基于TMS320F2812 光伏并網(wǎng)SVPWM 逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

靳亞麗，鄭恩讓 ，張曉娟

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

隨著能源危機(jī)問(wèn)題的日益嚴(yán)重，如何合理而且有效的利用能源成為我們亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)，光伏發(fā)電以其環(huán)保、可持續(xù)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。逆變技術(shù)是光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，SVPWM 逆變調(diào)制技術(shù)以其直流電壓利用率高，諧波特性好以及易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)受到人們的廣泛關(guān)注，本文設(shè)計(jì)了以SVPWM 調(diào)制方式的光伏并網(wǎng)逆變器。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)由LabVIEW 編寫(xiě)，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行情況;下位機(jī)是以DSP 為核心的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)分為控制電路和逆變電路兩部分。逆變部分采用SVPWM 的電壓?jiǎn)紊窠?jīng)元PI 閉環(huán)控制技術(shù)，根據(jù)逆變電壓實(shí)時(shí)的去調(diào)整PWM 波形去驅(qū)動(dòng)MOSFET 開(kāi)關(guān)管，用以生成電壓以及頻率恒定的三相交流電。同時(shí)采用TMS320F2812 作為控制芯片，實(shí)時(shí)生成PWM 驅(qū)動(dòng)波形并跟蹤電網(wǎng)電壓頻率和相位，實(shí)現(xiàn)了高密度、高可靠性、低成本的三相光伏并網(wǎng)逆變器。

1 系統(tǒng)組成

圖1 示出了光伏并網(wǎng)SVPWM 逆變器的原理框圖，硬件電路結(jié)構(gòu)主要由光伏電池組件、控制系統(tǒng)，檢測(cè)電路，逆變電路(DC－AC)以及一些輔助電路組成。如圖1 所示，控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行情況，控制輸出輸出帶死區(qū)的6 路PWM 波并接入驅(qū)動(dòng)電路，在經(jīng)過(guò)LC 濾波電路后，輸出滿足并網(wǎng)頻率，幅值和相位要求的正弦波了。

圖1 光伏并網(wǎng)SVPWM 逆變系統(tǒng)原理框圖

最大功率跟蹤(MPPT)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程，算法實(shí)現(xiàn)時(shí)通過(guò)太陽(yáng)能電池當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測(cè)，得到當(dāng)前太陽(yáng)電池輸出功率，再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻功率相比較，舍小存大，再檢測(cè)，再比較，如此不停地周而復(fù)始，便可使陣列動(dòng)態(tài)地工作在最大功率點(diǎn)上。MPPT 算法實(shí)現(xiàn)參照文獻(xiàn)［1］。

2 并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)

2.1 逆變主電路設(shè)計(jì)

(1)逆變電路設(shè)計(jì)

三相逆變電路由6 個(gè)MOSFET 開(kāi)關(guān)管組成的逆變橋，LC 濾波電路，變壓器和PWM 驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。由于采用SVPWM 方式時(shí)輸出線電壓具有一定的高次諧波，因此必須由濾波器將主要的諧波濾除［2］，然后接上工頻變壓器，完成與電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行。三相逆變橋由6 個(gè)MOSFET 功率開(kāi)關(guān)管組成，三相逆變電路如圖2(a)所示;MOSFET 功率管的驅(qū)動(dòng)采用美國(guó)IR 公司的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電路如圖2(b)所示。LC 濾波電路的參數(shù)由諧振頻率和特征阻抗決定，LC 濾波電路的設(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)［1］。變壓器實(shí)現(xiàn)了逆變電路輸出和電源輸出的電氣隔離，同時(shí)減小了電源的體積和重量。

