基于DSP生成SVPWM在逆變電源中的應(yīng)用研究

 0    引言

    隨著太陽能的開發(fā)和應(yīng)用，采用SPWM技術(shù)的并網(wǎng)逆變器裝置在分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)整流器相比，這種逆變器裝置的主電路采用可關(guān)斷的全控器件，可以實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸。這種逆變器裝置不僅具有受控的AC/DC整流功能，而且還具有DC/AC的逆變功能。通過數(shù)字控制技術(shù)在并網(wǎng)逆變器交流側(cè)可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行和正弦化電流波形，在分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中采用PWM并網(wǎng)逆變器可以在向電網(wǎng)饋送能量的同時(shí)，減少裝置對(duì)電網(wǎng)的污染，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的并網(wǎng)發(fā)電。

    本文描述一個(gè)應(yīng)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，采用直接電流控制的三相電壓源型PWM并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)過程，并對(duì)逆變器的控制策略進(jìn)行了分析和研究，并采用三菱公司的智能功率模塊IPM50RSA060和德州儀器（TI）公司的DSP芯片TMS320LF2407設(shè)計(jì)了原型樣機(jī)。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用PWM控制的逆變器適合應(yīng)用于中小型功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，且有廣泛的應(yīng)用前景。

1    光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

    光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板（即光伏陣列），并網(wǎng)逆變器,濾波電抗器和DSP控制電路構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    由圖1可見光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，再利用并網(wǎng)逆變器的受控電流源特性，控制逆變器運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài),將直流電轉(zhuǎn)化為交流電饋送電網(wǎng)。

圖1    光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖

    整個(gè)系統(tǒng)能量的變換和傳遞過程，是利用IPM模塊構(gòu)成的并網(wǎng)逆變器路來實(shí)現(xiàn)的，而并網(wǎng)逆變器的控制則是通過DSP生成驅(qū)動(dòng)主電路的PWM信號(hào)來完成。

2    并網(wǎng)逆變器控制原理

    根據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理可知，并網(wǎng)逆變器是整個(gè)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置，并網(wǎng)逆變器的性能決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。針對(duì)圖l所示的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),本文所設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變器采用三相半橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2    三相半橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    并網(wǎng)逆變器交流側(cè)所輸出的電壓電流信號(hào)滿足下列方程式

    C=i_ks_k－i_d（1）

    L＋R_ik=e_k－V_dc(s_k－s_n)（2）

    e_k=i_k=0（3）

其中

   s_k=（4）

其中k=a，b，c。

    上述模型中L代表交流側(cè)電感參數(shù)，R為電感中的寄生電阻，由于電感等效阻抗遠(yuǎn)大于電阻阻值，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中R對(duì)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)影響可以忽略。

    根據(jù)三相電壓源型PWM并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，可知并網(wǎng)逆變器通過控制三相電壓源型逆變器橋臂輸出電壓來控制輸出電流，在控制輸出電流得同時(shí)，為提高光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)發(fā)電量，充分利用在同等光照條件的光伏陣列所能提供的最大功率，在相應(yīng)的光伏并網(wǎng)逆變器裝置控制系統(tǒng)中引入了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)。

    圖2所示為并網(wǎng)逆變器控制結(jié)構(gòu)。從圖2中可知并網(wǎng)逆變器控制結(jié)構(gòu)的外環(huán)為功率環(huán)，采用自尋優(yōu)MPPT算法。自尋優(yōu)算法通過采樣當(dāng)前逆變器裝置的輸出電壓電流信號(hào)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的輸出功率，再與前一時(shí)刻所計(jì)算出的輸出功率進(jìn)行比較，根據(jù)輸出功率的大小不斷調(diào)整并網(wǎng)逆變器的工作點(diǎn)，最終使得并網(wǎng)逆變器的工作點(diǎn)沿著光伏陣列最大功率曲線變化。逆變器根據(jù)MPPT算法計(jì)算出的光伏陣列在此功率點(diǎn)下直流電壓環(huán)指令信號(hào)，電壓環(huán)的誤差信號(hào)經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)后輸出電流環(huán)幅值指令，幅值指令與電網(wǎng)電壓的同步信號(hào)相乘作為電流環(huán)的同步指令信號(hào)，系統(tǒng)的輸出電流由電流誤差和內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)器控制，電流環(huán)的增益決定著系統(tǒng)輸出電流能否準(zhǔn)確跟蹤指令信號(hào)，同時(shí)決定光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能否以單位功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)最大功率并網(wǎng)發(fā)電。

