基于DSP的風(fēng)力發(fā)電逆變電源的研究

摘要：風(fēng)電是一種清潔、經(jīng)濟(jì)、充足、安全的能源，它的提出不僅解決了我國能源和環(huán)境的問題，同時(shí)也符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。基于DSP的風(fēng)力發(fā)電逆變電源是專門為用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)的，它針對(duì)風(fēng)力的不穩(wěn)定性以及風(fēng)力發(fā)電環(huán)境的特殊性，加入了各種保護(hù)電路以及反饋電路，最后經(jīng)過逆變電路和整流濾波電路輸出用于民用的穩(wěn)定電壓。介紹了主控芯片TMS320LF2407的特點(diǎn)，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟硬件結(jié)構(gòu)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞：DSP風(fēng)力發(fā)電；逆變電源；TMS320LF2407

    近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展，我國的能源供需缺口不斷擴(kuò)大，能源供應(yīng)緊張。不僅如此，我國面臨能源和環(huán)境的雙重巨大壓力，保持清潔、經(jīng)濟(jì)、充足、安全的能源供應(yīng)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展長期需要面對(duì)的重要問題。取之不盡的清潔能源是根本解決我國能源問題的主要途徑之一。目前風(fēng)能、太陽能、生物能的部分技術(shù)已逐漸成熟，有望成為解決我國能源缺口和環(huán)境污染的重要途徑。
    鑒予這種情況，對(duì)用于風(fēng)力發(fā)電的逆變電源的研究有很大的現(xiàn)實(shí)意義。逆變電源也是一種產(chǎn)生交流電的裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn)；變頻，逆變電源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率的交流電；變相，逆變電源能將單相交流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，也能將三相交流電轉(zhuǎn)換成單相交流電；逆變電源能將直流電轉(zhuǎn)換成交流電；逆變電源能將低質(zhì)量的市電轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。也正由于這些特點(diǎn)逆變電源將取代旋轉(zhuǎn)型變流機(jī)組。

1 系統(tǒng)硬件
    用于風(fēng)力發(fā)電的逆變電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由主電路和控制電路兩部分組成。其中，控制電路以DSP為核心，驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)屯路、通信顯示電路以及采樣反饋等電路均為控制電路的外圍電路。

2 電路的設(shè)計(jì)
    風(fēng)力發(fā)電逆變電源的主電路圖如圖2所示，主要包括整流濾波部分、逆變吸收部分、變壓器及濾波電路等，其中逆變吸收部分是整個(gè)主電路的核心。本文采用的逆變器為單相全橋逆變電路，當(dāng)輸出交流側(cè)接阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，因此在每個(gè)IGBT的集電極與發(fā)射極間并聯(lián)了快恢復(fù)二極管，以便為無功功率提供通道，為了防止逆變器因死區(qū)時(shí)間不合適造成上下橋臂直通短路、輸出負(fù)載端短路或者變壓器嚴(yán)重偏磁飽和時(shí)導(dǎo)致的初級(jí)組過流等現(xiàn)象，需在逆變橋前串一個(gè)熔斷器，以起保護(hù)作用。整流濾波部分主要給逆變橋提供無波紋的直流輸入電壓。吸收電路主要用于吸收因直流母線分布電感的存在，導(dǎo)致的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓。變壓器主要用于電氣隔離或變壓。[!--empirenews.page--]

    主電路的工作原理如下：
    (1)假設(shè)Q1，Q4先導(dǎo)通，則吸收電路中C3，C6上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud，方向?yàn)樯险仑?fù)；由于Q1，Q4導(dǎo)通時(shí)管壓降近似為零，故二極管D5，D8上的電壓也為逆變器的輸入端電壓Ud，但方向?yàn)樯县?fù)下正。Q2，Q3上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud，方向?yàn)樯险仑?fù)，二極管D6，D7上的電壓為零。
    (2)當(dāng)Q1，Q4關(guān)斷時(shí)，由于直流母線分布電感的存在，使得IGBT在關(guān)斷過程中產(chǎn)生很大的尖峰電壓；當(dāng)Q1，Q4上的電壓超過Ud時(shí)，尖峰電壓會(huì)分別通過C3，R3和C6，R2放電，尖峰電壓全部耗在電阻上，待吸收電路放電結(jié)束后，Q1，Q4完全關(guān)斷。此時(shí)，Q2，Q3還沒開通，Q1～Q4上的電壓為Ud／2。此時(shí)C3，C4，C5，C6上的電壓為Ud，方向?yàn)樯险仑?fù)，二極管D5～D8上的電壓為Ud／2，方向?yàn)樯县?fù)下正。
    (3)當(dāng)Q1，Q4關(guān)斷后，若仍未開通Q2，Q3，則電流會(huì)經(jīng)Q2和Q3的集電極與發(fā)射極并聯(lián)的二極管續(xù)流，Q1，Q4上的電壓為Ud；Q2，Q3上的電壓為零。C3～C6上的電壓為Ud，方向?yàn)樯险仑?fù)；二極管D5，D6上的電壓為零；二極管D6，D7上的電壓為Ud，方向?yàn)樯县?fù)下正。
    (4)二極管續(xù)流直到電流減小為零時(shí)，可開通Q2，Q3，吸收電路中各處電壓不變。

