CN110474366A - 一种用于三相三电平光伏并网逆变器的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于三相三电平光伏并网逆变器的控制系统，其包括主功率板、驱动板、隔离驱动电源板、电压电流采样板以及DSP控制系统组成；驱动板上设有驱动电路；隔离驱动电源板通过板对板接插件插在驱动板上，为驱动板上的四个驱动IC供电，然后驱动板再通过板对板接插件插在主功率板上来驱动各IGBT模块，主功率板经电感滤波器后与电压电流采样板连接，采样板上设有采集电网电压和并网电流的采样电路以及软启电路，软启电路用于对主功率板上的直流母线电容进行预充电，直流母线电压采样电路来分别采集直流母线上端和下端电容的直流电压。本申请将各个硬件构成标准化、模块化，将其独立隔离开来，更有利于光伏逆变器产品的发展。

Description

一种用于三相三电平光伏并网逆变器的控制系统

技术领域

本发明涉及逆变器的控制系统，尤其是一种用于三相三电平光伏并网逆变器的控制系统。

背景技术

随着环境、能源问题的日益突出，可再生能源的利用是世界各国关心的共同焦点。而电力电子、电能变换技术是其发展的基础和关键环节，我国电力电子技术、电能变换技术经过几十年的发展，已经取得了显著的成效，光伏逆变器等新能源电能变换装置日臻成熟，高效率、模块化、定制化、绿色化成为其发展的必然趋势。

为获得更高的转换效率和电网质量，光伏逆变器具体涉及以下关键技术：

(1)变换器新型拓扑技术

电力电子器件是变换器的基础，目前电力电子器件的工艺水平仍不能满足一些特定场合的需要，如大功率领域高频、高压和低EMI，对逆变技术仍是一个挑战。因此，发展新的电路结构，研究新的控制技术，提高功率变换器的效率、改善并网质量也是并网逆变技术发展的重要方向。目前来说，高效能光伏逆变器采用单级的三电平逆变结构，并运用谐振软开关技术，可提高效率，降低器件耐压，减小谐波，简化滤波器设计，是目前高效能光伏逆变器的研究发展方向。

(2)性能和成本的优化技术

光伏逆变器的性能和成本已经成为光伏系统不容忽视的重要指标，因此，采用高效的功率转换技术，优化的系统性能指标设计，将高效、高性能的光伏逆变器产品应用于光伏并网发电领域，使光伏能源的利用率提高，降低损耗，降低逆变器生产和维护成本，是目前大功率光伏逆变器的研究发展方向。高效能光伏逆变器采用模块化设计，可以简化设计，易于维护，实现规模化生产，从而降低生产成本和研发成本，推动实现大功率光伏逆变器的产业化应用。

(3)数字控制策略

数字控制具有灵活、稳定、易于升级、简化硬件电路等特点，因此数字控制技术在光伏逆变器得到快速发展。在一定的拓扑电路基础下，将一些先进控制策略和控制方法引入光伏逆变器，改善了光伏逆变器电能变换的动态性能，如锁相环电压控制、矢量控制、解耦控制、神经网络、滑模变结构等控制策略在改善光伏逆变器动态性能、提高效率方面起到了良好的效果。

为了提高转换效率和改善并网性能，满足高压大功率场合的应用，以及缩短开发周期，加快产品的研发，减少开发投入，主要通过以下几种技术方式。这也是该产业以后研究的方向与技术难点。

(1)光伏逆变系统分布模块式设计技术难点

光伏逆变电源的模块化、标准化可大大减少光伏逆变电源产品研发投入、加快研发进程。技术难点和研究重点在于如何实现分布式变换器本身的分割，研制100kW等级的大功率逆变模块。底层的基本单元是其硬件基础，合适的基本单元是非常重要的。因此，模块化、标准定制化是光伏逆变器产品的主要发展趋势，相关技术的研究也是拟突破的关键难点。

(2)光伏发电系统整体优化设计技术难点

传统的光伏电站设计，光伏电池和光伏逆变器的选择是分开评价的，往往需要客户经过多种组合测试和长时间考核，才能够分出优劣，但标准的光伏逆变器是无法根据选用的光伏电池特性和当地气候实际情况进行优化的，即无法达到系统配置的最佳性能。

