3KW 单相光伏并网逆变器硬件设计

戈 波 杜昭平 江苏科技大学电子信息工程学院 江苏镇江 212003

【文章摘要】

基于非隔离型光伏并网逆变器的原理与控制策略，本文提出了3KW 单相两级式非隔离并网光伏逆变器硬件电路设计方案。详细介绍了辅助电源、DC/DC、DC/AC 硬件电路的设计。基于该方案研制了并网逆变器样机， 样机实验结果表明，该方案达到了逆变器设计要求。

【关键词】

光伏；非隔离；并网；逆变器

0 引言

随着世界经济的发展，能源问题日益突出，太阳能作为是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，有广阔发展应用前景，太阳能光伏发电作为太阳能的一种利用方式，为解决能源危机提供了新的思路。并网逆变器是光伏发电系统中的核心设备，直接影响光伏发电系统的转换效率、可靠性和并网电能的质量，所以研究光伏逆变器硬件电路的设计具有重大的现实意义。

工频隔离型光伏并网逆变器虽然实现了电压变换和电气隔离，安全性能好、可靠性高、还能有效的抑制进网电流直流分量。但是，工频变压器体积大、重量重、价格高，且MPPT 控制、并网控制、相位同步控制均在一个环节实现，算放复杂。因此本文选择了前级DC/DC 为BOOST 升压电路、后级为全桥的两级式非隔离型光结构。

1 单相光伏并网逆变器系统构成

图1 所示为本论文研究单相两级非隔离式光伏并网逆变系统，前级DC/ DC 变换器为Boost 升压电路，后级DC/ AC 变换器为全桥逆变电路。控制电路的主控芯片选择功能强大、运算速度快的TMS320F2812 DSP, 对DC/DC 环节的MPPT、DC/AC 环节直流母线电压稳定和逆变环节进行控制，使主电路输出与电网电压同频同相的正弦电流，进行并网。

2 硬件设计

研制的额定功率为3KW 样机的直流输入电压范围120V ～ 500V, 最大输入电流为11.5A, 额定输出交流电流13A，电网电压/ 频率为230V/50Hz。

2.1 辅助电源设计

辅助电源是逆变器最基本的组成部分，它为逆变器提供稳定、精准的供电。辅助电源拓扑采用双管反激电路，双管反激电路效率高、开关的电压应力小、输出纹波低，特别适合高电压输入。主控芯片采用NCP1351，它空载功耗低，空载时功耗小于0.3W，采用4 路输出：+15V、+12V、-12V、+7V，其中+15V 与+12V 经过TL431 与PC817 组成的反馈电路反馈到NCP1351 的第一脚。光伏电池板的最大输入电压为500V，并要留有一定的裕量，所以MOSFET 选择FQP8N90C(900V、6.3A)。辅助电源是从光伏电池板分压取电，当光伏电池板输出大于120V 时分压电阻的两端电压达到+15V 时，芯片启动， 反激电路开始工作。由于TMS320F2812 DSP 需要1.8V 和3.3V 供电，本设计中使用TPS7301 将7V 电压转换成3.3 V 和1.8V 给DSP 芯片供电。具体电路如图2 所示：

2.2 BOOST 电路设计

本文中的光伏电池板输出最大为500V，电网电压的最大值为

，并网时直流母线电压需要高于电网电压的最大值，由于光伏太阳能的输出受光照强度、温度等的影响，不能一直满足输出电压大于电网电压最大值的条件，因此本文提出的方案在光伏逆变器的前级引入了BOOST（升压）电路，目的是让直流母电压一直大于电网电压最大值。BOOST 电路中关键元器件包括电感L、MOSFET、二极管D 以及电容C。

①电感设计

为了能把光伏电池板的输出功率最大化，BOOST 电路选择连续工作模式，输入电压输出直流母线电压关系为： ，由于光伏电池板输入输出功率相等，因此也有： ，由于输入电流为流过电感的平均电流IL，因此： ，电感中的电压电流关系有： ， 因此电感的纹波电流为： ，

设

则：，当D=1/3 时， L 为最大值： 。

由，MOSFET 开关频率为20K，输出功率为3kW，电流纹波η 取0.25，则电感值为1.3mH, 在一般中会对电感设计一些余量，

取。

② MOSFET 与二极管的选择

本文选择英飞凌的SPW47N60C3 作为BOOST 电路的MOSFET，额定电压650V，额定电流47A。由于BOOST 电路中003

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的二极管需要有低通态压降和快速反向恢复特性，因此选用APT30DQ60BG，额定电压为600V，额定电流为30A。

③直流母线电容设计

直流母线电容主要作用为稳压以及滤除电压纹波。电容的电压电流关系为： ，因此有，

设，

则，， ,MOSFET 开关管为20kHz，取，电压纹波η 为0.001。

则。

一般在设计会一些余量，取， 则选用3 个470μF 和390μF 的500V 的NCC 电解电容并联使用。具体电路如图3 所示：

2.3 DC/AC 电路

在设计3KW 光伏逆变器中，采用的DC/AC 拓扑结构是全桥逆变电路，如图4 所示。其中上管Q11、Q13 选择的是开关频率最大为40KHz, 的IXGGH48N60A3D, 下管WQ2、WQ3 采用的是英飞凌的SPW20N60C3 作为BOOST 电路的MOSFET，额定电压650V， 额定电流20A，这样用的好处是提高整机的效率。

2.4 驱动电路的设计

考虑到驱动信号是从DSP 中输出的， 防止工作中开关管出现故障而烧坏控制芯片，需要在控制器和开关管之间加一个光耦来实现电气隔离，本文采用的是光耦有着优良性能是FOD3120SDV, 驱动电路设计如图5 所示：

3 光伏逆变器的软件设计

当系统达到启动电压120V 时，进入等待模式。在等待模式中对电网电压/ 频率进行检查，同时对ISO（绝缘阻抗）和GFCI （漏电流）进行检测。当有故障时，根据故障类型进入相应的故障模式。如果无故障时BOOST 电路开始工作，将直流母线电压升压到360V 以上，当等待时间变为0 时，模式进入正常模式，逆变器开始并网运行，向电网输送能量，MPPT 开始工作，此时出现故障时，同样根据故障类型进入相应的故障模式。当在正常模式时PV 电压不够，系统将还回等待模式。当故障可恢复时则将切换为等待模式。当出现不可恢复故障时例如ISO 故障、GFCI 故障，此时逆变器需进行检修。

4 实验结果

搭建实验平台，利用横河(YOKOGAWA) 数字功率分析仪对3KW 实验样机进行分析测试，其实验数据如图6 所示。实验数据显示THD（并网电流的总谐波失真）为1.91% 满足逆变器并网的要004

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