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(diǎn)，非隔離型并網(wǎng)逆變器在太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(diǎn)：(1)具有寬的直流輸入范圍；(2)具有最大功率點(diǎn)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(cè)保護(hù)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(shí)，還具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域研究的重要方向。目前國(guó)內(nèi)對(duì)非隔離型并網(wǎng)技術(shù)的研究取得了很大進(jìn)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(jí)變流結(jié)構(gòu)，前級(jí)是BOOST升壓電路，主要將太陽(yáng)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(shí)對(duì)太陽(yáng)能光伏陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制；后級(jí)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(jí)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(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，成本低；后級(jí)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(dòng)信號(hào)由半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2113驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)管，IR2113是上管通過自舉電容驅(qū)動(dòng)的上下橋臂驅(qū)動(dòng)芯片，輸入為共地的邏輯電平信號(hào)，具有峰值2 A的驅(qū)動(dòng)能力，可輸出使能控制信號(hào)，并且具有驅(qū)動(dòng)電壓低壓鎖存功能。采用前級(jí)BOOST升壓和后級(jí)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(jī)效率達(dá)到了97%以上。
2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    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(diǎn)處理器TMS320F2808，擁有64 KB的Flash程序存儲(chǔ)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(dá)36個(gè)I/O口，3個(gè)32 bit定時(shí)器，多達(dá)16個(gè)PWM輸出通道，其最高工作頻率可達(dá)到100 MHz[2]，能很好地滿足各種控制算法、信號(hào)處理等實(shí)時(shí)運(yùn)算的需求，實(shí)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(dòng)電路、電流電壓采樣電路、鎖相環(huán)電路，各種保護(hù)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(gè)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(cè)和保護(hù)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(hù)電路、輸入輸出過流保護(hù)、過熱保護(hù)電路等，保證了系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件流程圖設(shè)計(jì)
    主程序和中斷服務(wù)子程序流程圖如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)的A/D采樣、控制算法都在TMS320F2808中實(shí)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(hào)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(jìn)行最大功率點(diǎn)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(jìn)行數(shù)字濾波處理，通過無差拍并網(wǎng)電流控制公式計(jì)算出每個(gè)開關(guān)元件的占空比大小等。

3.2 光伏陣列功率點(diǎn)控制策略
      最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）是當(dāng)前較廣泛采用的光伏陣列功率點(diǎn)控制策略。實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的方法主要有恒壓法、擾動(dòng)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(dòng)觀察法。其原理是先擾動(dòng)輸出電壓值(U+ΔU)，再測(cè)量其功率變化，與擾動(dòng)之前功率值相比，若功率值增加，則表示擾動(dòng)方向正確，可朝同一(+ΔU)方向擾動(dòng)。若擾動(dòng)后的功率值小于擾動(dòng)前，則往相反（-ΔU)方向擾動(dòng)[4]。圖4即為擾動(dòng)觀察法最大功率跟蹤程序流程圖。
    由太陽(yáng)能模擬器測(cè)試該逆變系統(tǒng)的MPPT工作點(diǎn)，通過擾動(dòng)觀察法調(diào)節(jié)電壓值，使其達(dá)到最大功率點(diǎn)，圖5所示為MPPT控制過程，由圖可知功率點(diǎn)跟蹤效果非常好，太陽(yáng)能板的輸出效率達(dá)到99.86%。

3.3 并網(wǎng)控制策略
    并網(wǎng)控制策略主要有瞬時(shí)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(shí)響應(yīng)快、精度高、總諧波（THD）小等特點(diǎn)，是一種基于電路模型和狀態(tài)觀測(cè)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(shì)。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(jì)算出要達(dá)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(shí)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(shí)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(jì)算公式為：

 

4 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)，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(shí)驗(yàn)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(cè)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(fù)峰值A(chǔ)pk+、Apk-為11.103 A、-11.180 A，電壓正負(fù)峰值Vpk+、Vpk-為345.8 V、 -342.9 V。以上參數(shù)都符合設(shè)計(jì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)分析了控制系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)以及最大功率點(diǎn)跟蹤、并網(wǎng)、孤島保護(hù)控制策略。
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