王 博，費 莉，張俊平，李 山

(重慶理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，重慶 400054)

隨著石油、燃氣等資源的日益匱乏，新能源的發(fā)展突飛猛進。新能源發(fā)電是新能源利用的最主要方式，諸如太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等。太陽能、風(fēng)能發(fā)電都是將電能儲存在電池中，通過逆變系統(tǒng)將電能供給用戶使用或送回電網(wǎng)，所以對逆變電源的研究有著很大的現(xiàn)實意義。本文設(shè)計并研制了2 kW光伏離網(wǎng)型正弦波逆變電源，其LCL濾波器采用了無功容量的參數(shù)計算方法，使設(shè)計更為簡便。經(jīng)實驗驗證該電源能有效地抑制諧波，具有良好的動態(tài)響應(yīng)。

1 總方案設(shè)計

系統(tǒng)的主電路拓撲采用先升壓再逆變的結(jié)構(gòu)。升壓拓撲常用的有Boost調(diào)整器拓撲、推挽拓撲、正激變換器拓撲、反激變換器拓撲等。推挽式拓撲中的2個控制管交替導(dǎo)通，輸出對稱的電壓波形。前級電源在整個周期內(nèi)都向負載輸出功率，所以推挽式拓撲結(jié)構(gòu)輸出電流瞬態(tài)響應(yīng)快，電壓特性好，在諸多拓撲結(jié)構(gòu)中推挽式拓撲結(jié)構(gòu)電壓利用率最高。推挽拓撲最大的缺點是2個控制管需要承受很高的電壓，功率管的耐壓值必須大于2倍工作電壓?？紤]到逆變系統(tǒng)的前級輸入電壓為48 V，2倍的工作電壓并不會給設(shè)計帶來麻煩，從電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、驅(qū)動難易程度、輸入輸出隔離、電路的總功率、轉(zhuǎn)換效率等角度考慮，推挽拓撲結(jié)構(gòu)比較適合2 kW逆變電源的設(shè)計，所以本設(shè)計升壓采用推挽拓撲結(jié)構(gòu)［1］。

系統(tǒng)后級采用經(jīng)典的全橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)。自然采樣法的SPWM逆變算法會產(chǎn)生大量的高次諧波，濾波器的設(shè)計對諧波控制有很大的影響。傳統(tǒng)的LCL濾波器參數(shù)計算一般是在避免LC諧振的基礎(chǔ)上，考慮將濾波器電流控制在一定范圍之內(nèi)，并且補償基波電流在電抗器上產(chǎn)生的壓降。這種方法計算復(fù)雜，計算量大。如果從逆變器無功容量最小的角度考慮，不但滿足濾波器的頻率特性、功率因數(shù)等要求，計算還變得簡便，能使系統(tǒng)得到一個干凈的正弦電壓輸出。逆變電源主體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 逆變電源主體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

因為IGBT管壓降比較大，驅(qū)動時為了其快速關(guān)斷，需要加負壓，比較麻煩，保護電路設(shè)計也相對復(fù)雜，而MOS管的耐壓和帶載能力可以滿足2 kW逆變器的設(shè)計，并且MOS管驅(qū)動容易，發(fā)熱量小，所以本設(shè)計使用的功率管為MOSFET。

2 硬件設(shè)計

2.1 前級電路設(shè)計

2.1.1 推挽拓撲

系統(tǒng)功率為2 kW，電池電壓為48 V，考慮到帶負載時電池電壓會下降，系統(tǒng)做了46 V的欠壓保護。以效率80%計算，工作時前級平均電流I=A，脈沖最大電流約為工作電流的4倍，即54.3A ×4=217.2 A，加上推挽拓撲工作管需要承受2倍電源電壓，前級工作管選用IXYS公司的MOS管IXTQ96N20，其耐壓為200 V，工作時Ids為96 A，承受最大脈沖電流225 A，使用2個管子并聯(lián)可以滿足設(shè)計的要求，并且 IXTQ96N20內(nèi)阻只有24 mΩ，工作時開關(guān)損耗很小。初級電壓經(jīng)過高頻變壓器升壓后，達到380 V，滿載電流6 A左右?？紤]安全余量后，整流二極管選擇MOTOROLA公司的功率整流二極管MUR3060，其耐壓為600 V，工作時電流為30 A，最大關(guān)斷時間為60 ns。前級功率電路如圖2所示。

