基于TMS320F2812 光伏并网SVPWM 逆变系统的设计

2012-12-22靳亚丽郑恩让张晓娟

电子器件 2012年6期

靳亚丽，郑恩让，张晓娟

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

随着能源危机问题的日益严重，如何合理而且有效的利用能源成为我们亟待解决的问题。近年来，光伏发电以其环保、可持续等独特的优点，被公认为最具发展前景的技术之一。逆变技术是光伏并网发电的关键技术，SVPWM 逆变调制技术以其直流电压利用率高，谐波特性好以及易于数字化实现受到人们的广泛关注，本文设计了以SVPWM 调制方式的光伏并网逆变器。整个系统由上位机和下位机组成，上位机由LabVIEW 编写，主要用来监测并网逆变器的运行情况;下位机是以DSP 为核心的并网逆变器控制系统。光伏并网逆变系统分为控制电路和逆变电路两部分。逆变部分采用SVPWM 的电压单神经元PI 闭环控制技术，根据逆变电压实时的去调整PWM 波形去驱动MOSFET 开关管，用以生成电压以及频率恒定的三相交流电。同时采用TMS320F2812 作为控制芯片，实时生成PWM 驱动波形并跟踪电网电压频率和相位，实现了高密度、高可靠性、低成本的三相光伏并网逆变器。

1 系统组成

图1 示出了光伏并网SVPWM 逆变器的原理框图，硬件电路结构主要由光伏电池组件、控制系统，检测电路，逆变电路(DC－AC)以及一些辅助电路组成。如图1 所示，控制系统根据电网的运行情况，控制输出输出带死区的6 路PWM 波并接入驱动电路，在经过LC 滤波电路后，输出满足并网频率，幅值和相位要求的正弦波了。

图1 光伏并网SVPWM 逆变系统原理框图

最大功率跟踪(MPPT)的实质是一个自寻优过程，算法实现时通过太阳能电池当前输出电压与电流的检测，得到当前太阳电池输出功率，再与已被存储的前一时刻功率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停地周而复始，便可使阵列动态地工作在最大功率点上。MPPT 算法实现参照文献［1］。

2 并网逆变器的设计

2.1 逆变主电路设计

(1)逆变电路设计

三相逆变电路由6 个MOSFET 开关管组成的逆变桥，LC 滤波电路，变压器和PWM 驱动电路构成。由于采用SVPWM 方式时输出线电压具有一定的高次谐波，因此必须由滤波器将主要的谐波滤除［2］，然后接上工频变压器，完成与电网的并网运行。三相逆变桥由6 个MOSFET 功率开关管组成，三相逆变电路如图2(a)所示;MOSFET 功率管的驱动采用美国IR 公司的专用驱动芯片IR2110 实现，驱动电路如图2(b)所示。LC 滤波电路的参数由谐振频率和特征阻抗决定，LC 滤波电路的设计参照文献［1］。变压器实现了逆变电路输出和电源输出的电气隔离，同时减小了电源的体积和重量。

(2)检测电路设计

直流侧电压低于要求的电压时，DSP 封锁PWM波输出，使得DC－AC 模块输出电压为零，实现欠压保护;当电压恢复正常后，开启PWM 波输出，逆变器输出恢复正常，直流电压检测电路如图3(a)所示。交流电压检测电路检测逆变器的输出电压，构成电压闭环控制，保证输出交流电压的稳定，控制结构如图1所示。电流检测采用霍尔传感器。当电流值大于设定值时，DSP 封锁PWM 波输出，使得DC－AC 模块输出电压为零，实现过流保护功能;当电流恢复正常后，开启PWM 波输出，逆变器恢复输出，电流检测电路如图3(b)所示。实现逆变器的并网运行，还要保证逆变电压和电网电压同频同相，因此还必须设计频率相位跟踪电路，频率相位跟踪电路如图3(c)所示。当将模拟电网和反馈信号的频率测出以后，以模拟电网信号的频率为标准，通过DSP 的数据处理后，调节正弦波频率，就可以实现频率跟踪。

图2 逆变主电路设计

图3 检测电路设计

2.2 控制电路设计

控制电路包括控制芯片TMS320F2812，采样电路以及带死区的SVPWM 输出等。控制芯片采用32 bit定点TMS320F281 型DSP，它是一款具有16 通道的12 bit ADC 转换(最快转换时间为80 ns)、PWM 输出以及捕获单元等丰富外设的高速数字信号处理芯片。主频可达150 MHz，满足大计算量、高实时性的运算。利用DSP 中的EV 事件管理模块中的全比较单元，可方便的产生6 路带有可编程死区和输出极性的PWM 波。

