一种基于TMS320LF2407的并网逆变器控制策略

2011-03-28 15:56:52来源: 互联网

0    引言

    为了解决即将到来的能源危机,开发绿色的、可持续的新型能源已成为近年来的研究焦点。其中,能馈系统和光伏系统的研究与设计已取得一定成绩,而并网逆变器(又称有源逆变器)作为它们与电网的接入口,扮演着极重要的角色。本文介绍一种采用TI公司TMS320LF2407DSP芯片实现的电压型单相全桥并网逆变器,该逆变器基于电压相量图的间接电流控制,输出为单位功率因数,而且确保了其能量只能从逆变器到电网的单向流动,从而避免了能量倒灌带来的逆变器功率器件的损坏。该方案控制简单,稳定性好,具有较好的应用效果。

1    控制策略及其实现

1.1    并网逆变器主电路

    图1为并网逆变器主电路框图。图中,高压直流一般由低压直流(例如,光伏系统中的蓄电池组,电子模拟负载系统中的电源模块输出)经过DC/DC升压后得到,幅值在400V左右,且电压波动范围不大。逆变器输出和电网之间的电感L1,用于滤除高次谐波电流,平衡逆变器和电网基波(50Hz)之间的电压差,是整个系统控制策略的关键所在。这样的电路结构具有体积小,电流应力小,畸变率小的优点,而且集中控制简单。

图1    并网逆变器的主电路框图

1.2    并网逆变器电压相量图分析

    在功率因数为1的条件下,基波电压向量可由图2表示。图中Ua为逆变器输出电压的基波有效值,UL为电感L1两端电压的基波有效值,UN为电网电压

图2    Ua、UL和UN相量图

    超前角度β=β1固定不变时,设逆变器工作在p2n2点,送至电网的功率为Po,由图2的关系可知,Po=UNIN,UL=INωL1,据三角函数关系有

    tanβ1=PoωL1/UN2(1)

    可见,在电感数值和电网电压确定的条件下,依据给定的功率,可以确定超前角度β1,即可以确定逆变器控制信号的相位

    设电网电压在n2点为标准220V,当它降低(从n2到n1)或升高(从n2到n3)时,逆变器的输出电压也随之变化(从p2到p1或从p2到p3),可以保证工作在单位功率因数,当然送出的功率也会变化。由于电网电压波动不大,因此功率变化不会很大。这个调节过程的关系也可以由图2得出

    Uacosβ1=UN(2)

    由SPWM逆变器有

    Ua=mUd/(3)

式中:m为调制比;

      Ud为逆变器输入侧直流母线电压。

由式(2)和(3)得

    m=UN/Udcosβ1(4)

    从而可知,超前角度不变时,根据实时检测到的直流侧电压和电网电压,改变调制比m,可以使得电路在直流母线电压和电网电压波动时,一直工作在单位功率因数。

当β从β1增大到β2时,其它条件不变,功率会随之增大,其变化关系可以由式(1)确定。因此,我们可以通过外围电路设定β值,从而达到功率调节。

1.3    控制单元框图

    如图3所示,控制单元上主要是通过外围检测电路和相应的软件算法来实现的。软件的实现在后文中阐述。其中DC/DC的控制与保护部分可以与逆变部分分开,但由于DSP的资源比较丰富,可以利用同一块DSP来处理。

图3    控制单元框图

    由于主电路与电网没有隔离,则控制单元须全部与主电路隔离。电网电压的检测可通过工频采样变压器实现,但直流电压的检测相对要困难。这里采用线性光耦来达到采样和隔离的目的,这就要求线性光耦的线性度非常高。采样电路如图4所示。

图4    直流母线电压采样电路

    本电路采用TIL300线性光耦,经采样隔离后的值送至DSP的AD转换通道。由图4所示电路可知,AD采样值Vo=k3(R6/R4)VBUS,其中k3是光耦的电流传输系数。

    电网过零检测主要是利用DSP的CAP捕捉单元来实现锁相。以检测到的过零时刻作为基准,控制脉冲超前此基准时刻β角度。过流及电网过大波动的保护是由电流间接控制,为电流开环控制,因此,应根据所需的功率大小以及器件的额定值设好保护点。当发生过流时,通过保护电路封锁逆变控制脉冲,并断开主电路,使逆变器脱离电网。当检测到的电网电压超出波动范围时,也使逆变器停止工作,并给出相应的故障指示信号。

2    软件设计与实现

    逆变器的控制方式是在文献[2]中的倍频式SPWM基础上,结合DSP的PWM输出特性产生的,如图5所示。实际中,三角波的频率与工频的比值为240,为简单起见,图5中的比值为12。

图5    开关器件的驱动波形和逆变器输出波形

    波形生成过程如下:DSP的通用定时器1采用连续增/减计数模式,而且在定时器下溢中断后立即装载比较寄存器CMPR1和CMPR2的值,CMPR1决定ug1和ug4,CMPR2决定ug3和ug2。在DSP的数据存储区有一90°的正弦表,对应360个点,此表作相应调整可以产生90°~360°的正弦值,而装载值是在每个三角波中心时刻所对应的正弦值。

    在一个工频周期,定时器1产生240次下溢中断,设第M次中断时装载的值对应正弦表中第K个值,在4个不同的象限时,M和K的关系如下:

    K=(5)

M的初值决定图2中超前角度β的大小。例如,M=0表示β=0;M=4,则表示β=6°,因此,我们可以通过改变M的初值实现功率调节。市电过零检测对应的CAP捕捉中断子程序中设定所需的M初始值。

    由图6可以看出,在0~180°之间,CMPR1在M为偶数时装载查表所得值,PWM输出产生跳变,而在M为奇数时装载大于周期寄存器里面的值,使之不产生跳变;CMPR2与之相反,在180°~360°之间时,CMPR1和CMPR2的装载情况刚好与前面相反。这就带来在180°和240°时存在输出方式的变换,如在M=120(即180°)时,ug1由低有效变为强制低,而当M=121后,全部是高有效。而ug3在M=120时先强制低,紧接着高有效。这需要作特别处理。

图6    定时器中断子程序流程图

    由于调制比m随着直流母线电压和电网电压的波动而改变,所以,通过查表结果装载到CMPR1和CMPR2的值还必须乘以m的值。

3    实验波形

    结合上述控制策略,设计了一台输出功率为2kW的并网逆变器,400V的直流电压由一直流模块提供,功率管采用富士电机的1MBH60D-100型号的IGBT,L1为5mH。图7(a)是电网电压和逆变器输出电流波形(为了便于观看,电流信号反相),图7(b)是电感上的电压波形。

(a)uN与-iL1波形

(b)uL1波形

图7    实验实测波形

4    结语

    逆变器可以很好地工作在单位功率因数的工况下,而且在电网波动和直流侧波动时具有很好的稳定性。此控制方法具有控制简单,电流畸变小的优点,具有一定的应用前景。

关键字:并网逆变器

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0328/article_5243.html
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