发明内容

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本申请的一个方面，提供一种用于三相三电平光伏并网逆变器的控制系统，该系统包括主功率板、驱动板、隔离驱动电源板、电压电流采样板以及DSP控制系统组成；驱动板上设有驱动电路；隔离驱动电源板通过板对板接插件插在驱动板上，为驱动板上的四个驱动IC供电，然后驱动板再通过板对板接插件插在主功率板上来驱动各IGBT模块，主功率板经电感滤波器后与电压电流采样板连接，采样板上设有采集电网电压和并网电流的采样电路、以及软启电路，软启电路用于对主功率板上的直流母线电容进行预充电，直流母线电压采样电路来分别采集直流母线上端和下端电容的直流电压。

其中，主功率板上包括三电平IGBT模块、直流母线电容和栅极驱动电阻等驱动外围；为了降低直流母线的寄生电感，提高系统性能，主功率板采用四层PCB板结构，省去了吸收电路，主电路四层PCB板的板层安排如下：上层用于驱动接口电路的信号层和三相交流输出的走线，内电层1为直流正极平面，内电层2作为直流中点平面，底层为直流负极平面。直流输入端子、三电平IGBT模块、直流母线电容均直接连接于各电源平面上，直流侧的寄生电感被控制在很小的范围内，有效降低直流母线上的电压尖峰。

优选的，三电平IGBT模块选取Infineon公司的F3L75R07W2E3_B11型三电平IGBT功率模块实现。

直流母线电容的选取EPCOS公司的680μF/400V铝电解电容，两串两并后耐压为800V，等效容值为680μF。

由于每一桥臂(模块)需要四路驱动，需要采用适用于所选三电平IGBT模块的驱动电路设计，驱动芯片的外围组件应尽可能少，保证较小的PCB尺寸。驱动电路所具备的保护功能如欠压锁定和短路保护等要与三电平IGBT模块相匹配。同时典型的IGBT驱动电路应具有隔离的输入、输出信号功能，并且要求信号在驱动电路内无传输延迟或延迟很小，本申请选用的驱动芯片ACPL-332J可以轻松满足这些要求。

采样与保护电路设计如下：

针对直流母线电压采样电路：为了对直流母线侧电容中点平衡情况进行实时监控及提供过压保护，需要分别对直流母线两侧电容进行电压采样。直流母线电压的采样电路由多个1％精密电阻串联构成的分压电路和高精度运放TL074构成的差分电路组成。

针对并网电流采样电路：电流传感器在实现光伏并网逆变器的反馈控制、系统保护、参数显示等多种功能中起着非常重要作用，所以在选择电流互感器时必须注重其精确度和稳定性。本申请采用德国VAC公司的4644-X300型电流传感器对并网电流进行采样，该电流互感器在传统的闭环霍尔电流传感器的基础上，采用具有专利技术的非晶软磁片代替传统的霍尔片，从而获得卓越的性能，与传统霍尔电流传感器相比，它具有精确度高、温度特性好、相应速度快、频带范围宽等优点。该该传感器采用±15V双电源供电，为电流输出方式，所以其输出信号需先通过采样电阻进行电流一电压转换，然后经阻抗匹配、比例、电压提升、滤波转化为能被DSP所接受的信号。

针对电网电压采样电路：并网逆变器实现并网控制的另一重要环节是电网电压的采样，电压互感器的精确度和稳定性也尤为重要。本申请采用耀华德昌公司的TV19G型电压互感器，该互感器为真空环氧灌装，直接焊接在PCB电路板上，全封闭，抗电强度达10KV，并采用坡膜合金铁芯，其线性度优于0.2％。同样，该电压互感器也为电流输出方式，其后级处理与输出电流采样电路相似。

此外，本申请的控制系统还针对电源进行了如下设计：

光伏并网逆变器的硬件系统由多个电路板组成，每个电路板上均需要多种直流电源，各路电源都有不同的稳定性要求，即便是需要相同直流电压的不同PCB板，其需要的电流大小也不相同，采用单模块多路输出的电源方案，很难满足这种要求，模块电源中各路输出间存在交叉干扰，无法同时保证各路电源输出的稳定性。本申请采用分布式直流电源系统，该电源系统由一个AC/DC开关电源(交流前段电源模块)和多个DC/DC变换模块组成，交流前段将交流转换为12V的直流电压，作为分布式直流电源的总线。将直流总线连接到逆变器硬件系统的不同PCB板上，再由板载的DC/DC模块产生各功能电路需要的不同直流电压，如3.3V，±15V，5V等。

分布式直流电源系统适应性强，具有很好可靠性与电磁兼容性，系统的各部分电源独立，局部功率较小，对直流总线的电源质量要求不高，后端的DC/DC模块保证了输出电压的稳定性，各子系统就地供电，电源环路小，线路阻抗的影响小，抗干扰能力强，各电源终端的电流波动不会相互影响，相互之间不会有电流冲击干扰。

