基于DSP的SVPWM控制在PCS中的應用

方 磊， 高文根

(安徽工程大學檢測技術(shù)與節(jié)能裝置安徽省重點實驗室， 安徽 蕪湖 241000)

基于DSP的SVPWM控制在PCS中的應用

方 磊， 高文根

(安徽工程大學檢測技術(shù)與節(jié)能裝置安徽省重點實驗室， 安徽 蕪湖 241000)

以提高直流電壓的利用率、降低功率變換系統(tǒng)(PCS)的交流網(wǎng)側(cè)電流波形畸變?yōu)槟繕耍榻B了空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的基本理論以及型號為TMS320F2812的數(shù)字信號處理(DSP)芯片的內(nèi)部配置和硬件結(jié)構(gòu)，闡述了數(shù)字信號處理器(DSP)生成SVPWM波形的原理和方法，采取合適的基本矢量與零矢量的順序而組成七段SVPWM波形，將開關(guān)損耗和諧波分量盡可能地降到最低。在CCS3.0仿真軟件上進行編程，對DSP中所用到的寄存器進行初始化配置，并根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇合適的IGBT模塊，設(shè)置所需要的安全死區(qū)時間，并搭建實物平臺對其進行驗證實現(xiàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)可以很好地輸出電壓的波形，并表現(xiàn)出較高的電壓轉(zhuǎn)換效率。

DSP；空間矢量脈寬調(diào)制；能量轉(zhuǎn)換

引 言

當前，面對人類社會不可再生能源的大量消耗和環(huán)境的惡劣變化，能源面臨枯竭的前提下，新型可再生清潔能源成為了人類社會當前和未來的重要研究內(nèi)容，它關(guān)系著一個國家的國民生活質(zhì)量。近些年來，含有大量分布式電源(DG)的微電網(wǎng)[1-3]成為國內(nèi)外研究的焦點。微電網(wǎng)中的 DG 主要有風電、光伏、儲能電池等，其中大部分 DG 均需要通過功率變換系統(tǒng)(PCS)接入到微電網(wǎng)中。相比而言，太陽能是目前人類最熟悉也是最容易獲取的清潔能源，并且取之不盡用之不竭。由此產(chǎn)生了以太陽能光伏發(fā)電為核心的新能源產(chǎn)業(yè)。由于光伏電池板發(fā)出的電能是直流的形式輸出，而且目前使用的大部分家用電器設(shè)備都是由大電網(wǎng)所提供的交流電進行供應，同時光伏發(fā)電的最終目的是為了將光伏的電能注入公共電網(wǎng)，以擴大整個電網(wǎng)的發(fā)電容量。因此，PCS作為光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，可以實現(xiàn)光伏電池直流電源與交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞，近年來已經(jīng)成為一個十分熱門的研究課題。

本文采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，提高了直流電壓利用率，降低了電流波形畸變[4]，結(jié)合硬件平臺對該算法進行驗證。本文采用DSP生成SVPWM波作為控制信號，以改善PCS的輸出性能及提高PCS的可靠性。

1 SVPWM調(diào)制

1.1 SVPWM調(diào)制的基本原理[5-8]

電壓空間矢量脈寬(Space Vector PWM，SVPWM)控制是以一個在空間旋轉(zhuǎn)的電壓矢量去等效目標的三相交流電壓，從而將對三相交流電壓分別控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛梢粋€空間矢量共同控制的方式，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的基本單位矢量去合成，使其在三相逆變上可以達到非常高的控制性能。

設(shè)輸出的三相交流各相電壓為：

VA=Umcosωt

VB=Umcos(ωt-120°)

VC=Umcos(ωt-240°)

式中：Um為相電壓基波幅值，角頻率ω=2πf，f為基波電壓頻率。

VA=Ucosωt=Ud

圖1 空間矢量

針對于圖2中三相橋式逆變器[9]，用Sa、Sb、Sc來表示A、B、C橋臂的開關(guān)狀態(tài)變量，則有：

共有23=8種開關(guān)狀態(tài)，由圖2可知Sa、Sb、Sc同時為0或者1時，即三個橋臂的上橋臂同時開通或者下橋臂同時開通時，每兩相間輸出的線電壓為0。故可得6個非零矢量U1(1 0 0)、U2(1 1 0)、U3(0 1 0)、U4(0 1 1)、U5(0 0 1)、U6(1 0 1)和2個零矢量U0(0 0 0)、U7(1 1 1)，把360°區(qū)域劃分成了6個60°的扇區(qū)，如圖3所示。

圖2 三相橋式逆變器

圖3 基本電壓空間矢量圖

(1)

其中T0的主要作用是用來調(diào)節(jié)各矢量的分配比例，從而改變輸出電壓的幅值大小。

(2)

