基于DSP技术的5kW离网型光伏逆变器设计

摘要：全球能源危机和环境恶化使得可再生能源的研究和应用越来越受到重视。本文采用高件能DSP处理器TMS320F2812设计实现了5kW光伏控制器，可满足小功率应用场合的需求。此控制器具有硬件电路简单、体积小、重量轻等特点，本文首先介绍了光伏控制器的结构，随后对光伏控制的硬件主电路和数字控制策略给出了详细的设计，最后进行测试实验，测试结果满足要求。
关键词：TMS320F2812；逆变器；光伏控制器

0 引言
    太阳能光伏发电是当今世界上最有发展前景的新能源技术，太阳能光伏发电系统按照系统运行方式的不同可分为离网型光伏发电系统、并网型光伏发电系统以及混合型光伏发电系统。随着我国光伏发电系统的迅速发展，尤其是光伏屋顶计划的实施，国内对离网型光伏逆变器的需求将越来越大。离网型光伏发电系统主要是由光伏电池阵列、控制器、逆变器、储能装置等环节组成，如图1所示，其中逆变器是光伏系统中重要的器件之一，其可靠性和转换效率对推行光伏系统、降低系统造价至关重要。

    目前，国内同类产品主要存在以下不足：a．大多采用单片机控制，实时性差，数据处理及通信能力有限；b．采用变压器，体积大、笨重；c．输出电压精度不高，不能满足社会发展的需要。本文提出了5kW光伏控制器的设计方案，可以广泛用于离网型光伏发电系统、风光互补发电系统，具有体积小、重量轻、输出电压精度高、波形好、现场总线实现智能监控等特点。

1 5kW离网型光伏逆变器基本结构
    光伏逆变器的结构如下所示，包含一次回路和二次回路两部分，其中一次回路由输入滤波电路、Boost升压电路、全桥逆变电路和输出滤波电路等组成，二次回路由TMS320Fz812控制器电路、信号检测电路、人机交互电路和通讯电路组成。下面就5kW离网型光伏逆变器的硬件主电路和控制策略进行设计。图2光伏控制器结构图

2 5kW离网型光伏逆变器硬件设计
    目前，常用的离网型逆变电路主要有三种拓扑结构：工频隔离单级逆变器、高频隔离两级逆变器和无隔离两级逆变器。经理论计算和实践验证，使用一种更适合用在光伏发电系统中的电路拓扑结构：无隔离两级逆变，也叫做Boost逆变器，如图3所示。

    通过输入滤波电路对光伏太阳能输入的48V直流电进行滤波处理，然后通过Boost升压电路进行升压，采用全桥逆变进行逆变处理，输出SPWM波，最后经过LC低通滤波器进行滤波，输出50Hz频率的正弦波。[!--empirenews.page--]
2．1 输入滤波电路的设计
    输入滤波电路是由滤波电容组成，用来减小输入端电压的脉动，假设变换器传输最大功率为Pmax，由输入输出功率相等可得出一个周期内输入滤波电容所提供的能量约为
   
    式中，η为变换器的效率，fr为IGBT开关器件的工作频率。将Pmax=5kW，η=0．95，fr=18kHz代入上式可得Win≈0．2924J，每半个周期输入滤波电容所提供的能量为：
   
    式中，Vinmin为最小输入直流电压；△Vinmin一般取1％Vinmin，本设计中Vinmin=38．4V，代入式中可得到C=4960 μF，滤波电容选用铝电解电容，为减小电容的等效串联电阻，选用5个1000 μF电解电容并联实现，电解电容的高频特性不好，设计中在每一个电解电容旁并联6 μF的CBB高频电容加以改善。
2．2 Boost电路
    Boost电路如图4所示，其中Q为全控型的功率器件IGBT，Boost电路是一种输出电压等于或高于输入电压的非隔离直流变换电路，当光伏控制器的输入电压在允许范围波动时，通过控制功率开关器件Q的导通比D，使输出电压保持稳定。

 
    根据Boost电路中电感电流是否连续可以分为电感电流连续、电感电流断续和电感电流临界连续三种工作模式。当工作于临界工作模式时，电感的取值满足式(3)。
   
    当输出功率等于5kW时，计算得L=20 μH，当工作在电感电流连续模式下时，输出电压纹波较小，电容充放电电流的变化率也较小，具有很好的电能输出质量，本设计中选取P=100W时所对应的临界电感值L=1mH。
    电感电流连续模式下，需要的电容值为：
   
