单相光伏并网逆变器电参数检测系统研究_薛家祥

·24·

可再生能源

Renewable Energy Resources

第30卷第11期2012年11月

Vol.30No.11Nov.2012

单相光伏并网逆变器电参数检测系统研究

薛家祥，沈

栋，张思章，陈振升，廖天发

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州

510640）

摘要：准确检测光伏并网逆变器电参数，既可提高逆变器的控制速度和精度，又可在过流、过压、欠压等情况下迅速关断开关管，保护逆变器并提高其安全性。文章根据光伏并网逆变器对电参数的检测要求，以DSP 芯片

TMS320F2808为核心，由线性光耦HCNR201、霍尔电流电压传感器等器件构成检测电路、保护电路，设计了单

相光伏并网逆变器电参数检测系统，并在1.5kW 高频隔离型光伏并网逆变器上应用。试验结果验证了该检测系统的可行性和可靠性。

关键词：单相光伏并网逆变器；电参数检测；过流保护；过压欠压保护中图分类号：TM615

文献标志码：A

文章编号：1671-5292（2012）11-0024-06

Study of single phase grid-connected photovoltaic inverter

electrical parameter detection system

XUE Jia-xiang ，SHEN Dong ，ZHANG Si-zhang ，CHEN Zhen-sheng ，LIAO Tian-fa

（School of Mechanical and Automotive Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou 510640，

China ）

Abstract ：An accurate detection of grid-connected photovoltaic inverter electrical parameter can both improve the control rate and accuracy,and turn off the switchings fast when overcurrent,overvoltage and undervoltage occur to improve the safety of inverter.According to the electrical parameter detection requirement of grid -connected photovoltaic inverter,an electrical parameter detection system,which uses digital signal processor TMS 320F 2808as the core is designed.The system adopts high linearity optocoupler HCNR 201,Hall current and voltage sensor and other de -vices to compose the detection circuits and protection circuits.The system is applied on a 1.5kW high frequency isolated grid-connected photovoltaic inverter.The results of experiment show the feasibility and reliability of the system.

Key words ：single phase grid-connected photovoltaic inverter ；detection of electrical parameter ；overcurrent protection ；overvoltage and undervoltage protection 0

引言

近年来，环境污染和能源紧缺这两大问题越来越制约着社会进步与经济发展。太阳能作为一种具有大规模开发利用前景的清洁能源，成为可再生能源领域研究热点之一。其中，光伏并网发电是太阳能利用的主要发展方向，光伏并网逆变器是光伏并网发电系统中的核心环节。

光伏并网逆变器必须具备以下技术特点：①最大功率点跟踪（MPPT ）；②并网电流与电网电压同频同相，满足电网质量要求；③孤岛检测保护；

④过压、欠压、过流检测保护。为满足以上要求，光

伏并网逆变器必须对电流、电压等电参数快速准确采样，将检测结果实时反馈给控制系统，进而实现高效快速控制。

收稿日期：2012-07-22。

基金项目：广东省大学生创新实验项目（1056111015）；广东省省部产学研项目（2011B090400261）；广东省科技攻关项目（2010B010900003）。作者简介：薛家祥（1962-），男，教授，博士生导师，研究方向为光伏新能源、数字化焊接电源。E-mail ：mejiaxue@https://www.360docs.net/doc/3316269694.html,

1检测系统总体设计

1.1单相光伏并网逆变器工作原理

单相高频隔离型光伏并网逆变器的工作原理如图1所示。光伏阵列产生的直流电压经电容C 1滤波稳压后，作为前级升压电路输入。光伏阵列输出电压较低且易受外部影响，需经前级电路升压成为适合逆变且稳定的直流电压。升压后的直流电压经C 2滤波稳压后，作为逆变电路输入。逆变电路将输入电压变成220V/50Hz 交流电，再经LC 滤波电路输送给电网。

1.2检测总体设计

检测系统采用TI 公司DSP 芯片TMS 320F 2808作为控制器，通过由高速光耦、霍尔电压电流传感器构成的检测电路，实现高压主电路与低压控制电路的隔离。光伏并网逆变器为实现最大功率点跟踪（MPPT ）和输入过压欠压保护，需在光伏逆变器输入端对从太阳能阵列输入的电流I IN 、电压V IN 实时检测。同时，为防止前级DC/DC 升压电路过流，需对DC/DC 级输入电流I INP 检测，并设计过流保护电路。为保持升压后直流母线电压稳定，防止母线电压过压、欠压以及进行并网控制，在电容

