近年來，應(yīng)用于可再生能源的并網(wǎng)逆變技術(shù)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域形成研究熱點，非隔離型并網(wǎng)逆變器在太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電等新能源系統(tǒng)中具有廣闊前景。太陽能、風(fēng)能發(fā)電的重要模式是并網(wǎng)發(fā)電，并網(wǎng)逆變技術(shù)是太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器主要基于以下技術(shù)特點：(1)具有寬的直流輸入范圍；(2)具有最大功率點跟蹤；(3)并網(wǎng)逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，波形畸變小，滿足電網(wǎng)質(zhì)量要求；(4)具有孤島檢測保護功能；(5)逆變效率高。非隔離型光伏逆變器在滿足以上技術(shù)要求的同時，還具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，已成為光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域研究的重要方向。目前國內(nèi)對非隔離型并網(wǎng)技術(shù)的研究取得了很大進展，但在EMI/EMC、效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、漏電流等方面還有待改善。

1 非隔離型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及工作原理
    非隔離型并網(wǎng)逆變器如圖1所示，主電路分為兩級變流結(jié)構(gòu)，前級是BOOST升壓電路，主要將太陽能板輸入的低壓直流電升壓為適合并網(wǎng)的穩(wěn)定的高壓直流電，同時對太陽能光伏陣列進行最大功率點跟蹤控制；后級為全橋逆變電路，把穩(wěn)定的高壓直流電逆變成與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電。

    前級BOOST升壓電路采用MSOFET作為功率器件，工作頻率為20 kHz，采用光耦驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，成本低；后級全橋逆變電路的PWM調(diào)制采用單極性脈寬調(diào)制控制方式，兩上橋臂功率器件采用導(dǎo)通壓降低的慢速型IGBT，工作頻率為50 Hz；兩下橋臂采用開關(guān)損耗小的快速型IGBT，工作頻率為20 kHz。逆變驅(qū)動信號由半橋驅(qū)動芯片IR2113驅(qū)動同一橋臂的上下兩個開關(guān)管，IR2113是上管通過自舉電容驅(qū)動的上下橋臂驅(qū)動芯片，輸入為共地的邏輯電平信號，具有峰值2 A的驅(qū)動能力，可輸出使能控制信號，并且具有驅(qū)動電壓低壓鎖存功能。采用前級BOOST升壓和后級逆變部分高低頻結(jié)合的全數(shù)字化控制方式，使逆變器整機效率達到了97%以上。
2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    本文研究的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)控制核心是TI公司推出的高性能32 bit定點處理器TMS320F2808，擁有64 KB的Flash程序存儲器和18 KB的單口RAM， 16通道電壓型的12 bit A/D轉(zhuǎn)換接口，多達36個I/O口，3個32 bit定時器，多達16個PWM輸出通道，其最高工作頻率可達到100 MHz[2]，能很好地滿足各種控制算法、信號處理等實時運算的需求，實現(xiàn)逆變器系統(tǒng)的高精度調(diào)節(jié)。
    圖2為非隔離型并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)主要包括DSP及其外圍電路、驅(qū)動電路、電流電壓采樣電路、鎖相環(huán)電路，各種保護電路等。電流電壓采樣電路包括PV輸入電流電壓采樣電路、逆變輸出電流采樣電路、電網(wǎng)電壓采樣電路、直流母線電壓采樣電路。另外為保證整個系統(tǒng)的安全性和可靠性，DSP控制系統(tǒng)設(shè)置了完善的檢測和保護電路，包括PV輸入電壓、直流母線電壓、電網(wǎng)電壓過壓欠壓保護電路、輸入輸出過流保護、過熱保護電路等，保證了系統(tǒng)安全可靠地運行。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3.1 軟件流程圖設(shè)計
    主程序和中斷服務(wù)子程序流程圖如圖3所示，整個系統(tǒng)的A/D采樣、控制算法都在TMS320F2808中實現(xiàn)。在主程序中，主要完成一些狀態(tài)的判斷，如開關(guān)信號的開啟與關(guān)斷、SPI通信等功能。關(guān)鍵的控制算法和A/D采樣均在電網(wǎng)電壓捕獲中斷服務(wù)子程序和PWM中斷服務(wù)子程序中完成。在電網(wǎng)電壓捕獲中斷服務(wù)子程序中，完成A/D采樣及數(shù)字濾波處理，調(diào)用PI恒壓控制子程序控制直流母線電壓，調(diào)用MPPT控制子程序進行最大功率點跟蹤，調(diào)用鎖相環(huán)子程序?qū)崿F(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相等。在PWM中斷服務(wù)子程序中，完成A/D采樣并進行數(shù)字濾波處理，通過無差拍并網(wǎng)電流控制公式計算出每個開關(guān)元件的占空比大小等。