本申请还针对上述硬件构成设计了适合于三相三电平光伏并网逆变器的DSP控制系统，该DSP控制系统以TI公司的TMS320F28335为控制核心，控制系统由DSP28335核心板和底板组成，底板的作用是作为控制核心和逆变器之间的转接板(AdapterBoard)，在转接板上设计了信号调理电路和PWM接口电路以及系统的人机交互界面接口，如串行通信、键盘、显示等。根据三相三电平逆变器的12路PWM信号特点以及三电平桥臂的死区要求，对DSP输出的PWM信号进行了合理的配置。

本申请通过上述方案，与现有技术相比，具有如下优点：将各个硬件构成标准化、模块化，将其独立隔离开来，更有利于光伏逆变器产品的发展；此外，传统的光伏电站设计，光伏电池和光伏逆变器的选择是分开评价的，往往需要客户经过多种组合测试和长时间考核，才能够分出优劣，但标准的光伏逆变器是无法根据选用的光伏电池特性和当地气候实际情况进行优化的，即无法达到系统配置的最佳性能，本申请通过将光伏发电系统的逆变器系统设计和电站应用配置设计综合考虑，进行整体设计，并结合系统设计、结构设计、热设计、EMC设计等，实现光伏发电系统整体的性能最优和成本最优。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1为本发明的控制系统结构框图；

图2为主功率电路拓扑结构；

图3为IGBT模块外管的驱动电路；

图4为IGBT模块内管的驱动电路；

图5为信号时序图；

图6为下管因米勒电容发生寄生导通；

图7为隔离驱动电源电路；

图8为直流母线电压采样电路；

图9为输出电流采样电路；

图10为电网电压采样电路；

图11为过流保护电路；

图12为三电平逆变器可能出现的故障机理；

图13为DSP控制系统结构框图；

图14为信号调理电路；

图15为A相桥臂开关管的PWM信号分配。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本申请的三相三电平光伏并网逆变器的整体结构框图如图1所示，整个硬件平台由主功率板，驱动板，隔离驱动电源板，电压电流采样板，DSP控制系统组成。进行了三电平IGBT模块的选型，安装工艺与PCB板设计；隔离IGBT驱动及其电源设计；电压电流采样电路、过流保护电路等功能电路的设计以及对该硬件系统的可靠性与电磁兼容研究，并实施于具体电路的设计和PCB板绘制中。

其中，隔离驱动电源板通过板对板接插件插在驱动板上为驱动板上的四个驱动IC供电，然后驱动板再通过板对板接插件插在主功率板上来驱动各IGBT模块，主功率板经电感滤波器后与电压电流采样板连接，采样板上除了电网电压，并网电流的采样电路外，还包括软启电路来为主功率板上的直流母线电容进行预充电，直流母线电压采样电路来分别采集直流母线上端和下端电容的直流电压，以及硬件过流保护电路，并网控制继电器等等。本章重点是主功率板、驱动板、隔离驱动电源板和电压电流采样板中主要电路的设计，以及整个系统的可靠性和电磁兼容设计要点等。

1、主功率电路的设计

主功率板上包括三电平IGBT模块，直流母线电容，栅极驱动电阻等驱动外围，为了降低直流母线的寄生电感，提高系统性能，主功率板采用四层PCB板结构，省去了吸收电路，主电路四层PCB板的板层安排如下：上层用于驱动接口电路的信号层和三相交流输出的走线，内电层1为直流正极平面，内电层2作为直流中点平面，底层为直流负极平面。直流输入端子、三电平IGBT模块、直流母线电容均直接连接于各电源平面上，直流侧的寄生电感被控制在很小的范围内，有效降低直流母线上的电压尖峰。

1.1、IGBT模块的选取

本申请采用拓扑结构为二极管箝位式的三电平逆变器，如图2所示。为降低杂散电感，逆变桥采用模块化设计，设计功率为10kW。直流母线电压为600V，各桥臂中，平均每个主开关管所承受的正向阻断电压为直流母线电压的一半，考虑至少两倍裕量，选择三电平模块主开关管的额定电压为650V，本申请选取Infineon公司的F3L75R07W2E3_B11型三电平IGBT功率模块。

该模块采用EasyPACK2B型封装，该模块中集成了一个完整的75A三电平模块桥臂，另外，该模块还在内部集成了一个NTC热敏电阻，可用于模块的温度检测设计。

该模块可采用压接技术进行无铅化安装，这使得安装流程非常简洁，而且压接焊与锡焊兼容，采用压接安装的模块取下后不能在进行压接安装，但可以通过锡焊安装。本申请设计的主功率板使用压接技术来安装IGBT模块。