把式(2)代入式(1)，可得：

(3)

圖4 等效空間矢量U的形成

1.2 空間電壓矢量所在扇區(qū)的判斷[10]

N=4sign(UC)+2sign(UB)+sign(UA)

扇區(qū)號與N的對應關(guān)系見表1。

表1 扇區(qū)號與N的對應關(guān)系

1.3 矢量作用時間的確定

定義X、Y、Z三個變量：

則對應扇區(qū)基本單位矢量的作用時間見表2。

表2 各個扇區(qū)非零矢量的作用時間

若出現(xiàn)Tx+Ty>Ts，即出現(xiàn)過調(diào)制現(xiàn)象，需進行歸一化處理：

1.4 確定空間電壓矢量切換點

一般情況下，盡可能讓PWM波形對稱，從而減小輸出波形中的諧波分量，同時為了減小開關(guān)次數(shù)而降低開關(guān)損耗，本文用3段零矢量和4段組成某一扇區(qū)的兩個非零矢量來組成七段式SVPWM波形，其中SVPWM波的開始、中間和末尾用3段零矢量來構(gòu)成，其他則由兩個非零矢量平分成4段對稱放置。定義各切換點時間為Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3，當電壓矢量在1、3、5扇區(qū)時：

當電壓矢量在2、4、6扇區(qū)時：

設(shè)Ta、Tb、Tc分別表示三相橋臂切換點時間，則對應的時間表見表3。

表3 各扇區(qū)橋臂切換點的對應時間

2 基于TMS320F2812DSP硬件平臺搭建

2.1 硬件結(jié)構(gòu)[11]

TMS320F2812DSP的片內(nèi)外設(shè)包含有2個事件管理器EVA和EVB，每個事件管理器都含有通用定時器1(或2)、3個全比較單元CMPRx(x=1,2,3)、死區(qū)發(fā)生單元及輸出邏輯，通過對上述的配置來生成六路互補的SVPWM波形，如圖5所示。對全比較單元編程使其工作在PWM模式下，引腳GPIO/PWM為PWM輸出方式。所需要的周期載波信號一般是由EVA定時器1的周期寄存器設(shè)置生成，由于載波的頻率和周期是成反比的，所以通過改變周期寄存器的值就可以改變載波頻率的大小。在TMS320F2812中，定時器的計數(shù)模式是通過設(shè)置TMODE的值來確定的，在此處需要用到連續(xù)增/減計數(shù)模式，所以設(shè)置TMODE=1。在該計數(shù)方式下，定時器1計數(shù)器(T1CNT)一般是從零開始計數(shù)，在增加至周期寄存器(T1PR)的值后重新減小到零，如果起始大于T1PR，則其先增至0xFFFF后突變成零，再重新按上述方式循環(huán)。此時若計數(shù)器在變化的過程與比較寄存器中的值(CMPRx，x=1，2，3)相同時，即發(fā)生了匹配中斷事件，產(chǎn)生了一個中斷信號，該信號經(jīng)過了波形發(fā)生器后生成PWM的脈沖信號，用來控制PWM電路中的開通與關(guān)斷，此時另一路互補的PWM_信號通過死區(qū)單元產(chǎn)生，這一對互補的驅(qū)動信號用來控制同一相中的2個IGBT模塊[12-13]。

根據(jù)Infineon公司關(guān)于死區(qū)的表達式進行計算：

tDT=[(tdoffmax-tdonmax)+(tpddmax-tpddmin)]*1.2

(4)

其中tdoffmax為IGBT的最大的關(guān)斷延遲時間，tdoffmin為IGBT的最小的開通延遲時間，tpddmax為IGBT的最大的驅(qū)動信號傳遞延遲時間，tpddmin為IGBT驅(qū)動板發(fā)出信號到IGBT模塊的最小延遲時間，1.2為安全裕值。

圖5 生成SVPWM硬件電路框圖

根據(jù)所購產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，將參數(shù)帶入式(4)得到死區(qū)時間tDT=0.84us，為考慮到充足的安全性，故設(shè)定為5 us。

調(diào)制方式如圖6所示。其中，周期為Ts的載波與各扇區(qū)空間矢量轉(zhuǎn)換規(guī)則共同決定了SVPWM波。為保證三角波的斜率為1，將其幅值確定為Ts/2。

圖6 SVPWM的調(diào)制方式

根據(jù)以上的原理描述和設(shè)計思路所搭建的PCS平臺，如圖7所示。

圖7 基于DSP2812的PCS平臺硬件實物

2.2 軟件設(shè)計流程[14]