3.2 光伏陣列功率點控制策略
      最大功率點跟蹤（MPPT）是當(dāng)前較廣泛采用的光伏陣列功率點控制策略。實現(xiàn)最大功率點跟蹤的方法主要有恒壓法、擾動觀察法（P&O）、增加電導(dǎo)法(INC)等[3]。
    本文在非隔離光伏逆變器系統(tǒng)中采用擾動觀察法。其原理是先擾動輸出電壓值(U+ΔU)，再測量其功率變化，與擾動之前功率值相比，若功率值增加，則表示擾動方向正確，可朝同一(+ΔU)方向擾動。若擾動后的功率值小于擾動前，則往相反（-ΔU)方向擾動[4]。圖4即為擾動觀察法最大功率跟蹤程序流程圖。
    由太陽能模擬器測試該逆變系統(tǒng)的MPPT工作點，通過擾動觀察法調(diào)節(jié)電壓值，使其達到最大功率點，圖5所示為MPPT控制過程，由圖可知功率點跟蹤效果非常好，太陽能板的輸出效率達到99.86%。

3.3 并網(wǎng)控制策略
    并網(wǎng)控制策略主要有瞬時PID控制、重復(fù)控制及無差拍控制等，本文的非隔離型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中采用基于電流無差拍控制的PWM方法。無差拍控制（Deadbeat Control）具有瞬時響應(yīng)快、精度高、總諧波（THD）小等特點，是一種基于電路模型和狀態(tài)觀測器的控制方法[5]。
    無差拍控制與傳統(tǒng)的PI控制算法相比，能更大限度地發(fā)揮數(shù)字控制器的優(yōu)勢。無差拍控制的基本思想是根據(jù)本周起以前的采樣值，用模型計算出要達到指定的狀態(tài)和輸出所需要的方波脈沖寬度和極性，使輸出的電流值與下一采樣時刻值相吻合。不斷調(diào)整每一采樣周期內(nèi)方波脈沖的極性與寬度，就能使輸出的實際的電流波形接近于指令電流波形，從而在很低的開關(guān)頻率下，也能得到高質(zhì)量的輸出電流波形[6]。
    無差拍并網(wǎng)控制的計算公式為：

 

4 實驗波形與分析
    根據(jù)上述方案，搭建完成額定功率為3 kW的實驗樣機，圖8為逆變器在額定功率下的輸出電流波形和電網(wǎng)電壓波形。由實驗波形可知，并網(wǎng)逆變器輸出電流波形與電網(wǎng)電壓同頻同相，用電參數(shù)分析儀器測得的電
流諧波Athd為3.1%，功率因數(shù)PF為0.998，輸出電流直流分量Adc為26.28 mA，電流正負峰值A(chǔ)pk+、Apk-為11.103 A、-11.180 A，電壓正負峰值Vpk+、Vpk-為345.8 V、 -342.9 V。以上參數(shù)都符合設(shè)計的要求，在允許誤差范圍內(nèi)，波形畸變小，滿足電網(wǎng)質(zhì)量要求，從而驗證了該方案的合理性和有效性。

    本文分析了非隔離型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及原理，通過實驗分析了控制系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)以及最大功率點跟蹤、并網(wǎng)、孤島保護控制策略。
參考文獻
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