杨树涛+贺天章+刘俊国
摘 要： 逆变是整流的逆过程，逆变器是将低压直流电转换成交流电的装置。为了能将转换后的交流电送回电网，实现能量再循环，设计了基于DSP的并网逆变器，采用倍频单极性SPWM技术实现逆变控制，并利用DSP外设CAP检测逆变器输出电流频率和相位，以软锁相技术实现逆变器输出电流的相位和频率与电网电压同步；利用DSP外设ADC采集逆变器的输出电流与电网的电压，采用PI闭环调节以增加逆变器输出电流的稳定性，最后搭建实验样机验证设计的可行性。
关键词： 并网逆变器； 能量回馈控制； DSP； 软锁相； PI闭环调节
中图分类号： TN710?34； TM464 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0159?04
Design of DSP based grid?connected inverter
YANG Shu?tao， HE Tian?zhang， LIU Jun?guo
（Luoyang Electronic Equipment Test Center of China， NO.111， PO Box 066， Mengzhou 454750， China）
Abstract： Inverter is an inverse process of rectifier， which convert low?voltage DC to AC. In this paper， a DSP based grid?connected inverter is designed to feed back the converted AC to the power grid to realize the energy recycle. The unipolar SPWM technology is used to realize the inversion control. CAP interface of DSP is utilized to detect the frequency and phase of inverter output current. The software phase?locked technology is taken to achieve the synchronization of inverter output current phase and frequency with the grid voltage. ADC is used to collect the inverter output current and the power grid voltage information. PI closed?loop control regulation is adopted to enhance the stability of inverter output current. An experimental prototype was designed to verify the technical performance of the grid?connected inverter.
Keywords： grid?connected inverter； energy feedback control； DSP； software phase locked loop； PI closed?loop regulation
0 引 言
逆变器也称逆变电源，逆变器是能将其他形式的能量（蓄电池、太阳能电池、电机制动、电源老化试验等）转变成交流电（工频或中频交流电）的装置。其通过控制半导体功率器件的开关，把直流电能转变成交流电能[1]。
并网逆变器输出年工频交流电，且输出电流的频率和相位与市电的频率和相位相同，它能以最大功率因数向电网回馈能量，是UPS、馈能式电子负载、分布式电站的核心控制器。逆变技术原理在1931年提出，1948年美国西屋电气公司研制成功。随着新型功率器件和计算机技术的发展，如今功率开关器件从20世纪60年代的SCR到大功率高频IGBT，为逆变器向大容量方向发展奠定了基础[2]。随着微电子技术的发展，逆变控制器件从分立模拟电路到高速DSP，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等在逆变领域得到了较好的应用[3]，为逆变器恒压、恒流、恒功率和并网等控制提供了理论依据和实现方法。
