基于DSP生成SVPWM在逆變電源中的應用研究

 0    引言

    隨著太陽能的開發(fā)和應用，采用SPWM技術的并網(wǎng)逆變器裝置在分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)領域獲得廣泛的應用。與傳統(tǒng)整流器相比，這種逆變器裝置的主電路采用可關斷的全控器件，可以實現(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)字控制技術在并網(wǎng)逆變器交流側可實現(xiàn)單位功率因數(shù)運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，減少裝置對電網(wǎng)的污染，實現(xiàn)高質(zhì)量的并網(wǎng)發(fā)電。

    本文描述一個應用于光伏并網(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)逆變器的設計過程，并對逆變器的控制策略進行了分析和研究，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設計了原型樣機。最后的實驗結果表明采用PWM控制的逆變器適合應用于中小型功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，且有廣泛的應用前景。

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控制電路構成。整個系統(tǒng)的結構如圖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，控制逆變器運行在發(fā)電狀態(tài),將直流電轉化為交流電饋送電網(wǎng)。

圖1    光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)機構圖

    整個系統(tǒng)能量的變換和傳遞過程，是利用IPM模塊構成的并網(wǎng)逆變器路來實現(xiàn)的，而并網(wǎng)逆變器的控制則是通過DSP生成驅動主電路的PWM信號來完成。

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系統(tǒng)的性能。針對圖l所示的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),本文所設計的并網(wǎng)逆變器采用三相半橋逆變器拓撲結構，其結構如圖2所示。

圖2    三相半橋逆變器拓撲結構

    并網(wǎng)逆變器交流側所輸出的電壓電流信號滿足下列方程式

    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代表交流側電感參數(shù)，R為電感中的寄生電阻，由于電感等效阻抗遠大于電阻阻值，在系統(tǒng)設計過程中R對調(diào)節(jié)器設計影響可以忽略。

    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，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跟蹤（MPPT）技術。

    圖2所示為并網(wǎng)逆變器控制結構。從圖2中可知并網(wǎng)逆變器控制結構的外環(huán)為功率環(huán)，采用自尋優(yōu)MPPT算法。自尋優(yōu)算法通過采樣當前逆變器裝置的輸出電壓電流信號計算出當前時刻的輸出功率，再與前一時刻所計算出的輸出功率進行比較，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，最終使得并網(wǎng)逆變器的工作點沿著光伏陣列最大功率曲線變化。逆變器根據(jù)MPPT算法計算出的光伏陣列在此功率點下直流電壓環(huán)指令信號，電壓環(huán)的誤差信號經(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)電壓的同步信號相乘作為電流環(huán)的同步指令信號，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)輸出電流能否準確跟蹤指令信號，同時決定光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能否以單位功率因數(shù)實現(xiàn)最大功率并網(wǎng)發(fā)電。

3    硬件設計

    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)字控制器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、調(diào)節(jié)器計算和PWM驅動信號發(fā)生，同時也可以實現(xiàn)與人機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，又具有優(yōu)于通用微處理器對數(shù)字信號處理的運算能力。它采用了改進型哈佛結構，多組總線技術實現(xiàn)并行運行機制，還有專門的乘法累加器結構，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算速度,也提高了系統(tǒng)的靈活性。同時F2407內(nèi)部集成許多外設，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快閃存儲器(Flash)，2592字數(shù)據(jù)存儲器；10位模數(shù)轉換器；包含同步串行外設接口(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；用于PWM控制的事件管理器，包含4個通用定時器，9個比較單元， 12路PWM輸出。其數(shù)模轉換器可以處理16路模擬信號，能同時對2路模擬信號進行采樣和轉換，一次A/D轉換時間小于1μs。其PWM波形生產(chǎn)單元包含可編程死區(qū)控制，可輸出非對稱PWM波形，對稱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的驅動電路以及異常情況的檢測單元，如短路檢測、過流檢測、欠壓檢測、過溫檢測等。當上述的任一異常信號被檢測到時，IPM模塊的F0信號可以通過光耦隔離后送到DSP的功率驅動保護引腳，以實現(xiàn)相應的保護。

4    軟件設計

    利用DSP控制電路的優(yōu)點結合逆變器裝置的控制算法，設計了采用固定開關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子程序構成。圖3為軟件實現(xiàn)PWM信號發(fā)生的中斷服務程序框圖。

圖3    中斷服務程序框圖

5    實驗結果

    采用上述方案，本文設計了一臺5kW樣機，考慮到并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)直接相聯(lián)，交流側輸出電流決定著并網(wǎng)逆變器性能，因此系統(tǒng)實驗主要關注并網(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)電運行時，網(wǎng)側具有負單位功率因數(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現(xiàn).設計的并網(wǎng)逆變器能夠有效實現(xiàn)光伏陣列并網(wǎng)發(fā)電功能，同時可以實現(xiàn)發(fā)電時能以單位功率因數(shù)輸出平滑的正弦電流，波形減少對電網(wǎng)的諧波注入。在并網(wǎng)逆變器裝置設計過程中，利用高速的數(shù)字信號處理器和智能功率模塊硬件集成度高、保護功能強大、性能可靠等特點簡化了并網(wǎng)逆變器裝置的硬件設計和成本，同時提高了裝置運行的可靠性。