光伏发电中逆变器控制方法的研究

《工业控制计算机｝２０１１年第２４卷第１１期

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光伏发电中逆变器控制方法的研究

ｌｎｖｅｒｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄ

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＳｏｌａｒＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ（南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京２１００１６）

摘要

王海勇张明

针对目前我国大力开展的光伏发电技术中逆变器的控制研究，采用了新型的数字控制系统以及控制算法实现了逆变

器数字控制。系统采用ＴＩ公司的ＴＭ￥３２０Ｃ２８ｘ系列的ＤＳＰ数字信号处理器作为主控帝ｌ器，采用倍频单极性ＳＰＷＭ调帝ｌ法作为逆变器的调制方式，给出了系统硬件设计电路图以及基于ＤＳＰ产生ＳＰＷＭ正弦脉宽调制波的软件设计流程图与部分源程序。通过实践证明，数字控制在逆变器中可以很好的控制逆变电源的输出。

关键词：逆变器，ＤＳＰ，ＳＰＷＭ，逆变电源

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ

ｉｎｖｅｒｔｅｒＴＩ

ｂａｓｅｄ

ｏｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆ

ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ

ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｄｅｖｅｌｏｐ，ｉｎ

ｕｓｅｓ

ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅ

ｏｆｔｈｅ

ｕｓｉｎｇｔｈｅｎｅｗｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｉｎｖｅｒｔｅｒｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒ０１．Ｓｙｓｔｅｍ

ｏｆ

ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ

ＳＰＷＭ

ｃｏｍｐａｎｙｓｅｒｉｅｓＤＳＰｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

ｔｈｅ

ａｓｔｈｅｍａｉｎ

ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ｔｈｅ

ｕｓｅ

ｏｆｄＯｕｂＩｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｎｉ－ｐｏｌａｒｉｔｙ

ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ

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ｗａｖｅ

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ｓｏｕｒｃｅ．

ＤＳＰ—ｂａｓｅｄ

ｐｕｌｓｅ

ｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

ＳＰＷＭ

ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｆｌｏｗｃｈａｒｔａｎｄｐａｒｔｏｆｔｈｅ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｎｖｅｒｔｅｒ，ＳＰＷＭ，ＤＳＰ。ｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

目前我国光伏发电系统主要采用直流供电系统，但是由于主控模块的电路、Ｄ／Ａ转换电路、隔离驱动电路、采样电路。

２．１

大多数民用电力都是交流负载，所以将直流电逆变成交流电是

关键的核心技术。随着大规模集成微电子技术的发展，专用

ＤＳＰ主控模块电路设计

该模块选用ＴＩ公司生产的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为主控制器，该

ＳＰＷＭ波形产生芯片（如ＨＥＦ４７５２、ＳＡ８３８）和智能ＣＰＵ芯片（ＰＩＣｌ６Ｃ７３、ＤＳＰ）逐渐取代小规模分立元件电路。由此产生了

一系列逆变器的控制方法，在逆变电路中ＳＰＷＭ技术目前以得到广泛的应用。本文以三相逆变电源的研发为背景，介绍了逆变

芯片具有高性能的３２位中央处理器，内含１２８Ｋｘｌ６位的片内Ｆｌａｓｈ存储器和４Ｋｘｌ６位只读存储器，与两个重要的事件管理

器ＥｖＡ、ＥＶＢ。支持ＪＴＡＧ边界扫描。在该模块设计时特别注意的是复位电路设计，复位操作保证整个ＤＳＰ电路系统有一个有序的启动顺序。复位为ＤＳＰ最高级别的中断，不必由ＣＰＵ仲

裁，直接取得压倒任何正在执行指令的优先权，所有可屏蔽中断均被屏蔽直到复位程序使能它们。最后的时钟电路设计，ＪＴＡＧ电路设计，上述电路构成一个最小系统，另外Ｄ／Ａ转换是ＤＳＰ程序调试开发中很重要的工具，程序开发员若想观测程序运行过程中的中间变量，判断程序运行是否正常，往往将该中间变量通过数据总线输出，再将其送给Ｄ／Ａ转换器，运用示波器观测“Ｄ／Ａ输出的模拟量，这样看起来更直观。本系统采用了丁Ｉ公司

