基于DSP技術(shù)的5kW離網(wǎng)型光伏逆變器設(shè)計

摘要：全球能源危機(jī)和環(huán)境惡化使得可再生能源的研究和應(yīng)用越來越受到重視。本文采用高件能DSP處理器TMS320F2812設(shè)計實(shí)現(xiàn)了5kW光伏控制器，可滿足小功率應(yīng)用場合的需求。此控制器具有硬件電路簡單、體積小、重量輕等特點(diǎn)，本文首先介紹了光伏控制器的結(jié)構(gòu)，隨后對光伏控制的硬件主電路和數(shù)字控制策略給出了詳細(xì)的設(shè)計，最后進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果滿足要求。
關(guān)鍵詞：TMS320F2812；逆變器；光伏控制器

0 引言
    太陽能光伏發(fā)電是當(dāng)今世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按照系統(tǒng)運(yùn)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(shí)施，國內(nèi)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(zhuǎn)換效率對推行光伏系統(tǒng)、降低系統(tǒng)造價至關(guān)重要。

    目前，國內(nèi)同類產(chǎn)品主要存在以下不足：a．大多采用單片機(jī)控制，實(shí)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(shè)計方案，可以廣泛用于離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控等特點(diǎn)。

1 5kW離網(wǎng)型光伏逆變器基本結(jié)構(gòu)
    光伏逆變器的結(jié)構(gòu)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(jī)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(jìn)行設(shè)計。圖2光伏控制器結(jié)構(gòu)圖

2 5kW離網(wǎng)型光伏逆變器硬件設(shè)計
    目前，常用的離網(wǎng)型逆變電路主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：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(shí)踐驗(yàn)證，使用一種更適合用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：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(jìn)行濾波處理，然后通過Boost升壓電路進(jìn)行升壓，采用全橋逆變進(jìn)行逆變處理，輸出SPWM波，最后經(jīng)過LC低通濾波器進(jìn)行濾波，輸出50Hz頻率的正弦波。[!--empirenews.page--]
2．1 輸入濾波電路的設(shè)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(shè)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(nèi)輸入濾波電容所提供的能量約為
   
    式中，η為變換器的效率，fr為IGBT開關(guān)器件的工作頻率。將Pmax=5kW，η=0．95，fr=18kHz代入上式可得Win≈0．2924J，每半個周期輸入濾波電容所提供的能量為：
   
    式中，Vinmin為最小輸入直流電壓；△Vinmin一般取1％Vinmin，本設(shè)計中Vinmin=38．4V，代入式中可得到C=4960 μF，濾波電容選用鋁電解電容，為減小電容的等效串聯(lián)電阻，選用5個1000 μF電解電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，電解電容的高頻特性不好，設(shè)計中在每一個電解電容旁并聯(lián)6 μF的CBB高頻電容加以改善。
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(dāng)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(guān)器件Q的導(dǎo)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(dāng)工作于臨界工作模式時，電感的取值滿足式(3)。
   
    當(dāng)輸出功率等于5kW時，計算得L=20 μH，當(dāng)工作在電感電流連續(xù)模式下時，輸出電壓紋波較小，電容充放電電流的變化率也較小，具有很好的電能輸出質(zhì)量，本設(shè)計中選取P=100W時所對應(yīng)的臨界電感值L=1mH。
    電感電流連續(xù)模式下，需要的電容值為：
   
    要想獲得輸出為220VAC的正弦波，考慮到SPWM調(diào)制技術(shù)的最大利用率0．866和調(diào)制度，以及IGBT管的導(dǎo)通范圍，Boost變換器需要將直流電壓升到420V，紋波電壓為直流電壓的5‰，即為2．1V，占空比D選取最大值0．9，代入式(4)求得電容值為1033 μF，考慮到一定裕量，選取3個并聯(lián)的470 μF的電解電容。
2．3 單相全橋逆變電路
    本文中單相全橋逆變電路的驅(qū)動波形是通過調(diào)制法得到的，信號波和載波的產(chǎn)生以及調(diào)制都是通過DSP2812實(shí)現(xiàn)的。SPWM有三種調(diào)制方式：同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制，本設(shè)計輸出頻率是50Hz，頻率不是太低，所以采用同步調(diào)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(yuǎn)，也就更容易進(jìn)行濾波，提高載波比將有效改善輸出電壓質(zhì)量，但載波比的提高受制于功率開關(guān)器件的開關(guān)速度以及開關(guān)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(yīng)力。[!--empirenews.page--]
    設(shè)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(guān)頻率的1／10～1／20，本設(shè)計中選擇系統(tǒng)開關(guān)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(jié)構(gòu)如圖5所示，

