然后根据光伏阵列输出功率变化的趋势，确定扰动电压的方向，连续扰动使光伏逆变器最终工作于最大功率点。首先设定逆变器的直流母线电压和扰动步长分别为Upv和ΔU。逆变器启动后，令Upv＝Upv+ΔU，测量光伏阵列输出电压Un和输出电流In，从而算得输出功率Pn。将Pn与扰动前的功率Pn-1比较：若Pn＞Pn-1，则按照现有扰动方向继续扰动；
    若Pn＜Pn-1，则改变扰动方向。重复以上步骤，最终使光伏逆变器工作于最大功率点。

    2.5 光伏逆变器程序设计

    采用TI 公司的CCS 软件（Code Composer Studio）对DSP程序进行编写、编译、调试和下载。DSP 程序流程图如图9 所示，包含主程序和中断程序。在主程序中完成头文件引用、常量和变量的定义及初始化、功能模块的声明和定义等任务，最后进入死循环等待中断事件；
    在中断程序中实现AD转换、PLL、MPPT、双闭环控制、SVPWM等功能，中断函数执行结束后返回主程序。此外，程序中需添加过压、过流等保护功能，保障实验的安全性。

    图9 DSP主程序和中断程序流程

    基于搭建的光伏逆变器实验平台，设计了如下实验过程，逐步实现电网电压锁相、三电平SVPWM、并网、最大功率跟踪等功能。实验相关参数如表1 所示。其中，为保障实验安全，电网相电压有效值通过隔离变压器降低至35 V。

    表1 实验参数

    首先，对电网电压进行采样，利用CCS 软件的在线调试功能，验证编写的PLL程序模块是否正确。如图10 所示，获得的相位角θg应在0～2π 之间往复变化，与A相电网电压ea呈余弦关系。并且，此时eq等于零，ed等于电网相电压的幅值。

    图10 CCS在线调试PLL获得的电网电压相位角

    在充分学习理解三电平SVPWM原理的基础上编写程序，输出三相逆变桥模块的驱动信号。为验证程序编写的正确性，采用LC 低通滤波电路将驱动信号的高频分量滤除，获得如图11 所示低频分量，其形状与三电平典型的调制波形状相同。为防止逆变器发生直通短路故障，需要进一步验证输出互补驱动信号之间的死区添加情况。如图12 所示，IGBTQa1和Qa3驱动信号之间的死区时间应为2 μs。

    图11 DSP输出的驱动信号滤波波形

    图12 DSP输出的驱动信号之间的死区

    在验证SVPWM 驱动信号和死区设定正确后，进行开环逆变实验，以测试驱动电路和主电路。将光伏逆变器直流侧连接光伏阵列，交流侧连接阻感负载，逆变器输出的线电压波形如图13 所示。

    图13 开环实验线电压波形

    在并网实验中，光伏逆变器交流侧经L 滤波器连接至隔离变压器。在电压外环中，设定直流电压为恒定值，获得的线电压eab和并网电流ia波形如图14 所示。需要说明的是，实验中变压器的逆变器侧为三角形接法，因此未给出相电压波形。

    图14 线电压eab和并网电流ia 的实验波形

    在完成并网实验的基础上，进一步实现MPPT 功能。从逆变器启动开始，采用示波器记录逆变器的直流电压和直流电流变化情况。如图15 所示，光伏阵列的开路电压为135 V，MPPT 初始给定电压Upv为125 V，扰动步长ΔU为1 V，MPPT的扰动时间间隔为3 s。通过MPPT算法调节，逐步使光伏阵列的输出功率增加。最终，光伏阵列输出电压和电流稳定在118 V 和1.9A左右，即功率为224 W左右。

    图15 MPPT过程中的光伏阵列输出电压和电流波形

    本文设计并搭建了一种模块化三相三电平低压光伏逆变器实验平台，对其硬件、控制策略和软件设计进行了详细介绍。将该平台用于光伏发电相关课程的实验教学，能够完成电网电压锁相、三电平SVPWM、并网、最大功率跟踪等实验。基于该平台的实验教学能够使学生将三相三电平光伏并网逆变器的理论知识联系实际，加深对理论知识的理解。使学生熟悉实际光伏逆变器的硬件和软件组成，培养并提高工程实践能力和解决实际问题的能力，为将来从事新能源领域的工作和研究奠定坚实的基础。

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