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当前位置：&>>&&>>&&>>&并网型逆变器的设计方案
导读：光伏发电作为新能源开发利用的重要内容，对于解决能源和环境问题，有着深远的意义。逆变器是光伏发电过程中的重要环节。文中对逆变系统的拓扑结构进行了研究，设计了以高频升压和全桥逆变为拓扑结构的逆变系统，再配合有源滤波，为太阳能的进一步开发利用起到一定的作用。
　　在能源日益紧张的今天，光伏发电技术越来越受到重视。太阳能电池和风力发电机产生的直流电需要经过逆变器逆变并达到规定要求才能并网，因此逆变器的设计关乎到光伏系统是否合理、高效、经济的运行。
　　1 光伏逆变器的原理结构
　　光伏并网逆变器的结构如图1所示，主要由前级变换器和后级DC/AC逆变器构成。其基本原理是通过高频变换技术将低压直流电变成高压直流电，然后通过工频逆变电路得到220V交流电。这种结构具有电路简单、空载损耗很小、输出功率大、逆变效率高、稳定性好、失真度小等优点。
　　图1 光伏逆变器结构图
　　逆变器主电路如图2所示。DC/DC模块的控制使用芯片。SG3525是双端输出式SPWM脉宽调制芯片，产生占空比可变的PWM波形用于驱动的门极来控制晶闸管通断，从而达到控制输出波形的目的。
　　作为并网逆变器的关键模块，DC/AC模块具有更高的控制要求，本设计采用TI公司的作为主控芯片，用于采集电网同步信号、交流输入电压信号、调节门极驱动电路脉冲频率，通过基于DSP芯片的软件锁相环控制技术，完成对并网电流的频率、相位控制，使输出电压满足与电网电压的同频、同相关系。
　　滤波采用二阶带通滤波器，是有源滤波器的一种，用于传输有用频段的信号，抑制或衰减无用频段的信号。其可以有效地滤除逆变后产生的高频干扰波形，使逆变后的电压波形达到并网的要求。
　　图2 逆变器主电路
　　2 DC/DC控制模块
　　SG3525是专用于驱动N沟道功率的PWM控制芯片。SG3525的输出驱动为推拉输出形式，可直接驱动MOS管；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，具有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。其2个输出分别接2个MOS管控制其开断，为了提高对推挽式DC/DC高频升压过程有效的控制，提高频宽调制的准确性，相应设计了，检测输出电流、电压，然后反馈到控制芯片。检测电路包括偏磁检测电路、电压反馈采样电路、电流反馈采样电路。SG3525控制模块结构如图3.
　　图3 SG3525主控芯片框图
　　3 DC/AC控制模块
　　3.1 TMS320F240控制核心
　　TMS320F240是美国TI公司的定点式数字信号处理器芯片，硬件架构以16位为基本数据处理单元，它集成了高性能DSP内核，并且有着丰富的外设功能，处理速度快。DSP系统的外围电路包括时钟电路、复位电路、电路等，配合各种信号检测电路、驱动电路，以达到对逆变系统的波形控制、脉宽调制、故障保护等要求，其结构图如图4.
　　图4 TMS320F240主控芯片框图
　　3.2 电压和电流检测电路
　　（1）电网电压过零检测电路
　　逆变后交流电的电压必须与电网电压同相、同频才能并网，因此要对输出电压进行锁相控制。由于输出的电压信号为正弦波，而控制芯片只能识别TTL电平信号，因此需要一个电路将正弦波信号转换为控制芯片可以识别的TTL电平信号。本设计中用LV25P电压传感器，将电网电压采集并转换成与电网电压等相位的低电压脉冲信号，经过一组比较器电路，可以输出一组与电网电压同相的低压方波信号。当被检测的电网电压超过零点，则输出高电平。电网电压过零检测电路如图5所示。
　　图5 电网电压过零检测电路
　　电网电压过零检测电路得到的方波信号，经过双施密特反相电路将信号送到DSP芯片的捕获引脚上，捕获单元在检测到上升沿时触发中断，进行锁相。
　　（2）交流电流检测电路
　　交流电流检测电路使用CSM300LT闭环式电流传感器，如图6.CSM300LT是应用霍尔效应闭环原理的电流传感器，在电隔离条件下测量交流电流。当交流电通过传感器时，传感器将电流信号转换成电压信号送给信号调理电路，经处理后输入到DSP芯片的管脚。调理电路由RC滤波电路和二组集成运放隔离电路组成。
　　图6 交流电流检测电路
　　4 辅助电源
　　逆变器的控制电路、信号采集电路及管驱动电路等需要不同的适应电源，因此需要一个独立的电源为其供电。所设计辅助电源输出的电压分别为+15V、-15V、+5V三种，采用单端反激式DC/DC拓扑结构，运行稳定、可靠，辅助电源电路的基本电路如图7所示。
　　图7 单端反激式辅助电源
　　5 有源滤波
　　有源滤波采用二阶带通滤波器，它是由和阻容元件组成的一种选频网络，用来滤除逆变过程中产生的高次谐波，其原理是通过设置电路参数允许某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制，如图8.
