徐昕远，赵葵银，向道朴，李世军

（1.广东电网有限责任公司 广州天河供电公司，广州 510000；2.湖南工程学院 电气与信息工程学院，湘潭 411104）

0 引言

风力发电对于缓解当前的能源紧张局势，为传统的发电方式寻找替代能源提供了一种有效途径.直驱式风力发电系统因其维护成本低、噪声小、具有较好的低电压穿越能力而成为风力发电领域的主流系统之一［1］.本文以20 kW风力发电并网逆变器为研究对象，对逆变器所需信号检测与信号调理电路、故障报警电路进行设计.风力发电并网系统，采用双PWM逆变器拓扑结构，如图1所示.

图1 风力发电并网系统拓扑结构

为了有效滤除并网产生的高次谐波，滤波器采用LCL滤波器（L2设计为工频隔离变压器的副边漏感），通过一个变比为340∶380的工频隔离变压器，Δ/Y连接到电网.滤波处理后的谐波电流非常小，近似于正弦输入电流.

网侧逆变器采用电压型三相PWM逆变器拓扑结构，电压型PWM逆变器是两电平拓扑，简单可靠且容易实现.逆变器正常工作时，直流侧电压必须保持恒定不变，并网逆变器输出电压与电网并网，将受电网电压的钳制不可调节.为了抑制谐波，逆变器处于单位功率因数逆变.通过对PWM变流器的四象限运行展开讨论，可以得知控制网侧电流是实现PWM变流器电能双向传输的关键.结合前馈解耦控制，利用dq坐标变换技术，系统采用双闭环控制策略［2］.应用MATLAB对电流闭环、双环稳压、软件锁相和并网发电的仿真研究表明，交流电流内环响应时间短，基本无超调，跟随性好.直流电压外环的控制使直流侧电压稳定，系统响应时间短［3］，系统具有优良的并网特性.

1 控制系统硬件结构

控制系统硬件结构框图如图2所示.

图2 控制系统硬件结构框图

并网逆变器控制系统的硬件设计，主要包括：逆变器主电路、DSP主控核心、模拟信号调理、故障报警、开入开出信号控制及IGBT驱动，硬件设计的可靠性将影响整个设备的安全和稳定.

本并网逆变器主要技术指标如下：（1）输出额定功率：20 kW；（2）直流母线电压范围：600～750 V；（3）输出交流电压适应范围：380 V（1±10%）；（4）输出交流额定电流为35 A.

2 信号检测与调理电路设计

信号检测与调理电路是系统的重要组成部分.依据实时控制和系统的稳定性要求，必须对逆变器直流侧电压、交流侧电压、电流进行实时检测.检测信号由传感器输出，经过前置跟随、低通滤波、无失真放大、电压偏置及限幅电路，输出0～3 V信号，以满足DSP的片内A/D采样要求.

对强电信号采集，选择霍尔器件和电压互感器PT，使强电和检测回路完全隔离.本设计中：（1）交流侧电流检测选用LEM公司LT108-S7霍尔传感器，输入电流范围为-150 A～+150 A，输出额定电流有效值为50 mA，变比为1∶2000；（2）考虑到电网电压频率变化范围较小，电网侧交流电压检测选用电压互感器PT380 V/5 V；（3）直流侧母线电压检测选用电压霍尔传感器LV25-P/SP2，额定输出电流为10 mA，输入电压范围为10～1500 V.

2.1 信号检测电路

信号检测电路如图3所示.逆变器交流侧电流经LT108-S7霍尔传感器M端输出的最大不报警电流为31.8 mA，选100 Ω电阻采样，得M端采样电压最大值VM等于3.18 V.信号检测电路由两级电路构成.第一级前置电压跟随起到缓冲作用；第二级为二阶低通滤波电路，设置信号的截止频率为5 kHz，消除高频干扰.

二阶有源低通滤波器设计中：令C＝C1＝C2，R＝R1＝R2，特征角频率：

低通滤波的通带电压增益：

等效品质因数：

依据幅频响应表达式：

取Q＝0.707，通带电压增益A0＝1.586时，频率响应较平坦，滤波器上限截止角频率fH：

本设计取：C1＝C2＝20 nF，按照式（1）可以计算得：R1＝R2＝1.592 kΩ，取R1＝R2＝1.591 kΩ；由A0＝1.586，为了减少运放偏置电流的影响，取R4＝3.182 kΩ，依式（2）计算选取R3＝5.427 kΩ.

