武汉纺织大学--光伏并网发电模拟装置

基于TMS320F2812的光伏发电逆变系统摘要：整个光伏发电逆变系统确定采用全桥作为逆变器的拓扑结构；给出基于双闭环控制的系统传递函数，通过比较选择单极性混合正弦脉宽调制作为逆变器的调制方式；并在SABER软件下验证了整体设计方案的可行性。整个系统的硬件部分包括主电路、驱动电路、采样调理电路和保护电路，以及数字控制系统的硬件电路。基于TMS320F2812平台的逆变器软件设计则包括双闭环控制策略的数字PI实现以及SPWM的数字生成和ADC的软件校正等。最后的作品测试结果表明，逆变器的输出功率、系统效率、波形THD、负载调整率等各项指标均满足要求，系统具有优异的稳态性能和动态性能。关键词：逆变器，DSP，闭环控制策略，SPWM1引言该设计装置模拟光伏并网发电，主要由主电路、控制电路、采样调理电路、驱动保护电路、辅助电源等部分组成。逆变器控制采用混合脉宽调制（HPWM）方式，很好地降低了开关损耗。1系统的数字处理模块采用了具有高处理速度、低功耗的芯片TMS320F2812。采用PI控制策略进行逆变系统的控制，参数设置简单，易整定。系统能够实现最大功率点的跟踪，具有欠压保护、过流保护以及相位跟踪等功能，并在过流、欠压故障排除后能自动恢复正常状态。DC-ACUdIdio1uouREF+-RLuFuo1滤波器控制电路n1n2n3USRS+-Tio图2.1并网发电模拟装置框图2系统指标并网发电模拟装置框图如图2.1所示1）基本要求（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使dS12UU，相对偏差的绝对值不大于1%。（2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。（3）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率≥60%。（4）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。（5）具有输入欠压保护功能，动作电压Ud（th）=（25±0.5）V。（6）具有输出过流保护功能，动作电流Io（th）=（1.5±0.2）A。2）发挥部分（1）提高DC-AC变换器的效率，使≥80%（RS=RL=30Ω时）。（2）降低输出电压失真度，使THD≤1%（RS=RL=30Ω时）。（3）实现相位跟踪功能：当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证uF与uREF同相，相位偏差的绝对值≤5°。（4）过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。（5）其他。3系统方案3.1总体介绍针对系统指标要求，本项目设计组成见图3.1所示。逆变器部分包括DSP主控制单元、信号采样调理电路、逆变器主电路、低通滤波器、驱动保护电路等。逆变器部分的主要功能为：在功率电路方面，前一级直流电压输入经过桥式逆变器成为高频矩形脉冲形式的交流电压，再经过后一级的低通滤波器，成为光滑的50Hz正弦交流电输出.在控制电路方面，采样电路采样输出电压、电流信号，并通过调理电路，将采样信号调理至数字控制部分的电平幅值范围内。如系统出现过载或过流的情况，则产生保护信号，关闭四路开关管的驱动输出。数字控制部分主要负责运算处理环节，运用合适的算法实现闭环控制策略，产生相应的控制信号经过驱动电路，控制全桥电路的开关管，从而实现整个逆变器的闭环控制，使输出满足系统设计的性能要求。3.2逆变器拓补结构选择逆变器常用拓扑结构主要包括如下几类：图3.1系统总结构图直流侧逆变桥电路低通滤波器负载Uinuo采样调理电路驱动电路保护电路数字控制部分(TMS320F2812)扩展主控制器逆变器部分SCIUART环境监测传感器键盘液晶显示USB存储电路通信扩展接口电路逆变器扩展功能部分EEPROM存储电路RTC电路1）单相半桥逆变器这种逆变器所用的功率管数目少，主电路结构简单，广泛应用于单相和三相逆变器中，但是也存在如下缺点：直流电压利用率低；输出谐波含量大；必须设置死区时间，输出电压波形发生畸变；续流二级管为功率开关管的体二级管，性能较差，很难得到优化设计。