该IGBT模块提供了辅助发射极端子，可以实现非常理想的连接方式，确保IGBT高速开关。电源端子由多个端子并联，确保获得标称的额定电流，同时也有利于降低杂散电感和PCB温升。

1.2、直流母线电容的选取

在逆变器输入端要加电容器，用于吸收纹波电流、支撑直流母线电压。以铝电解电容为主，但铝电解电容只能吸收低频纹波电流，而对高频纹波无能为力，这时要增加无感吸收电容，其特点是高频特性好。电解电容的品质是决定光伏并网逆变器可靠性的关键所在，光伏并网逆变器中的直流母线电容要满足如下特点：耐高电压、高耐纹波能力、寿命长。本申请使用EPCOS公司的680μF/400V铝电解电容，两串两并后耐压为800V，等效容值为680μF。

2、驱动电路的设计

由于每一桥臂(模块)需要四路驱动，需要采用适用于所选三电平IGBT模块的驱动电路设计，驱动芯片的外围组件应尽可能少，保证较小的PCB尺寸。驱动电路所具备的保护功能如欠压锁定和短路保护等要与三电平IGBT模块相匹配。同时典型的IGBT驱动电路应具有隔离的输入、输出信号功能，并且要求信号在驱动电路内无传输延迟或延迟很小，本申请选用的驱动芯片ACPL-332J可以轻松满足这些要求。

ACPL-332J是一款先进的具有2.5A最大峰值输出电流，容易使用的智能门驱动光耦，它集成的功能包括去饱和检测、欠压锁定、IGBT软关断、隔离的错误反馈输出和有源米勒钳位，这使得驱动电路的设计非常灵活简洁。它的主要特点如下：

(1)内含AIGaAsLED，通过光学直接耦合到功率级输出端，省掉缓冲器，在整个温度范围内，其最大传输延迟为250ns，最大脉宽失真仅为100ns；

(2)集成有源米勒钳位功能；

(3)集电极开路FAULT信号反馈；

(4)在故障发生后FAULT信号可由PWM信号(上升沿)复位；

(5)SO-16贴片封装；

(6)共模电压抑制(CMR)为最小50KV/us，Vcm＝1500V；

(7)宽范围供电电源Vcc范围15～30V，供电电流Iccmax<5mA。

本申请设计的驱动电路原理图如图3、图4所示，332J输入侧需要的5V由驱动板板载的5V电源供电，该电源采用ZSR500G电源芯片，将主供电电源12V转为5V。两个0.1uF的旁路电容可在开关转换中提供所需的瞬态电流，集电极开路FAULT输出接一个2K2的上拉电阻和一个1000pF的滤波瓷片电容。正常工作下332J的PWM输入侧由流过LED的电流IF控制驱动输出Vout。通过R102和R103，幅值为12V的PWM输入信号与驱动输出Vout为反向关系。

驱动电路中选用的ACPL-332J驱动光耦中集成了欠压锁定和IGBT软关断的保护功能，在芯片上电过程中，332J中的欠压锁定单元(UVLO)会通过将输出强制拉低来防止IGBT的门极驱动电压不足，因为当驱动电压不足时，IGBT会工作在线性区，导致IGBT功耗急剧增加，当驱动的输出为高时，332J的DESAT(VCE)保护会监测IGBT的C、E两端压降，当VCE超过阀值时，说明发生了短路故障，332J会对IGBT进行“软关断”操作，即驱动信号缓降至零，降低电流变化率。可见，332J的欠压锁定和IGBT软关断是协同工作来保护IGBT的。值得注意的是332J的FAULT信号是自动复位的，IGBT软关断保护动作时，332J会反馈一个低有效的故障信号，用于通知数字处理器有短路故障发生，DSP判断发生故障后，应立即封锁PWM波。再次输出PWM波将使FAULT信号复位。332J的保护信号时序如图5所示。

在三电平逆变器中驱动电路IGBT短路保护的设计与两电平逆变器有所不同，在一个三电平桥臂中2只内管的Vce检测保护是必须屏蔽的，只需对两只外管进行短路保护，原因在于，当两个内管同时导通，即输出零电平时，由于二极管的箝位作用，两个内管两端电压为零，不会发生直通而短路，更重要的一点是，如果内管的驱动有短路保护，一个内管因保护动作而先关断，将可能导致整个直流母线电压加到一个外管上，导致IGBT因过压而损坏。