信号检测电路的输入电压VM、输出电压V2波形如图4所示.图中示波器测试值为峰值，输入与输出同相位，电压增益A0＝6.998/4.412＝1.586，符合设计要求.

图4 信号检测电路输入、输出电压波形

信号检测电路的幅频响应曲线如5所示.可以看出，通带电压增益A0＝4.006 dB，下降3 dB时的上限频率fH＝5 kHz，达到设计要求，滤波特性平坦.改变输入信号VM的频率为200 Hz，输入信号与输出信号没有相位改变，信号相位失真很小.

图5 信号检测电路幅频响应曲线

2.2 放大与偏置电路

放大与偏置电路如图6所示，电路由两级放大电路构成.第一级反相比例放大电路，以信号检测电路的输出信号V2作为电路输入，调节放大系数，使第一级输出电压-1.5 V～1.5 V；第二级偏置电路，抬高1.5 V偏置电压，输出为0～3 V，二极管D1、D2构成输出限幅3 V的保护电路，符合DSP片内AD对采样电压的要求.

图6 放大与偏置电路

图7为放大与偏置电路的输入、输出电压波形.由图7可知：输入信号V2＝6.931 V～-6.931 V（峰值），调节电阻R7，第一级输出V3＝-1.5 V～1.5 V，第二级偏置电路输出V4＝0～3 V，满足设计要求.

图7 放大与偏置电路输入、输出波形

3 故障报警电路设计

为了保证并网逆变器安全运行，保护电路不可缺少.除驱动模块内部集成了短路和过流保护功能外，网侧逆变器设计了直流母线过压、交流过流、交流过压和欠压、系统过温保护报警电路.

3.1 交流过流故障报警电路

交流过流故障报警电路如图8所示.该电路以信号检测电路图3的V2为输入电压，第一级为比例放大，通过调节R15使输出电压V5＝2.8 V，然后通过二极管半波整流滤波，得到V6＝3.7 V的临界报警电压，以3.7 V作为第二级电压比较电路的给定电压.当逆变器过流时，V6高于给定电压3.7 V时，V7输出高电平，通过光耦TLP521-1隔离导通后，输出低电平信号la-alarm，送给DSP发出过流故障报警信号.

图8 交流过流故障报警电路

过流故障报警电路各级输出电压波形如图9所示，示波器测试值为峰值.

图9 过流故障报警电路输出电压波形

当V2＝6.935 V时，V5＝-3.928 V，临界报警电压V6＝3.573 V直流电压，取给定电压3.7 V，满足设计要求.用相同的设计方法，可以设计直流母线过压、欠压检测和报警电路.

3.2 过温报警电路

过温报警电路是检测IGBT温度是否过温，一旦超过设定温度，向DSP发出报警信号，封锁IGBT的驱动脉冲，电路如图10所示.

图10 过温报警电路

J1端子连接温度继电器JUC-162F/85-1H-P，正常情况下，J1常开触头断开，光耦不导通，电路输出高电平；当温度超过85℃时，J1常开触头闭合，使光耦导通，电路输出低电平，给DSP发出temp1过温报警信号.

3.3 故障保护程序设计

图11为故障保护程序流程图.当发生故障时，逆变器将立即封锁脉冲，同时断开主接触器，并且返回故障类型、提示故障信息.

图11 故障保护程序流程图

4 实验结果分析

按照以上设计，本文将信号调理与故障报警电路设计在同一PCB，研制了信号调理板.另外还研制了开入开出电路板、IGBT驱动及适配电路板和逆变器样机，进行了实验研究.

按照图1接线，交流侧通过隔离变压器接对称的三相电阻，进行电流闭环实验.通过此实验调节电流内环PI参数，验证电流内环的准确性和动态特性.开关频率8 kHz，母线电容取400 V/1950 μF，滤波电容值Cu为450 V/33 μF，滤波电感L1取1.24 mH.给定交流电流的峰值为5 A，通过测试流过每相电阻的电流值来验证给定电流跟踪的正确性.如图12所示CH3为电阻上的电流波形.电流钳变比为100 mV∶1 A，因此电流有效值为3.46 A，峰值4.89 A.从波形看，电流闭环成功.

图12 电流闭环实验波形

5 结论

本文结合双PWM逆变器主电路的实际工作特点、双闭环控制对硬件的设计要求，主要对20 kW并网逆变器的信号检测与调理电路、故障报警电路进行了设计.合理选择了电路结构和各元器件参数，选择二阶低通滤波、光耦隔离、放大、整流和限幅电路的设计方案，达到了处理速度快、精度高、抗干扰能力强的设计要求，实验验证了设计的可行性.