2）全桥逆变器全桥式逆变器需要用四个功率开关管，其特点包括：功率开关管的电压应力为Ud，适合用于高压输入场合；输出为两态+1，－1或者三态+1，0，-1，可分别实现双极性和单极性调制；必须设置死区时间，输出电压波形会发生畸变。半桥电路结构简单，但它需要外接正负直流母线电压，其幅值超过输出电压最大值的两倍，器件电压应力大，直流电压利用率低；桥臂只能输出+1和-1两态电平，工作于双极性调制方式，桥臂输出波形谐波含量大，需要高的开关频率和大的滤波器。以上几点也是半桥型逆变器的缺点。全桥电路结构相对复杂，但控制灵活，且输出电压是半桥电路的两倍，开关管所承受的电压、电流应力均相对较低，且控制方式灵活，尽管所用的功率管的数量较多，但容易进行多种组合实现软开关技术，因而在各种场合尤其较高功率输出的情况得到十分广泛的应用。此外全桥逆变电路由于桥臂输出电压存在零电压的续流状态，可实现倍频，在较低的开关频率下，可以获得更好的谐波控制.3.3逆变系统主控制器选择随着逆变器要求的不断提高，传统的模拟控制型正弦波逆变器由于其固有的缺点已渐渐不能满足要求；同时，随着各种高性能微处理器的出现，逆变器的全数字控制已成为现实。为了能够实现复杂的控制策略，提高系统抗干扰能力及可靠性，使产品具有优良的一致性，方便产品后续升级，逆变器采用全数字的控制方式。为了克服数字控制方式存在的缺点，在数字控制处理器的选择时充分考虑处理器运算处理能力、处理器字长、A/D采样精度以及采样速度、通信接口等诸多因素。综合以上各方面因素后，逆变器数字控制的主控制器选用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812。TMS320F2812是TI公司推出的32位定点数字信号处理器，处理速度可达150MIPS。该处理器还集成了128KB的Flash存储器和128位的密码保护机制，大大改善了应用的灵活性。片上集成了两个强大的事件管理器（EV）模块，用于产生电机控制及逆变器控制所需要的PWM信号，并内含死区发生器和保护逻辑；同时处理器片上还集成了16通道高性能12位ADC单元，最高采样率达12.5MPSP，提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。同时具有丰富的通信接口，完全符合逆变器数字控制的各方面要求。TMS320F2812主要有以下特点：采用高性能的静态CMOS技术，低功耗设计，Flash编程电压为3.3V；支持JTAG边界扫描接口；高性能的32位CPU，16*16位和32*32位的乘法累加操作；16*16位的双乘法累加器，哈佛总线结构，统一寻址模式和高效的代码转换功能（支持C/C++和汇编）；128K*16位的Flash存储器和最多达13K*16位的片上SRAM；三个外部中断口，外设中断扩展模块支持45个外设中断，三个CPU定时器；128位保护密码，可以防止系统固件被盗取；12位2*8通道ADC模块，最快转换周期60ns；高达56个可配置I/O引脚；两个强大的事件管理器（EVA、EVB）；丰富的串行外围设备，包括SPI，SCI，eCAN，McBSP等。3.4逆变器控制策略的选择PID控制以参数简单、易整定等特点得到广泛的工程应用。基于成本和性能两方面综合考虑，本课题采用了PID控制策略进行逆变系统的控制。逆变器采用PID控制时，如果只是采样输出电压瞬时值反馈，其动态性能和带非线性负载时的性能均无法令人满意；如果将流经输出滤波电感或输出滤波电容的电流瞬时值引入反馈中，其性能将得到较大的改进。数字PI控制策略框图如图3.2所示，系统的传递函数如图3.3所示。