基于DSP技術的功率電感5kW離網(wǎng)型光伏逆變器設計
[導讀] 太陽能光伏發(fā)電是當今世界上最有發(fā)展前景的新能源技術，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按照系統(tǒng)運行方式的不同可分為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)以及混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。隨著我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，尤其是光
太陽能光伏發(fā)電是當今世界上最有發(fā)展前景的新能源技術，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按照系統(tǒng)運行方式的不同可分為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)以及混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。隨著我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，尤其是光伏屋頂計劃的實施，國內對離網(wǎng)型光伏逆變器的需求將越來越大。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏電池陣列、控制器、逆變器、儲能裝置等環(huán)節(jié)組成，如圖1所示，其中逆變器是光伏系統(tǒng)中重要的器件之一，其可靠性和轉換效率對推行光伏系統(tǒng)、降低系統(tǒng)造價至關重要。
目前，國內同類產(chǎn)品主要存在以下不足：a．大多采用單片機控制，實時性差，數(shù)據(jù)處理及通信能力有限；b．采用變壓器，體積大、笨重；c．輸出電壓精度不高，不能滿足社會發(fā)展的需要。本文提出了5kW光伏控制器的設計方案，可以廣泛用于離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)、風光互補發(fā)電系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、輸出電壓精度高、波形好、現(xiàn)場總線實現(xiàn)智能監(jiān)控等特點。
1、5kW離網(wǎng)型光伏逆變器基本結構
光伏逆變器的結構如下所示，包含一次回路和二次回路兩部分，其中一次回路由輸入濾波電路、Boost升壓電路、全橋逆變電路和輸出濾波電路等組成，二次回路由TMS320Fz812控制器電路、信號檢測電路、人機交互電路和通訊電路組成。下面就5kW離網(wǎng)型光伏逆變器的硬件主電路和控制策略進行設計。圖2光伏控制器結構圖
2、5kW離網(wǎng)型光伏逆變器硬件設計
目前，常用的離網(wǎng)型逆變電路主要有三種拓撲結構：工頻隔離單級逆變器、高頻隔離兩級逆變器和無隔離兩級逆變器。經(jīng)理論計算和實踐驗證，使用一種更適合用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電路拓撲結構：無隔離兩級逆變，也叫做Boost逆變器，如圖3所示。
通過輸入濾波電路對光伏太陽能輸入的48V直流電進行濾波處理，然后通過Boost升壓電路進行升壓，采用全橋逆變進行逆變處理，輸出SPWM波，最后經(jīng)過LC低通濾波器進行濾波，輸出50Hz頻率的正弦波。
2．1 輸入濾波電路的設計
輸入濾波電路是由濾波電容組成，用來減小輸入端電壓的脈動，假設變換器傳輸最大功率為Pmax，由輸入輸出功率相等可得出一個周期內輸入濾波電容所提供的能量約為
2．2 Boost電路
Boost電路如圖4所示，其中Q為全控型的功率器件IGBT，Boost電路是一種輸出電壓等于或高于輸入電壓的非隔離直流變換電路，當光伏控制器的輸入電壓在允許范圍波動時，通過控制功率開關器件Q的導通比D，使輸出電壓保持穩(wěn)定。
根據(jù)Boost電路中電感電流是否連續(xù)可以分為電感電流連續(xù)、電感電流斷續(xù)和電感電流臨界連續(xù)三種工作模式。當工作于臨界工作模式時，電感的取值滿足式(3)。
2．3 單相全橋逆變電路