C 2之后需检测直流母线电压V DC 。为防止后级DC/AC 逆变电路过流，在电容C 2之后逆变电路之前须检测电流逆变电路输入电流I DC 。

为实现并网电流与电网电压同频同相和孤岛检测保护以及直流分量抑制，需对并网电流I G 、电网电压V G 实时检测，其中包括电网电压过零检测。由于并网控制中需检测未经滤波的电流，故并网电流检测应设置在输出滤波电感之前。在未并网前需检测电网电压，故电网电压检测应设置在并网继电器之后。针对不同电参数的用途、精度要求和响应速度要求，所采用检测方案如表1所示。

检测电路设计

2.1逆变器保护电路设计

2.1.1输入电流I IN 检测电路设计

采用LEM 公司电流传感器CKSR15-NP 检测逆变器输入电流I IN ，CKSR15-NP 采用闭环磁通门技术，可测量直流和交流电流，具有精度高、动态响应快和测量范围宽等优点。取参考电压为内部参考电压，其额定测量电流为15A ，测量电流范围为-51~51A ，供电电压为5V [3]，其检测电路如图2所示。CKSR15-NP 电流传感器输出的参考电压V REF 为2.5V 。

·25·

薛家祥，等单相光伏并网逆变器电参数检测系统研究

（b ）过流保护检测电路

ov1

R 1R 2

C 3

A-15V C 4

AGND

A+15V

AGND

1234

5678

1238910

V ref V out GND V c AGND

AGND

A +5V

C 1

C 2

123

8910

l i n -f l b -r e f

l i n -f l b

（a ）输入电流检测电路

图1单相光伏并网逆变器电参数检测系统框图

Fig.1Single phase grid-connected photovoltaic inverter electrical parameter detection system block diagram

I DC

I IN

I INP

C 1

V IN

V DC

C 2

I G

Gid

V G

C 3

TMS320F2808

其它控制电路

电响应参数

速度I IN MPPT 高

一般

高性能电流传感器MPPT 一般一般输入过压欠压保护一般一般

I INP DC/DC 过流保护一般高高性能电流传感器I DC DC/AC 过流保护一般高高性能电流传感器母线过压欠压保护一般一般

无差拍并网计算高高无差拍并网计算高高直流分量软件抑制高高无差拍并网计算高高数字锁相环控制

高

高精度电压传感器

电阻分压方式测量V IN

V DC 高精度电压传感器I G 高性能电流传感器V G

V IN 表1

各电参数检测方案

Table 1The detection solutions for each electrical parameter

用途

精度检测方案

·26·

可再生能源

2012，30（11）

V OUT1=0.04167I IN +2.5

（1）

式中：V OUT1为电流传感器输出电压，V ；I IN 为逆变

器输入电流，A 。

输入电流信号处理电路如图3所示，电流传

感器参考电压和输出电压经电压跟随器接入差分比例运算电路，再经电压跟随器、限压电路和RC 滤波电路转换适于DSP 芯片采样的0~3.0V 电压。

由图3得：

V OUT2=0.04167R 10R 8

I IN

（2）

图2各检测电路

Fig.2The detection circuits

C 5

C 6

C 7

C 8

R 5

R 4

R 3

C 9

C 10

AGND

A-15V A+15V E2-GND

V+V-1

V_BUS -15V

+15V M

AGND

HVDC

（c ）直流母线电压检测电路

式（2）中：V OUT2为输入电流检测电路信号处理电路输出电压，V ；I IN 为逆变器输入电流，A 。本设计中，逆变器最大输出功率为1.5kW ，额定输入电流为7.5A ，最大输入电流约为10A ，预留一定余量取I IN 最大值为12A ；V OUT2为0~3.0V 。故取