的ＤＡＣ７６２５实现Ｄ／Ａ转换。

器控制的硬件设计包括主电路、驱动电路、采样电路、保护电路

以及利用ＴＭ￥３２０Ｆ２８１２生成电压ＳＰＷＭ的技术。

１

逆变器的构成及控制原理框图

本文采用三相电

压型逆变器作为控制目标，三相电压型逆变器主电路如图１所示。图中逆变器的六个

ＩＧＢＴ功率开关器件分别用Ｑ１～Ｑ６表示。其

中每两个功率管组成一个桥臂。图２所示是三相逆变器的控制原

图１

三相电压型逆变电路

Ｖ

理框图以ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为逆变器的控制核心，由ＤＳＰ产生６路ＳＰ－

ＷＭ波形，通过驱动丧嚣譬ｉ——ｉ臀变：

电路驱动六个ＩＧＢＴ

流输入

。负城

毛

・

‘玉

功率管交替导通，于是就可以产生三相正弦波，再通过滤波就可以得到较为精确的三相正弦渡。２逆变器硬件电路的设计

本设计的硬件

显示’

篆．篓

鬻

块

驱？路ｊ霆

块

圈３

２．２ＩＧＢＴ隔离驱动电路

Ｄ／Ａ转换电路

：／Ｄ一‘ＺＤ

啜９

・

由于ｌＧＢＴ与场效应晶体管都是电压驱动的，都具有一个２．５～５Ｖ的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此ＩＧＢＴ对栅极电

键啦

荷非常敏感，所以驱动电路必须稳定可靠；要保证有一条低阻抗值的放电回路，驱动电路应有足够陡的脉冲前后沿，使ＩＧＢＴ的

开关耗损尽量小。由于ＩＧＢＴ在电力电子设备中多用于高压场

单片机？

部分主要包括ＤＳＰ

圈２逆变器控制器原理框豳

万方数据

１０６

合，故驱动电路与控制电路必须隔离，目前有不少专用驱动ｌＧ－ＢＴ的集成电路模块可以使用，本设计选用的富士的ＥＸＢ８５０驱动元件，ＥＸＢ８５０驱动ＩＧＢＴ相当方便，。仅需提供１０ｍＡ的开关信号即可驱动ＩＧＢＴ的导通，器件２０Ｖ工作电源需与驱动侧隔

离，需监视过流保护状态，则应提供ＴＬＰ５２１光耦隔离一路，另

外加一个二极管和二个电容即可。

’

舻

‘７Ｊ．

图４ＥＸＢ８５０驱动一路ＩＧＢＴ

２．３采样电路

数字控制系统中，ＤＳＰ片内ＡＤ采样能够承受到输入电平范围为０－３．３Ｖ，所以无法对所需的控制量直接进行ＡＤ采样，因而通常需要把这些量调理后，才能接至ＤＳＰ的Ａ／Ｄ转换口。

本系统采用的是电压电流双环控制，所以包括电压采样电路和电流采样电路。在电压电流双闭环控制系统中，需采样逆变器的输出电压作为反馈量。为了满足ＤＳＰ的Ａ／Ｄ模块输入信号的

