基于DSP的光伏逆变器控制平台的设计

基于DSP的光伏逆变器控制平台的设计
李鹏飞;赵欣;李金平
【摘要】光伏并网发电是太阳能发电发展的必然趋势.为了实现对光伏逆流器的控制,提出了一种基于DSP的光伏逆变器控制平台的设计方案,并基于该设计方案加以实现.该控制平台主要用在kw级小功率光伏发电系统.实验运行结果表明,网侧电流的波形接近正弦,同时表明此控制平台性能稳定、抗干扰能力强、可靠性高.
【期刊名称】《北京联合大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(027)004
【总页数】5页(P48-52)
【关键词】DSP;光伏逆变器;发电;并网
【作者】李鹏飞;赵欣;李金平
【作者单位】北京联合大学信息学院,北京100101;中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京100083;北京联合大学信息学院,北京100101
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.72
0 引言
由于全球经济的迅速发展，能源的损耗越来越多，给人类生存环境也带来恶劣的影响。

为了缓解能源和环境压力，人类开始大规模地开发和利用可再生清洁能源。

太阳能资源作为可再生的清洁能源之一，被世界各国广泛利用。

因此，光伏发电产业
得到了迅速发展。

在光伏发电并网控制中，光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件，本文设计了一种基于DSP的光伏逆变器控制平台［1］，采用直接电流控制的三相电压
源型并网逆变。

本设计采用的主控芯片为德州仪器公司出品的TMS320F28335，同时设计了原型样机。

实验结果表明，本文设计的逆变器应用到光伏并网发电系统，不仅提高了系统的稳定精度，而且改善了电压输出质量，具有广泛的实用价值。

1 光伏并网发电系统组成及原理
光伏并网发电系统一般包括太阳能光伏电池板、光伏逆变器、电抗器和DSP构成
的控制平台［2］。

光伏并网发电系统的系统结构图如图1所示。

图1 光伏并网发电的系统结构图Fig.1 Grid-connected PV system structure diagram
由图1可知，发电系统利用光伏电池板将吸收的太阳能转化为直流电能，通过DSP控制平台对逆变器的控制，将直流电转化为符合并网要求的交流电馈送电网。

此系统电能的转换和传递过程，是利用IGBT模块构成的三项桥臂逆变器来完成的，而并网逆变器的控制，则是通过DSP主控平台生成的PWM(脉宽调制)信号来实现的。

假设Ua，Ub，Uc为光伏逆变器交流侧输出的三相电压;ia，ib，ic为逆变器并网
输出电流;L为滤波电抗器［3］，系统直流侧电压由光伏电池提供。

直流侧采用电容储能，逆变桥采用三相半桥拓扑结构，输出电流经过电抗器滤波后接到电网上。

逆变器正常工作时，要求处于单位功率因数并网模式，并网输出电流是与电网电压同频同相的正弦波。

因此，需要对逆变器的输出电流进行有效的控制。

2 光伏逆变器控制平台的设计
本文设计的光伏逆变器控制平台的结构框图如图2所示。

此控制平台的核心控制
芯片采用TI公司 C2000 系列的 TMS320F28335［4］，它的外围电路包括:AD
调理电路(对网侧的电压、电流及直流母线上的电流信号进行幅值调节)、PWM驱动电路、供电电源的电源电路、DSP的复位电路以及通信和显示电路。

图2 光伏逆变器控制平台的结构框图Fig.2 PV inverter control block diagram of the platform
2.1 控制芯片的选择
本文中主要控制芯片选择的是TI公司C2000系列的TMS320F28335，其主要优点包括:
主频可达150 MHz，指令周期为6.67 ns。

SCI:串行通信接口是一个两线异步串行端口，称为UART。

F28335中，SCI包含一个16级的接受和发送FIFO;
12位A/D转换器有16个转换通道:80 ns的快速转换时间。

增强的控制外设，18PWM输出端口。

这些优点满足一般的控制系统，使DSP外围的电路设计更加简单，控制的精度更高，实时性更强。

2.2 复位电路的设计
复位电路是指把电路恢复到起始状态。

其作用在于在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态:这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，用来防止CPU指令发送错误以至于执行错误甚至烧坏芯片，对于一个DSP系统而言，上电复位电路虽然只占很小的一部分，但它的好坏将直接影响系统的稳定性，所以，在系统设计中复位电路是必不可少的。

本系统的复位电路如图3所示。

图3 复位电路Fig.3 Reset circuit
此电路为按钮复位电路，利用电路的延迟给系统充分的复位时间。

在上电瞬间，由于电容C的特性，其电压不能突然跳变，所以通过电阻R55进行充电，充电时间
一般要求大于5个时钟周期。

为防止复位不完全，RC参数可选择大一些。

当按下S2的时候电容放电，使main_reset电位变到0V;当松开S2时，电容充电，使main_reset变高电位，DSP进行工作。

图3中的RC(R为R55，C为C103)决定了复位时间如式(1):式子中VT为高低电平的分界点。

2.3 电源供电模块
根据TI公司芯片手册的规定，TMS320F28335需要1.8 V和3.3 V供电，1.8 V 是给内部核心逻辑电路提供电压，3.3 V是为IO口提供电压，本设计中使用TPS7301将5 V电压转换成3.3 V和1.8 V给DSP芯片供电。

TPS7301的输入电压范围为2.47～10 V，耐热性能增强，功能齐全，支持高效率，集成了高侧/低侧MOSFETs，并且输出电压由外围配置电路决定，使电路简单，其输出的电流范围为0～500 mA。

