基于DSP的离网逆变器的研制

0　引言

电力电子技术的迅猛发展,有力地促进和推动了新能源技术的进步。逆变器在风能和太阳能的开发利用中起着至关重要的作用,承担着把风机或者太阳能板转换过来的电能变为可直接供居民使用的交流电或馈送到电网中的任务。

离网逆变器就是将风能或者太阳能板发出来的电通过升压,逆变环节直接给交流负载供电,其功能类似于一个微电网。

为了提高供电质量,降低输出电压畸变率,使输出电压在输入波动和负载变化时能保持稳定,一般采用电压外环电流内环的双环PID控制的方法。

1　逆变器的控制模型

1.1　逆变系统的总体设计

如图1所示,拓扑结构采用单相全桥逆变电路。

通过AD口采集输出负载端的电压和电感上的电流,在DSP内部通过PI双环控制,产生SPWM信号波,直接驱动IPM模块(内含IGBT,续流二极管,驱动电路和过压、过流、过热保护),使其正常工作。总体框图如图1所示。

1.2　SPWM逆变器的建模

当系统的带宽远小于开关频率时,以至于系统的变化相对于开关频率而言足够缓慢,就可以忽略单个开关周期内的状态变化细节,状态的总体变化趋势可用连续序列的单个开关周期内状态均值的改变来等效。

采用双极性SPWM调制时,调制信号为Us(t)=Usmsinωst,三角波幅值为Ucm,频率为fc。

式中,Ud为逆变器直流端的输入电压。

当载波频率fc远大于调制信号频率fs时,系统可用开关周期状态平均值来分析

式中,D(t)为占空比,D(t)=τ(t)/Tc,τ(t)为开关管导通时间;Tc为开关周期。

当Tsc时,在一个开关周期中正弦波调制信号近似为恒值。调制过程如图2所示。由图2有

因Us(t)为连续模拟变量时,Uin也为连续变量。当采用开关周期状态平均法时,用Uin等效Uin瞬时值,也可以将Uin看作模拟连续变量

2　控制系统的设计

2.1　控制系统结构

本系统采用PID双环控制方式。参考正弦电压与输出电压比较得到的误差电压经过PI调节后作为电流的参考指令与电感电流作比较,电流误差信号再经过PI控制后与三角载波比较产生占空比来控制逆变器的开关。和电压单闭环相比,增加了电感电流内环控制,使得系统的带宽增大,反应速度加快,系统抗干扰能力强,稳定性好,调节时间短,谐波含量小,同时能有效地限制负载电流,起保护作用,更具优越性。

根据系统的结构,控制方法和逆变器的建模结果,系统的总体结构框图如图3所示。

2.2　控制芯片

TMS320LF2407A芯片是TI公司的一款功能强大的数字信号处理器。其优点有:

(1)采用高性能静态CMOS技术,供电电压为3.3V,减低了功耗;

(2)最高频率可达40MHz,提高了控制器的实时控制能力;

(3)两个管理器模块EVA和EVB,每个包含:2个16位通用定时器;8个16位的PWM通道;

(4)完成1路A/D转换的时间仅需375ns;

(5)可编程的PWM死区控制可防止上下桥臂直通。当外部引脚PDPINTx出现低电平时能快速关断PWM通道,对系统提供快速可靠的保护。可见TMS320LF2407A具有离网逆变器数字化设计所需的结构特点。

2.3　增量式PI控制的实现

由于PI控制简单,参数易于整定等,尤其是和DSP结合后大大提高了系统的可靠性,改善了控制效果,所以本系统采取PID控制。比例环节P能及时地成比例反映控制系统的偏差,减小偏差,校正偏差,使反应迅速。I能消除或减小稳态误差,改善系统的稳态性能。PI控制的实现流程图如图4所示。同时由于位置式算法和整个过去的状态有关,计算式中要用到过去偏差的累加值,容易产生较大的积累误差,计算量较大,不便于软件编程。本系统采用增量控制法,其具有编程方便、易于实现等优点。

2.4　SPWM波的产生

利用DSP中的事件管理模块(EV)可以产生SPWM波。DSP中的三角载波是通过定时器的连续增/减计数模式来实现。而正弦调制波则是通过将参考正弦波制成表格,查表获得代表正弦波的数字量得到。采用定时中断,在每个开关周期,程序从参考正弦表中获得相应的数字量,并将它赋值给比较寄存器CMPRx。

PWM输出设置为高有效时,当计数值从零开始计数到周期值TxPR的过程中与CMPRx匹配时,则输出高电平;当计数值从周期值TxPR开始计数到零的过程中与CMPRx匹配时,则输出低电平。设置为低有效的另一组PWM输出与高有效互补。当到达一个正弦周期时,将查表的指针复位到正弦波的初始处循环读取,其数字实现如图6所示。为了同一桥臂的上下开关管直通,两路互补的PWM信号还要通过死区时间寄存器(DBTCONx)来设置一定的死区时间。

3　仿真研究与实验波形

根据文中所采用的逆变控制方案进行MATLAB仿真,如图6所示。仿真结果如图7所示,由图可见即使在负载变化时,输出仍能准确地跟踪参考电压。

负载开关在0.2s时合上,产生突变,图7(a)为参考电压波形图,(b)为负载两端的输出电压波形图。由图7的仿真结果知,利用双环PID控制能达到非常良好的跟踪效果。

样机试验中,在直流母线电压为350V时,滤波电感取2.87mH,滤波电容取8.8μF,逆变桥采用富士公司型号为6MBP20RH060的IPM模块,用TI公司的TMS320LF2407A做控制芯片,利用TDS3052B示波器观察输出,得到实际波形如图8。

由图8可知,输出波形跟电网电压波形十分接近,在电网电压误差范围内。可见,利用双环PID控制实际电路是比较有效的。

4　结论

本文主要研究了离网型逆变器,目的是为了提高其带载能力,输出稳定的电网电压波。为此对逆变器进行了建模,利用PID控制构成电压电流双环电路。最后通过了仿真和实验进一步验证了方案的可行性。