1 逆变实现原理
逆变器输出220 V市电，一般有先逆变后调压和先调压后逆变两种实现方式。前一种方式使用工频变压器将逆变输出交流电压调至市电，后一种方式先用高频变压器斩波至[2202]V直流后直接逆变输出市电。因工频变压器体积大、效率低，本文选用先调压后逆变实现方式。其原理图如图1所示。前级采用推挽正激式开关电源，它结合正激拓扑结构输出功率大和推挽式拓扑变压器磁芯利用率高的优点，前级调压可参照直流开关电源设计。后级逆变控制一般采用脉宽调制PWM技术，由于要控制逆变器输出正弦交流电，其PWM调制方式称SPWM。SPWM是实现正弦逆变的关键技术，它基于采样控制理论中的面积等效原理，SPWM是脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波，若将一个周期内的正弦波划分为2N等份，每等份的脉宽都是[π2N]，则这列正弦波可看作2N个彼此相连的脉宽相等而幅值不等的脉冲序列，在每个特定的时间间隔中，都可以用一个脉冲幅度为Ua且面积等于相应的正弦脉冲面积的矩形脉冲代替，这样2N个宽度不等，但幅值相等的脉冲序列就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制PWM波形[3]。
图1 逆变器主电路结构
模拟的SPWM控制方式如图2所示。
图2 SPWM的实现方法
数字SPWM的产生原理与模拟电路相同，只是载波通过DSP计数表示，调制波通过写入DSP存储器的离散正弦表表示，DSP通过比较计数器的计数值和正弦表中对应值决定SPWM输出端的电平输出。
逆变器开关管时序及等效SPWM输出如图3所示。
图3 SPWM调制原理
2 DSP并网控制
2.1 锁相的实现
DSP的事件管理器模块中的CAP单元能够捕获外部输入信号的相位和频率，是实现软件锁相环控制的前提。由于DSP的CAP引脚只允许输入TTL信号，首先应将传感器的输出信号调整为TTL信号，为此将传感器采集的市电电压正弦信号送入比较器件LM339，如图4所示，市电的正弦电压每经过一个过零点，该电路输出电平即跳变一次。
图4 CAP调整电路
TMS320LF2407A有EVA，EVB两个事件管理器6个捕获端口，本文选择捕获端口CAP1，CAP2分别作为电网电压和逆变器输出电流的捕获端口，软件设定上升沿有效，当CAP1或CAP2捕捉到上升沿跳变时，DSP自动判断是哪路信号发生跳变，并将定时器的计数值存入相应的一个二级深的FIFO堆栈CAPxFIFO（x=1，2），它将作为频率、相位调整的依据[4]。当捕获端口捕获到上升沿电平信号后，捕获单元发出中断请求并进入中断处理程序，程序首先判断是电压过零还是电流过零引起的中断。若为电压中断，则将CAP1FIFO的值赋给自定义变量CAP1，同时将计数器清零，这样软件每次捕获到的值即是电网电压的周期值，相应调节周期寄存器的值，既可实现逆变输出电流的周期与电网电压周期一致；若为逆变器输出电流过零引起的中断，则将CAP2FIFO的值赋给自定义变量CAP2。在CAP1中断中，每当电网电压过零时计数器被清零，电网电压总是被作为逆变器输出电流的相位参照点，则实际CAP2的值即为逆变输出电流相位滞后或者超前电网电压的值。在每次中断中使正弦表指针朝减小与电网电压相位差的方向增减一定的值，从而使逆变器输出电流的相位最终与电网电压的相位一致，频率相位的调整过程如图5所示。
电压过零硬件捕获调整电路输出波形如图6所示，其中通道CH1为电网电压波形，CH4为包含电网电压信息的TTL。
锁相时，逆变电流（CH4）跟随电网电压（CH1）的过程如图7所示。可以看出，逆变输出电流相位平稳的向电网电压相位靠拢，锁相调节没有给逆变器的输出电流造成冲击。
2.2 基于PI的闭环控制
连续控制系统比例积分调节器（PI）控制规律为[3]：
[u（t）=KPe（t）+1TI0te（t）dt+u0] （1）
式中，u（t）为输出控制量；e（t）为偏差；KP为比例系数；TI为积分时间常数；u0为系统初始值。
图5 PLL锁相逆变电流频率和相位的调整
图6 电压过零TTL
图7 逆变电流跟随电网电压
分析逆变器输出级电路，取电网电流为状态变量，有：
[LdIodt=Uac-Unet-IoRL] （2）
将式（2）做拉氏变换：
[Io（s）=GL（s）[Uac（s）-Unet（s）]] （3）
式中GL（s）为滤波器传递函数。将逆变器等效为一个小惯性环节，则逆变器的传递函数为[5?6]：
