基于IPM模块的并网逆变器系统实验平台设计

基于IPM模块的并网逆变器系统实验平台设计

司鹏

南京苏铁经济技术发展有限公司

摘  要：本文以并网逆变器系统结构类型为基础，根据实验平台设计需求选，择一种非隔离型拓扑结构作为主电路基本结构，开始并网逆变器系统实验平台总体设计，重点设计其总体架构、关键技术、软硬件，并最终进行逆变器并网、离网实验。实验结果表明：该实验平台设计满足实际应用需求，不仅能跟踪电网同步相位，还能与电网电压相位保持同步，具有一定现实应用意义。

关键词：IPM模块；并网逆变器系统；实验平台；关键技术；电网

为保护生态环境，遏制能源枯竭趋势，世界各国大力发展可再生能源，将大量风能、太阳能等自然能源发电并入电网，满足人们日益增长的电能需求。但是，伴随新能源大规模并网，传统旋转式发电机组占比逐渐下降，系统惯量也随之降低，再加上新能源波动性、随机性特性，给电网稳定运行带来极大干扰。相关人员必须加强对并网逆变器系统的研究，科学合理应用逆变器系统，模拟传统发电机组大惯量、强阻尼特征，提升电网外界干扰抵御能力。本文将IBM模块为核心的并网逆变器作为研究对象，研究设计一款可靠性高、人机交互友好、具有可视化界面的实验平台，对系统各项参数进行有效控制，加强电路控制，提升系统运行可靠性。

1 并网逆变器系统结构类型

并网逆变器是并网系统关键组成，是直流电源与交流电源接口装置。主要功能是在满足市电规范前提下，将直流电转变为可并网的交流电，并输入电网的电力设备[1]。在并网系统运行中，逆变器主电路拓扑结构发挥关键作用，直接影响系统整体性能，在设计并网逆变器系统实验平台时，首先要了解逆变器主电路拓扑结构类型及优缺点，选择适宜拓扑类型，充分发挥其优势，助力并网系统稳定运行。具体逆变器拓扑结构类型如下：

（1）高频隔离型并网逆变器，价格低廉、体积小、质量轻，应用该逆变器后会将系统与电网相互分离，抑制直流电输入，保障人员安全，但是，该逆变器实际应用功率传输层级数较多，需要安装配套硬件电路，增加电路控制复杂程度和应用难度，整体运行效率较低。

（2）工频隔离型并网逆变器，系统体积和质量均较大，应用灵活性不高，但整体抗冲击性能好，应用可靠性高，且控制简单，能够将系统与电路分离，保障人员安全，抑制直流电输入。

（3）非隔离型并网逆变器，其优势为效率高、质量轻、体积小，不足在于无法将电网和系统相互隔离，直流电有很大可能会直接注入电网，冲击电力设备，对电网输入电能质量和设备安全造成威胁，严重时，甚至危机操作人员生命安全。

综合比对这三种并网逆变器优势和不足后，本文决定采用非隔离型并网逆变器，增设调压器，将直流电源进行AC/DC变换，转化为交流电，并经调压器调节电压后，注入电网，保障注入电网安全。

2 并网逆变器系统实验平台总体设计

2.1 系统实验平台总体架构

系统实验平台总体架构共有两部分，功率部分和控制部分。功率部分有三相逆变器、调压器、单相整流器、直流电容、防反二极管、滤波电感等；控制部分有主控制器、上位机、电压传感器等。此外，还有独立直流电源、固态继电器等器件（见图1）。

图1  系统实验平台总体架构图

2.2 关键技术要求

三相逆变器：严格控制其性能指标，确保其满足系统运行需求，具体为：直流母线耐压≥700V，最大输出功率≥6kW，最高工作频率率≥10kHz。

主控制器：并网系统关键环节，必须选择高性能、高可靠性控制器作为主控制器。

电网模拟：本文选择的逆变器类型为非隔离型，主要应用于无需隔离电网和系统的场景，系统在应用该逆变器的基础上，增设了调压器，对电路进行有效调控，避免影响电力质量和人员安全。因此，对调压器性能指标有一定要求，其额定容量≥6kVA。

检测电路：IPM本身具有电流检测模块，可以自行检测输出电流，将电流传输至主控制器。因此，在设计本实验平台时，只需要对并网侧交流电压检测电路进行设计即可，并严格控制电压传感器性能参数，充分发挥其功能价值，如确保电压检测范围≥±400V、输出电压≤±15V，且误差均在±1%以内。

3 并网逆变器系统实验平台软硬件设计

3.1 软件设计

本实验平台软件设计以上位机程序控制为主，主要通过PC、LabVIEW实现。具体控制界面功能包括主继电器按钮、实时显示按钮、 PLL锁相环开启按钮、PWM开启按钮等，只需要点击按钮，就能进入主界面，选择开启或关相应功能。系统界面还可以选取各种电力设备及系统性能，通过系统界面实施观测其具体变化和运行状态；还包括id、id指令值设置，PI调节器参数设置功能。这些系统功能的实现，均与后台软件应用程序一一对应，可分化为6个不同模块，具体模块内容如下：