所以在一个桥臂的驱动模块中内管驱动光耦332J的DESET引脚是接地的，来屏蔽短路保护，用于驱动两只外管的驱动FAULT信号一方面分别通过LED电路直观显示故障位置，另一方面经ULN2003芯片后输出给后级。此处ULN2003有两点作用：(1)经ULN2003后，信号幅值增加，抗干扰能力增强；(2)ULN2003相当于非门，反相后便于后级电路通过ULN2003将三个驱动模块的六路故障信号“相与”。当正常工作时，六路FLT信号均为低电平，2003的输出DR_FLT为高，当任一FLT信号为高时，2003的输出DR_FLT为低，表示驱动保护动作。

目前，在100A以上应用中使用负的栅极电压来保证IGBT安全关断，出于成本考虑，出于降低成本的考虑，在中小功率(100A以下)等级功率变换器中更倾向于使用15V/0V的单极性电源来代替双极性电源+15V/-9V。但面临的一个重要问题是IGBT米勒电容所引起的寄生导通现象。以半桥电路来说明寄生导通现象，如图6所示，当开通S1时，S2管两端会出现很高的dVce/dt。这时会有一个电流沿S2管的寄生米勒电容Ccg，驱动电阻Rg以及驱动IC的内阻Rdriver形成的回路中流过，电流路径如图7所示，该电流可由下式估算。

该电流引起电阻上的压降，如果这个电压超过IGBT门极驱动电压，就会产生寄生导通。332J具有有源米勒钳位的功能，有效抑制高dV/dt环境下的寄生导通现象，米勒钳位能够有效降低由米勒电流引起的压降，从而可以不必使用负的栅极电压来关断IGBT，在IGBT关断期间，332J会检测栅极电压，在栅极电压达到阀值时进行箝位，防止寄生导通现象的发生。

在驱动IC的供电不足时所有IGBT的关断时序要正确，也就是说要确保两个外管要先关断，本申请的做法是保证给为驱动IC供电的4路隔离电源输出的电压是基本一致的，然后分别在上管和下管的驱动IC的副边供电引脚上串联了一个高导通压降的二极管。相当于在欠压故障时提供了一个额外的压降，确保靠近直流母线的IGBT的驱动IC先进行欠压锁定动作，即两个外管先关断。

稳定的电源是IGBT正常工作的基础，在三电平逆变器中，每个三电平模块的驱动板需要4路隔离电源为其供电，本申请设计的隔离驱动电源板上安排两组相同的电源电路，每组电源电路产生两路隔离电源，来为各模块的驱动板供电。驱动IC的电源电路如图7所示。

该电源电路为半桥型DC-DC变换电路，抗干扰能力强，副边无滤波电感，输入阻抗低，在需要大尖峰电流输出的驱动供电中，电源输出电压仍然会比较稳定。

3、采样与保护电路设计

(1)直流母线电压采样电路

为了对直流母线侧电容中点平衡情况进行实时监控及提供过压保护，需要分别对直流母线两侧电容进行电压采样。直流母线电压的采样电路由多个1％精密电阻串联构成的分压电路和高精度运放TL074构成的差分电路组成，上侧直流母线采样电路如图8所示。OP07的正、反向端都串接8个阻值为220K的1/8W电阻。这样，当直流母线电压为600V时，AD采集的上端直流母线电容的电压为：

符合AD模拟量输入要求0～3V的要求，采用这么多的电阻串联，是从实现强弱电的隔离和电阻所能承受的功率的角度考虑的。

(2)并网电流采样电路

电流传感器在实现光伏并网逆变器的反馈控制、系统保护、参数显示等多种功能中起着非常重要作用，所以在选择电流互感器时必须注重其精确度和稳定性。本申请采用德国VAC公司的4644-X300型电流传感器对并网电流进行采样，该电流互感器在传统的闭环霍尔电流传感器的基础上，采用具有专利技术的非晶软磁片代替传统的霍尔片，从而获得卓越的性能，与传统霍尔电流传感器相比，它具有精确度高、温度特性好、相应速度快、频带范围宽等优点。该该传感器采用±15V双电源供电，为电流输出方式，所以其输出信号需先通过采样电阻进行电流一电压转换，然后经阻抗匹配、比例、电压提升、滤波转化为能被DSP所接受的信号。输出电流采样电路如图9所示。

该电流传感器的5对输入端可以有多种连接方式，进而可以实现不同的输入输出比，测量电流1A到25A可调，本申请将5对输入端并联使用，如图9所示，从而获得输入输出电流比例为1000:1，即输入端流过25A电流时，输出电流信号为25mA，采样电阻R1取值为100欧，这样25A电流对应电压为2.5V,峰-峰值为5V。采样电阻后级接一级由高精度单运放OP07构成的电压跟随器，提高输入阻抗和带负载能力，即起到阻抗匹配的作用。