[GPWM（s）=KPWMTPWMs+1] （4）
式中，TPWM为小时间常数，可取三角载波的周期；KPWM为逆变器增益，取输入直流电压值与三角载波峰值的比，则逆变器采用PI电流闭环控制系统的模型如图8所示。
图8 逆变输出电流闭环控制系统数学模型
为了实现系统的无静差跟踪，用二阶最佳工程设计法对PI调节器的参数进行整定，二阶品质最佳系统的开环传递函数为[3]：
[Φo（s）=12T2s1+122T2s] （5）
由图8可知逆变系统的开环传递函数为：
[G（s）=GPI（s）GPWM（s）GL（s）] （6）
其中GPI（s）为PI的传递函数，其一般形式为：
[GPI（s）=KPs+KIs] （7）
结合式（6）、式（7）并近似取[KPKI=LRL，]电流闭环控制系统的开环传递函数为：
[G（s）=1RLsKIKPWM（TPWMs+1）] （8）
比照[Φo（s）]的相关系数，最终求得PI传递函数的参数：
[KI=RL2KPWMTPWM， KP=L2KPWMTPWM] （9）
DSP（TMS320LF2407A）集成16路10位高精度A/D转换器，可方便地把外部模拟信号转化为数字信号。由于DSP的ADCIN能接收的电压范围为0～3.3 V，为此传感器采集到的正弦信号需要调整，设计的硬件调整电路如图9所示，调节R3，使传感器的输入信号经放大器U1A缩放成幅值为±5 V的电压信号，并经U1B放大器上-5 V参考电压偏压、缩放后，在ADCIN输出0～3.3 V的电压信号。
图9 信号采集与调理电路
软件设置计数器周期中断启动ADC，并在外设中断寄存器中取出采样值，DSP根据采样值进行PI运算，软件流程图如10所示。
图10 增量式PI控制流程图
建立图11所示的Simulink仿真模型，将参数KP，KI写入Simulink的PI控制器，在Scope中观测逆变电压、电网电压、逆变电流和参考电流，仿真波形如图12所示。
图11 电子负载馈能控制Simulink模型
可以看出当参考电流增大时，逆变器输出的电流相应增大，逆变输出电流的调整过程较平滑，即在PI闭环控制下，参考电流的调整没有给逆变器的输出电流造成冲击，系统稳定性较好。
图12 Simulink仿真波形
3 结 语
本文简述了逆变器的工作原理以及并网逆变器的主要控制技术，并设计了基于DSP LF2407A为控制核心的并网型逆变器，逆变控制采用SPWM方案。并网控制方面主要采用软件锁相技术和PI闭环控制。利用DSP的CAP外设，设计出快速可靠的逆变电流跟随电网电压的软件锁相环，并在数字示波器上实时观测锁相的动态过程；利用DSP的ADC外设，实现对电网电压、逆变输出电流的数据采集，为系统的PI闭环控制做准备。文中推导了增量式PI控制PI系数的推导，并建立仿真模型，观测在逆变电流逐渐变大时逆变电流的稳定性。
参考文献
[1] 黄群.能量回馈式电子负载研究[D].北京：装甲兵工程学院，2008.
[2] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2000.
[3] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：国防工业出版社，1994.
[4] 刘和平，严利平.TMS320LF24x DSP结构、原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[5] 张蓉.数字控制SPWM逆变器研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.
[6] 郑连清，王青峰.馈能型电子负载的并网控制[J].电网技术，2008，32（7）：40?45.
[7] KOBAYASHI F. A scheme of PLL with finite impulse responses [J]. IEEE Transactions on Circuits System， 1996， 43（4）： 340?343.
[8] Kobayashi F， Haratsu M， Yabumoto M， et al. Efficient digital techniques for implementing a class of fast phase?locked loops [J]. IEEE Transactions on Ind Electr， 1996， 43（6）： 616?620.
