单相L并网逆变器的设计
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单相L并网逆变器的设计
王明雷;侯波;董锋斌;南帅博;董金磊
【摘 要】文章设计了一种单相并网逆变器,建立了L型单相并网逆变器的数学模型.在此基础上,设计了PI型闭环控制系统,同时给出了系统主要软硬件设计.实验结果表明,所设计的L型单相并网逆变器具有良好的稳态性能和动态特性.
【期刊名称】《江苏科技信息》
【年(卷),期】2017(000)009
【总页数】3页(P61-63)
【关键词】并网逆变器;PI控制器;单相
【作 者】王明雷;侯波;董锋斌;南帅博;董金磊
【作者单位】陕西理工大学电气工程学院,陕西西安 723000;陕西理工大学电气工程学院,陕西西安 723000;陕西理工大学电气工程学院,陕西西安 723000;陕西理工大学电气工程学院,陕西西安 723000;陕西理工大学电气工程学院,陕西西安
723000
【正文语种】中 文
近些年，随着世界能源的枯竭，太阳能、风能、生物质能等作为清洁、易于开发的可再生能源，受到了世界各国政府的高度重视，而这些能源均需通过并网逆变器接入电网［1-3］。因此，并网逆变器成了新能源发电系统的关键设备之一，其性能的优劣将直接影响到并网效果。
本文以L型并网逆变器为研究对象，给出了并网逆变器数学模型，同时推导了系统传递函数，并设计了并网逆变器PI控制器参数，同时对并网逆变器的入网电流、电网电压相位硬件电路以及相应的软件进行了设计。最后，实验验证了所设计的并网逆变器性能。
L型并网逆变器的电路拓扑结构如图1所示，主要由四个功率开关管Q1～Q4，滤波电感L组成［4］。其中，并网电流为iL，电网电压为Vs，RL是滤波电感及并网线路的等效电阻。取并网电流iL为状态变量，基于KVL得：
由式（1）可得iL与Vs，Vab的拉普拉斯变换关系为：
忽略功率开关管和死区时间造成的非线性因素，可将SPWM调制器等效为比例环节，即：
其中，kpwm是调制环节的放大倍数。当系统开关频率远远大于调制信号频率，且无过调制时：
为了对并网逆变器控制器进行设计，首先需要对逆变器进行开环系统性能分析。从系统角度，可认为Vs是系统外界扰动。由式（2）可得系统的开环传递函数为：
令式（5）中的Vs=0，进一步得到系统前向通道传递函数为：
选取滤波电感L=8 mH，RL实测为2 Ω，可得系统开环bode图如图2所示。
由图2可知，在未进行闭环控制时系统截止频率很大，稳定性差，且输出电流含有过多的噪声。为了进一步提高系统稳态性能，减少输出电流噪声，本文采用如图3所示的电流闭环的PI控制。
由图3可得系统开环传递函数为：
由式（7）可得开环系统bode图如图4所示。
进一步得到系统的闭环传递函数为：
PI校正后系统开环传递函数的波特图如图5所示。可见加入PI调节后，系统性能得到大幅度改善，有效地排除了开关纹波的干扰。电流PI调节改善了系统开环传递函数的幅频特性，提高了系统的稳定性能。 并网逆变器交流电流采样电路如图6所示。第一级运放主要用于将电流传感器输出交流电压信号抬高1.5 V，使得输出全为正电压；第二级运放主要用于将抬高的正交流电压通过比例运算，使得输出为符合DSP的ADC采样电压范围，即0~3.3 V；第三级运放为一个电压跟随电路，主要用于提高采样电路的带负载能力。
图7 为并网电压相位采样电路。通常电网电压相位是通过DSP的CAP捕获，CAP输入高电平不能超过3.3 V。因此需要将市电的正弦电压信号转换为0~ 3.3
V的方波信号，此外还要防止CAP口的误触发。图7中，电网电压经过隔离变压器降压后接入差分放大电路，再经LM311组成的过零比较电路形成0~15 V的方波电压信号。为了滤除方波信号过零点处的高频振荡，防止CAP口的误触发，在比较器的输出端加入了RC低通滤波电路和CD40106整形电路，对于高频干扰有很好的滤除作用。
为了能够匹配DSP的电平信号且对DSP进行保护，整形后方波电压信号需要经电平转换电路和缓冲电路转换成0~3.3 V的方波信号送入DSP的CAP。
并网逆变器系统的程序主要包括5个部分：（1）主程序；（2）PWM周期中断子程序；（3）SCI通讯中断子程序；（4）PDPINTB故障处理子程序；（5）捕获中断子程序。主程序主要完成对DSP系统的初始化设置，完成初始化后进入循环等待中断状态。DSP运行过程中使用了四个中断。其中，PWM周期中断子程序主要完成模拟量的采样处理、控制算法的实现和SPWM波形的产生；SCI通讯中断子程序实现DSP和PC机的通讯；PDPINTB故障处理子程序主要完成对故障信号的判断和处理；捕获中断子程序主要完成电网电压同步锁相功能。
周期中断子程序流程如图8所示，周期中断子程序主要完成采样电流的处理，基准正弦波和采样电流信号中心值的整定，电流控制PI调节算法以及正弦脉宽调制信号的形成。
实验中所选取的参数为：滤波电感=8 mH，直流母线电压750 V，并网电流有效值为6 A，开关频率fs= 20 kHz。图9为并网稳态实验波形，由图9可以看出并网电流较好的跟踪了电网电压，说明了所设计的控制方法具有良好稳态性能。图10为并网电流突变实验波形，由图10可以看出并网电流突变过渡时间短，说明了所设计的控制方法具有良好的快速性。
以L型并网逆变系统为对象，建立了相应的数学模型，给出了PI控制参数设计思路。在此基础上，给出了关键硬件电路和软件设计。实验结果表明，所设计的L型并网逆变系统具有良好的稳态性能和动态特性，具有良好的应用前景。
【相关文献】
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