基于TMS320F2812 光伏并網SVPWM 逆變系統的設計

靳亞麗，鄭恩讓 ，張曉娟

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021)

隨著能源危機問題的日益嚴重，如何合理而且有效的利用能源成為我們亟待解決的問題。近年來，光伏發電以其環保、可持續等獨特的優點，被公認為最具發展前景的技術之一。逆變技術是光伏并網發電的關鍵技術，SVPWM 逆變調制技術以其直流電壓利用率高，諧波特性好以及易于數字化實現受到人們的廣泛關注，本文設計了以SVPWM 調制方式的光伏并網逆變器。整個系統由上位機和下位機組成，上位機由LabVIEW 編寫，主要用來監測并網逆變器的運行情況;下位機是以DSP 為核心的并網逆變器控制系統。光伏并網逆變系統分為控制電路和逆變電路兩部分。逆變部分采用SVPWM 的電壓單神經元PI 閉環控制技術，根據逆變電壓實時的去調整PWM 波形去驅動MOSFET 開關管，用以生成電壓以及頻率恒定的三相交流電。同時采用TMS320F2812 作為控制芯片，實時生成PWM 驅動波形并跟蹤電網電壓頻率和相位，實現了高密度、高可靠性、低成本的三相光伏并網逆變器。

1 系統組成

圖1 示出了光伏并網SVPWM 逆變器的原理框圖，硬件電路結構主要由光伏電池組件、控制系統，檢測電路，逆變電路(DC－AC)以及一些輔助電路組成。如圖1 所示，控制系統根據電網的運行情況，控制輸出輸出帶死區的6 路PWM 波并接入驅動電路，在經過LC 濾波電路后，輸出滿足并網頻率，幅值和相位要求的正弦波了。

圖1 光伏并網SVPWM 逆變系統原理框圖

最大功率跟蹤(MPPT)的實質是一個自尋優過程，算法實現時通過太陽能電池當前輸出電壓與電流的檢測，得到當前太陽電池輸出功率，再與已被存儲的前一時刻功率相比較，舍小存大，再檢測，再比較，如此不停地周而復始，便可使陣列動態地工作在最大功率點上。MPPT 算法實現參照文獻［1］。

2 并網逆變器的設計

2.1 逆變主電路設計

(1)逆變電路設計

三相逆變電路由6 個MOSFET 開關管組成的逆變橋，LC 濾波電路，變壓器和PWM 驅動電路構成。由于采用SVPWM 方式時輸出線電壓具有一定的高次諧波，因此必須由濾波器將主要的諧波濾除［2］，然后接上工頻變壓器，完成與電網的并網運行。三相逆變橋由6 個MOSFET 功率開關管組成，三相逆變電路如圖2(a)所示;MOSFET 功率管的驅動采用美國IR 公司的專用驅動芯片IR2110 實現，驅動電路如圖2(b)所示。LC 濾波電路的參數由諧振頻率和特征阻抗決定，LC 濾波電路的設計參照文獻［1］。變壓器實現了逆變電路輸出和電源輸出的電氣隔離，同時減小了電源的體積和重量。

(2)檢測電路設計

直流側電壓低于要求的電壓時，DSP 封鎖PWM波輸出，使得DC－AC 模塊輸出電壓為零，實現欠壓保護;當電壓恢復正常后，開啟PWM 波輸出，逆變器輸出恢復正常，直流電壓檢測電路如圖3(a)所示。交流電壓檢測電路檢測逆變器的輸出電壓，構成電壓閉環控制，保證輸出交流電壓的穩定，控制結構如圖1所示。電流檢測采用霍爾傳感器。當電流值大于設定值時，DSP 封鎖PWM 波輸出，使得DC－AC 模塊輸出電壓為零，實現過流保護功能;當電流恢復正常后，開啟PWM 波輸出，逆變器恢復輸出，電流檢測電路如圖3(b)所示。實現逆變器的并網運行，還要保證逆變電壓和電網電壓同頻同相，因此還必須設計頻率相位跟蹤電路，頻率相位跟蹤電路如圖3(c)所示。當將模擬電網和反饋信號的頻率測出以后，以模擬電網信號的頻率為標準，通過DSP 的數據處理后，調節正弦波頻率，就可以實現頻率跟蹤。

圖2 逆變主電路設計

圖3 檢測電路設計

2.2 控制電路設計

控制電路包括控制芯片TMS320F2812，采樣電路以及帶死區的SVPWM 輸出等?？刂菩酒捎?2 bit定點TMS320F281 型DSP，它是一款具有16 通道的12 bit ADC 轉換(最快轉換時間為80 ns)、PWM 輸出以及捕獲單元等豐富外設的高速數字信號處理芯片。主頻可達150 MHz，滿足大計算量、高實時性的運算。利用DSP 中的EV 事件管理模塊中的全比較單元，可方便的產生6 路帶有可編程死區和輸出極性的PWM 波。

三相逆變電路在驅動信號的作用下，根據SVPWM 原理將直流電壓轉換為220 V/50 Hz 的交流電壓。輸出電壓經隔離采樣、信號調理后送至DSP。DSP 對采樣的信號經單神經元PI 控制算法處理后輸出修正后的SVPWM 控制信號，使得輸出電壓穩定在220 V。通過各種檢測信號，TMS320F281 提供必要的保護信號，使得并網逆變器的輸出電壓和頻率穩定，同時實現輸出電壓幅值，頻率和相位的顯示、短路保護、過流保護、欠壓和過壓保護等功能。