　　图8 二阶带通滤波器
　　通带增益
　　中心频率
　　通带宽度
　　品质因数
　　6 结语
　　基于光伏并网逆变器的基本原理和控制策略，设计了并网型逆变器的结构，其采用了内置高频变压器的前后两级结构，即前级DC/DC高频升压，后级DC/AC工频逆变。该设计模式具有电路简单、性能稳定、转换效率高等优点。
技术资料出处:电子技术设计
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友情提醒：为规避购买风险，建议您在购买相关产品前务必确认供应商资质及产品质量，推荐优先和汽配人网旺铺会员进行联系。& &&本文针对两级式单相在DC／DC前级、DC／AC后级两级联调时出现低压直流源(等)输入低频纹波脉动较大的问题，进行了相关分析和研究，并提出了抑制方法。建立了前级DC／DC变换器的低频纹波电流传输模型，分析了输入电流低频纹波脉动来源和传输路径；提出了从控制角度出发，通过添加谐振控制器的，在控制环路中增加对此脉动的衰减，达到抑制输入电流低频纹波脉动的效果；并进行了控制环路设计，确保其满足稳定性要求。设计了一台原理样机，通过测试结果验证了该方法的正确性和实用性。
1 引言 & & 在两级式逆变器前级DC／DC变换器、后级DC／AC变换器进行两级联调时发现低压直流输入电流中含有频率为两倍逆变器输出频率的低频脉动分量，此脉动分量幅值相对其的比例最大可达30％以上。该低频对直流输入源(蓄电池等)产生较大干扰，严重时将会影响直流电源系统稳定性，降低系统效率，甚至会大大衰减蓄电池等输入源的使用寿命。因此，必须对这种输入电流低频脉动进行抑制。文献提出了相关抑制方法，但均存在不足。 & & 这里分析了低频脉动电流的产生原因，并建立了前级DC／DC变换器低频脉动电流传输模型，分析了低频纹波脉动电流来源和传输路径。然后从控制角度出发，在平均电流控制环路中增加谐振控制器以增加对此频率脉动的衰减，达到抑制输入低频纹波脉动的效果。最后，设计了原理样机验证了此方法的正确性和实用性。
2 输入电流低频纹波原因分析 & & 在飞机等供电系统中，为保证关键负荷不间断供电，通常配备蓄电池等电压电源(28 V)。但设备所需为较高交流电压(115 V)。故图1示出的两级式结构广泛应用于这种变换器场合，其前级和后级分别为DC／DC变换器、DC／AC逆变器。
2．1 带逆变器负载前级变换器输出特性分析 & & 根据图1分析DC／DC变换器所接逆变器负载特性。带线性负载逆变器的输出电压和电流为： & &
& & 由式(2)可知，单相逆变器瞬时功率不是恒定的，它在一个直流分量的基础上叠加了一个两倍逆变器输出频率的交流分量。假设逆变器功率转换时无损耗，则瞬时输入功率(t)=po(t)，即： & &
& & 可见，带逆变器负载DC／DC变换器输出电流idc(iin-inv)由直流分量Idc和交流分量idc-2&组成，频率为2fo。可知DC／DC变换器输出电流中也包含直流分量IL与低频交流分量iL两部分。 2．2 输入电流低频纹波传输路径分析 & & 从变换器输出角度来看，可将逆变器负载简化为含800 脉动电流的电流源。电压输入源(蓄电池)用一个内置为Rs的电压源代替。由此，可建立低频纹波电流交流分析模型。当DC／DC变换器工作频率远大于低频纹波脉动频率800 Hz时，可将其等效为一个1：n的理想，由于主要分析的是交流纹波分量，因此可将直流源短路，然后将初级折算到次级，即可得只含线路阻抗和纹波的交流模型，如图2所示。
& & 由图2可得输入电流与输出电流脉动关系： & &
& & 综上分析，两级联调时前级DC／DC变换器出现输入电流低频脉动大的原因是：由于前级DC／DC变换器输出电压稳压、响应速度快，当连接有低频脉动的逆变器负载时输出电压低频脉动小，意味着输出电流低频脉动大，电感电流中就含有较大低频电流分量，该低频分量会传递到输入电流中，造成输入电流低频脉动大。
3 输入电流低频纹波抑制策略 & & 根据前面分析，要减小输入电流低频脉动，必须要抑制电感电流低频脉动。提出的抑制方法为：通过设计合适的控制器使电感电流不含低频分量，使输出低频电流流经输出滤波，即脉动功率主要由输出滤波来承担，这在一定程度上将提高输出电压低频脉动量。因此，前级DC／DC变换器以电感电流为控制对象，采用平均电流控制策略。图3为前级DC／DC变换器控制结构图。
& & 前级DC／DC变换器输出电压采样信号uo与基准信号uref比较所得误差进入电压PI调节器，电压调节器输出作为电流环给定ig，与电感电流采样信号uff进行比较进入电流PI调节器，其输出进入信号发生器，与锯齿波进行交截，产生PWM信号，驱动主功率管。抑制电感电流低频脉动，就是要减小电感电流给定中的低频分量，即将电压环输出中800 Hz分量增益减小。可通过降低电压环截止频率，以滤除低频分量，但会影响变换器动态性能。基于此，在PI电压调节器的输出后加入一个谐振控制器(带阻)，也可将电压调节器设计成PR调节器，对800 Hz频率信号进行滤除，而不影响其他频段信号。
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