圖2 前級功率電路

2.1.2 功率變壓器設(shè)計

磁芯面積乘積的計算:

式中:Ap為變壓器面積的乘積數(shù);Po為變壓器輸出功率;K為變壓器系數(shù);ΔB為磁通密度變化量。根據(jù)推挽拓撲特點，K 取 0.014，ΔB 取 0.16，效率η假定為80%，可以計算出大概的磁芯面積為24.92 cm4。本設(shè)計選取 EE65磁芯，其 Ae為535.00 mm2，Aw為 575.00 mm2，Ap為 30.76 cm4，滿足設(shè)計要求［2］。

次級繞組應(yīng)按220 V有效值計算，次級繞組導(dǎo)線截面積［3］

2.2 后級電路設(shè)計

后級輸出電壓為220 V，則功率為2 kW時，工作電流為9.1 A，最大脈沖電流為36.4 A，直流母線電壓為380 V，考慮余量后要求功率管耐壓值超過500 V。FAIRCHILD公司的MOSFET功率管FQL40N50耐壓值為500 V，允許工作電流為40 A，滿足設(shè)計要求。后級功率電路如圖3所示。

圖3 后級功率電路

后級輸出部分需要加取樣變壓器(如圖3中T1)，再經(jīng)電阻分壓后用于電壓閉環(huán)的反饋。H橋與地之間串聯(lián) 0.05 Ω/5 W 的電阻(如圖 3中R5)，用于電流反饋和過流保護。在前級和后級中間需要加保險絲，當(dāng)后極功率管發(fā)生短路等故障被擊穿時，保險絲同時燒斷保護前級。

LCL低通濾波器是為了濾除SPWM波中含有載波頻率的高頻諧波分量，獲得良好的輸出電壓波形。濾波器的性能主要由L和C之間的諧振頻率決定，LC諧振頻率為

諧振頻率必須要遠小于PWM電壓中所含有的最低次諧波頻率，同時又要遠大于基波頻率。一般fc選為

式(5)中:f1為基波頻率;fhar(min)為最低次諧波頻率。

對于高頻的PWM逆變器，載波頻率遠大于10倍的基波頻率，fc選為載波頻率1/10～1/5，即:≈2.3 kHz。確定了諧振頻率后，L和C的參數(shù)還需分別確定。通過濾波器無功容量的角度來選擇L、C參數(shù)。濾波器無功容量也間接反映了濾波器尺寸、成本等要素。根據(jù)無功容量有

式(6)中:ω1為基波角頻率;ωL為LC濾波器諧振頻率;Uo為輸出電壓有效值;Io為輸出電流有效值。如上所述，L選擇2個1 mH的電感，C選擇4.7 μF 的電容［4］。

2.3 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路采用光耦隔離驅(qū)動設(shè)計。以后級驅(qū)動為例，后級驅(qū)動頻率采用SPWM通用頻率為20 kHz、TOSHIBA公司的光耦芯片 TLP250，工作頻率為25 kHz，驅(qū)動電流最大可達2 A，滿足設(shè)計要求。在光耦的輸出端需要串聯(lián)快速恢復(fù)二極管和電阻。加電阻的作用是限流和防止MOS管開通時印制線的寄生電感和MOS管的寄生電容產(chǎn)生震蕩，這個電阻不大，所以對開通速度的不會產(chǎn)生很大影響。二極管的作用是為了使MOS管GS電荷快速放掉，加快MOS管的關(guān)斷速度。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用PI算法，通過反饋電壓、電流控制輸出PWM的占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓。系統(tǒng)發(fā)生欠壓、過壓、過流故障時，欠壓、過壓、過流保護電路會向DSP的PDPINTx端口輸出一個低電平信號，當(dāng)PDPINTx引腳變?yōu)榈碗娖綍r，所有的PWM輸出引腳都將立刻變?yōu)楦咦钁B(tài)。閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖4 閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制框圖

