引言

随着近几年光伏发电不断受到重视，光伏逆变器的需求量也日益增加。文中给出了光伏逆变器A/D采样、锁相环、滤波器设计3项关键技术。根据所给硬件电路设计出一台300 W的单相逆变器样机，并实现并网。单相光伏逆变器拓扑结构如图1所示。

图1 单相逆变器拓扑结构

在图1中，用蓄电池模拟光伏电池板，其电压值为48 V，经过H桥和LCL滤波电路后调理为30 V的正弦电压信号，通过30/220的变压器升压，连接负载。DSP TMS320F28335控制回路采集电网电压、逆变电压、并网电流以及这三路过零后的方波信号。在TMS320F28335内部运算处理后输出4路SPWM信号和一路并网控制信号。并网控制信号驱动继电器进而驱动接触器，出于安全考虑，再经过断路器控制并网。

1A/D采样技术

1.1硬件部分

电压A/D转换器采样硬件电路如图2所示。

图2 电压A/D采样硬件电路

TMS320F28335的片内A/D转换器是一个16通道、12位分辨率的高速A/D转换器，其可以接收的电压范围为0~3 V，电网输出的220 V电压必须经过调理后才能输入到TMS320F28335。样机采用型号为TBV10/20X霍尔电压传感器，其额定输出为20 mA的电流信号，通过65 Ω的电阻后成为电压信号，再经过截止频率为100 Hz的二阶滤波器后为正弦电压信号，然后经过调理变为-1.5~1.5 V的电压信号，叠加TL431调理后的1.5 V直流电压，最终调整为0~3 V的TMS320F28335可以接受的电压信号。最右侧的两个二极管是A/D转换器保护电路，防止输入电压大于3.3 V而烧坏TMS320F28335。

电流采样电路中，采用霍尔电流传感器TBC05LX，此器件额定输出为-4~+4 V的交流电压信号，其电路和电压采样类似，经过滤波，偏置、抬高、限幅得到0~3 V的信号输入TMS320F28335。

1.2软件FFT（快速傅里叶）算法

TMS320F28335的A/D转换器采集的是一连串离散的点，采样后需要将这些离散信号与实际信号的有效值进行校准，FFT傅式算法[1]能够滤去恒定直流分量，并且对二次以上谐波有较好的滤波作用。在一个周期中，电压u(t)的傅里叶级数展开式为：

因为A/D采样信号为离散点，故对上式离散化为：

其中,N为载波比，n为信号中所含的谐波次数，um为所采集信号的基波有效值。

2锁相技术

在逆变器并网中，并网电流应与电网电压保持同频同相，所以锁相环是必不可少的。锁相分为软件锁相和硬件锁相。软件锁相可以方便系统控制软件的数据交换和调整，反应迅速，参数修改灵活，实际应用中多采用软件锁相[2]。

图3为软件锁相环结构框图。电网电压和逆变电流信号经过捕获上升沿，比较两者相位差，实时调整SPWM的载波周期值，使逆变电流跟踪电网电压相位。

图3 锁相环结构框图

2.1锁相硬件电路

图4为采样后的捕获电路，此电路把0~3 V的正弦波经整形、滤波调理为方波，供TMS320F28335捕获其上升沿。在图4中将正弦信号放大10 000倍，取其底部近似为方波。经验证，方波上升沿和下降沿延时大概为50 μs，相对于电网电压周期可以忽略，实际电路波形如图5所示，过零检测效果良好。

图4 电压捕获电路图

图5 捕获电路仿真和实测波形

2.2软件编程思路

利用硬件电路调理后将方波信号输入到TMS320F28335，利用TMS320F28335的eCAP模块捕获方波的上升沿，每两次上升沿之间时间即为逆变器输出电流周期。如图6所示，通过捕获电网电压和逆变后的电流过零时刻点，计算出电网电压相位θv和逆变后电流θi之差θd，相差调节器输出ΔT叠加到一个工频正弦信号周期Tb上，其结果作为并网电流指令周期T，根据频率和相位的积分关系得到并网电流指令信号θi。通过不断调节SPWM的载波频率最终准确跟踪电网电压，保持两者同频同相。另外由于同步信号容易受到干扰，在软件中应加入滤波程序[3]。

图6 光伏并网锁相环控制图

3主电路滤波器设计

3.1硬件电路分析

对于LCL滤波器有几个约束条件,包括滤波电容C、电感、电流纹波、电感L1和L2比值、谐振频率和电感磁环。

3.1.1滤波电容C的确定

在并网逆变器LCL滤波器设计中，电容产生的无功频率一般限制在系统额定功率的5%以内。

由图7可知

因为ωL2I≤US·5%,所以Us+jωL2I≈Us。

3.1.2L1+L2总电感确定

对于基波电流，其通道不经过电容，电路可以简化为图8所示的模型，其中L为总电感。

图7 逆变器简化模型

图8 基波下的等效电路

3.1.3电流纹波的限制

在滤波器中，桥臂侧电流纹波主要由桥臂侧电感来抑制，桥臂侧电感参数主要由桥臂侧电流纹波含量要求来设计。设一个开关周期为T，开通时间和关断时间分别为T1、T2，则：

式中,Udc为直流电压，Ui为逆变电压。在工程中一般取电流纹波大小不超过额定电流的20%,取T1=T2,Δi1≤Δimax≤20%I,所以

3.1.4L1和L2比值的确定

由参考文献[4]可知，L2L为0.2~0.4时，LCL滤波器对并网谐波幅值衰减比较大，并且谐振频率不会引起工频振荡。

3.1.5谐振频率的限制

与LC滤波器相比，LCL滤波器在截止频率处会有一个谐振尖峰。通常情况下，谐振频率可参考下式：

其中，fr 为信号波频率，fc为载波频率。

3.1.6电感磁环的影响

电感磁环材料尽量选择铁硅铝磁环，相对于铁氧体磁环，铁硅铝的磁通量是其2倍以上，且在高功率时，能提供更好的容错特性。在边缘损耗方面，铁硅铝不会产生边缘损耗。相同参数下两种磁环绕制电感滤波性能比较如图9所示。

图9 相同参数下铁氧体磁环和铁硅铝磁环绕制电感滤波性能比较

3.2仿真与实际波形

在300 W试验样机中，直流侧为48 V蓄电池，代入式（6）、式（8）、式（10）可求解滤波器参数为：c≤16 μF,L≤1.3 mH,L1min=0.6 mH。综合以上约束条件，主电路中选择电感L1为0.8 mH，L2为0.5 mH,电容为10 μF。此时L2/L=0.38，fres=2 567符合要求。其仿真与实验波形如图10所示。

图10 LCL滤波效果仿真和实测波形

结语

本文主要介绍了单相光伏逆变器A/D采样硬件电路和软件算法、锁相环硬件和编程思路、滤波器设计方法3项关键技术。按照文中所提供的参数，研制了一台300 W的试验样机。图11为样机并网电流跟踪电网电压仿真和实测波形，由图可知，并网电流追踪电网电压效果良好。

图11 电流跟踪电压仿真和实测并网波形