    LC濾波器的傳遞函數(shù)為：

3 5kW離網(wǎng)型光伏逆變器的控制策略
    SPWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，本文采用PID控制與閉環(huán)負(fù)反饋控制相結(jié)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(bǔ)的信號，每對互補(bǔ)信號的延遲時間可由相應(yīng)的死區(qū)定時器產(chǎn)生，事件管理器利用內(nèi)部的定時器和比較單元產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖。文中通過EVA輸出一對互補(bǔ)的SPWM脈沖信號和一路獨(dú)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(diǎn)數(shù)主要取決于目標(biāo)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(diǎn)數(shù)N為
   
    獲得18kHz的SPWM載波信號輸出，需要對EVA的定時器周期寄存器TlPR進(jìn)行配置
   
    式中，fcpu為DSP 2812的系統(tǒng)頻率，HISCP為高速外設(shè)時鐘設(shè)置寄存器，TPST1為通用定時器T1輸入時鐘預(yù)定標(biāo)參數(shù)，將fcpu=150MHz，HISCP=2，TPST1=1代入上式得：
   
    計算輸出頻率的誤差，將TPST1=4166代入式(10)，得出fspwm，再代入式(9)，得fsin1=50．008Hz，產(chǎn)生的誤差為0．008Hz，滿足要求。[!--empirenews.page--]
3．3 閉環(huán)負(fù)反饋控制
    DSP2812實(shí)時檢測輸出輸入的電壓、電流值，反饋到DSP內(nèi)部，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，改變相關(guān)寄存器參數(shù)，控制驅(qū)動脈沖的波形，實(shí)現(xiàn)實(shí)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(fù)反饋調(diào)節(jié)，根據(jù)反饋信號的不同，實(shí)時調(diào)節(jié)輸出，使輸出穩(wěn)定。另外，當(dāng)輸出電流信號突然增大到超過最大允許電流時，關(guān)閉PWM輸出，以保護(hù)逆變裝置不受損害。

4 5kW離網(wǎng)型光伏逆變器軟件設(shè)計
4．1 SPWM控制程序
    本設(shè)計利用事件管理器的一個完全比較單元輸出一對互補(bǔ)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(shè)置為連續(xù)增減方式。功率開關(guān)器件有一定關(guān)斷延遲，當(dāng)同一橋臂的上管關(guān)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(guān)斷間插入一個死區(qū)時間，防止短路現(xiàn)象發(fā)生，保護(hù)功率器件。SPWM程序主要包括：對EV初始化、相關(guān)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：
   
    CMPR1的重載是通過比較單元匹配中斷來實(shí)現(xiàn)的，中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示。

4．2 A／D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序
    A／D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源設(shè)置為EV中的事件源觸發(fā)，當(dāng)AD單元接收到觸發(fā)信號時，自動開始A／D轉(zhuǎn)換，且將轉(zhuǎn)換結(jié)果自動存入結(jié)果寄存器ADC-RESULT中，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號到來時，進(jìn)入ADCINT中斷服務(wù)程序進(jìn)行相應(yīng)處理。在中斷服務(wù)程序中首先讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，利用算術(shù)平均值濾波算法對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，按一定關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的實(shí)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(jìn)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(yàn)證
    將5kW光伏逆交器的一次回路和二次回路進(jìn)行組裝測試，結(jié)合軟件編譯環(huán)境CCS3．3輸出波形如圖9所示，結(jié)果中給出了逆變電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    在穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(jié)果表明，本設(shè)計滿足設(shè)計要求。