本設(shè)計使用TMS320F2812作為系統(tǒng)的控制芯片。DSP2812有2個事件管理器EVA和EVB，使用EVA為前級推挽電路，提供占空比可變的PWM信號，通過反饋電壓計算電壓的誤差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，改變輸出PWM的占空比，穩(wěn)定輸出電壓。使用EVB為后級逆，提供調(diào)制比可變的SPWM信號。SPWM信號載波信號頻率為20 kHz，正弦表點數(shù)為400個，輸出正弦頻率為20k/400=50 Hz，每40個正弦點啟動ADC轉(zhuǎn)換，對電壓和電流進行采樣，電壓的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的給定值，然后計算電流的誤差值。為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度電流調(diào)節(jié)器只采用比例調(diào)節(jié)，經(jīng)過比例調(diào)節(jié)后計算出新的正弦調(diào)制度，在CMPR寄存器重載時使用［5－6］。A/D采樣中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。

圖5 A/D采樣中斷程序流程

4 實驗驗證

系統(tǒng)使用48 V大功率直流電源供電，空載時前級電流為350 mA，輸出電壓220 V。使用2個12 Ω大功率波紋電阻串聯(lián)作負載，實際測得前級電流為51.2 A，后級電壓為219 V，電流為10 A，系統(tǒng)效率為系統(tǒng)滿載電壓波形如圖6所示。

圖6 滿載電壓波形

系統(tǒng)半載穩(wěn)定運行時突加50%的負載，系統(tǒng)輸出電壓無明顯波動，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)良好，如圖7所示。

系統(tǒng)滿載時將示波器采集的波形以數(shù)據(jù)的形式輸入到Matlab內(nèi)做FFT分析，結(jié)果如圖8所示?？梢娤到y(tǒng)輸出正弦電壓諧波分量很小，經(jīng)過計算，系統(tǒng)輸出正弦電壓失真率為2.56%。

圖7 動態(tài)響應(yīng)實驗波形

圖8 FFT分析

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)滿載穩(wěn)定運行后輸出電壓有效值為219 V，頻率為49.8 Hz，通過優(yōu)化 PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)對突然加載有很好的動態(tài)響應(yīng)，輸出電壓基本上沒有波動。通過無功容量計算參數(shù)的LCL濾波器使輸出電壓諧波得到很好的控制，正弦電壓失真率為2.56%。通過對變壓器參數(shù)的優(yōu)化避免了推挽拓撲容易出現(xiàn)的磁通不平衡現(xiàn)象，在使用風(fēng)扇散熱的情況下整個系統(tǒng)工作溫度為50℃左右。實驗結(jié)果表明本設(shè)計滿足設(shè)計要求。

此外在設(shè)計2 kW逆變電源時需要注意:

1)逆變電源工作在高頻高壓的復(fù)雜電磁環(huán)境下，使用杜邦線傳遞控制信號很容易受到外部環(huán)境的干擾，DSP發(fā)出的PWM信號接到驅(qū)動電路時要用雙絞線連接，長度不要超過20 cm。

2)由于前級變壓器的漏感尖峰和后級輸出電感尖峰的存在，在前級高頻變壓器中間抽頭上和地面之間并一個1 μf的CBB電容，后級H橋的每個半橋的上管D極到下管S極之間要接一個0.47 μf的 CBB電容，可以有效防止尖峰電壓燒管。

3)功率電路的PCB布線時注意銅箔的載流量，如果不考慮載流量就會使功率電路的PCB板嚴重發(fā)熱甚至燒毀。2oz厚20 mm寬的銅箔安全電流為30 A，如果要更大的載流量則需要在PCB反面開錫槽堆錫。

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