要求。模拟量需要经过图５所示的调理电路。

ｑ；ｊ。

图５电压调理电路

３系统软件设计

本文利用ＤＳＰ的ＥＶＡ事件管理器模块。当通用定时器Ｔ１处于连续递增／递减模式时。计算寄存器Ｔ１ＣＮＴ中的数值的变

化轨迹就是等腰三角形。也就相当于产生了一系列的三角波，当比较寄存器（ＣＭＰＲｘ，ｘ＝ｌ，２，３）中的值与计数寄存器的值相等

时，对应的引脚（ＰＷＭｘ，ｘ＝ｌ，２，３．４，５，６）上的电平就会发生跳变，从而输出一系列的等

高的方波信号，如图６所

唰堋哪

以，输出方波的宽度与比

较寄存器中的值一一对

应。因此，只需设置比较寄

存器中的值按正弦规律变化，就可以产生ＳＰＷＭ

，黧裂

陋

ｉ一

图６比较单元和ＰＷＭ电路产生对称的

波形。

程序采用异步控制方式，载波频率固定为２０ｋＨｚ，ＤＳＰ晶振３０ＭＨｚ，内部５倍频，系统时钟频率为１５０ＭＨｚ，事件管理器２分频后定时器计数周期为１３．３３ｎｓ。调制比Ｍ的范围为Ｏ—Ｏ．９，死区时间１．６斗ｓ。程序由初始化程序、主程序和定时器下溢

万方数据

光伏发电中逆变器控制方法的研究

中断子程序组成。主程序由初始化程序包括Ｉ／Ｏ接口初始化和定时器初始化，如图７。主程序的工作是根据输入的调制波频率计算Ｎ和２Ｎ。定时器下溢子程序主要功能是计算比较寄存器的值如图８。在数字控制系统中正弦基准信号就是一个正弦数据表格，故首先应将正弦波按其表达式制成０。－３６００的表格供查用，这一步可由高级语言（如Ｃ语言等）来完成。数据表格中数

据的点数是需要事先确定的。确定数据点数的依据主要是开关

频率，本系统中功率开关管的开关频率为２５ｋＨｚ，同时调制方法为单极性调制，其具有倍频功能，所以触发脉冲的频率为

１２．５ｋＨｚ。设逆变器输出正弦信号的频率为５０Ｈｚ，那么，正弦数

据表格中数据点数Ｎ至少必须是：Ｎ＝１２．５Ｋ／５０＝２５０。为了精确起见，正弦数据表格中数据点数选为１０２４。可将其数值放在片外数据存储器（地址为８０００Ｈ一８３ＦＦＨ）。定时器采用联系递增／

递减计数方式，每个载波周期都产生一次下溢中断。下面给出一些初始化函数的源代码和一些需要莺要注意的地方比如死区设

置函数，ｓｉｎ函数值生成函数的源代码，主程序可以按照图７所

示来设计。主程序源代码略。

开始

’

配置系统控制寄存器

ｔ

禁止全局中断

ｔ

时『日｜骨珲器仞始化

Ｔ

使能ＴｌＦ澈中断

启动定时嚣比较操作。输出¨Ｍ玻彤

定时器是否Ｆ溢中

Ｎ

断？

Ｙ

Ｆ溢ｌ｝ｌ断子捍序

图７主程序流程图图８定时器下溢中断子程序

／／系统初始化程序

∥该函数初始化ＧＰＩＯ，正确配置ｆ／Ｏ

Ｖｏｉｄ

ＩｎｉｔＧ；ｐｉｏ（ｖｏｉｄ）

｛

ＥＡＬＬＯＷ：

／／配置ＧＰＩＯ功能选择寄存器

／／ＧＰＩＯＡ５…０做ＰＷＭ。ＧＰＩＯＡｌ０…８做ＣＡＰｌ．２．３，ＧＰＩＯＤ０傲

ＰＤＰＩＮＴＡ，ＧＰｌＯＧ５…４做ＳＣＩＢ

ＧＰＩＯＭｕｘＲｅｇｓ．ＧＰＡＭＵＸ．ａｌｌ＝０ｘ０７３Ｆ；ＧＰＩＯＭｕｘＲｅｇｓＧＰＢＭＵＸａｌｌ＝０ｘ００００；ＧＰｌ０ＭｕｘＲｅｇｓ．ＧＰＤＭＵＸａｌｌ＝０ｘ０００１：ＧＰＩＯＭｕｘＲｅｇｓ．ＧＰＥＭＵＸ．ａｌｌ＝０ｘ００００；ＧＰＩＯＭｕｘＲｅｇｓ．ＧＰＦＭＵＸａｌｌ＝０ｘ００３０；ＧＰＩＯＭｕｘＲｅｇｓ．ＧＰＧＭＵＸ．ａｌｌ＝０ｘ００３０；