系统电源设计电路如图4所示。

3.3 V和1.8 V的电源电路分别如图4(a)、(b)、所示。

图4 系统电源电路(a)3.3 V电源转换电路 (b)1.8 V电源转换电路Fig.4 System power circuit(a)3.3 V power conversion circuit(b)1.8 V power conversion circuit
2.4 调理电路设计
在应用中必须把传感器检测到的电压电流信号转化成TMS320F28335可接受的范围才能输入到内部AD中，因此，需要信号调理电路。

其作用就是对传感器的输出进行电平变换、滤波调理，使其满足AD芯片的接收范围。

本控制平台需要采集的量分别为网侧的交流电流、交流电压以及直流母线上的直流电流［5］。

因为霍尔元件安装方便，测量时不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，所以，本设计选用了霍尔元件对电压、电流等模拟量进行采集且通过互感
器起到保护隔离的作用。

通过电压转换，电路将所采集的信号调理到0～3.3 V之间，交流电压调理电路如图5所示。

在图中的电压互感器，本设计选用的是TV1013，它是一种电流型电压互感器［6］。

它具有体积小，精度高;印刷线路板直接焊接安装，使用方便，外形美观;
全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，安全可靠等优点。

输入电压小于1 000 V，输出电压小于0.5倍的运放电压。

假设CVTAA端的电压为Vo，电压互感器3引脚的输出电流为I3，那么输出电压的数值如式(2)所示。

2.5 PWM驱动电路设计
本设计中逆变器使用的是智能功率模块(IPM)［7］，IPM 自带驱动和过电压、过
电流等保护功能，但是DSP输出的PWM驱动能力较弱，不满足驱动能力的要求。

因此，从DSP输出的PWM信号要经过功率放大等处理，再通过光电隔离电路才能送到IPM，驱动功率模块工作。

采用DS75451对DSP输出的PWM信号进行处理，提高信号的驱动功率和驱动
电平。

此芯片有两个输入端，其中一个是DSP产生的PWM信号输入端，另一个是故障检测信号输入端，主要用作系统的保护。

当正常情况下时，PWM正常输出;当出现欠压、过压等故障时，故障信号通过光电隔离后送入 DSP，DSP检测到故
障信号后，进行相应的中断处理，输出高电平，封锁 PWM脉冲。

如图6所示。

图5 交流电压调理电路Fig.5 AC voltage conditioning circuit
图6 PWM驱动电路Fig.6 PWM drive circuit
由于系统控制部分的电路信号为弱电信号，主电路是强电信号，所以，光电耦合起到了分离弱电信号和强电信号的作用，保证系统工作的稳定。

对于PWM信号，
由于高低电平变化较快，为保证PWM驱动信号传输的实时性，PWM信号的输出端接的必须是高速光耦。

为了满足这一要求，本设计采用了HCP4501，此光耦合
器具有极短的寄生延时、瞬时共模等优点。

2.6 通信电路设计
本设计的通信主要是用于DSP和PLC之间的通信，PLC控制触摸显示屏显示电压、电流、频率等一些主要参数，或者通过触摸屏设置参考电压、电流等数值传给DSP，使DSP按照新的设定数值进行计算，控制PWM信号的产生。

因为PLC用的是RS485通信，所以用DSP自带的SCI接口通过外接电路转换为支持RS485
的通信接口，如图7所示。

图中6N137为高速光耦，起到隔离保护作用，
MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片，用于RS-485通信的低功耗收发器。

由于现场的干扰源过多，所以在电路中加上D1，D2，D3起到抗干扰的作用。

3 系统的主程序设计
当太阳能微型逆变器开启时，系统会进入初始化程序，将其所有外设、变量和常量初始化［8］。

系统的状态将初始化为系统启动状态。

状态机首先监视所有系统变量和输入输出的状态。

如果检测到任何故障，它会检查:电网电压条件、电网频率
条件、逆变器输出交流电流条件、PV电池板电压条件等数据。

系统在运行程序时，首先运行主程序，执行初始化命令，然后进入等待状态，等待系统中断并及时响应中断，当中断服务程序执行结束后，程序又重新进入等待状态，等待下一次中断的到来。

系统的主程序结构图如图8所示，PWM产生的中断流程图如图9所示。

图7 通信电路Fig.7 Communication circuit
4 实验结果及分析
通过对本控制平台实验调试，逆变器的输入直流母线电压大约为850 V，输出交流电压为220 V/50 Hz，得到网侧电压、电流调试的波形如图10所示。

通过分析仪对输出电流的谐波含量进行分析可知，基波分量占输出电流总量的99.6%，高次
谐波含量非常低，谐波畸变率仅为2.5%，满足了并网小于5%的要求。

从图中可
以看到网侧电压、电流波形的正弦度很高，且电压电流的相位相差很少，几乎同相，功率因数接近为1。

实验结果表明，此控制平台系统设计合理，稳定性高，能够可靠并网发电。

图8 系统的主程序结构图Fig.8 Main structure system
图9 PWM产生的中断流程图Fig.9 PWM interrupt generated flowchart
图10 网侧电压电流波形Fig.10 Network side voltage and current waveforms 5 结束语
本文介绍了基于DSP的光伏逆变器的硬件设计和软件介绍。

由实验波形可知，输
出电流电压波形良好，所采用的方案能可靠并网，运行稳定，为我国太阳能利用开辟了一条新的路径，具有一定的使用价值。

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