图9 信号采集与调理电路
软件设置计数器周期中断启动ADC，并在外设中断寄存器中取出采样值，DSP根据采样值进行PI运算，软件流程图如10所示。
图10 增量式PI控制流程图
建立图11所示的Simulink仿真模型，将参数KP，KI写入Simulink的PI控制器，在Scope中观测逆变电压、电网电压、逆变电流和参考电流，仿真波形如图12所示。
图11 电子负载馈能控制Simulink模型
可以看出当参考电流增大时，逆变器输出的电流相应增大，逆变输出电流的调整过程较平滑，即在PI闭环控制下，参考电流的调整没有给逆变器的输出电流造成冲击，系统稳定性较好。
图12 Simulink仿真波形
3 结 语
本文简述了逆变器的工作原理以及并网逆变器的主要控制技术，并设计了基于DSP LF2407A为控制核心的并网型逆变器，逆变控制采用SPWM方案。并网控制方面主要采用软件锁相技术和PI闭环控制。利用DSP的CAP外设，设计出快速可靠的逆变电流跟随电网电压的软件锁相环，并在数字示波器上实时观测锁相的动态过程；利用DSP的ADC外设，实现对电网电压、逆变输出电流的数据采集，为系统的PI闭环控制做准备。文中推导了增量式PI控制PI系数的推导，并建立仿真模型，观测在逆变电流逐渐变大时逆变电流的稳定性。
参考文献
[1] 黄群.能量回馈式电子负载研究[D].北京：装甲兵工程学院，2008.
[2] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2000.
[3] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：国防工业出版社，1994.
[4] 刘和平，严利平.TMS320LF24x DSP结构、原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[5] 张蓉.数字控制SPWM逆变器研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.
[6] 郑连清，王青峰.馈能型电子负载的并网控制[J].电网技术，2008，32（7）：40?45.
[7] KOBAYASHI F. A scheme of PLL with finite impulse responses [J]. IEEE Transactions on Circuits System， 1996， 43（4）： 340?343.
[8] Kobayashi F， Haratsu M， Yabumoto M， et al. Efficient digital techniques for implementing a class of fast phase?locked loops [J]. IEEE Transactions on Ind Electr， 1996， 43（6）： 616?620.
图9 信号采集与调理电路
软件设置计数器周期中断启动ADC，并在外设中断寄存器中取出采样值，DSP根据采样值进行PI运算，软件流程图如10所示。
图10 增量式PI控制流程图
建立图11所示的Simulink仿真模型，将参数KP，KI写入Simulink的PI控制器，在Scope中观测逆变电压、电网电压、逆变电流和参考电流，仿真波形如图12所示。
图11 电子负载馈能控制Simulink模型
可以看出当参考电流增大时，逆变器输出的电流相应增大，逆变输出电流的调整过程较平滑，即在PI闭环控制下，参考电流的调整没有给逆变器的输出电流造成冲击，系统稳定性较好。
图12 Simulink仿真波形
3 结 语
本文简述了逆变器的工作原理以及并网逆变器的主要控制技术，并设计了基于DSP LF2407A为控制核心的并网型逆变器，逆变控制采用SPWM方案。并网控制方面主要采用软件锁相技术和PI闭环控制。利用DSP的CAP外设，设计出快速可靠的逆变电流跟随电网电压的软件锁相环，并在数字示波器上实时观测锁相的动态过程；利用DSP的ADC外设，实现对电网电压、逆变输出电流的数据采集，为系统的PI闭环控制做准备。文中推导了增量式PI控制PI系数的推导，并建立仿真模型，观测在逆变电流逐渐变大时逆变电流的稳定性。
参考文献
[1] 黄群.能量回馈式电子负载研究[D].北京：装甲兵工程学院，2008.
[2] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2000.
[3] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：国防工业出版社，1994.
[4] 刘和平，严利平.TMS320LF24x DSP结构、原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[5] 张蓉.数字控制SPWM逆变器研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.
[6] 郑连清，王青峰.馈能型电子负载的并网控制[J].电网技术，2008，32（7）：40?45.
[7] KOBAYASHI F. A scheme of PLL with finite impulse responses [J]. IEEE Transactions on Circuits System， 1996， 43（4）： 340?343.
[8] Kobayashi F， Haratsu M， Yabumoto M， et al. Efficient digital techniques for implementing a class of fast phase?locked loops [J]. IEEE Transactions on Ind Electr， 1996， 43（6）： 616?620.