（1）开关量读取。具有初始化主界面各开关量的作用，如实时显示、锁相环、闭环控制等，确定主继电器、负载继电器是否开通等。用户可利用鼠标操纵面板按钮，或者触屏操作，控制状态显示[2]。例如，在实际运行中，先启动主继电器，然后点击实时显示程序，在示波器上显示IPM检测物理量，在停止运行时，直接点击关闭按钮即可。

（2）看门狗程序，主要用于程序维护重启，当运行程序错误、跑飞等，该程序可利用ARM功能重启程序。正常情况下，下位机看门狗程序会自动计数，定期将上位机程序清零，当程序出错时，自动计数显示溢出，自动进入控制器中断程序，重启系统。

（3）控制器配置，主要用于配置控制器各项功能，实际应用时，第一步通过FPGA程序选择模块，与下位机传输程序相互匹配；第二步利用ARM缓存分配程序，配置系统各项功能，发挥控制器配置功能。

（4）数值图表化，主要作用是将下位机打包回传的实时监测数据，利用模块中自带程序，如条件结构、WHILE循环、索引数组等，转换数值为图标，在主界面直观展示给用户。

（5）数据显示选择，根据实际需求，自行选择想要查看的数据信息，如直流侧电容电压值、输出侧有功功率和无功功率等[3]。

（6）数据下行程序，将上位机主界面开关量、控制数值设置参数、实时监测数据打包传输至下位机FPGA。

3.2 硬件设计

（1）逆变电路设计

以IPM模块为核心的逆变电路设计，具有故障检测、电路驱动、多种电路保护等功能，集成度高，应用便捷。本文主要选用的IBM模块逆变电路型号为SkiiP3V3系列，内部集成了6个IGBT模块以及对应保护电路和驱动电路，具备过热保护、动态短路保护、驱动高低压欠压保护、直流母线过压保护等功能。

（2）保护电路设计

IPM模块内包含多种保护电路设计，以欠压保护为例，倘若驱动板上电源电压未达到电压阈值，IGBT驱动信号将自动关闭，忽略开关管输入信号TOPin和BOTin，故障信号显示高电平状态；倘若电源电压超过阈值，且输入信号TOPin和BOTin为低状态，系统会在重置故障缓存后重启。

4 并网逆变器系统实验平台实验分析

4.1 并网实验

所谓并网实验，是指在实验室环境内，去除电阻负载，直接将逆变器输出与调压器相互连接，模拟不同等级电网电压，查看并网情况和电能质量[4]。实验显示，控制系统相位成功跟踪电网同步相位，并与电网电压保持一致，并网成功。但是，实验显示直流母线电压值恒定，输出的三相电压波形变化畸形，电能质量不高，需要适当优化滤波器，提高输出电能质量。值得注意的是，并网实验处于实验室环境，为保障人员安全，可适当调低电压值，降低安全隐患。

4.2 离网实验

离网实验，是指在离网条件下，利用功率电阻模拟电阻负载，观察输出电压波形、波纹及电能质量的实验。在实验期间，额定功率的选择较为宽泛，一般根据电源自身设置承载力为基准；直流侧电压等级的设置则较为精细，避免电压等级过高或过低，电压等级过高，存在安全隐患问题，电压等级过低，会阻碍交流侧最大值的输出，同时还要充分考虑开关管实际承载，合理设置上限值，实现输出波形最优化；电阻、电容、电感的参数选择，则以既往经验、相关研究文献等综合选定，如本系统选定的电阻为50Ω、额定功率为6kW、直流侧电压为320~750V、直流侧电容为11000μm、滤波电感为12mH、最大工作频率为15kHz。

在本次离网实验中，实验人员可在上位机界面修改输入负载电压指令、调制比等，并且，最终实验结果也可通过上位机界面显示。实验结果表明，在离网情况下，用户可通过系统试验平台主界面修改电压指令、负载需求等，实时控制负载电压值，连续调节和输出一定范围内对称三相交流电，且输出电能质量高，波形光滑，波纹少，满足实验平台设计需求。

结束语

综上所述，本文在对基于IPM模块的并网逆变器系统实验平台进行设计时，首先分析并网避免器功能及主要电路板拓扑结构，选择符合本系统需求的非隔离型拓扑结构。其次，详细设计分析实验平台总体架构、关键技术要求，如三相逆变器、主控制器、电网模拟、检测电路等，并对实验平台软件设计和硬件设计进行详细分析，论述其主要功能和对应程序。最后，从并网实验、离网实验两方面着手，对该平台运行的安全性、可靠性、稳定性等进行验证，为后续平台实际应用和推广提供强有力的支撑。

参考文献

[1]叶吉亮. 不平衡电网电压下三相并网逆变器的控制策略研究[D].太原理工大学,2018.

[2]张雪珍. 10kW光伏并网逆变器控制系统设计[J]. 电工技术,2019,(14):127-128.

[3]刘毅. 基于FPGA的光伏并网逆变器控制系统设计[D].湖南工业大学,2019.

[5]许扬,李小燕,张代润.IPM在三相光伏并网逆变器中的应用[J].电源技术,2019,43(10):1715-1717.