R 10=6R 8，V OUT2=0.25I IN 。

2.1.2输入电压V IN 检测电路设计

根据检测精度和响应速度的要求，采用电阻分压方式检测输入电压。HCNR201模拟光耦隔离主电路与检测电路。HCNR201具有频带宽（>1

MHz ）、设计灵活、低成本等优点[4]。精密电阻组成的分压电路将光伏阵列输出的0~430V 电压转

换为适于检测的0~3.0V 电压。分压电路输入与输出的关系为

V M =0.007V IN

（3）式中：V IN 为逆变器输入电压，V ；V M 为分压后的测量电压，V 。

输入电压信号处理电路如图4所示。运算放大器U4A 构成负反馈放大电路，U6A 构成电流电压转换电路[5]。

由HCNR201特性和“虚短”、“虚断”原理可得：

V OUT3M =K R

（4）

（a ）输入电压信号处理电路

R 15

C 19

C 20

E1_GND

E1_GND E1-15V E1_GND

U4A

R 16

C 21

E1-15V

C 22

C 23

R 17

U6A C 24

R 19

C 26

D 2

INTVOL

C 25

AGND

R 18

INTVOL ADC A-15V

AGND

A+15V

E1_GND

AGND

PV VOL

图3输入电流信号处理电路

Fig.3Input current signal processing circuit

R C AGND R AGND R 223R 6

R 7

C 12U1A

C 11A+15V 8R 9

U1B

C 13

C 14

R 11

AGND

A+15V

AGND

C 16

R 13

D 1

R 14

C 17

C 18

AGND

134

5678

Iin-flb-ref

Iin-flb

U2A U3A 15

AGND A+15V

1INTCUR_ADC A-15V A-15V

A-15V

式（4）中：V M 为分压后的测量电压，V ；V OUT3为信号处理电路输出电压，V ；K 为HCNR201内部光耦PD1反向电流IPD1与光耦PD2反向电流

IPD2的比例系数偏差为1±5%。本设计中，取R 17=R 15，则

V OUT3=K ×V M =0.007V IN

（5）式中：V IN 为逆变器输入电压，V ；V OUT3为信号处理电路输出电压，V 。对比式（3）、式（5）可见，经光耦隔离后测量电压不变。信号处理电路输出电压经分流、滤波和限压电路后送入A/D 采样通道。

2.1.3输入电压过压欠压保护电路设计

输入电压过高或过低时都不利于光伏并网逆变器运行，因此须设计输入电压过压欠压保护电路。如图5所示，将输入电压检测电路输出的0~

3.0V 电压接入窗口比较器。窗口比较器的下阈值为1.1V ，上阈值为2.88V ，对应输入电压下阈值

为160V ，上阈值为410V 。窗口比较器输出接高速光耦。当出现过压或欠压时，窗口比较器输出低电平使光耦OP1导通，DSP 引脚被拉低，触发外部中断，系统开启输入电压过压欠压保护。

2.2前级、后级过流保护检测电路设计

采用霍尼韦尔电流传感器CSNE151检测前级DC/DC 升压电路输入电流I INP 和后级DC/AC

逆变电路输入电流I DC 。CSNE151测量范围±36A ，有效值为25A ，供电电压±15V ，初级次级匝数比为

1∶1000，即测量电流I M 与输出电流I OUT 之比为I M ∶

I OUT =1000∶1，具有可测量AC ，DC 和脉冲电流，响

应快速和性价比高等特点[6]。前级、后级过流保护信号处理电路如图2（b ）所示，设定电流阈值为15

A ，传感器输出电流经上拉电阻将电流信号转换为电压信号，再经电压跟随器输入阈值为3.0V

的电压比较器，电压比较器输出信号经光耦隔离后接入DSP 引脚。当前级或后级出现过流时，光耦导通，DSP 引脚被拉低，触发外部中断，系统开启前级、后级过流保护。

2.3直流母线电压V DC 检测和过压欠压保护电路

设计

2.3.1直流母线电压V DC 检测电路设计

直流母线电压检测用电压传感器LV25-P 。

LV25-P 具有高精度、响应时间短和抗干扰能力

强等特点。LV25-P 初级额定输入电流I pn 为10

mA ，次级额定输出电流I sn 为25mA ，转换比K n =I sn ∶I pn =2500∶1000[7]。如图2（c ）所示，传感器初级串联3个17.5k Ω电阻，反馈采样电阻270Ω将直

