嚴慶增，趙天潤，肖浪濤，趙仁德

（中國石油大學（華東）新能源學院，山東青島 266580）

0 引言

光伏發(fā)電是重要的新能源利用形式，其碳排放量是化石能源發(fā)電的1／10～1／20，能夠為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”提供強勁引擎［1-2］。三電平光伏并網(wǎng)逆變器與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比，輸出電壓電平數(shù)增加，從而使輸出電流諧波含量降低、器件電壓應力減小、電磁干擾下降［3-4］。因此，三電平光伏并網(wǎng)逆變器有著廣泛的應用前景，也成為目前高校光伏發(fā)電相關(guān)課程的重要講授內(nèi)容［5-7］。

本文設(shè)計并搭建了一種模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺，使學生更加形象直觀地認識光伏發(fā)電系統(tǒng)，加深對理論知識的理解。

1 模塊化實驗平臺硬件設(shè)計

設(shè)計的模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺如圖1 所示。實驗平臺包括斷路器模塊、直流母線電容模塊、L 濾波器模塊、傳感器模塊、DSP 控制板模塊、三相逆變橋模塊和隔離電源模塊，各模塊功能：

圖1 模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺設(shè)計圖

（1）斷路器模塊。用于接通或斷開光伏陣列、三相電網(wǎng)和220 V電源，便于調(diào)試。

（2）直流母線電容模塊。電容兩串兩并以提高耐壓和容值，電容兩端并聯(lián)有均壓電阻。

（3）L濾波器模塊。用于濾除高頻諧波電流，考慮到電感對周圍電路的干擾問題，采取外接方案。

（4）傳感器模塊。包括4 個LV-25P 型電壓傳感器和3 個LA25-NP 型電流傳感器，用于測量線電壓eab、ebc、eca、直流母線電壓vdc以及三相并網(wǎng)電流ia、ib、ic。

（5）DSP 控制板模塊。采用TI 公司的TMS320F28335 DSP，通過集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收傳感器模塊輸出的模擬信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。用于光伏逆變器的閉環(huán)控制，同時DSP 的PWM 模塊輸出IGBT的驅(qū)動信號。

（6）三相逆變橋模塊。含有A、B、C三相橋臂，每相含有4 只IGBT 及其驅(qū)動電路和緩沖電路；直流側(cè)的P、O和N 3 個接線端子分別連接直流母線的正極、中點和負極；交流側(cè)的輸出端經(jīng)過L濾波器連接至降壓變壓器。

（7）隔離電源模塊。將220 V交流電源轉(zhuǎn)換為不同電平的低壓直流電源，為傳感器模塊提供±15 V電源，為DSP控制板提供5 V 電源，為三相逆變橋的驅(qū)動電路提供24 V電源。

基于圖1 所示的設(shè)計方案，進而搭建了如圖2 所示的實驗平臺。其中，L濾波器模塊采用外接方案，直流側(cè)連接的1 kW光伏陣列由圖3 所示的4 塊光伏電池板串聯(lián)組成，放置于實驗室建筑頂部。

圖2 模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺

圖3 實驗室建筑頂部的1 kW光伏陣列

圖4 給出了每相橋臂中IGBT驅(qū)動電路和緩沖電路原理圖。其中，采用TOSHIBA 公司的TLP250 集成芯片設(shè)計了IGBT的驅(qū)動電路，兼具電平轉(zhuǎn)換和電壓隔離的作用，將DSP 輸出的0～3.3 V 驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為-9～15 V，以控制IGBT 的通斷。緩沖電路由電阻、電容、二極管串并聯(lián)組成，形成RCD緩沖電路。當IGBT關(guān)斷時，電壓經(jīng)過二極管D 給電容C充電，從而有效抑制關(guān)斷過電壓。

圖4 IGBT驅(qū)動電路和緩沖電路原理圖

2 實驗平臺控制策略及程序設(shè)計

2.1 光伏逆變器電壓電流雙閉環(huán)并網(wǎng)控制策略

光伏逆變器電壓電流雙閉環(huán)并網(wǎng)控制策略如圖5所示［8-9］。圖中，直流母線電壓給定值通過MPPT得出。直流電壓PI調(diào)節(jié)器的輸入為vdc與的差值，輸出為d軸有功電流給定值。在交流側(cè)，分別對線電壓eab、ebc、eca進行采樣，經(jīng)過線相轉(zhuǎn)換，變換為相電壓ea、eb、ec。然后，通過CLARK 和PARK 變換，并結(jié)合鎖相環(huán)PLL 模塊獲得ed、eq以及電網(wǎng)電壓相位角θg。逆變器輸出的三相電流經(jīng)過PARK變換得到id與iq，利用有功電流給定值減去id，將其差值輸入d軸PI調(diào)節(jié)器；將無功電流給定值設(shè)定為0，實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，與iq作差輸入q軸PI調(diào)節(jié)器。經(jīng)過前饋解耦和反PARK 變換，輸入到SVPWM 模塊獲得功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號，最終實現(xiàn)并網(wǎng)控制。

