组串式非隔离光伏并网逆变器设计研究

组串式非隔离光伏并网逆变器设计研究

张林江

上能电气股份有限公司 518000

摘要：本文提出了一种组串式非隔离光伏并网逆变器的设计方案，在简述该并网逆变器的总体设计思路的基础上，主要从主电路设计、检测电路设计、正弦脉冲宽度调制软件程序、数字锁相环这几方面入手，对该组串式非隔离光伏并网逆变器的设计方案具体内容作出阐述。

关键词：组串式非隔离逆变器；交错并联双Boost电路；数字锁相环

引言：在当前太阳能利用领域的研究中，组串式逆变器为研究热点内容，依托这种逆变器的应用，可以在电网中以交流电的形式并入由光伏板所生成的直流电。同时，并网逆变器的性能与电网运行稳定性之间有着极为紧密的联系，在增强发电质量、提升转换效率方面发挥着重要作用，需要着重落实优化设计。

一、组串式非隔离光伏并网逆变器的总体设计思路分析

本研究中提出的组串式非隔离光伏并网逆变器主要由主电路、外围电路、主控制芯片等结构组成。其中，主电路模块中包含着前级电路、后级电路、滤波电路等结构。设计中，前级电路主要选用交错并联双Boost电路；后级电路主要选用H6逆变桥拓扑电路。光伏板检测电路、电网电压及输出电流检测电路、过零检测电路、开关器件驱动电路、过流保护电路、辅助电源电路等包含在主电路以外的电路（检测电路）构成本逆变器的外围电路模块，在实际的运行过程中，主要承担着为主电路提供辅助功能支持的任务，促使光伏板电压的逆变顺利落实。

同时，在本次光伏并网逆变器的设计与构建过程中，设定型号为TMS320F28335的数字信号处理器作为主控制芯片^[1]，其在本光伏并网逆变器的实际运行过程中主要支持以下操作的实现，即有：结合变步长电导增量法在电路中的应用，实现跟踪功率点；采集、整合所有环节中所生成电流电压信号；支持数字锁相环算法在光伏并网逆变器运行中的应用；合理导通或关断电路前级、后级中所包含着的所有电子开关器件。

另外，对该光伏并网逆变器的主要参数作出如下设定：设定电网电压的额定数值为220V；控制输入电压的数值维持在100V-300V；设定输出功率的最大数值为1kW；设定电网频率的额定数值为50Hz±1%；设定输出电流的最大数值为4.5A；控制电流畸变率保持在不高于5%。

二、组串式非隔离光伏并网逆变器的具体设计方案分析

（一）主电路设计

第一，前级电路设计。本光伏并网逆变器的前级电路主要选用交错并联双Boost电路，设定400V为直流母线的电压参数值；出于对预留余量的考量，设定650V为电路中二极管构件、开关元件的电压额定值；设定10A为输入电流的最大值，此时，变换器各个分支电路的电流额定值为5A；出于对预留余量的考量，设定10A-13A为电路中二极管构件、开关元件的电流额定值。在实际运行中，交错并联双Boost电路的电感主要承担起抑制电流纹波的任务，设定2.5A为电流纹波的峰值，因此将这一电感值设置为1mH。

第二，后级电路设计。本光伏并网逆变器的后级电路主要选用H6逆变桥拓扑电路，其中，400V（直流母线电压）为该电路可以承受的反向电压最大值，出于对预留余量的考量，设定650V为该电路中的开关元件的电压额定值；200V为电网电压的最小值，对应点电流最小值为7.07A，出于对电流纹波的考量，设定9A为电流的最大值。同时，出于对预留余量的考量，设定12A-25A为该电路中开关元件的电流额定值。

第三，滤波电路设计。电流由后级电路输出后进入滤波电路，由其完成对电流的滤波处理，减缓输出电流冲击的同时，实现对部分电流波动的有效抑制。

（二）检测电路设计

第一，光伏板检测电路。在实际的运行过程中，该电路主要对逆变器输入的电压实施转换处理，促使相应输入电压维持在0-3.3V的范围内，并在此基础上传递至主控制芯片内实施后续操作。第二，电网电压及输出电流检测电路。该电路主要对电网的电压峰值、相位、频率等信号实施实时性获取的操作，同时对这些采集到的信号进行整理分析，实现对本光伏并网逆变器系统运行正常水平的有效维护。第三，过零检测电路。上一电路中输出的信号为过零检测电路的输入信号，结合外围电阻的作用，与基准电压连接并传递至芯片内，并由三极管完成电平翻转操作，以此确保电网电压与输出方波信号之间保持一致性^[2]。第四，开关器件驱动电路。对控制芯片输出的信号实施放大处理，确保其满足开关器件的现实驱动要求；隔离各个回路之间的电器，降低互相干扰所带来的负面影响。第五，过流保护电路。该电路主要承担着在发生故障后促使光伏并网逆变器转入运行停止状态，以此避免生成更为严重的损失。第六，辅助电源电路。该电路主要承着维护本光伏并网逆变器系统运行正常的任务，并提供充足的电能支持。

（三）正弦脉冲宽度调制软件程序

主程序、脉冲宽度调制中断子程序是正弦脉冲宽度调制软件程序中所包含着的两种主要程序类型。其中，主程序的流程如下所示：对系统时钟以及全局变量展开初始化处理；对寄存器进行初始化处理，全面剔除中断标志；对cPWM模块实施优化配置，促使比较操作转入启动状态；开中断，进行IDLE循环。这一程序在实际的运行过程主要承担着对系统实施初始化处理、配置各个功能模块的任务。脉冲宽度调制中断子程序的流程如下所示：开启中断子程序；实施现场保护；对计数比较寄存器的数值进行更新处理；全面剔除中断标志位；返回主程序后，标志着中断子程序转入结束运行状态。这一程序在实际的运行过程主要承担着全面剔除中断标志位、实时性更新寄存器数值的任务。

（四）数字锁相环

当前常用的锁相环形式相对较多，在本次光伏并网逆变器的设计中，出于对性能良好、反应快速且灵活的考量，主要选用数字锁相环。在实际的运行过程中，钳位电路对存在于电网一侧的大电流、大电压实施处理，随后将这些经过处理的电压与电流传递至控制回路内；此时，直接转入回路内包含着的cCAP模块，依托这一功能模块分析处理相应电流与电压信号，并转化为方波信号输出。在此过程中，如果发现电网电压测的电流频率比并网电流频率更高，则需要对TBPRD值实施适当的下调处理，由此达到提升三角波频率的效果。依托这样的处理，可以促使电网电压测的电流频率与并网电流频率保持在长期一致的水平。如果发现电网电压测的电流频率与并网电流频率之间的差值超出可调节范畴，那么应当对CMPA参数实施修正处理，从而达到调节效果。

总结：综上所述，实践中，依托型号为TMS320F28335的数字信号处理器的引入，配合基于交错并联双Boost电路与H6逆变桥拓扑电路的主电路以及光伏板检测电路、电网电压及输出电流检测电路、过零检测电路、开关器件驱动电路等一系列辅助电路的设计，加入正弦脉冲宽度调制软件程序及数字锁相环，实现对组串式非隔离光伏并网逆变器的优化搭建。

参考文献：

[1]王渝红,叶葳,宋瑞华,等.基于阻抗分析法的三相LCL型并网逆变器附加有源阻尼设计[J].高电压技术,2021,47(08):2645-2656.

[2]杨立永,杜凯,常奥宇,等.L+LCL型双频单相并网逆变器参数设计及控制方法研究[J].太阳能学报,2021,42(08):57-65.