流母线电压0~450V 转换为0~5.738V ，经电压跟随器和分压电路调理为0~2.596V ，经RC 滤波和限压后输送给A/D 采样通道。

2.3.2直流母线电压过压欠压保护电路设计

为避免并网过程中出现由于电压过高或电压过低破坏IGBT 的情况，设计过压欠压保护电路。其原理与输入电压过压欠压保护电路相同，将传感器经反馈采样电阻后输出的0~5.738V 接到上阈值为2.71V 、下阈值为2.26V 的窗口比较器，其对应的直流母线电压上限约为420V ，下限约为360V 。当直流母线电压低于360V 或高于

420V 时，高速光耦导通，触发外部中断，系统开

启直流母线过压欠压保护。

2.4并网电流I G 检测电路和过流保护电路设计2.4.1并网电流I G 检测电路设计

并网电流检测电路与逆变器输入电流检测电路相似，也采用电流传感器CKSR15-NP ，不同的是并网电流为交流量。传感器输出信号经电压跟随器后，送入差分比例运算电路，其运算关系为

V OUT4=2.7×0.04167I G =0.1125I G （6）

式中：V OUT4为差分比例运算电路输出电压，V ；I G 为并网电流，A 。I G 为-13~13A ，故V OUT4为-1.5~

1.5V ，再经1.5V 加法电路调理为0~3.0V ，最后经RC 滤波和限压电路输入到A/D 采样引脚。

·27·

R 20

2.88V R 21

1.1V

A+15V AGND

AGND

U7A U7B

C 28A+15V

AGND

R 24

OP1

R 23

VOPT3.3V

INT1C 29

DGND

A+15V

INTVOL

6523

7图5

输入电压过压欠压保护电路

Fig.5Input voltage overvoltage and undervoltage

protection circuit

图4输入电压信号处理电路及其等效电路

Fig.4Input voltage signal processing circuit and

its equivalent circuit

V M

R 15

PD1

U4A

LED R 16

V CC

PD2

R 17

C 23U6A

V OUT3

（b ）等效电路

薛家祥，等单相光伏并网逆变器电参数检测系统研究

2.4.2并网电流过流保护电路设计

为防止IGBT 过流损坏和提高逆变器安全

性，设计并网电流过流保护电路。与输入电压过压欠压保护电路相同，采用窗口比较器，窗口比较器上阈值为1.5V ，下阈值为-1.5V 。当并网电流超过-13~13A 时，窗口比较器输出高电平，高速光耦导通，触发外部中断，系统开启并网电流过流保护。

2.5电网电压V G 检测电路和过零检测电路设计2.5.1电网电压V G 检测电路设计

与直流母线电压检测相同，电网电压检测采用电压传感器LV25-P 。电网电压为-310~310V ，考虑一定余量，设计检测范围为-375~375V 。传感器初级串联2个17.5k Ω电阻，反馈采样电阻

56Ω，将电网电压转换为-1.5~1.5V 的检测信号，经电压跟随器和1.5V 加法电路调理为0~3.0V ，

经RC 滤波和限压电路后输送给A/D 采样通道。

2.5.2电网电压过零检测电路设计

为确保并网电流与电网电压同频同相，必须实时捕捉电网电压过零信号，以获取同步信号实现锁相环控制。电网电压过零检测电路将电网电压检测电路中-1.5~1.5V 检测信号接入滞回比较器，经电压跟随器和限压电路后接入反相器，调理成与电网电压同频同相的方波信号，再经RC 滤波电路输送给DSP 捕获通道。

3检测系统软件设计

系统软件检测流程如图6所示，设置A/D 采

样频率为7.5MHz ，在逆变器控制程序中调用

A/D 采样函数，进入采样函数后，先对采样数组进行清零，启动A/D 采样函数，读取采样数据。

TMS320F2808芯片A/D 采样数据为左对齐的12位二进制数据，为便于数据处理将其右移4位，并对数据累加求和。AVG 为设定的采样总次数，i 为已采样次数，本设计中取AVG=5，即每调用1次采样函数，连续采样5次，将数据累加取平均值，使采