(3)电网电压采样电路

并网逆变器实现并网控制的另一重要环节是电网电压的采样，电压互感器的精确度和稳定性也尤为重要。本申请采用耀华德昌公司的TV19G型电压互感器，该互感器为真空环氧灌装，直接焊接在PCB电路板上，全封闭，抗电强度达10KV，并采用坡膜合金铁芯，其线性度优于0.2％。同样，该电压互感器也为电流输出方式，其后级处理与输出电流采样电路相似。电网电压采样电路如图10所示。

该电压互感器的额定输入电流为5mA，电网三相额定电压为AC380V，考虑10％的波动，电网电压最大幅值约为600V，则输入侧限流电阻选择阻值为120千欧，功率为3W的1％精度电阻，因为DSP需要对AD采样进行零点校正，所以用一个三相继电器控制三个电压互感器与电网电压的通断，当进行AD校正时，继电器常闭触点闭合，三个电压互感器的输入端相互短接，即输入为零；当采集电网电压时，继电器常开触点闭合，电压互感器的输入端与电网连接。

4、过流保护电路的设计

除驱动电路集成的保护功能外，本系统还设置了输出电流的硬件过流保护，电路如图11所示，三路采样电路输出的代表输出电流的电压信号经过三相不控整流后与I_REF进行比较。当整流后的信号小于I_REF时，比较器输出为+15V，反之，比较器输出为-15V，此时光耦2561L-1的发光二极管导通，进而接收端三级管导通，XINT由高电平3.3V变为低电平。若过流保护电路失效，而发生短路故障，即DR_FLT变为低时，XINT也会变为低电平。

5、系统的可靠性与电磁兼容设计

(1)同一桥臂IGBT关断的时序

对于普通两电平逆变器，关机时是同时关断各桥臂上的两个开关管，但是在三电平逆变器进行关机操作时，如果仍然采用这种做法可能会导致严重问题。以如图12所示的情况来说明关机操作存在的问题，此时该桥臂的开关状态为[1100]，电流方向为流出逆变器。

当进行关机操作时，如果T1和T2的驱动信号同时由高变低来关断这两个开关管，那么很有可能因为开关管本身参数的非对称性而出现T2已经关断，T1仍然导通的状态，而这时的续流路径为反并联二极管D4和D3，这样整个直流母线电压会加在开关管T2上，使该开关管因为过压而失效。所以在三电平逆变器进行关机操作时，为确保安全，关断内管前要保证外管已经完全关断。因此，在三电平模块驱动电路的保护设计中内管不设置硬件保护(驱动电路直接关闭开关管)，同时在DSP程序的关机操作也要进行延时处理，确保正确的关机时序。

(2)大功率PCB板线条的载流能力

PCB上的铜导体图形由于本身存在电阻，当电流流过时会发热，如果电流在毫安级或以下时，发热问题可以忽略不计，但当有大电流(百毫安级或以上)通过时就不能忽视了，散热问题解决不好，必然引起电路中热敏器件温度的升高，导致电路工作点的漂移，性能指标降低，影响整个电路的可靠性与稳定性。当PCB上流过的电流严重超过导体线条的载流能力时，会使导条温度迅速上升，当温度超过85度时，PCB绝缘材料开始发黄，电流继续流过，最后线条熔断。

本申请设计的光伏并网逆变器功率为10KW，输出额定电流为15A，这么大的电流要在PCB上流通，必须注意相应走线的宽度，使温升控制在合理的范围内，印制电路板载流能力由走线宽度、铜膜厚度以及PCB允许的温升共同决定。

(3)PCB板中去耦电容及储能电容的作用

周期切换的的元件必须进行RF退偶，方法是靠近元件供电引脚放置高频退偶电容(一般是小容值瓷片电容)。否则切换能量冲击会灌入到电源和接地分配系统中，并以共模或差模的形式传播到电路其他部分，引发干扰。

元件的直流供电不仅需要就近放置高频退偶电容，而且整张PCB中要在一些位置放置储能电容，如电解电容或钽电容，降低电源分配网络的影响。PCB板上的各元件的逻辑状态进行切换时会引起供电电流的波动，这种波动会导致电源下跌并影响到其他元件，甚至不能正常工作，储能电容为电路储备能量，使电压和电流保持在最佳稳定状态。