三相逆变电路在驱动信号的作用下，根据SVPWM 原理将直流电压转换为220 V/50 Hz 的交流电压。输出电压经隔离采样、信号调理后送至DSP。DSP 对采样的信号经单神经元PI 控制算法处理后输出修正后的SVPWM 控制信号，使得输出电压稳定在220 V。通过各种检测信号，TMS320F281 提供必要的保护信号，使得并网逆变器的输出电压和频率稳定，同时实现输出电压幅值，频率和相位的显示、短路保护、过流保护、欠压和过压保护等功能。

(1)SVPWM 调制

SVPWM 控制技术常用于三相异步电动机的变频调速系统控制，它以电动机空间形成圆形旋转磁场为最终目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作。利用逆变器输出电压矢量的正多边形运动轨迹去逼近正弦电压的圆形轨迹，构造的正多边形边数越多，逆变器输出电压就越逼近基频正弦波，此时可使异步电动机的稳态转矩接近恒定值。采用SVPWM 控制时，直流电压利用率高，比采用SPWM 控制高出约15%［8］。SVPWM调制的相电压调制波是隐含的，可以等效为对加入了零序分量的相电压调制指标进行规则采样的结果［4］。等效相电压调制波与三角载波的规则采样见图4所示。

图4 SVPWM 调制波与三角波规则采样

(2)数字单神经元PI 控制算法

输出电压是逆变系统中一个重要指标。输出电压不仅要有良好的动态特性，还要有一定的稳态特性。设计中采用单神经元PI 控制算法［5］来实现并网逆变器输出电压波形的质量。其控制规律如式(1)所示

根据式(1)，用一个单神经元构造PI 控制器［5］，单神经元PI 控制器的输入为:

网络的输出为:u(k)=W1X1(k)+W2X2(k)。

3 软件设计

本系统软件部分的设计包括上下位机两部分，其中上位机采用LabVIEW 编写。软件流程如图5(a)所示。下位机通过以TMS320F2812 为核心的逆变器控制系统，完成光伏并网与上位机的通讯。下位机系统软件由主程序，中断程序和子程序组成。其中中断程序完成故障处理;子程序包括监控，显示子程序和SVPWM 产生子程序。单神经元PI 电压调节在SVPWM 产生子程序中完成，将检测电压经A/D 转换后与给定值相比较，经PI 调节后改变SVPWM 脉冲波非零矢量的作用时间比值来改变输出电压，软件流程图如图5(b)所示，系统主程序流程图如图5(c)所示。并网运行过程中下位机随时保持与上位机的通讯，保证上位机能够掌握下位机的状态，达到上位机对下位机的实时监控的功能。

图5 软件流程图

4 结果分析

4.1 仿真结果

图6 系统Simulink 模型

根据前面叙述的单神经元PI 电压闭环控制的SVPWM 逆变原理，对逆变主电路进行了仿真研究，三相逆变桥由Simulnik 中Universal Bridge 模块实现，LC 滤波器由Simulink 中Parallel RLC Branch 实现，所建立的仿真模型如图6 所示。其中SVPWM使用S 函数实现［6－7］，在仿真研究中，以直流电压源代替了光伏并网逆变系统的直流输入，直流侧电压为24 V，LC 滤波器L=23.35 mH，滤波电容C=47 μF。通过仿真研究，逆变效率可达91.3%。对三相逆变电压进行FFT 分析，电压谐波畸变率为THD=1.18%，大大低于并网要求。通过2 种调制技术的仿真比较，SVPWM 电压利用率比SPWM 调制利用率提高了8.18%，仿真结果如图7 所示。

图7

4.2 实验结果

设计并制作了一台输出电压为220 V/50 Hz 的并网逆变器样机。测试条件为:Udc=24 V，滤波电感L=24 mH，电容C=47 μF，变压器为DG－50VA(24 V/220 V)，PWM 驱动波形如图8(a)所示，通过谐波分析仪对输出电压进行谐波分析，高次谐波含量非常低，谐波畸变率为THD=1.42%。逆变效率为η=83.7%，直流电压利用率为84.55%。三相逆变波形如图8(b)所示。

4.3 结论

从仿真和实验结果可以看出，引入单神经元PI控制器的电压闭环SVPWM 控制方式能够较好的实现对逆变的控制，输出电压波形较稳定，直流电压利用率高，有效地抑制了谐波。

5 结语

在采用TMS320F2812 作为控制器，完整实现了光伏并网逆变器的设计，利用SVPWM 调制法可有效抑制谐波，提高电压利用率。同时，采用TMS320F2812DSP 作为控制器可以方便的实现对逆变器的数字化控制，控制电路简单，而且系统的可靠性也得到了很大的提高。同时，由实验和仿真结果表明系统控制方案的正确性和稳定性，以及该控制方案的可行性。