3    硬件設(shè)計(jì)

    數(shù)字控制器是并網(wǎng)逆變器裝置的核心部件，并網(wǎng)逆變器主要通過數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、調(diào)節(jié)器計(jì)算和PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)與人機(jī)操作界面的通訊功能。這里的控制器選擇TI公司的DSP芯片TMS320LF2407。該DSP芯片是一種高速專用微處理器，保持了一般微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)，又具有優(yōu)于通用微處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算能力。它采用了改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，多組總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行機(jī)制，還有專門的乘法累加器結(jié)構(gòu)，以及提供了非常靈活的指令系統(tǒng),這一切都極大地增加了運(yùn)算速度,也提高了系統(tǒng)的靈活性。同時(shí)F2407內(nèi)部集成許多外設(shè)，F(xiàn)2407含有操作速率為20MIPS(每秒執(zhí)行百萬條指令)的CPU，片內(nèi)含有32KB快閃存儲(chǔ)器(Flash)，2592字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器；10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；包含同步串行外設(shè)接口(SPI)，異步串行通訊接口(SCI)和CAN通訊接口；備有4種掉電模式，采用基于JTAG掃描的仿真技術(shù)；用于PWM控制的事件管理器，包含4個(gè)通用定時(shí)器，9個(gè)比較單元， 12路PWM輸出。其數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以處理16路模擬信號(hào)，能同時(shí)對(duì)2路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1μs。其PWM波形生產(chǎn)單元包含可編程死區(qū)控制，可輸出非對(duì)稱PWM波形，對(duì)稱PWM波形或空間矢量PWM波形。

    逆變器主電路采用日本三菱公司智能功率模塊IPM50RSA060，內(nèi)部有6只IGBT組成三相橋臂，還集成了各種IGBT的驅(qū)動(dòng)電路以及異常情況的檢測(cè)單元，如短路檢測(cè)、過流檢測(cè)、欠壓檢測(cè)、過溫檢測(cè)等。當(dāng)上述的任一異常信號(hào)被檢測(cè)到時(shí)，IPM模塊的F0信號(hào)可以通過光耦隔離后送到DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)。

4    軟件設(shè)計(jì)

    利用DSP控制電路的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合逆變器裝置的控制算法，設(shè)計(jì)了采用固定開關(guān)頻率的逆變器控制系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。圖3為軟件實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)發(fā)生的中斷服務(wù)程序框圖。

圖3    中斷服務(wù)程序框圖

5    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    采用上述方案，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)5kW樣機(jī)，考慮到并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)直接相聯(lián)，交流側(cè)輸出電流決定著并網(wǎng)逆變器性能，因此系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注并網(wǎng)輸出電流的波形和裝置功率因數(shù)。

    從圖4可看出，三相系統(tǒng)具有較好的正弦輸出電流波形，且三相電流保持平衡。從圖5可看出并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)具有負(fù)單位功率因數(shù)。

圖4    兩相電流波形

圖5    單相電壓電流波形

6    結(jié)語

    本文比較完善的闡述了基于DSP的光伏并網(wǎng)逆變器及其控制的軟硬件實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變器能夠有效實(shí)現(xiàn)光伏陣列并網(wǎng)發(fā)電功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電時(shí)能以單位功率因數(shù)輸出平滑的正弦電流，波形減少對(duì)電網(wǎng)的諧波注入。在并網(wǎng)逆變器裝置設(shè)計(jì)過程中，利用高速的數(shù)字信號(hào)處理器和智能功率模塊硬件集成度高、保護(hù)功能強(qiáng)大、性能可靠等特點(diǎn)簡(jiǎn)化了并網(wǎng)逆變器裝置的硬件設(shè)計(jì)和成本，同時(shí)提高了裝置運(yùn)行的可靠性。