储能电容按如下规则进行放置：靠近PCB的供电接口附近；电源输出端子附近；大功率元件附近；离电源输入端较远的元件供电附近。

(4)系统的电源设计

光伏并网逆变器的硬件系统由多个电路板组成，每个电路板上均需要多种直流电源，各路电源都有不同的稳定性要求，即便是需要相同直流电压的不同PCB板，其需要的电流大小也不相同，采用单模块多路输出的电源方案，很难满足这种要求，模块电源中各路输出间存在交叉干扰，无法同时保证各路电源输出的稳定性。本申请采用分布式直流电源系统，该电源系统由一个AC/DC开关电源(交流前段电源模块)和多个DC/DC变换模块组成，交流前段将交流转换为12V的直流电压，作为分布式直流电源的总线。将直流总线连接到逆变器硬件系统的不同PCB板上，再由板载的DC/DC模块产生各功能电路需要的不同直流电压，如3.3V，±15V，5V等。

分布式直流电源系统适应性强，具有很好可靠性与电磁兼容性，系统的各部分电源独立，局部功率较小，对直流总线的电源质量要求不高，后端的DC/DC模块保证了输出电压的稳定性，各子系统就地供电，电源环路小，线路阻抗的影响小，抗干扰能力强，各电源终端的电流波动不会相互影响，相互之间不会有电流冲击干扰。

6、设计了适合于三相三电平光伏并网逆变器的DSP控制系统

该DSP控制系统以TI公司的TMS320F28335为控制核心，控制系统由DSP28335核心板和底板组成，底板的作用是作为控制核心和逆变器之间的转接板(AdapterBoard)，在转接板上设计了信号调理电路和PWM接口电路以及系统的人机交互界面接口，如串行通信、键盘、显示等。根据三相三电平逆变器的12路PWM信号特点以及三电平桥臂的死区要求，对DSP输出的PWM信号进行了合理的配置。

6.1、TMS320F28335核心板

TMS320F28335为32位浮点型数字信号处理器，指令周期为6.67ns，主频为150MHz，与本申请相关的DSP28335的功能简介如下：

1.与281X系列DSP由事件管理器(EV)产生PWM信号不同，28335系列使用增强型PWM模块(ePWM)产生PWM信号，ePWM模块相对于EV的PWM输出功能，有了很大的提高，28335具有6个ePWM模块，可以产生6对独立的互补PWM信号，每个ePWM模块均能独立编程使用。

2.内部集成一个12位的A/D转换器，两个多路选择开关(MUX)扩展出16个输入通道，具有两个采样和保持(S/H)器，提供内部参考电压和外部参考电压输入管脚，输入模拟电压范围：0～3V，转换速率高达80ns。

3.8个外部中断，并且与DSP281X系列不同的是外部中断引脚不固定，可以灵活分配至GPIO0～GPIO63。

本申请以TMS320F28335为控制核心，选用研旭公司的28335最小系统板作为核心板，该核心板为六层板结构，抗干扰能力强，可靠性与稳定性高，并为DSP扩展了一个结构为512*16的高速Flash和一个8M容量、结构为512*16位字长的低功耗高速率SRAM；该核心板的供电采用TI公司为DSP应用特别设计的双输出电压电源管理芯片，使DSP供电稳定可靠；28335的所有功能管脚通过板对板接口引出，便于设计底板来进行具体项目开发。

6.2、DSP28335核心板的转接板设计

本申请中，核心板的底板是DSP核心板与逆变器其他硬件系统之间连接的转接板(AdapterBoard)，其主要功能包括信号调理、PWM输出、SCI串行通信、DSP的在线仿真等，DSP控制系统的整体结构如图13所示。

(1)模拟信号调理接口电路

DSP28335的AD允许输入的电压信号为0到3.0V的单极性信号，电网电压采样电路和输出电流采样电路输出的信号均为交流信号且峰-峰值大于3V，要对这些信号进行比例变换和电压提升后方可送入AD进行采样。信号调理电路如图14所示，前级运放构成比例变换电路，将输入信号的峰峰值，调整到3V以下，后级运放构成加法电路，将前级运放输出的信号提升1.5V，使输出信号变为单极性信号，从而避免向AD输入负电压。为防止信号幅值溢出，在采样电路的输出端加上一个由两个低导通压降二极管组成的钳位电路，分别钳位在0V和3V,进一步对AD进行保护。

(2)PWM信号接口

考虑到PWM信号是DSP控制板经过一定长度的排线送至逆变器主功率板的，为提高抗干扰能力，DSP输出的幅值为3.3V的PWM信号先经过DSP底板的ULN2003芯片再输出，主功率电路驱动板上再对各路PWM信号加上拉电阻，这样在排线上传输的PWM信号幅值为12V，使信号在高电磁噪声的环境下可靠传输，提高了系统的抗干扰性能。由于2003具有反相作用，所以IGBT驱动电路的输入与栅极驱动输出配置为反相模式，这样DSP的PWM信号与驱动电路的栅极驱动输出为同相关系。