該PCS系統(tǒng)的軟件程序是在 Code Composer Studio v3.3 開發(fā)環(huán)境下采用C語言編程，其主要的流程如圖8所示。程序的開始先對整個系統(tǒng)的硬件進行初始化，配置GPIO引腳和片上外圍資源，計算出開關(guān)頻率和產(chǎn)生中斷。若中斷發(fā)生，則系統(tǒng)進入到中斷所對應的程序執(zhí)行SVPWM子程序，如圖9所示，將三相電壓的進行abc/αβ坐標變換，對所在的扇區(qū)進行判斷，從而計算出其所在扇區(qū)的基本電壓矢量的作用時間，并將其賦值給比較寄存器COMP[1,2,3]。

圖8 PCS系統(tǒng)的主程序框圖

圖9 SVPWM生成子程序

2.3 運行結(jié)果

基于以上所搭的PCS硬件平臺進行實驗，使用鋰電池組作為穩(wěn)定的直流源輸入，將其接入到PCS平臺中，運行得出的A、B兩相的電壓波形，如圖10所示。由于探針輸入端口有限，故只能同時三相中的任意兩相。從圖10可以看出，利用SVPWM控制方法可以正常輸出頻率為50 Hz的正弦電壓，但由于采用了開環(huán)控制方式，故波形會有一些毛刺，在采用雙環(huán)控制后，波形會表現(xiàn)出平滑效果[15]。

圖10 輸出端的電壓波形

3 結(jié)束語

在直流電壓的利用率方面，SVPWM調(diào)制要比傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制明顯提高了很多。而DSP有著豐富的外設(shè)資源和高速的數(shù)字運算能力，為SVPWM調(diào)制提供了強大的運算支撐，使系統(tǒng)更好地進行數(shù)字化控制以及對系統(tǒng)可靠性的提升。

[1] 楊新法,蘇劍,呂志鵬,等.微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].中國電機工程學報,2014,34(1):57-70.

[2] 鄭晶,李賡,張艷華,等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電氣開關(guān),2016,54(2):1-3.

[3] 王成山,李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(2):10-14.

[4] 安少亮,李均妮,孫向東,等.光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器三相電流質(zhì)量控制[J].計算機仿真,2016,33(6):81-85.

[5] 陳堅.電力電子學—電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[6] 理文祥,王慶賢,葛蓮.SVPWM的算法及仿真研究[J].變頻器世界,2011(4):67-69.

[7] 段泉圣,劉利超,申芳.SVPWM在DSP上的軟件實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電力,2007,24(1):58-62.

[8] 孫保良.基于DSP2812和SVPWM控制的三相整流器研究[J].儀表技術(shù),2015(1):48-50.

[9] 王君會,錢煒,孫福佳,等.基于DSP的SVPWM的仿真研究[J].機械工程與自動化,2015(2):86-88.

[10] 楊杰,王淑紅.基于DSP的SVPWM算法研究[J].電氣技術(shù),2007(9):22-24.

[11] 顧衛(wèi)鋼.手把手教你學DSP—基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015.

[12] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[13] 杜毅,廖美英.逆變器中IGBT模塊的損耗計算及其散熱系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣傳動自動化,2011,33(1):42-46.

[14] 李瑾,呂樹清,陳顯彪.兩種基于DSP的SVPWM波形實現(xiàn)方法[J].湖北工程學院學報,2014,34(3):16-20.[15] 沈欣煒,鄭競宏,朱守真,等.光伏并網(wǎng)逆變器控制參數(shù)的dq軸解耦辨識策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(4):38-43.

DSP-Based Space Vector PWM Control Applications in PCS

FANGLei,GAOWen’gen

(Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

In order to improve the utilization of DC voltage and lower AC line-side current waveform distortion of power conversion system(PCS), the principle of space vector pulse width modulation (SVPWM) and the internal configuration and structure of TMS320F2812 digital signal processing (DSP) chip were proposed. The principles and methods of how DSP generated SVPWM wave in CCS3.0 simulation software were provided; the appropriate order of the basic vector and the zero vector which formed seven segments SVPWM wave was adopted; switching losses and harmonic components were minimized as much as possible; the registers used in DSP were initialized; the right sort of IGBT module to fit the system was selected; besides, the physical platform had been built to verify its accuracy. Results showed that the system had a well output voltage waveform and a high voltage conversion efficiency.

DSP; space vector pulse width modulation; power conversion system

2016-08-19

國家863計劃項目(2015AA050608);蕪湖市科技計劃重大項目(2014zd23)

方 磊(1987-),男,安徽馬鞍山人,碩士生,主要從事微電網(wǎng)控制方面的研究,(E-mail)funny0565@163.com; 高文根(1973-),男,安徽無為人,副教授,主要從事微電網(wǎng)控制方面的研究,(E-mail)ahpuchina@ahpu.edu.cn

1673-1549(2016)06-0021-05

10.11863/j.suse.2016.06.05

TM464

A