本文中單相全橋逆變電路的驅動波形是通過調制法得到的，信號波和載波的產(chǎn)生以及調制都是通過DSP2812實現(xiàn)的。SPWM有三種調制方式：同步調制、異步調制和分段同步調制，本設計輸出頻率是50Hz，頻率不是太低，所以采用同步調制方式。
2．4 LC低通濾波器
SPWM波中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波分量。為了獲得良好的輸出電壓波形，必須利用LC低通濾波器消除高次諧波。隨著載波比的升高，最低次諧波離基波越遠，也就更容易進行濾波，提高載波比將有效改善輸出電壓質量，但載波比的提高受制于功率開關器件的開關速度以及開關損耗等因素，LC低通濾波器的選取主要考慮幾個方面的因素，噪聲、抑制能力、輸出阻抗、逆變電流應力。
設計中還要綜合考慮濾波電路的體積、重量以及制作成本，通常截止頻率選擇在開關頻率的1／10～1／20，本設計中選擇系統(tǒng)開關頻率為18kHz，逆變器輸出交流電源頻率為50Hz，初步確定截止頻率為1kHz，濾波器中有兩個待定的參數(shù)，即濾波電感和濾波電容。
LC低通濾波器的結構如圖5所示，
3、5kW離網(wǎng)型光伏逆變器的控制策略
SPWM控制技術在逆變電路中的應用十分廣泛，本文采用PID控制與閉環(huán)負反饋控制相結合的數(shù)字控制策略。
3．1 控制脈沖的產(chǎn)生
本文采用TI公司的TMS320F2812為主控芯片，F(xiàn)2812共有兩個事件管理器EVA和EVB，每個都可產(chǎn)生8路的脈沖輸出，其中由全比較單元輸出3對互補的信號，每對互補信號的延遲時間可由相應的死區(qū)定時器產(chǎn)生，事件管理器利用內部的定時器和比較單元產(chǎn)生相應的脈沖。文中通過EVA輸出一對互補的SPWM脈沖信號和一路獨立輸出的PWM信號，分別控制Boost升壓電路和逆變器電路。
3．2 輸出頻率的計算
逆變器輸出SPWM脈沖信號的頻率是50Hz，SPWM波形每個正弦波周期輸出的點數(shù)主要取決于目標輸出正弦波的頻率和SPWM脈沖波的載波頻率。如SPWM的載波頻率為18kHz，要輸出的正弦波的頻率分別為50Hz，所需要的正弦表的點數(shù)N為
3．3 閉環(huán)負反饋控制
DSP2812實時檢測輸出輸入的電壓、電流值，反饋到DSP內部，經(jīng)PI調節(jié)后，改變相關寄存器參數(shù)，控制驅動脈沖的波形，實現(xiàn)實時閉環(huán)控制，系統(tǒng)的控制框圖如圖6所示，系統(tǒng)采用二個閉環(huán)負反饋調節(jié)，根據(jù)反饋信號的不同，實時調節(jié)輸出，使輸出穩(wěn)定。另外，當輸出電流信號突然增大到超過最大允許電流時，關閉PWM輸出，以保護逆變裝置不受損害。
4、5kW離網(wǎng)型光伏逆變器軟件設計
4．1 SPWM控制程序
本設計利用事件管理器的一個完全比較單元輸出一對互補的PWM脈沖，時鐘由通用定時器1提供，計數(shù)器的工作方式設置為連續(xù)增減方式。功率開關器件有一定關斷延遲，當同一橋臂的上管關斷時，下管不能馬上開通，否則將會由于短路而擊穿，使用DSP事件管理器的全比較
單元中的死區(qū)控制器，在同一橋臂的開通與關斷間插入一個死區(qū)時間，防止短路現(xiàn)象發(fā)生，保護功率器件。SPWM程序主要包括：對EV初始化、相關變量初始化、正弦表的產(chǎn)生和CMPR1的重載，前3個功能都是在主程序中完成。正弦表產(chǎn)生語句如下：
4．2 A／D轉換中斷服務程序
R>A／D轉換的觸發(fā)源設置為EV中的事件源觸發(fā)，當AD單元接收到觸發(fā)信號時，自動開始A／D轉換，且將轉換結果自動存入結果寄存器ADC-RESULT中，當轉換結束信號到來時，進入ADCINT中斷服務程序進行相應處理。在中斷服務程序中首先讀取轉換結果，利用算術平均值濾波算法對轉換結果進行數(shù)字濾波，按一定關系轉換成相應的實際電壓和電流，計算電流和電壓的有效值，傳遞到主程序中進行判斷和諧波分析并通過液晶顯示出來，程序流程圖如圖8所示。
5、測試驗證
將5kW光伏逆交器的一次回路和二次回路進行組裝測試，結合軟件編譯環(huán)境CCS3．3輸出波形如圖9所示，結果中給出了逆變電路在穩(wěn)態(tài)運行時的實驗結果。
在穩(wěn)態(tài)運行時，測得到電壓有效值在216V到226V之間波動，頻率在49．6到50．5Hz之間波動，測試結果表明，本設計滿足設計要求。
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