季寧一 趙 濤 徐 友 徐宏健

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T型三電平并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

季寧一1趙 濤2徐 友2徐宏健1

（1. 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 211167； 2. 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，南京 211167）

本文以DSP芯片TMS320F28035為控制核心設(shè)計(jì)了一臺(tái)T型三電平并網(wǎng)逆變器，對(duì)逆變器基于PI電壓外環(huán)和PR電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制進(jìn)行說明，并詳細(xì)介紹了主電路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的元器件選型與設(shè)計(jì)方案。并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該逆變器輸出電流穩(wěn)定且相位對(duì)稱，諧波失真度低，滿足逆變器并網(wǎng)所需達(dá)到的電能質(zhì)量要求，證明了逆變器設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性與控制方案的可行性。

并網(wǎng)逆變器；T型三電平；數(shù)字信號(hào)處理；比例-諧振控制器

目前，分布式發(fā)電技術(shù)憑借其發(fā)電方式多樣，建設(shè)成本小等優(yōu)勢(shì)成為電力行業(yè)的研究熱點(diǎn)，并網(wǎng)逆變器作為分布式電源與大電網(wǎng)之間的接口，對(duì)并網(wǎng)效果有重要的影響。其中，T型三電平結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)，輸出波形更近似于正弦波，電流電壓諧波分量低[1-3]；而相對(duì)于二極管鉗位型三電平結(jié)構(gòu)，采用功率器件數(shù)減少，器件電壓等級(jí)降低，開關(guān)損耗小[4-6]。因此，采用T型三電平并網(wǎng)逆變器可在很大程度上改善并網(wǎng)電能質(zhì)量，提高并網(wǎng)效果。

本文設(shè)計(jì)并搭建了一臺(tái)T型三電平并網(wǎng)逆變器，主控核心選用DSP芯片TMS320F28035，控制策略采用針對(duì)電壓電流瞬時(shí)值的雙閉環(huán)控制，PI（比例-積分）外環(huán)保證直流電壓穩(wěn)定，PR（比例-諧振）內(nèi)環(huán)控制并網(wǎng)電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該逆變器輸出電流穩(wěn)定，諧波失真度低，三相電流相位對(duì)稱。

1 T型三電平并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)組成

T型三電平并網(wǎng)逆變器由主電路和控制系統(tǒng)組成。主電路包括開關(guān)保護(hù)電路、T型三電平逆變電路和單L濾波電路，將分布式電源輸出的直流電經(jīng)過逆變和濾波后并入電網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入端選用可調(diào)直流源代替分布式電源。控制系統(tǒng)包括信號(hào)采樣電路、主控電路和驅(qū)動(dòng)電路，檢測(cè)主電路電壓電流瞬時(shí)值信號(hào)，由DSP進(jìn)行雙閉環(huán)控制計(jì)算和空間矢量調(diào)制后，輸出PWM脈沖驅(qū)動(dòng)主電路中的功率開關(guān)管。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 主電路設(shè)計(jì)

逆變器主電路采用T型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，由直流側(cè)2個(gè)支撐電容1、2和12個(gè)功率開關(guān)管Ta1—Tc4組成。直流側(cè)輸入電壓范圍為600～800V，額定功率為5kW，開關(guān)管工作頻率為10kHz。以下給出直流支撐電容和功率開關(guān)管的選型與設(shè)計(jì)方案。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 T型三電平結(jié)構(gòu)

2.1 支撐電容設(shè)計(jì)

在T型三電平電路中，支撐電容1、2可均分直流側(cè)電壓d，保證中點(diǎn)電位平衡并且抑制直流電壓諧波[7]。直流電容的電壓波動(dòng)主要由3次基波分量構(gòu)成，通過對(duì)中點(diǎn)電位平衡的分析，可得出電容值的計(jì)算公式[8]為

式中，o_max為最大中點(diǎn)電流；0為中點(diǎn)電壓波動(dòng)角頻率，0=3g，g為基波角頻率；Ddc_max為兩個(gè)電容的最大電壓差。

鑒于兩個(gè)電容的電壓差應(yīng)保持在直流電壓的3%以內(nèi)，經(jīng)過計(jì)算并考慮電容值裕量，最終選用10個(gè)450V/390mF電容，每5個(gè)電容并聯(lián)為一組再將兩組串聯(lián)，電容總?cè)萘繛?75mF，耐壓值為900V。

2.2 開關(guān)管選型

并網(wǎng)逆變器的額定電壓和額定功率是開關(guān)管選型的關(guān)鍵因素。在本系統(tǒng)中，直流輸入電壓范圍為600～800V，為滿足裕量，開關(guān)管需要能夠承受直流輸入電壓最大值的1.1倍，即880V。T型三電平電路每一相橋臂均有4個(gè)開關(guān)管，因此每個(gè)開關(guān)管應(yīng)當(dāng)能承受的電流最大值max為