圖5 光伏逆變器電壓電流雙閉環(huán)并網(wǎng)控制策略

2.2 電網(wǎng)電壓鎖相原理

在圖5 所示的控制系統(tǒng)中，PARK 變換和反變換均用到電網(wǎng)電壓相位角θg?？刹捎脠D6 所示的同步參考坐標系鎖相環(huán)PLL 獲得θg，該PLL 具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、適應性良好等優(yōu)點［10-11］。

圖6 同步參考坐標系PLL原理框圖

由圖6 可見，三相電網(wǎng)相電壓ea、eb、ec通過CLARK變換得到eα、eβ，進而通過PARK變換獲得ed、eq。eq與0 作差輸入到PI調(diào)節(jié)器，與ω0＝314 rad／s疊加以加快鎖相速度，通過積分并對角度周期2π 取余獲得θg。通過圖6 鎖相回路，eq最終被調(diào)節(jié)為0，ed最終等于電網(wǎng)相電壓的幅值。在實驗中，可以通過觀察ed、eq的值判斷是否鎖相成功。

2.3 參考電壓分解三電平SVPWM

三電平逆變器共有27 種開關(guān)組合，對應圖7 所示的27 個空間電壓矢量。為減小計算量，采用一種基于參考電壓分解的簡化三電平SVPWM，將三電平空間矢量分解為6 個兩電平空間矢量的組合［12-13］。

由圖7 可見，整個矢量六邊形被分成I～VI 共6個菱形大扇區(qū)。每個菱形大扇區(qū)又可以分成6 個小扇區(qū)，其中每個大扇區(qū)包含一個基矢量，即Ubase1～Ubase6。當參考矢量Uref處于某個大扇區(qū)時，可令參考矢量減去相應扇區(qū)的基矢量，得到新的參考矢量。如圖7第I扇區(qū)所示，終端周圍的6 個矢量終端組成與兩電平逆變器矢量相同的六邊形。因此，可被視為傳統(tǒng)兩電平逆變器的參考矢量，然后再利用兩電平SVPWM 求解。通過以上矢量分解過程，將三電平SVPWM轉(zhuǎn)換成兩電平SVPWM進行實現(xiàn)，使計算量顯著減小。

圖7 三電平逆變器空間電壓矢量圖

2.4 擾動觀察法MPPT

光伏陣列的輸出功率受外界溫度和光照強度影響，需要采用MPPT 技術(shù)使光伏逆變器在不同條件下保持工作于最大功率點。搭建的實驗平臺采用圖8 所示的擾動觀察法MPPT［14-15］。該方法簡單、實用且易于實現(xiàn)，在光伏逆變器中使用率高，易于理解。

圖8 擾動觀測法MPPT流程

擾動觀察法通過擾動逆變器直流母線電壓（即光伏陣列的輸出電壓），然后根據(jù)光伏陣列輸出功率變化的趨勢，確定擾動電壓的方向，連續(xù)擾動使光伏逆變器最終工作于最大功率點。首先設(shè)定逆變器的直流母線電壓和擾動步長分別為Upv和ΔU。逆變器啟動后，令Upv＝Upv+ΔU，測量光伏陣列輸出電壓Un和輸出電流In，從而算得輸出功率Pn。將Pn與擾動前的功率Pn-1比較：若Pn＞Pn-1，則按照現(xiàn)有擾動方向繼續(xù)擾動；若Pn＜Pn-1，則改變擾動方向。重復以上步驟，最終使光伏逆變器工作于最大功率點。

