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一種基于TMS320LF2407的并網逆變器控制策略
在分析倍頻式SPWM并網逆變器電壓相量圖的基礎上，提出了一種基于TMS320LF2407DSP芯片作為控制器的并網逆變器實現方案。該方案實現簡單，控制方便，相關的實驗波形驗證了該方案的正確性。
0??? 引言
??? 為了解決即將到來的能源危機，開發綠色的、可持續的新型能源已成為近年來的研究焦點。其中，能饋系統和光伏系統的研究與設計已取得一定成績，而并網逆變器（又稱有源逆變器）作為它們與電網的接入口，扮演著極重要的角色。本文介紹一種采用TI公司TMS320LF2407DSP芯片實現的電壓型單相全橋并網逆變器，該逆變器基于電壓相量圖的間接電流控制，輸出為單位功率因數，而且確保了其能量只能從逆變器到電網的單向流動，從而避免了能量倒灌帶來的逆變器功率器件的損壞。該方案控制簡單，穩定性好，具有較好的應用效果。
1??? 控制策略及其實現
1.1??? 并網逆變器主電路
??? 圖1為并網逆變器主電路框圖。圖中，高壓直流一般由低壓直流（例如，光伏系統中的蓄電池組，電子模擬負載系統中的電源模塊輸出）經過DC/DC升壓后得到，幅值在400V左右，且電壓波動范圍不大。逆變器輸出和電網之間的電感L1，用于濾除高次諧波電流，平衡逆變器和電網基波（50Hz）之間的電壓差，是整個系統控制策略的關鍵所在。這樣的電路結構具有體積小，電流應力小，畸變率小的優點，而且集中控制簡單。
圖1??? 并網逆變器的主電路框圖
1.2??? 并網逆變器電壓相量圖分析
??? 在功率因數為1的條件下，基波電壓向量可由圖2表示。圖中Ua為逆變器輸出電壓的基波有效值，UL為電感L1兩端電壓的基波有效值，UN為電網電壓。
圖2??? Ua、UL和UN相量圖
??? 超前角度β=β1固定不變時，設逆變器工作在p2n2點，送至電網的功率為Po，由圖2的關系可知，Po=UNIN，UL=INωL1，據三角函數關系有
??? tanβ1=PoωL1/UN2（1）
??? 可見，在電感數值和電網電壓確定的條件下，依據給定的功率，可以確定超前角度β1，即可以確定逆變器控制信號的相位。
??? 設電網電壓在n2點為標準220V，當它降低（從n2到n1）或升高（從n2到n3）時，逆變器的輸出電壓也隨之變化（從p2到p1或從p2到p3），可以保證工作在單位功率因數，當然送出的功率也會變化。由于電網電壓波動不大，因此功率變化不會很大。這個調節過程的關系也可以由圖2得出
??? Uacosβ1=UN（2）
??? 由SPWM逆變器有
??? Ua=mUd/
（3）
式中：m為調制比；
????? Ud為逆變器輸入側直流母線電壓。
由式（2）和（3）得
??? m=
UN/Udcosβ1（4）
??? 從而可知，超前角度不變時，根據實時檢測到的直流側電壓和電網電壓，改變調制比m，可以使得電路在直流母線電壓和電網電壓波動時，一直工作在單位功率因數。
??? 當β從β1增大到β2時，其它條件不變，功率會隨之增大，其變化關系可以由式（1）確定。因此，我們可以通過外圍電路設定β值，從而達到功率調節。
1.3??? 控制單元框圖
??? 如圖3所示，控制單元上主要是通過外圍檢測電路和相應的軟件算法來實現的。軟件的實現在后文中闡述。其中DC/DC的控制與保護部分可以與逆變部分分開，但由于DSP的資源比較豐富，可以利用同一塊DSP來處理。
圖3??? 控制單元框圖
