基于DSP生成SVPWM在逆变电源中的应用研究

 0    引言

    随着太阳能的开发和应用，采用SPWM技术的并网逆变器装置在分布式光伏并网发电系统领域获得广泛的应用。与传统整流器相比，这种逆变器装置的主电路采用可关断的全控器件，可以实现电能的双向传输。这种逆变器装置不仅具有受控的AC/DC整流功能，而且还具有DC/AC的逆变功能。通过数字控制技术在并网逆变器交流侧可实现单位功率因数运行和正弦化电流波形，在分布式光伏并网发电系统中采用PWM并网逆变器可以在向电网馈送能量的同时，减少装置对电网的污染，实现高质量的并网发电。

    本文描述一个应用于光伏并网发电系统，采用直接电流控制的三相电压源型PWM并网逆变器的设计过程，并对逆变器的控制策略进行了分析和研究，并采用三菱公司的智能功率模块IPM50RSA060和德州仪器（TI）公司的DSP芯片TMS320LF2407设计了原型样机。最后的实验结果表明采用PWM控制的逆变器适合应用于中小型功率光伏并网发电系统，且有广泛的应用前景。

1    光伏并网发电系统组成

    光伏并网发电系统主要由太阳能电池板（即光伏阵列），并网逆变器,滤波电抗器和DSP控制电路构成。整个系统的结构如图1所示。

    由图1可见光伏并网发电系统利用太阳能电池板将太阳能转化为直流电能，再利用并网逆变器的受控电流源特性，控制逆变器运行在发电状态,将直流电转化为交流电馈送电网。

图1    光伏并网发电系统机构图

    整个系统能量的变换和传递过程，是利用IPM模块构成的并网逆变器路来实现的，而并网逆变器的控制则是通过DSP生成驱动主电路的PWM信号来完成。

2    并网逆变器控制原理

    根据光伏并网发电系统的工作原理可知，并网逆变器是整个并网发电系统的核心装置，并网逆变器的性能决定着整个系统的性能。针对图l所示的光伏并网发电系统,本文所设计的并网逆变器采用三相半桥逆变器拓扑结构，其结构如图2所示。

图2    三相半桥逆变器拓扑结构

    并网逆变器交流侧所输出的电压电流信号满足下列方程式

    C=i_ks_k－i_d（1）

    L＋R_ik=e_k－V_dc(s_k－s_n)（2）

    e_k=i_k=0（3）

其中

   s_k=（4）

其中k=a，b，c。

    上述模型中L代表交流侧电感参数，R为电感中的寄生电阻，由于电感等效阻抗远大于电阻阻值，在系统设计过程中R对调节器设计影响可以忽略。

    根据三相电压源型PWM并网逆变器的数学模型，可知并网逆变器通过控制三相电压源型逆变器桥臂输出电压来控制输出电流，在控制输出电流得同时，为提高光伏并网逆变系统发电量，充分利用在同等光照条件的光伏阵列所能提供的最大功率，在相应的光伏并网逆变器装置控制系统中引入了最大功率点跟踪（MPPT）技术。

    图2所示为并网逆变器控制结构。从图2中可知并网逆变器控制结构的外环为功率环，采用自寻优MPPT算法。自寻优算法通过采样当前逆变器装置的输出电压电流信号计算出当前时刻的输出功率，再与前一时刻所计算出的输出功率进行比较，根据输出功率的大小不断调整并网逆变器的工作点，最终使得并网逆变器的工作点沿着光伏阵列最大功率曲线变化。逆变器根据MPPT算法计算出的光伏阵列在此功率点下直流电压环指令信号，电压环的误差信号经由PI调节器环节后输出电流环幅值指令，幅值指令与电网电压的同步信号相乘作为电流环的同步指令信号，系统的输出电流由电流误差和内环比例调节器控制，电流环的增益决定着系统输出电流能否准确跟踪指令信号，同时决定光伏并网系统能否以单位功率因数实现最大功率并网发电。

3    硬件设计

    数字控制器是并网逆变器装置的核心部件，并网逆变器主要通过数字控制器来实现数据采样、调节器计算和PWM驱动信号发生，同时也可以实现与人机操作界面的通讯功能。这里的控制器选择TI公司的DSP芯片TMS320LF2407。该DSP芯片是一种高速专用微处理器，保持了一般微处理器系统的特点，又具有优于通用微处理器对数字信号处理的运算能力。它采用了改进型哈佛结构，多组总线技术实现并行运行机制，还有专门的乘法累加器结构，以及提供了非常灵活的指令系统,这一切都极大地增加了运算速度,也提高了系统的灵活性。同时F2407内部集成许多外设，F2407含有操作速率为20MIPS(每秒执行百万条指令)的CPU，片内含有32KB快闪存储器(Flash)，2592字数据存储器；10位模数转换器；包含同步串行外设接口(SPI)，异步串行通讯接口(SCI)和CAN通讯接口；备有4种掉电模式，采用基于JTAG扫描的仿真技术；用于PWM控制的事件管理器，包含4个通用定时器，9个比较单元， 12路PWM输出。其数模转换器可以处理16路模拟信号，能同时对2路模拟信号进行采样和转换，一次A/D转换时间小于1μs。其PWM波形生产单元包含可编程死区控制，可输出非对称PWM波形，对称PWM波形或空间矢量PWM波形。

    逆变器主电路采用日本三菱公司智能功率模块IPM50RSA060，内部有6只IGBT组成三相桥臂，还集成了各种IGBT的驱动电路以及异常情况的检测单元，如短路检测、过流检测、欠压检测、过温检测等。当上述的任一异常信号被检测到时，IPM模块的F0信号可以通过光耦隔离后送到DSP的功率驱动保护引脚，以实现相应的保护。

4    软件设计

    利用DSP控制电路的优点结合逆变器装置的控制算法，设计了采用固定开关频率的逆变器控制系统软件。系统软件由主程序和中断服务子程序构成。图3为软件实现PWM信号发生的中断服务程序框图。

图3    中断服务程序框图

5    实验结果

    采用上述方案，本文设计了一台5kW样机，考虑到并网逆变器与电网直接相联，交流侧输出电流决定着并网逆变器性能，因此系统实验主要关注并网输出电流的波形和装置功率因数。

    从图4可看出，三相系统具有较好的正弦输出电流波形，且三相电流保持平衡。从图5可看出并网发电运行时，网侧具有负单位功率因数。

图4    两相电流波形

图5    单相电压电流波形

6    结语

    本文比较完善的阐述了基于DSP的光伏并网逆变器及其控制的软硬件实现.设计的并网逆变器能够有效实现光伏阵列并网发电功能，同时可以实现发电时能以单位功率因数输出平滑的正弦电流，波形减少对电网的谐波注入。在并网逆变器装置设计过程中，利用高速的数字信号处理器和智能功率模块硬件集成度高、保护功能强大、性能可靠等特点简化了并网逆变器装置的硬件设计和成本，同时提高了装置运行的可靠性。