基于DSP的儲(chǔ)能變流器開發(fā)

張飛+++萬樂斐++++劉亞

摘要：微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)里的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是一個(gè)極其重要的組成部分，有充電與電能回網(wǎng)的作用，儲(chǔ)能變流器控制系統(tǒng)的性能關(guān)系到微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”三要素。微網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器并網(wǎng)電壓的相位、幅值、頻率能否符合并網(wǎng)要求，是否可以實(shí)現(xiàn)無縫切換是儲(chǔ)能變流器要求狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的必要條件。本文給出了儲(chǔ)能變流器的結(jié)構(gòu)，并基于一特定實(shí)例，對(duì)儲(chǔ)能變流器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了基于DSP TMS320F28335的算法流程圖，并且進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能；變流器；軟件算法；仿真模型；

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

0 引言

雙向儲(chǔ)能逆變器能根據(jù)電網(wǎng)供應(yīng)自動(dòng)智能選擇工作在儲(chǔ)能狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，根據(jù)電力系統(tǒng)供應(yīng)情況，電力充足時(shí)，逆變器工作在儲(chǔ)能狀態(tài)，為蓄電池，飛輪儲(chǔ)能，超級(jí)電容等設(shè)備充電。用戶用電量過負(fù)荷或者電網(wǎng)由于緊急因素突然斷開時(shí)，儲(chǔ)能變流器工作在逆變模式，將存儲(chǔ)的電能逆變?yōu)榻涣麟?。?chǔ)能變流器其控制策略、硬件性能、軟件算法與微電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、高效和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。本文在傳統(tǒng)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)儲(chǔ)能逆變器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，總結(jié)了理論框架、軟件算法設(shè)計(jì)流程，并基于MATLAB仿真平臺(tái)搭建儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)仿真模型，為了提高編碼效率，利用了將MATLAB/RTW工具與SIMULINK相結(jié)合啟動(dòng)CCS生成代碼的方法。系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和主電路。總體設(shè)計(jì)如圖1.1所示。

1.1 三相儲(chǔ)能逆變器總體設(shè)計(jì)圖

1儲(chǔ)能變流器的硬件設(shè)計(jì)

主電路包括直流源、穩(wěn)壓電容（電解電容）、三相半橋電路、LCL濾波器、并網(wǎng)開關(guān)、變壓器六部分組成。逆變橋采用IGBT FF75R12RT3半橋模塊，為了防止高頻開關(guān)管寄生參數(shù)等引起的高次諧波，并減小開通時(shí)刻對(duì)開關(guān)管電壓沖擊，在IGBT半橋模塊兩端并聯(lián)3只高頻電容，型號(hào)941C12P47K-F。

控制系統(tǒng)基于DSP TMS320F28335芯片，完成采樣、功率管驅(qū)動(dòng)、故障保護(hù)、主電路接觸器開關(guān)等工作。

1.1溫度采樣電路設(shè)計(jì)

為保證變流系統(tǒng)和開關(guān)管的安全，設(shè)計(jì)如下的溫度檢測(cè)保護(hù)電路。電阻分壓平衡電路和差分放大電路組成了溫度檢測(cè)電路。溫度的保護(hù)點(diǎn)選擇為120℃。溫度檢測(cè)由負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻R57421V2103H062來實(shí)現(xiàn)，在25℃條件下，該熱敏電阻的阻值是10K，溫度升至120℃時(shí)，阻值是270Ω。在室溫的條件下差分放大電路的輸出為零，溫度隨著系統(tǒng)的不斷運(yùn)行溫度可能會(huì)升高，當(dāng)溫度升高到120℃時(shí)，進(jìn)行溫度保護(hù)。此時(shí)的輸出電壓 與熱敏電阻 的關(guān)系為 （式1.1）

代入公式（1.1）得 為1.72V。當(dāng)溫度檢測(cè)轉(zhuǎn)化后的電壓達(dá)到1.72V時(shí)，DSP進(jìn)行相應(yīng)的溫度保護(hù)程序。

1.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能變流器工作出現(xiàn)異常，或者采樣信號(hào)超出設(shè)定的范圍時(shí)，需要采取保護(hù)措施，保護(hù)DSP及整個(gè)系統(tǒng)的安全。充電時(shí)要防止過充，放電要防止過放。蓄電池上限保護(hù)電壓取500V，被圖中電阻R58、R59、R60分壓為2.5V，基準(zhǔn)電壓5V被R61、R62分壓成2.5V，電池過充導(dǎo)致電壓比500V高時(shí)，比較器U15A輸出高電平信號(hào)，DSP轉(zhuǎn)入相應(yīng)的保護(hù)程序。蓄電池下限保護(hù)電壓取360V，被電阻R58、R59、R60分壓成1.8V，基準(zhǔn)電壓是5V電壓被R64、R65分壓成1.8V，一旦電池的電壓低于360V，比較器U156輸出高電平信號(hào)，DSP轉(zhuǎn)入相應(yīng)的保護(hù)程序。設(shè)計(jì)的蓄電池保護(hù)原理圖見圖1.3。