??? 由于主電路與電網沒有隔離，則控制單元須全部與主電路隔離。電網電壓的檢測可通過工頻采樣變壓器實現，但直流電壓的檢測相對要困難。這里采用線性光耦來達到采樣和隔離的目的，這就要求線性光耦的線性度非常高。采樣電路如圖4所示。
圖4??? 直流母線電壓采樣電路
??? 本電路采用TIL300線性光耦，經采樣隔離后的值送至DSP的AD轉換通道。由圖4所示電路可知，AD采樣值Vo=k3(R6/R4)
VBUS，其中k3是光耦的電流傳輸系數。
??? 電網過零檢測主要是利用DSP的CAP捕捉單元來實現鎖相。以檢測到的過零時刻作為基準，控制脈沖超前此基準時刻β角度。過流及電網過大波動的保護是由電流間接控制，為電流開環控制，因此，應根據所需的功率大小以及器件的額定值設好保護點。當發生過流時，通過保護電路封鎖逆變控制脈沖，并斷開主電路，使逆變器脫離電網。當檢測到的電網電壓超出波動范圍時，也使逆變器停止工作，并給出相應的故障指示信號。
2??? 軟件設計與實現
??? 逆變器的控制方式是在文獻[2]中的倍頻式SPWM基礎上，結合DSP的PWM輸出特性產生的,如圖5所示。實際中，三角波的頻率與工頻的比值為240，為簡單起見，圖5中的比值為12。
圖5??? 開關器件的驅動波形和逆變器輸出波形
??? 波形生成過程如下：DSP的通用定時器1采用連續增/減計數模式，而且在定時器下溢中斷后立即裝載比較寄存器CMPR1和CMPR2的值，CMPR1決定ug1和ug4，CMPR2決定ug3和ug2。在DSP的數據存儲區有一90°的正弦表，對應360個點，此表作相應調整可以產生90°～360°的正弦值，而裝載值是在每個三角波中心時刻所對應的正弦值。
??? 在一個工頻周期，定時器1產生240次下溢中斷，設第M次中斷時裝載的值對應正弦表中第K個值，在4個不同的象限時，M和K的關系如下：
??? K=
（5）
??? M的初值決定圖2中超前角度β的大小。例如，M=0表示β=0；M=4，則表示β=6°，因此，我們可以通過改變M的初值實現功率調節。市電過零檢測對應的CAP捕捉中斷子程序中設定所需的M初始值。
??? 由圖6可以看出，在0～180°之間，CMPR1在M為偶數時裝載查表所得值，PWM輸出產生跳變，而在M為奇數時裝載大于周期寄存器里面的值，使之不產生跳變；CMPR2與之相反，在180°～360°之間時，CMPR1和CMPR2的裝載情況剛好與前面相反。這就帶來在180°和240°時存在輸出方式的變換，如在M=120(即180°)時，ug1由低有效變為強制低，而當M=121后，全部是高有效。而ug3在M=120時先強制低，緊接著高有效。這需要作特別處理。
圖6??? 定時器中斷子程序流程圖
??? 由于調制比m隨著直流母線電壓和電網電壓的波動而改變，所以，通過查表結果裝載到CMPR1和CMPR2的值還必須乘以m的值。
3??? 實驗波形
??? 結合上述控制策略，設計了一臺輸出功率為2kW的并網逆變器，400V的直流電壓由一直流模塊提供，功率管采用富士電機的1MBH60D-100型號的IGBT，L1為5mH。圖7（a）是電網電壓和逆變器輸出電流波形（為了便于觀看，電流信號反相），圖7（b）是電感上的電壓波形。
（a）uN與－iL1波形
（b）uL1波形
圖7??? 實驗實測波形
4??? 結語
??? 逆變器可以很好地工作在單位功率因數的工況下，而且在電網波動和直流側波動時具有很好的穩定性。此控制方法具有控制簡單，電流畸變小的優點，具有一定的應用前景。
工商網監
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