外环采用输出电压瞬时值uof直接反馈，与数字控制器程序内的正弦表参考电压uref比较，电压调节器采用比例积分（PI）调节，内环采用输出电感电流if的反馈信号与电压调节器的输出ig进行比较，采用比例（P）调节。通过该双闭环控制策略产生的SPWM信号驱动逆变器的全桥电路，经输出滤波器得到正弦交流电输出。电压环调节器电流环调节器SPWM逆变器输出滤波器正弦参考电压refuouLfi电感电流检测gifiABu输出电压检测ofu图32数字PI系统控制策略框图f2fff1RCsRCLsLsRf1RRCsifKiKKufKui1KTsLfiABuoufigiofurefu图3.3数字PI系统传递函数框图图3.3中R为电阻值；C为电容值；L为电感值；Ku、Ti分别为电压环PI调节的比例系数和积分系数；Ki为电流环的比例系数；K为SPWM控制的比例系数；Kif为电感电流ilf的反馈系数，Kuf为输出电压uo的反馈系数，uref为正弦参考电压。外特性是衡量逆变器性能的一个重要指标，逆变器的外特性越硬，其输出电压受负载的影响越小，即逆变器从空载到满载过程中输出电压的变化量越小。面对双环系统的外特性进行具体分析。根据图3.3的传递函数框图可得纯阻性负载时系统的开环传递函数为：ufifiui2ffiifffiif1()()()kkkKRkTsGsHsLCRskkKCRsLskkKR（3.1）空载时系统的闭环传递函数为：iuii32iffiiffiiiufuiiuf()()kkKRTskKRGsTLCskkKCTsTkkkKTskkK（3.2）纯阻性负载时系统的闭环传递函数为：iuii32iffiufifiiffiiifiuuf()()()RkkKTRskKRGsTLCRskkKRTLkkKCRsTRkkKkkkKRs（3.3）根据劳斯稳定判据，要保证该闭环控制系统稳定，必须满足：2iiifiuuffiiffffiu()()TRkkKkkkKRLkkKCLCkkKR（3.4）同理可得，空载时要保证系统稳定，必须满足：iffiiuufffu(1)kCTkkkKLCk（3.5）由空载的闭环传递函数知，系统空载时的传递函数为：22iuii222222iiuufffiufifiif()()()(1)()kkKTkKGjTkkkKLCkkKTCkkK（3.6）同理，系统纯阻性负载时的传递函数为：22iuiiR222222iiffiiuufffiufifiif()()()(1)()kkKTkKGjkkKLTkkkKLCkkKTCkkKRR（3.7）该系统的静差为：ooδo()()()()1()()RGjGjUURKUGj（3.8）其中：2222222iiufuffiufifiif222222iiffiiufuffiuifiif(1)()(1)()TkkkKLCkkKTCkkKKkkKLTkkkKLCkkKTCkkKRR（3.9）根据以上分析，可以得出在相同的负载条件下，电流调节器比例系数ki和电压反馈系数kuf越大、电压调节器积分常数Ti和电流反馈系数kif越小，静差越小，系统外特性越硬。3.5HPWM技术逆变器采用SPWM方式，可以有效地抑制谐波，在频率、效率各方面都有明显的优点，使逆变电路的性能与可靠性有明显的提高。SPWM调制的工作原理是采用正弦控制信号m与高频三角波载波c相交截，产生正弦脉宽调制信号，再经过逻辑变换、功率放大等，得到功率管的驱动信号，控制功率管的开通与关断，从而在逆变器的输出端得到正弦调制输出。由于三角载波的频率通常较高，理论上其输出电压波形的谐波频率主要集中在较高的频段上，所以经过一级低通滤波器就可以得到较为理想的正弦波输出电压。这也是正弦脉宽调制技术得到广泛应用的原因之一。根据每发生一次开关时输出电压的脉冲极性变化情况，正弦脉宽调制可以分为双极性调制（BipolarPWM）方式和单极性调制（UnipolarPWM）方式。（1）双极性调制方式双极性调制时，逆变全桥电路的对角功率管（S1/S4，S2/S3）同时开通和关断，两组互补导通，所有功率管均为高频开关。如图3.4所示，每发生一次开关，逆变桥的输出电压UAB为正输入电压或