2 儲(chǔ)能變流器的控制策略與軟件設(shè)計(jì)

逆變器算法程序包括：1.SPLL軟件鎖相環(huán) ；2.SVPWM算法編程與實(shí)現(xiàn)；3.PQ 、VF控制算法編程與實(shí)現(xiàn)；4.PID/PI調(diào)節(jié)算法與參數(shù)調(diào)制； 5.14路ADC采集算法（包括中斷程序，選擇程序啟動(dòng)源）；6.保護(hù)程序：過欠壓（直流）保護(hù)、過欠頻（電網(wǎng)頻率）保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)。

2.1 A/D采集程序設(shè)計(jì)

三相逆變器輸出的三相電流和電壓信號(hào)，電網(wǎng)的三相電壓信號(hào)，IGBT的溫度信號(hào)，以及蓄電池的直流電壓和直流電流信號(hào)。AD程序流程圖見圖2.1。

2.2 SVPWM程序設(shè)計(jì)

SVPWM是基于電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的一種控制方法。其輸出要比SPWM諧波含量少，器件損耗少，而且編程簡(jiǎn)單。編程流程如圖2.2所示

2.3 數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

為了輸出與電網(wǎng)相位相同，幅值穩(wěn)定，頻率相符的波形，算法程序中應(yīng)該包含鎖相環(huán)。鎖相環(huán)包括模擬與數(shù)字兩種。模擬鎖相環(huán)是基于硬件方式來完成鎖相功能，設(shè)計(jì)中包含復(fù)雜的硬件電路，并且伴隨直流零點(diǎn)漂移、必須初始校準(zhǔn)、器件飽和等等棘手的問題。而數(shù)字鎖相環(huán)有很多優(yōu)點(diǎn)： 精度高、速度快、控制方法靈活易實(shí)現(xiàn)。圖4.3為鎖相環(huán)算法流程圖。

2.4 總程序流程圖

總程序的工作是完成系統(tǒng)初始化、寄存器的配置、看門狗設(shè)置、AD轉(zhuǎn)換設(shè)置等任務(wù)。初始化之后定時(shí)器和比較單元被啟動(dòng)，等待中斷發(fā)生。一旦中斷發(fā)生，中斷標(biāo)志位被置位，轉(zhuǎn)入相應(yīng)中斷子程序。最后分塊調(diào)用上述的子程序，完成縝密的邏輯控制，并且進(jìn)行算法合理優(yōu)化與簡(jiǎn)化。

3.基于模型的設(shè)計(jì)

基于模型的設(shè)計(jì)利用stateflow工具克服了傳統(tǒng)開發(fā)方式中控制算法設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)獨(dú)立進(jìn)行的缺點(diǎn)，加快了系統(tǒng)開發(fā)效率，可以與上述編程方法相結(jié)合取長(zhǎng)補(bǔ)短提高開發(fā)效率。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，搭建simulink仿真模型，測(cè)試并達(dá)到系統(tǒng)所需性能后，嵌入目標(biāo)系統(tǒng)模塊，啟動(dòng)CCS文件生成DSP可讀的CCS機(jī)器碼（.out）。最后進(jìn)行接口修改與程序校準(zhǔn)工作。

4.控制策略與仿真驗(yàn)證

在已知的控制方式里雙環(huán)控制是儲(chǔ)能變流器的主流控制方式逆變型微電源系統(tǒng)通常有三種控制方式分別是并網(wǎng)狀態(tài)下的P/Q控制，孤島狀態(tài)下的V/F控制和Droop下垂控制。

本文設(shè)計(jì)的額定功率10kW的三相儲(chǔ)能變流器額定輸入電壓：480VDC，輸入電流20.83A；設(shè)計(jì)電壓范圍：400-500VDC； 輸出的線電壓有效值：220VAC；變流器效率：>90%；交流并網(wǎng)電流THD：<4%。功率因數(shù)： ±0.98。工作制：連續(xù) 。輸出波形如圖所示。

4.結(jié)語

本文介紹了三項(xiàng)儲(chǔ)能逆變器典型的研制方法，并闡述了軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，算法優(yōu)化，并且應(yīng)用了比較新穎的基于模型的方法進(jìn)行編程與調(diào)試。給出了硬件設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)過程，包括主程序與子程序設(shè)計(jì)流程圖。最后，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)方法的有效性和準(zhǔn)確性，可以滿足分布式能源及微電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求，具有較好的推廣價(jià)值。

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