(3)其他功能接口

本申请设计的DSP控制板底板是在研旭公司的DSP28335实用板的基础上以适应三电平硬件平台控制需求进行改进的，并保留了原版的一些实用功能接口，如串行通信接口(可连接触摸屏)，SD存储卡接口，用CPLD拓展的LCD、键盘等接口以及一些未用DSP管脚的输入/输出接口，这些接口可用于三电平逆变器的人机交互界面设计，以及系统的功能拓展，为整个系统的进一步深入开发留下裕量。

6.3、DSP的PWM输出配置

三电平逆变器需要12路PWM信号，其中有6路是相互独立的，28335有6个相互独立的ePWM模块，可以产生6对互补的PWM信号，恰好可以作为三电平逆变器12路驱动的PWM信号。6个ePWM模块中只使能ePWM1的中断，在该中断中编写SVPWM算法程序获得六个ePWM模块的比较寄存器的比较值，ePWM1到ePWM6的比较寄存器的更新条件相同，以A相桥臂为例，PWM信号的分配如图15所示，由图可知，PWM1A驱动A相桥臂的1管，PWM1B驱动A相桥臂的3管，PWM2A驱动A相桥臂的2管，PWM2B驱动A相桥臂的4管，B、C相桥臂依此类推。

在两电平逆变器中，为避免串联在同一桥臂的两个功率开关管直通，需要一对带有“死区时间(dead-time)”的PWM信号来正确地控制这两个器件来确保两器件的导通时段一定不重叠。在一个开关管的关断和另一个开关管导通之间要插入一个时间间隔，此即为死区时间。这段延迟由开关管的开关特性和负载特性决定。设计死区单元的目的是在任何情况下，确保上臂器件和下臂器件的开通期没有重叠。同样在三电平逆变器中也需要设置死区。

三电平逆变器的输出有三种状态分别是：1[1100]、0[0110]、-1[0011]、输出电平在1、0、-1间变化，且不会出现1到-1或-1到1的阶跃，只有1和0或-1和0之间的过渡。例如在1[1100]变0[0110]的过程中，如果在1管还未完全关断时，3管已经导通，1管和2管之间就会因直通而短路，并且整个直流母线电压会加在4管上，4管因过压而损坏。所以要对DSP进行死区设置，在28335中死区时间由ePWM模块中的Dead-band(DB)module的相应计数寄存器设置，寄存器的计数值由死区时间大小和开关频率决定。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于三相三电平光伏并网逆变器的控制系统，其特征在于：该系统包括主功率板、驱动板、隔离驱动电源板、电压电流采样板以及DSP控制系统组成；驱动板上设有驱动电路；

其中，隔离驱动电源板通过板对板接插件插在驱动板上，为驱动板上的四个驱动IC供电，然后驱动板再通过板对板接插件插在主功率板上来驱动各IGBT模块，主功率板经电感滤波器后与电压电流采样板连接，采样板上设有采集电网电压和并网电流的采样电路、以及软启电路，软启电路用于对主功率板上的直流母线电容进行预充电，直流母线电压采样电路来分别采集直流母线上端和下端电容的直流电压。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述主功率板上包括三电平IGBT模块、直流母线电容和栅极驱动电阻。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述主功率板采用四层PCB板结构，板层安排如下：上层用于驱动接口电路的信号层和三相交流输出的走线，内电层1为直流正极平面，内电层2作为直流中点平面，底层为直流负极平面；

直流输入端子、三电平IGBT模块、直流母线电容均直接连接于各电源平面上。

4.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述三电平IGBT模块选取Infineon公司的F3L75R07W2E3_B11型三电平IGBT功率模块实现。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述直流母线电容的选取EPCOS公司的680μF/400V铝电解电容。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述驱动电路采用芯片型号为ACPL-332J的驱动芯片实现。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述隔离驱动电源板采用分布式直流电源系统实现，该电源系统由一个AC/DC开关电源和多个DC/DC变换模块组成，交流前段将交流转换为12V的直流电压，作为分布式直流电源的总线；将直流总线连接到逆变器硬件系统的不同PCB板上，再由板载的DC/DC模块产生各功能电路需要的不同直流电压。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述DSP控制系统以TI公司的TMS320F28335为控制核心，由DSP28335核心板和底板组成。