2.5 光伏逆變器程序設(shè)計

采用TI 公司的CCS 軟件（Code Composer Studio）對DSP程序進行編寫、編譯、調(diào)試和下載。DSP 程序流程圖如圖9 所示，包含主程序和中斷程序。在主程序中完成頭文件引用、常量和變量的定義及初始化、功能模塊的聲明和定義等任務，最后進入死循環(huán)等待中斷事件；在中斷程序中實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換、PLL、MPPT、雙閉環(huán)控制、SVPWM等功能，中斷函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后返回主程序。此外，程序中需添加過壓、過流等保護功能，保障實驗的安全性。

圖9 DSP主程序和中斷程序流程

3 實驗過程設(shè)計

基于搭建的光伏逆變器實驗平臺，設(shè)計了如下實驗過程，逐步實現(xiàn)電網(wǎng)電壓鎖相、三電平SVPWM、并網(wǎng)、最大功率跟蹤等功能。實驗相關(guān)參數(shù)如表1 所示。其中，為保障實驗安全，電網(wǎng)相電壓有效值通過隔離變壓器降低至35 V。

表1 實驗參數(shù)

首先，對電網(wǎng)電壓進行采樣，利用CCS 軟件的在線調(diào)試功能，驗證編寫的PLL程序模塊是否正確。如圖10 所示，獲得的相位角θg應在0～2π 之間往復變化，與A相電網(wǎng)電壓ea呈余弦關(guān)系。并且，此時eq等于零，ed等于電網(wǎng)相電壓的幅值。

圖10 CCS在線調(diào)試PLL獲得的電網(wǎng)電壓相位角

在充分學習理解三電平SVPWM原理的基礎(chǔ)上編寫程序，輸出三相逆變橋模塊的驅(qū)動信號。為驗證程序編寫的正確性，采用LC 低通濾波電路將驅(qū)動信號的高頻分量濾除，獲得如圖11 所示低頻分量，其形狀與三電平典型的調(diào)制波形狀相同。為防止逆變器發(fā)生直通短路故障，需要進一步驗證輸出互補驅(qū)動信號之間的死區(qū)添加情況。如圖12 所示，IGBTQa1和Qa3驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間應為2 μs。

圖11 DSP輸出的驅(qū)動信號濾波波形

圖12 DSP輸出的驅(qū)動信號之間的死區(qū)

在驗證SVPWM 驅(qū)動信號和死區(qū)設(shè)定正確后，進行開環(huán)逆變實驗，以測試驅(qū)動電路和主電路。將光伏逆變器直流側(cè)連接光伏陣列，交流側(cè)連接阻感負載，逆變器輸出的線電壓波形如圖13 所示。

圖13 開環(huán)實驗線電壓波形

在并網(wǎng)實驗中，光伏逆變器交流側(cè)經(jīng)L 濾波器連接至隔離變壓器。在電壓外環(huán)中，設(shè)定直流電壓為恒定值，獲得的線電壓eab和并網(wǎng)電流ia波形如圖14 所示。需要說明的是，實驗中變壓器的逆變器側(cè)為三角形接法，因此未給出相電壓波形。

圖14 線電壓eab和并網(wǎng)電流ia 的實驗波形

在完成并網(wǎng)實驗的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)MPPT 功能。從逆變器啟動開始，采用示波器記錄逆變器的直流電壓和直流電流變化情況。如圖15 所示，光伏陣列的開路電壓為135 V，MPPT 初始給定電壓Upv為125 V，擾動步長ΔU為1 V，MPPT的擾動時間間隔為3 s。通過MPPT算法調(diào)節(jié)，逐步使光伏陣列的輸出功率增加。最終，光伏陣列輸出電壓和電流穩(wěn)定在118 V 和1.9A左右，即功率為224 W左右。

圖15 MPPT過程中的光伏陣列輸出電壓和電流波形

4 結(jié)語

本文設(shè)計并搭建了一種模塊化三相三電平低壓光伏逆變器實驗平臺，對其硬件、控制策略和軟件設(shè)計進行了詳細介紹。將該平臺用于光伏發(fā)電相關(guān)課程的實驗教學，能夠完成電網(wǎng)電壓鎖相、三電平SVPWM、并網(wǎng)、最大功率跟蹤等實驗?；谠撈脚_的實驗教學能夠使學生將三相三電平光伏并網(wǎng)逆變器的理論知識聯(lián)系實際，加深對理論知識的理解。使學生熟悉實際光伏逆變器的硬件和軟件組成，培養(yǎng)并提高工程實踐能力和解決實際問題的能力，為將來從事新能源領(lǐng)域的工作和研究奠定堅實的基礎(chǔ)。