(1)SVPWM 調制

SVPWM 控制技術常用于三相異步電動機的變頻調速系統控制，它以電動機空間形成圓形旋轉磁場為最終目標，把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作。利用逆變器輸出電壓矢量的正多邊形運動軌跡去逼近正弦電壓的圓形軌跡，構造的正多邊形邊數越多，逆變器輸出電壓就越逼近基頻正弦波，此時可使異步電動機的穩態轉矩接近恒定值。采用SVPWM 控制時，直流電壓利用率高，比采用SPWM 控制高出約15%［8］。SVPWM調制的相電壓調制波是隱含的，可以等效為對加入了零序分量的相電壓調制指標進行規則采樣的結果［4］。等效相電壓調制波與三角載波的規則采樣見圖4所示。

圖4 SVPWM 調制波與三角波規則采樣

(2)數字單神經元PI 控制算法

輸出電壓是逆變系統中一個重要指標。輸出電壓不僅要有良好的動態特性，還要有一定的穩態特性。設計中采用單神經元PI 控制算法［5］來實現并網逆變器輸出電壓波形的質量。其控制規律如式(1)所示

根據式(1)，用一個單神經元構造PI 控制器［5］，單神經元PI 控制器的輸入為:

網絡的輸出為:u(k)=W1X1(k)+W2X2(k)。

3 軟件設計

本系統軟件部分的設計包括上下位機兩部分，其中上位機采用LabVIEW 編寫。軟件流程如圖5(a)所示。下位機通過以TMS320F2812 為核心的逆變器控制系統，完成光伏并網與上位機的通訊。下位機系統軟件由主程序，中斷程序和子程序組成。其中中斷程序完成故障處理;子程序包括監控，顯示子程序和SVPWM 產生子程序。單神經元PI 電壓調節在SVPWM 產生子程序中完成，將檢測電壓經A/D 轉換后與給定值相比較，經PI 調節后改變SVPWM 脈沖波非零矢量的作用時間比值來改變輸出電壓，軟件流程圖如圖5(b)所示，系統主程序流程圖如圖5(c)所示。并網運行過程中下位機隨時保持與上位機的通訊，保證上位機能夠掌握下位機的狀態，達到上位機對下位機的實時監控的功能。

圖5 軟件流程圖

4 結果分析

4.1 仿真結果

圖6 系統Simulink 模型

根據前面敘述的單神經元PI 電壓閉環控制的SVPWM 逆變原理，對逆變主電路進行了仿真研究，三相逆變橋由Simulnik 中Universal Bridge 模塊實現，LC 濾波器由Simulink 中Parallel RLC Branch 實現，所建立的仿真模型如圖6 所示。其中SVPWM使用S 函數實現［6－7］，在仿真研究中，以直流電壓源代替了光伏并網逆變系統的直流輸入，直流側電壓為24 V，LC 濾波器L=23.35 mH，濾波電容C=47 μF。通過仿真研究，逆變效率可達91.3%。對三相逆變電壓進行FFT 分析，電壓諧波畸變率為THD=1.18%，大大低于并網要求。通過2 種調制技術的仿真比較，SVPWM 電壓利用率比SPWM 調制利用率提高了8.18%，仿真結果如圖7 所示。

圖7

4.2 實驗結果

設計并制作了一臺輸出電壓為220 V/50 Hz 的并網逆變器樣機。測試條件為:Udc=24 V，濾波電感L=24 mH，電容C=47 μF，變壓器為DG－50VA(24 V/220 V)，PWM 驅動波形如圖8(a)所示，通過諧波分析儀對輸出電壓進行諧波分析，高次諧波含量非常低，諧波畸變率為THD=1.42%。逆變效率為η=83.7%，直流電壓利用率為84.55%。三相逆變波形如圖8(b)所示。

4.3 結論

從仿真和實驗結果可以看出，引入單神經元PI控制器的電壓閉環SVPWM 控制方式能夠較好的實現對逆變的控制，輸出電壓波形較穩定，直流電壓利用率高，有效地抑制了諧波。

5 結語

在采用TMS320F2812 作為控制器，完整實現了光伏并網逆變器的設計，利用SVPWM 調制法可有效抑制諧波，提高電壓利用率。同時，采用TMS320F2812DSP 作為控制器可以方便的實現對逆變器的數字化控制，控制電路簡單，而且系統的可靠性也得到了很大的提高。同時，由實驗和仿真結果表明系統控制方案的正確性和穩定性，以及該控制方案的可行性。

圖8 實驗波形

［1］ 吳振宇，耿興華，馮林，等.基于DSP 的單相光伏并網逆變器的設計［J］.電力電子技術，2011，45(5):16－18.

［2］ 王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功補償［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［3］ 聶振宇，劉國平，胡即明，等.基于SVPW 控制的三相逆變電源裝置的研制［J］.電力電子技術，2011，44(11):54－56.

［4］ 李傳海，李峰，曲繼圣，等. 空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術特點及其優化方法［J］.山東大學學報，2005，35(2):27－31.

［5］ 焦保帥，尹斌，陶樹建.基于單神經元PI 控制的逆變器系統仿真［J］.電子設計工程，2012，20(5):103－105.

［6］ 范心明.基于Simulink 的SVPWM 仿真［J］.電氣傳動自動化，2009，31(3):19－21.

［7］ 胡娜，祝龍計.基于DSP 的SVPWM 逆變電源的仿真研究［J］.電氣技術，2009，7:34－37.

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