    要想获得输出为220VAC的正弦波，考虑到SPWM调制技术的最大利用率0．866和调制度，以及IGBT管的导通范围，Boost变换器需要将直流电压升到420V，纹波电压为直流电压的5‰，即为2．1V，占空比D选取最大值0．9，代入式(4)求得电容值为1033 μF，考虑到一定裕量，选取3个并联的470 μF的电解电容。
2．3 单相全桥逆变电路
    本文中单相全桥逆变电路的驱动波形是通过调制法得到的，信号波和载波的产生以及调制都是通过DSP2812实现的。SPWM有三种调制方式：同步调制、异步调制和分段同步调制，本设计输出频率是50Hz，频率不是太低，所以采用同步调制方式。
2．4 LC低通滤波器
    SPWM波中含有载波频率的整数倍及其附近的谐波分量。为了获得良好的输出电压波形，必须利用LC低通滤波器消除高次谐波。随着载波比的升高，最低次谐波离基波越远，也就更容易进行滤波，提高载波比将有效改善输出电压质量，但载波比的提高受制于功率开关器件的开关速度以及开关损耗等因素，LC低通滤波器的选取主要考虑几个方面的因素，噪声、抑制能力、输出阻抗、逆变电流应力。[!--empirenews.page--]
    设计中还要综合考虑滤波电路的体积、重量以及制作成本，通常截止频率选择在开关频率的1／10～1／20，本设计中选择系统开关频率为18kHz，逆变器输出交流电源频率为50Hz，初步确定截止频率为1kHz，滤波器中有两个待定的参数，即滤波电感和滤波电容。
    LC低通滤波器的结构如图5所示，

    LC滤波器的传递函数为：

3 5kW离网型光伏逆变器的控制策略
    SPWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，本文采用PID控制与闭环负反馈控制相结合的数字控制策略。
3．1 控制脉冲的产生
    本文采用TI公司的TMS320F2812为主控芯片，F2812共有两个事件管理器EVA和EVB，每个都可产生8路的脉冲输出，其中由全比较单元输出3对互补的信号，每对互补信号的延迟时间可由相应的死区定时器产生，事件管理器利用内部的定时器和比较单元产生相应的脉冲。文中通过EVA输出一对互补的SPWM脉冲信号和一路独立输出的PWM信号，分别控制Boost升压电路和逆变器电路。
3．2 输出频率的计算
    逆变器输出SPWM脉冲信号的频率是50Hz，SPWM波形每个正弦波周期输出的点数主要取决于目标输出正弦波的频率和SPWM脉冲波的载波频率。如SPWM的载波频率为18kHz，要输出的正弦波的频率分别为50Hz，所需要的正弦表的点数N为
   
    获得18kHz的SPWM载波信号输出，需要对EVA的定时器周期寄存器TlPR进行配置
   
    式中，fcpu为DSP 2812的系统频率，HISCP为高速外设时钟设置寄存器，TPST1为通用定时器T1输入时钟预定标参数，将fcpu=150MHz，HISCP=2，TPST1=1代入上式得：
   
    计算输出频率的误差，将TPST1=4166代入式(10)，得出fspwm，再代入式(9)，得fsin1=50．008Hz，产生的误差为0．008Hz，满足要求。[!--empirenews.page--]
3．3 闭环负反馈控制
    DSP2812实时检测输出输入的电压、电流值，反馈到DSP内部，经PI调节后，改变相关寄存器参数，控制驱动脉冲的波形，实现实时闭环控制，系统的控制框图如图6所示，系统采用二个闭环负反馈调节，根据反馈信号的不同，实时调节输出，使输出稳定。另外，当输出电流信号突然增大到超过最大允许电流时，关闭PWM输出，以保护逆变装置不受损害。

4 5kW离网型光伏逆变器软件设计
4．1 SPWM控制程序
    本设计利用事件管理器的一个完全比较单元输出一对互补的PWM脉冲，时钟由通用定时器1提供，计数器的工作方式设置为连续增减方式。功率开关器件有一定关断延迟，当同一桥臂的上管关断时，下管不能马上开通，否则将会由于短路而击穿，使用DSP事件管理器的全比较
单元中的死区控制器，在同一桥臂的开通与关断间插入一个死区时间，防止短路现象发生，保护功率器件。SPWM程序主要包括：对EV初始化、相关变量初始化、正弦表的产生和CMPR1的重载，前3个功能都是在主程序中完成。正弦表产生语句如下：
   
    CMPR1的重载是通过比较单元匹配中断来实现的，中断服务程序流程图如图7所示。

4．2 A／D转换中断服务程序
    A／D转换的触发源设置为EV中的事件源触发，当AD单元接收到触发信号时，自动开始A／D转换，且将转换结果自动存入结果寄存器ADC-RESULT中，当转换结束信号到来时，进入ADCINT中断服务程序进行相应处理。在中断服务程序中首先读取转换结果，利用算术平均值滤波算法对转换结果进行数字滤波，按一定关系转换成相应的实际电压和电流，计算电流和电压的有效值，传递到主程序中进行判断和谐波分析并通过液晶显示出来，程序流程图如图8所示。

5 测试验证
    将5kW光伏逆交器的一次回路和二次回路进行组装测试，结合软件编译环境CCS3．3输出波形如图9所示，结果中给出了逆变电路在稳态运行时的实验结果。

    在稳态运行时，测得到电压有效值在216V到226V之间波动，频率在49．6到50．5Hz之间波动，测试结果表明，本设计满足设计要求。