／／使能比较操作

ＥｖａＲｅｇｓ．ＧＰＴｃＯＮＡ．ａｌｌ＝０ｘ００００；ＥｖａＲｅｇｓ．ＡＣＴＲＡ．ａｌｌ＝０ｘＦＦＦＦ；ＥｖａＲｅｇｓ．ＤＢＴＣＯＮＡ．ａｌｌ＝０ｘ０９ＦＣ：／／配置ＧＰＩＯ输入量化寄存器

Ｐ｜Ｏ数据寄存器

以上三个配置程序略

ＰＷＭＡＩｎｉｔ０

｛

（下转第１０８页）

∥配置Ｇ／／ＰＷＭＡ初始化函数

Ｖｏｉｄ

１０８

核电站除盐水ＰＬｅ控制系统设计

于Ｉ，艺系统的主流程堤备．在运行的过程ｒ｜｛１１会有多种不同的状态。当设备处于不问的状态时，会打开不同的阎ｆｊ．完成相应的工艺步序。例如对于过滤器的工艺流程，进入每个状态都是以完成上一个状态为条件的，而状态之问的变化又都有娃续性。所以我们可以认为每一个状态是一个步序．当一十步序完成后自动

余的ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ线与ＣＰＵ进行通信

上位机采用研牛Ｉ。控机．计算机的配置为Ｐ４３０ＧＨｚ，２ＧＢ内存．１５０ＧＢ硬艋，ＣＯＭＢ０光驱，１２８ＭＢ显卡．音箱，键舷，鼠标，以太网卡，２１寸＿＝三星液品彩显．ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ操作系统．ＨＭｌ组态软件采用西ｆＪ子公司的ＷｉｎＣＣ７０运行版和开发版各一套，分别为操作员站和工程帅站，ＰＬＣ编稃软件ＳＴＥＰ７安装在工程师站．ＨＰＡ４黑白激光“日Ｊ机一台．ＰＵｅ与上位机采用以太网通讯。配置一台西¨子交换机，硬件配置如图１所示。

进入下一个步序，从而通过ＰＬＣ的顺序控制功能米完成这种步序的控制。当每个步序进行时，达到相应的工艺要求．此步序结

束。例如，双滤料过滤器从正常运行进人到排水步序的条件是过滤器出水Ｅｌ累积流量高或过滤器进出口压差高。当步序结束时，

关闭此设备的所有闭门，所有阀门关到位后，再打开下一步序要求打开的阀ｆ】，所有阀门开到位后，此步序开始进行。另外在界

面上还设置了一砦操作员干预指令，可以单独执行每步，也可以

人为延长每步时间，或跳过执行步骤。

５特殊信号的处理

在除盐水分配系统中．有些监视信号需要ｉ司时送往电站的

ＤＣＳ系统，这时就需要将测量信号分为两路，一路送往ＰＬＣ，一

路送往ＤＣＳ。因为测量信号点数较少．所以可以通过硬接线的

方式送往ＤＣＳ。对于模拟量输人信号．通过一个信号分离器将

模拟信号分为两路。对于数字量ＤＣＳ信号．我们可将信号输人端接在一个继电器的线圈侧，通过继电器的两个常开无源触点

分别将信号送往ＤＣＳ及ＰＬＣ系统．这样就实现了ＰＬＣ与ＤＣＳ

的同时监控。６结束语

随着ＰＬＣ越来越广泛的应用．性能也越来越稳定。核电这种保守性的行业也将越来越多的采用ＰＬＣ或ＤＣＳ系统来代替原有的继电器控制系统。这将大大减少核电中机柜的数量．提高