式中，n為逆變器額定輸出功率；dc_min為直流電壓最小值。

本系統(tǒng)選用英飛凌公司的IGBT模塊F3L80R12W1H3_B11，以A相為例，結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，+DC是直流側(cè)正極，-DC是直流側(cè)負(fù)極，是中性點(diǎn)，為交流輸出。該模塊可承受的最大工作電壓為1200V，額定電流為80A，符合逆變器設(shè)計(jì)需要。

圖3 IGBT模塊結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由主控板、信號(hào)采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路和上位機(jī)組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。采樣調(diào)理電路采集直流電壓和并網(wǎng)電流電壓瞬時(shí)值，并對(duì)其進(jìn)行限幅調(diào)節(jié)，作為DSP控制計(jì)算的實(shí)際值輸入。上位機(jī)與DSP之間通過串口通信設(shè)置控制系數(shù)與電壓電流基準(zhǔn)值，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)過程中各項(xiàng)動(dòng)態(tài)數(shù)值。DSP經(jīng)過雙閉環(huán)控制計(jì)算和空間矢量調(diào)制后，由CPLD對(duì)PWM脈沖進(jìn)行分配輸出。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行隔離放大，作為主電路的控制信號(hào)，并起到過流保護(hù)作用。以下對(duì)各電路設(shè)計(jì)過程加以詳細(xì) 說明。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 主控電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以DSP和CPLD作為控制核心，將DSP對(duì)數(shù)字的高速運(yùn)算能力與CPLD的邏輯電路編程功能相結(jié)合。其中，DSP選用TMS320F28035芯片，CPLD選用EPM570TI00I5低電壓可編程邏輯芯片，不僅能滿足逆變器控制要求，還能減少程序運(yùn)行時(shí)間，增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

DSP與CPLD之間通過通用IO口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將DSP中經(jīng)雙閉環(huán)控制和矢量調(diào)制后輸出的12路脈沖信號(hào)發(fā)送給CPLD，由后者搭建邏輯電路對(duì)脈沖進(jìn)行比較分配后輸出PWM驅(qū)動(dòng)波形。

圖5為CPLD的邏輯電路示意圖。CPLD接受DSP發(fā)出的2路PWM信號(hào)、1路使能控制信號(hào)和1路驅(qū)動(dòng)復(fù)位信號(hào)，為主電路的一相提供兩路互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該邏輯電路對(duì)2路PWM信號(hào)加入死區(qū)設(shè)置，通過與非門保證兩個(gè)開關(guān)管不同時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)開關(guān)管出現(xiàn)過流、過壓等情況時(shí)，DSP接受驅(qū)動(dòng)反饋的故障信號(hào)并發(fā)出復(fù)位信號(hào)HCPL_RST，經(jīng)邏輯電路后置低電平發(fā)送給驅(qū)動(dòng)芯片的復(fù)位引腳，封鎖PWM輸出。

3.2 控制策略設(shè)計(jì)

圖5 CPLD邏輯電路

圖6 雙閉環(huán)控制原理框圖

3.3 信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路通過傳感器采集電壓電流信號(hào)發(fā)送給DSP。以圖7為例，選用HNV025A霍爾電壓傳感器，將原邊所測(cè)電壓轉(zhuǎn)化為小電流信號(hào)，按1∶2.5的比例放大后，通過接地電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)IN作為調(diào)理電路的輸入。調(diào)理電路采用兩級(jí)運(yùn)放控制，前級(jí)運(yùn)放選擇TL082，利用輸入的12V電源，通過運(yùn)放分壓輸出偏置電壓，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)幅值抬升，后級(jí)運(yùn)放選擇LMV932，用作電平轉(zhuǎn)換，通過加入箝位電路，保證輸入AD的信號(hào)在0～3.3V之間變化。

圖7 電壓信號(hào)采樣電路

3.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路將CPLD輸出的12路PWM信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂艻GBT通斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，選用帶短路過流保護(hù)和故障反饋功能（CE欠飽和檢測(cè)和故障狀態(tài)反饋）的光耦隔離芯片HCPL-316J，最大能驅(qū)動(dòng)1200V/15A的IGBT，可以滿足本文所用IGBT模塊的要求。

驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖8所示，由HCPL-316J光耦隔離芯片及其外圍電路組成，輸出信號(hào)E、C、G端分別與IGBT的發(fā)射極、集電極和門極相連。IN+端接受PWM信號(hào)，OUT端作為信號(hào)輸出，兩端的響應(yīng)時(shí)間不能超過500ns，并需保證輸入輸出同步。外圍輸出電路由兩個(gè)三極管互補(bǔ)電路組成，降低了光耦芯片的內(nèi)阻，并加快IGBT的開關(guān)速度。為降低IGBT的輸入阻抗并防止門極電路出現(xiàn)振蕩，在門極和發(fā)射極之間并聯(lián)雙向穩(wěn)壓二極管D10。當(dāng)IGBT出現(xiàn)短路或過流狀況時(shí)，CE迅速升高，當(dāng)超過設(shè)定的保護(hù)電壓時(shí)即DESAT端對(duì)地電壓大于7V時(shí)，F(xiàn)AULT端置低并將錯(cuò)誤信號(hào)反饋給控制電路，RESET復(fù)位端接收CPLD發(fā)出的低電平信號(hào)，停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT關(guān)斷，直到故障解除后復(fù)原。

圖8 HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在以上設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，本文搭建了一臺(tái)T型三電平逆變器進(jìn)行并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示，輸入端選用100V的低壓直流源，逆變器輸出端經(jīng)過升壓變壓器接入電網(wǎng)。

圖10（a）為逆變器輸出相電壓AN與相電流i的波形圖，可以看到相電壓有0、+50V、-50V三個(gè)等級(jí)，即為三電平電路的3種基本電平。圖10（b）為逆變器輸出線電壓AB與相電流A的波形圖，其中線電壓一個(gè)周期內(nèi)存在5個(gè)階梯，且階梯波形平整，使輸出波形可更近似于正弦波，有利于降低諧波含量，提高系統(tǒng)電壓利用率；相電流A幅值為4A，是一個(gè)近似正弦的信號(hào)，證明了本文所采用的PR電流環(huán)能較好的完成控制電流的任務(wù)。

圖9 T型三電平逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖

圖10 A相逆變器輸出電壓電流波形

圖11（a）為并網(wǎng)電流階躍變化動(dòng)態(tài)波形，系統(tǒng)起動(dòng)后，并網(wǎng)電流很快趨于穩(wěn)定，暫態(tài)時(shí)間短且電流沖擊??；圖11（b）為軟起動(dòng)狀態(tài)下的并網(wǎng)電流波形，可看出并網(wǎng)電流具有較好的正弦度和相位跟蹤，有效減少了逆變器并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

圖11 A相并網(wǎng)電流動(dòng)態(tài)波形

在并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中，通過電能質(zhì)量分析儀CA8336獲得逆變器輸出的并網(wǎng)波形和數(shù)據(jù)。圖12（a）為三相并網(wǎng)電流波形，圖12（b）為三相并網(wǎng)電流相位角，從圖中可看出三相并網(wǎng)電流波形平穩(wěn)無波動(dòng)，頻率幅值相同，相位差均為120°，滿足相位對(duì)稱。

圖13為相電壓和相電流的諧波失真度（），其中，相電壓諧波由基次諧波構(gòu)成，均小于3%，相電流均小于0.6%，符合并網(wǎng)逆變器各特征次諧波分量均小于3%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 三相并網(wǎng)電流與相位角

圖13 相電壓與相電流諧波失真度

5 結(jié)論

本文以T型三電平并網(wǎng)逆變器作為分布式電源和電網(wǎng)之間的接口，給出主電路與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)所用并網(wǎng)控制策略加以說明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該T型三電平逆變器并網(wǎng)電壓電流穩(wěn)定且相位對(duì)稱，諧波失真度低，具有良好的并網(wǎng)效果，證明了本設(shè)計(jì)方案的正確性與可靠性。

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Design and implementation of T-type three-level grid-connected inverter

Ji Ningyi1Zhao Tao2Xu You2Xu Hongjian1

(1. School of Electric Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167; 2. School of Automation, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167)

A T-type three-level grid-connected inverter is designed with DSP chip TMS320F28335 as the control core. The article explains double closed loop control strategy based of PI voltage outer loop and PR current inner loop, and details the main circuit system and control system components selection and design options.According to the grid experiment results,the output current of the inverter is stable and its phase is symmetrical,the harmonic distortion is low, which meets the requirements of power quality required by inverter grid connection and proves the rationality of the inverter design parameters and the feasibility of the control scheme.

grid-connected inverter; T-type three-level; DSP; PR controller

2018-05-04

季寧一（1995-），男，江蘇宜興人，碩士研究生，主要從事力電子及微電網(wǎng)技術(shù)方面的研究工作。

江蘇省配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金項(xiàng)目資助（XTCX20181）