近年來，應用于可再生能源的并網逆變技術在電力電子技術領域形成研究熱點，非隔離型并網逆變器在太陽能光伏、風力發電等新能源系統中具有廣闊前景。太陽能、風能發電的重要模式是并網發電，并網逆變技術是太陽能光伏并網發電的關鍵技術。光伏并網發電系統的逆變器主要基于以下技術特點：(1)具有寬的直流輸入范圍；(2)具有最大功率點跟蹤；(3)并網逆變器輸出電流與電網電壓同頻同相，波形畸變小，滿足電網質量要求；(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要求的同時，還具有體積小、重量輕、成本低等優點，已成為光伏并網逆變器領域研究的重要方向。目前國內對非隔離型并網技術的研究取得了很大進展，但在EMI/EMC、效率、系統穩定性、漏電流等方面還有待改善。

1 非隔離型并網逆變器結構及工作原理
    非隔離型并網逆變器如圖1所示，主電路分為兩級變流結構，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的穩定的高壓直流電，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，把穩定的高壓直流電逆變成與電網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，采用光耦驅動方式，結構簡單，效率高，成本低；后級全橋逆變電路的PWM調制采用單極性脈寬調制控制方式，兩上橋臂功率器件采用導通壓降低的慢速型IGBT，工作頻率為50 Hz；兩下橋臂采用開關損耗小的快速型IGBT，工作頻率為20 kHz。逆變驅動信號由半橋驅動芯片IR2113驅動同一橋臂的上下兩個開關管，IR2113是上管通過自舉電容驅動的上下橋臂驅動芯片，輸入為共地的邏輯電平信號，具有峰值2 A的驅動能力，可輸出使能控制信號，并且具有驅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合的全數字化控制方式，使逆變器整機效率達到了97%以上。
2 控制系統的硬件設計
    本文研究的并網逆變器系統控制核心是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，實現逆變器系統的高精度調節。
    圖2為非隔離型并網逆變器控制系統的結構圖。并網逆變器控制系統主要包括DSP及其外圍電路、驅動電路、電流電壓采樣電路、鎖相環電路，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的安全性和可靠性，DSP控制系統設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，保證了系統安全可靠地運行。

3 控制系統的軟件設計
3.1 軟件流程圖設計
    主程序和中斷服務子程序流程圖如圖3所示，整個系統的A/D采樣、控制算法都在TMS320F2808中實現。在主程序中，主要完成一些狀態的判斷，如開關信號的開啟與關斷、SPI通信等功能。關鍵的控制算法和A/D采樣均在電網電壓捕獲中斷服務子程序和PWM中斷服務子程序中完成。在電網電壓捕獲中斷服務子程序中，完成A/D采樣及數字濾波處理，調用PI恒壓控制子程序控制直流母線電壓，調用MPPT控制子程序進行最大功率點跟蹤，調用鎖相環子程序實現輸出電流與電網電壓同頻同相等。在PWM中斷服務子程序中，完成A/D采樣并進行數字濾波處理，通過無差拍并網電流控制公式計算出每個開關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）是當前較廣泛采用的光伏陣列功率點控制策略。實現最大功率點跟蹤的方法主要有恒壓法、擾動觀察法（P&O）、增加電導法(INC)等[3]。
    本文在非隔離光伏逆變器系統中采用擾動觀察法。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的MPPT工作點，通過擾動觀察法調節電壓值，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 并網控制策略
    并網控制策略主要有瞬時PID控制、重復控制及無差拍控制等，本文的非隔離型并網逆變系統中采用基于電流無差拍控制的PWM方法。無差拍控制（Deadbeat Control）具有瞬時響應快、精度高、總諧波（THD）小等特點，是一種基于電路模型和狀態觀測器的控制方法[5]。
    無差拍控制與傳統的PI控制算法相比，能更大限度地發揮數字控制器的優勢。無差拍控制的基本思想是根據本周起以前的采樣值，用模型計算出要達到指定的狀態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。不斷調整每一采樣周期內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，從而在很低的開關頻率下，也能得到高質量的輸出電流波形[6]。
    無差拍并網控制的計算公式為：

 

4 實驗波形與分析
    根據上述方案，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電壓波形。由實驗波形可知，并網逆變器輸出電流波形與電網電壓同頻同相，用電參數分析儀器測得的電
流諧波Athd為3.1%，功率因數PF為0.998，輸出電流直流分量Adc為26.28 mA，電流正負峰值Apk+、Apk-為11.103 A、-11.180 A，電壓正負峰值Vpk+、Vpk-為345.8 V、 -342.9 V。以上參數都符合設計的要求，在允許誤差范圍內，波形畸變小，滿足電網質量要求，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逆變器結構及原理，通過實驗分析了控制系統的軟硬件實現以及最大功率點跟蹤、并網、孤島保護控制策略。
參考文獻
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