自动化生产的水平，同时也减轻了核电站前期调试和后期维护的难度，在这方面投人的人力物力也会大大减少。ＰＬＣ的开发人

圈１昌江除盐水ＰＬＣ硬件配置图

４除盐水的组态方案

员一定要注意程序的合理性，并设计出友好的人机界面，从而提

高系统整体的町靠性．保证安全生产。

参考文献

１］除盐水生产系统手册［Ｋ］２］Ｓ７—４００可编程控制器［Ｋ

ｆ收稿日期：２０１１９５

针对除盐水系统，集中采用了一套控制｛殳备，值班人员在控

制室中就可以对所有就地设备进行操作并监视运行参数。

每台设备在就地没有控制箱，箱内设有远程就地选择开关。

当开关在“就地”位置时．设备处于就地手动控制状态。当开关处

于“远程”位胃时，操作员口Ｔ通过ｆ：位机画面对设备进行控制。对

与匀匀匀。勺匀墨一匀与匀々匀戋｜匀与匀匀岛粤ｉ匀匀？暂与Ｉ匀≮匀５ｉ与匀匀专ｉ：每岛岛。每岛岛南尊匀岛岛勺白南岛匀与－

（上接第１０６页）

ＥｖａＲｅｇｓＥＶＡＩＭＲＡａｌｌ＝０ｘ０００１，

Ｓｉｎｄａｔａ＝ｓｉｎ（ｓｉｎｄａｔａ）；

。ｄａｔａｒａｍ＋＋＝ｓｉｎｄａｔａ；

／／使能ＰＤＰＩＮＴＡ功率保护叶１断

ＥｖａＲｅｇｓＥＶＡＩＦＲＡ／／清除中断悬挂

ＥｖａＲｅｇｓＣＯＭＣＯＮＡａｌｌ＝０ｘ８２００／／死区时问ｉ殳置

ＥｖａＲｅｇｓＴ１ＰＲ＝ｐｗｍａｍｈａｌｆｐｅｒｉｏｄ：ＥｖａＲｅｇｓＣＭＰＲｌ＝ｐｗｍａｍｈａｌｆｐｅｒｉｏｄ／２；ＥｖａＲｅｇｓＣＭＰＲ２＝ｐｗｍａｍｈａｌｆｐｅｒｉｏｄ／２；ＥｖａＲｅｇｓＣＭＰＲ３＝ｐｗｍａｍｈａｌｆｐｅｒｉｏｄ／２；

ａ

｝

４结束语

本文较为完善地阐述了三相电压型逆变器的ＳＰＷＭ控制的软硬件的实现方法，此方法已经在逆变器中得到了应用，并且

ｒｌ＝０ｘＦＦＦＦ．

生成的ＳＰｗＭ波形和逆变电路连接一起．驱动六个ＩＧＢＴ．最后

逆变出的正弦渡渡形良好。

参考文献

１］周志敏太阳能光伏发电系统设汁与应用［Ｍ］北京：电子工业出版

牡．２０１０

／／Ｓｉｎ值，｝成函数

Ｖｏｉｄ

Ｉｎｉｔ

ｓｉｎｄａｔａ（ｖｏｉｄ）

２］欧阳车；三ＤＳＰ原理与技术［Ｍ］台肥：合肥Ｉ．业大学出版杜．２００９

Ｓｉｎｄａｔａ＝０．

３］谢青红，张筱荔ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ原理盐其在运动控制系统中的应用＿Ｊ］电气传动．２００９（１０）

４］胡若挪４００Ｈｚ逆变器的数字控制技术研究［Ｄ］南京：南京航空航天大学．２００４

（收稿日期：２０１１８３１１

Ｄａｔａｒａｍ＝（ｆｌｏａｔ‘）０ｘ１０００００；ｆｏｒ（ｉ＝１＋ｌ（Ｎ．ｈ＋）

Ｓｉｎｄａｔａ＝２，ＰＩ；

Ｓｉｎｄａｔａ＝Ｓｉｎｄａｔａ’ｒｔｚ／１００００

万方数据

光伏发电中逆变器控制方法的研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

王海勇， 张明

南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京,210016工业控制计算机

Industrial Control Computer2011,24(11)

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