3 控制電路的設(shè)計(jì)
3．1 主控芯片選擇
    該設(shè)計(jì)采用DSP對(duì)逆變電源PWM波部分、死區(qū)部分、電壓有效值外環(huán)及電容電流瞬時(shí)值最內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)及電容電流瞬時(shí)值最內(nèi)環(huán)要求對(duì)逆變電源實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。并且本文所用的開關(guān)頻率較高，所以對(duì)DSP的主頻要求也較高，并且要求DSP具有方便快捷的事件管理模塊，于是本文選用TI公司的TMS320LF2407A DSP處理器作為主控芯片。TMS320LF2407A有以下特點(diǎn)；改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)；靈活的指令系統(tǒng)；高速運(yùn)算能力；大容量存儲(chǔ)能力；有效的性價(jià)比。主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括：工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變電源、功率轉(zhuǎn)換器和控制器、汽車系統(tǒng)、儀表和壓縮機(jī)電機(jī)控制、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)械。
    TMS320LF2407A具有2個(gè)事件管理器，32位中央算數(shù)邏輯單元，32位累加器，16位×16位乘法器，3個(gè)比例移位器，間接尋址用的8個(gè)16 b輔助寄存器和輔助算數(shù)單元，4級(jí)流水線操作，8級(jí)硬件操作，6個(gè)可屏蔽中斷，544 word的片內(nèi)DARAM和2 KB的片內(nèi)SARAM，32 KB的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，64 KB程序存儲(chǔ)空間，35．5 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；I／O空間64 KB。此外，還有功能強(qiáng)大的外設(shè)、串行通信接口SCI、串行外圍皆空SPI、CAN總線控制器、事件管理器EV和A／D轉(zhuǎn)換器、看門狗WDT。
3．2 驅(qū)動(dòng)電路
    對(duì)于IGBT來說，只要驅(qū)動(dòng)電路在柵極和發(fā)射極間提供正偏電壓，IGBT就會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)+VGE增加時(shí)，開通時(shí)間和通態(tài)壓降減小，這有利于減小通態(tài)損耗和開通損耗，但并不意味著+VGE越大越好。
    當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，短路電流將隨著+VGE的增大而增大，并使IGBT承受短路電流的時(shí)間變短，因此+VGE的取值要適當(dāng)，通常推薦使用+15 V。為了保證IGBT承受短路電流的時(shí)間變短，也為了保證IGBT在C，E間出現(xiàn)dv／dt噪聲時(shí)能可靠關(guān)斷，必須在柵極與發(fā)射極關(guān)斷時(shí)施加一個(gè)負(fù)偏壓-VGE。采用負(fù)偏壓還可以減小關(guān)斷損耗。負(fù)偏壓-VGE一般取-5 V左右為宜。另外，為了使IGBT工作在理想狀態(tài)下，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路尤為重要。[!--empirenews.page--]
    本文選用了美國IR公司生產(chǎn)的高壓、高速PMOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)器IR2110，如圖3所示。

3．3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
    保護(hù)電路是傈證電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全工作的關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了許多保護(hù)電路，使得本逆變電源能更好地完成任務(wù)，并提高電源的安全性和可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、溫度保護(hù)，以及輸出過壓保護(hù)反饋，一旦出現(xiàn)上述任意異常狀況，首先通
過硬件保護(hù)電路迅速封鎖DSP的PWM輸出信號(hào)，同時(shí)，引起DSP功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳上的電平跳變，程序執(zhí)行相應(yīng)中斷，并進(jìn)一步在軟件中斷程序中封鎖所有的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)中設(shè)定過載／過流保護(hù)和短路保護(hù)為不可自恢復(fù)的保護(hù)，即一旦發(fā)生過載、過流或者短路現(xiàn)象，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉，無輸出，直到人為的重新啟動(dòng)開關(guān)為止。系統(tǒng)中設(shè)定的過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)為可自恢復(fù)的保護(hù)，即一旦發(fā)生故障，只要恢復(fù)正常的工作條件系統(tǒng)就可以自動(dòng)正常運(yùn)行。

4 軟件設(shè)計(jì)
    通過對(duì)DSP編程來控制整個(gè)系統(tǒng)工作。通過系統(tǒng)初始化子程序?qū)Ω鱾€(gè)參數(shù)、寄存器等進(jìn)行設(shè)定。對(duì)主電路的控制，逆變輸出50 Hz交流電。編程采用順序結(jié)構(gòu)，使調(diào)用子程序方便。在整個(gè)工作過程中，能隨時(shí)對(duì)電流、電壓進(jìn)行測(cè)量比較，一旦出現(xiàn)欠壓、過流等故障，將及時(shí)報(bào)警，并通過子程序顯示在LED屏上。主程序及中斷子程序如圖4、圖5所示。

5 結(jié)語
    考慮到該逆變電源的工作要求，本文在設(shè)計(jì)的過程中加入了卸荷接口及蓄能部分，使其能很好地應(yīng)對(duì)隨時(shí)變化的風(fēng)力。經(jīng)過多次試驗(yàn)測(cè)試表明，該電源能具有較高的穩(wěn)定度，通過選擇不同的功率，既可以用于輸出大功率的發(fā)電站，也可以用于普通用戶。