样数据更接近实际值，最后将数据返回到控制程序。

4试验结果

为了验证检测方案的可行性和可靠性，在1.5

kW 高频隔离型光伏并网逆变器样机上进行了相关的试验，试验结果如图7所示。

·28·

可再生能源

2012，30（11）

CH1

CH2

CH150.0V M50ms CH22.00V

（c ）输入电压欠压保护

CH1

CH2

CH110.0V M50ms CH210.0V

（d ）直流母线欠压保护

（a ）并网电流与电网电压同频同相

CH1CH2

CH120.0V M10ms CH210.0V

CH2

CH25.0V M10ms

（b ）并网电流过流保护

图6检测系统软件流程图

Fig.6Detection system software flow chart

开始采样数组清零

启动A/D 采样

采样完成

采样结果右移四位

求和

平均采样结果

返回采样结果

·29·

图7（a ）是以WWL-LSX 10kW 直流电源作为输入电源，逆变器无MPPT 功能，进行并网试验，输出功率约为800W 时，示波器测得的波形。图中，CH1为电网电压波形，CH2为并网电流波形。并网电流与电网电压同频同相。

图7（b ）编写并网电流过流保护测试程序，模拟并网电流过流。当I G >1.5V 时，逆变器迅速关断输出，防止IGBT 损坏。

图7（c ）中，CH1为输入电压，CH2为并网电流，当逆变器输入电压由200V 突然降为160V 时，逆变器能迅速切断输出。

图7（d ），（e ）中，CH1为直流母线电压，CH2为并网电流。图7（d ）中，逆变器正常工作时突然大幅度增加输入功率，使直流母线电压从400V 变为440V ，当电压超过420V 时，逆变器迅速切断输出。图7（e ）中，大幅减少输入功率，使直流母线电压从400V 降为360V ，当电压低于365V 时，逆变器迅速切断输出。

图7（f ）中，CH1为电网电压，CH2为电网电压过零检测电路输出的方波，方波信号与电网电压同频同相。

5结论

本文分析了单相光伏并网逆变器需要检测的

电参数及各参数检测的速度和精度要求。针对所需检测的电参数及其特点，设计了检测系统，并在

1.5kW 高频隔离型光伏并网逆变器样机上进行

了相关的试验，试验结果验证了系统的可行性和

可靠性。

参考文献：

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吴理博.光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现

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MYRZIK J M A ，CALAIS M.String and module inte -grated inverters for single-phase grid connected photo -voltaic systems -a review[J].Power Tech Conference

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[4]LEM.high-linearity analog optocouplers technical Data [Z].Geneva ：LEM ，1997.

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BIN YU ，LIUCHEN CHANG.Development of a 10kW single-phase IGBT inverter for grid-connected PV ap -plications [J].Canadian Solar Buildings Conference Calgary ，2007（7）：10-14.

[10]张超，王章权，蒋燕君，等.无差拍控制在光伏并网发

电系统中的应用[J].电力电子技术，2007，41（7）：3-5.

图7试验结果

Fig.7Experiment results

CH1

CH2

（f ）电网电压及同步方波信号CH150.0V

M10ms

CH2 2.00V

阳光电源荣获

“２０１２年度十大品牌逆变器供应商”

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10月17日，由《现代光伏》杂志和全球太阳能光伏

网联合主办的“2012年度光伏行业品牌企业五十强”评选在上海落下帷幕，阳光电源股份有限公司凭借光伏逆变器产品的优异表现赢得评委和行业人士的一致认可，

获得“2012年度十大品牌逆变器供应商”的称号。

自1997年成立以来，阳光电源就一直专注于太阳

能、风能等可再生能源电源领域，大力推进逆变器产品

的技术创新及产业化发展。经过15年的深耕发展，阳光

电源的逆变器已实现了从1.5kW 到1260kW 的功率

覆盖，稳居国内市场的头把交椅，并批量出口至欧美国际主流光伏市场，成为亚洲最大的光伏逆变器供应商。

（张晗）

薛家祥，等单相光伏并网逆变器电参数检测系统研究

CH1

CH2

CH150V

M10ms

CH2 2.00V

（e ）直流母线欠压保护