(2)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

直流側(cè)電壓低于要求的電壓時(shí)，DSP 封鎖PWM波輸出，使得DC－AC 模塊輸出電壓為零，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù);當(dāng)電壓恢復(fù)正常后，開(kāi)啟PWM 波輸出，逆變器輸出恢復(fù)正常，直流電壓檢測(cè)電路如圖3(a)所示。交流電壓檢測(cè)電路檢測(cè)逆變器的輸出電壓，構(gòu)成電壓閉環(huán)控制，保證輸出交流電壓的穩(wěn)定，控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。電流檢測(cè)采用霍爾傳感器。當(dāng)電流值大于設(shè)定值時(shí)，DSP 封鎖PWM 波輸出，使得DC－AC 模塊輸出電壓為零，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能;當(dāng)電流恢復(fù)正常后，開(kāi)啟PWM 波輸出，逆變器恢復(fù)輸出，電流檢測(cè)電路如圖3(b)所示。實(shí)現(xiàn)逆變器的并網(wǎng)運(yùn)行，還要保證逆變電壓和電網(wǎng)電壓同頻同相，因此還必須設(shè)計(jì)頻率相位跟蹤電路，頻率相位跟蹤電路如圖3(c)所示。當(dāng)將模擬電網(wǎng)和反饋信號(hào)的頻率測(cè)出以后，以模擬電網(wǎng)信號(hào)的頻率為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)DSP 的數(shù)據(jù)處理后，調(diào)節(jié)正弦波頻率，就可以實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

圖2 逆變主電路設(shè)計(jì)

圖3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路包括控制芯片TMS320F2812，采樣電路以及帶死區(qū)的SVPWM 輸出等?？刂菩酒捎?2 bit定點(diǎn)TMS320F281 型DSP，它是一款具有16 通道的12 bit ADC 轉(zhuǎn)換(最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為80 ns)、PWM 輸出以及捕獲單元等豐富外設(shè)的高速數(shù)字信號(hào)處理芯片。主頻可達(dá)150 MHz，滿足大計(jì)算量、高實(shí)時(shí)性的運(yùn)算。利用DSP 中的EV 事件管理模塊中的全比較單元，可方便的產(chǎn)生6 路帶有可編程死區(qū)和輸出極性的PWM 波。

三相逆變電路在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下，根據(jù)SVPWM 原理將直流電壓轉(zhuǎn)換為220 V/50 Hz 的交流電壓。輸出電壓經(jīng)隔離采樣、信號(hào)調(diào)理后送至DSP。DSP 對(duì)采樣的信號(hào)經(jīng)單神經(jīng)元PI 控制算法處理后輸出修正后的SVPWM 控制信號(hào)，使得輸出電壓穩(wěn)定在220 V。通過(guò)各種檢測(cè)信號(hào)，TMS320F281 提供必要的保護(hù)信號(hào)，使得并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和頻率穩(wěn)定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值，頻率和相位的顯示、短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓和過(guò)壓保護(hù)等功能。

(1)SVPWM 調(diào)制

SVPWM 控制技術(shù)常用于三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制，它以電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為最終目標(biāo)，把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作。利用逆變器輸出電壓矢量的正多邊形運(yùn)動(dòng)軌跡去逼近正弦電壓的圓形軌跡，構(gòu)造的正多邊形邊數(shù)越多，逆變器輸出電壓就越逼近基頻正弦波，此時(shí)可使異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩接近恒定值。采用SVPWM 控制時(shí)，直流電壓利用率高，比采用SPWM 控制高出約15%［8］。SVPWM調(diào)制的相電壓調(diào)制波是隱含的，可以等效為對(duì)加入了零序分量的相電壓調(diào)制指標(biāo)進(jìn)行規(guī)則采樣的結(jié)果［4］。等效相電壓調(diào)制波與三角載波的規(guī)則采樣見(jiàn)圖4所示。

圖4 SVPWM 調(diào)制波與三角波規(guī)則采樣

(2)數(shù)字單神經(jīng)元PI 控制算法

輸出電壓是逆變系統(tǒng)中一個(gè)重要指標(biāo)。輸出電壓不僅要有良好的動(dòng)態(tài)特性，還要有一定的穩(wěn)態(tài)特性。設(shè)計(jì)中采用單神經(jīng)元PI 控制算法［5］來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器輸出電壓波形的質(zhì)量。其控制規(guī)律如式(1)所示

根據(jù)式(1)，用一個(gè)單神經(jīng)元構(gòu)造PI 控制器［5］，單神經(jīng)元PI 控制器的輸入為:

網(wǎng)絡(luò)的輸出為:u(k)=W1X1(k)+W2X2(k)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)包括上下位機(jī)兩部分，其中上位機(jī)采用LabVIEW 編寫(xiě)。軟件流程如圖5(a)所示。下位機(jī)通過(guò)以TMS320F2812 為核心的逆變器控制系統(tǒng)，完成光伏并網(wǎng)與上位機(jī)的通訊。下位機(jī)系統(tǒng)軟件由主程序，中斷程序和子程序組成。其中中斷程序完成故障處理;子程序包括監(jiān)控，顯示子程序和SVPWM 產(chǎn)生子程序。單神經(jīng)元PI 電壓調(diào)節(jié)在SVPWM 產(chǎn)生子程序中完成，將檢測(cè)電壓經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后與給定值相比較，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后改變SVPWM 脈沖波非零矢量的作用時(shí)間比值來(lái)改變輸出電壓，軟件流程圖如圖5(b)所示，系統(tǒng)主程序流程圖如圖5(c)所示。并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中下位機(jī)隨時(shí)保持與上位機(jī)的通訊，保證上位機(jī)能夠掌握下位機(jī)的狀態(tài)，達(dá)到上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

圖5 軟件流程圖

4 結(jié)果分析

4.1 仿真結(jié)果

圖6 系統(tǒng)Simulink 模型

根據(jù)前面敘述的單神經(jīng)元PI 電壓閉環(huán)控制的SVPWM 逆變?cè)?，?duì)逆變主電路進(jìn)行了仿真研究，三相逆變橋由Simulnik 中Universal Bridge 模塊實(shí)現(xiàn)，LC 濾波器由Simulink 中Parallel RLC Branch 實(shí)現(xiàn)，所建立的仿真模型如圖6 所示。其中SVPWM使用S 函數(shù)實(shí)現(xiàn)［6－7］，在仿真研究中，以直流電壓源代替了光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的直流輸入，直流側(cè)電壓為24 V，LC 濾波器L=23.35 mH，濾波電容C=47 μF。通過(guò)仿真研究，逆變效率可達(dá)91.3%。對(duì)三相逆變電壓進(jìn)行FFT 分析，電壓諧波畸變率為T(mén)HD=1.18%，大大低于并網(wǎng)要求。通過(guò)2 種調(diào)制技術(shù)的仿真比較，SVPWM 電壓利用率比SPWM 調(diào)制利用率提高了8.18%，仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)輸出電壓為220 V/50 Hz 的并網(wǎng)逆變器樣機(jī)。測(cè)試條件為:Udc=24 V，濾波電感L=24 mH，電容C=47 μF，變壓器為DG－50VA(24 V/220 V)，PWM 驅(qū)動(dòng)波形如圖8(a)所示，通過(guò)諧波分析儀對(duì)輸出電壓進(jìn)行諧波分析，高次諧波含量非常低，諧波畸變率為T(mén)HD=1.42%。逆變效率為η=83.7%，直流電壓利用率為84.55%。三相逆變波形如圖8(b)所示。

4.3 結(jié)論

從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，引入單神經(jīng)元PI控制器的電壓閉環(huán)SVPWM 控制方式能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變的控制，輸出電壓波形較穩(wěn)定，直流電壓利用率高，有效地抑制了諧波。

5 結(jié)語(yǔ)

在采用TMS320F2812 作為控制器，完整實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)，利用SVPWM 調(diào)制法可有效抑制諧波，提高電壓利用率。同時(shí)，采用TMS320F2812DSP 作為控制器可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的數(shù)字化控制，控制電路簡(jiǎn)單，而且系統(tǒng)的可靠性也得到了很大的提高。同時(shí)，由實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明系統(tǒng)控制方案的正確性和穩(wěn)定性，以及該控制方案的可行性。

圖8 實(shí)驗(yàn)波形

［1］ 吳振宇，耿興華，馮林，等.基于DSP 的單相光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2011，45(5):16－18.

［2］ 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 聶振宇，劉國(guó)平，胡即明，等.基于SVPW 控制的三相逆變電源裝置的研制［J］.電力電子技術(shù)，2011，44(11):54－56.

［4］ 李傳海，李峰，曲繼圣，等. 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)化方法［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，35(2):27－31.

［5］ 焦保帥，尹斌，陶樹(shù)建.基于單神經(jīng)元PI 控制的逆變器系統(tǒng)仿真［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(5):103－105.

［6］ 范心明.基于Simulink 的SVPWM 仿真［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2009，31(3):19－21.

［7］ 胡娜，祝龍計(jì).基于DSP 的SVPWM 逆變電源的仿真研究［J］.電氣技術(shù)，2009，7:34－37.

［8］ 石昆，章堅(jiān)民，李陽(yáng)春，等.基于DSP 的三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2011，34(3):273－277.