基于DSP的风力发电逆变电源的研究

摘要：风电是一种清洁、经济、充足、安全的能源，它的提出不仅解决了我国能源和环境的问题，同时也符合我国可持续发展战略的需要。基于DSP的风力发电逆变电源是专门为用于风力发电设计的，它针对风力的不稳定性以及风力发电环境的特殊性，加入了各种保护电路以及反馈电路，最后经过逆变电路和整流滤波电路输出用于民用的稳定电压。介绍了主控芯片TMS320LF2407的特点，给出了系统设计的软硬件结构，并通过试验验证了系统的可行性。
关键词：DSP风力发电；逆变电源；TMS320LF2407

    近年来，随着经济和社会的迅速发展，我国的能源供需缺口不断扩大，能源供应紧张。不仅如此，我国面临能源和环境的双重巨大压力，保持清洁、经济、充足、安全的能源供应是我国经济发展长期需要面对的重要问题。取之不尽的清洁能源是根本解决我国能源问题的主要途径之一。目前风能、太阳能、生物能的部分技术已逐渐成熟，有望成为解决我国能源缺口和环境污染的重要途径。
    鉴予这种情况，对用于风力发电的逆变电源的研究有很大的现实意义。逆变电源也是一种产生交流电的装置，具有以下优点；变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；变相，逆变电源能将单相交流电转换成三相交流电，也能将三相交流电转换成单相交流电；逆变电源能将直流电转换成交流电；逆变电源能将低质量的市电转换成高质量的稳压稳频的交流电。也正由于这些特点逆变电源将取代旋转型变流机组。

1 系统硬件
    用于风力发电的逆变电源的系统框图如图1所示，它由主电路和控制电路两部分组成。其中，控制电路以DSP为核心，驱动电路、保护屯路、通信显示电路以及采样反馈等电路均为控制电路的外围电路。

2 电路的设计
    风力发电逆变电源的主电路图如图2所示，主要包括整流滤波部分、逆变吸收部分、变压器及滤波电路等，其中逆变吸收部分是整个主电路的核心。本文采用的逆变器为单相全桥逆变电路，当输出交流侧接阻感负载时需要提供无功功率，因此在每个IGBT的集电极与发射极间并联了快恢复二极管，以便为无功功率提供通道，为了防止逆变器因死区时间不合适造成上下桥臂直通短路、输出负载端短路或者变压器严重偏磁饱和时导致的初级组过流等现象，需在逆变桥前串一个熔断器，以起保护作用。整流滤波部分主要给逆变桥提供无波纹的直流输入电压。吸收电路主要用于吸收因直流母线分布电感的存在，导致的开关管关断时产生的尖峰电压。变压器主要用于电气隔离或变压。

    主电路的工作原理如下：
    (1)假设Q1，Q4先导通，则吸收电路中C3，C6上的电压为逆变器的输入端电压Ud，方向为上正下负；由于Q1，Q4导通时管压降近似为零，故二极管D5，D8上的电压也为逆变器的输入端电压Ud，但方向为上负下正。Q2，Q3上的电压为逆变器的输入端电压Ud，方向为上正下负，二极管D6，D7上的电压为零。
    (2)当Q1，Q4关断时，由于直流母线分布电感的存在，使得IGBT在关断过程中产生很大的尖峰电压；当Q1，Q4上的电压超过Ud时，尖峰电压会分别通过C3，R3和C6，R2放电，尖峰电压全部耗在电阻上，待吸收电路放电结束后，Q1，Q4完全关断。此时，Q2，Q3还没开通，Q1～Q4上的电压为Ud／2。此时C3，C4，C5，C6上的电压为Ud，方向为上正下负，二极管D5～D8上的电压为Ud／2，方向为上负下正。
    (3)当Q1，Q4关断后，若仍未开通Q2，Q3，则电流会经Q2和Q3的集电极与发射极并联的二极管续流，Q1，Q4上的电压为Ud；Q2，Q3上的电压为零。C3～C6上的电压为Ud，方向为上正下负；二极管D5，D6上的电压为零；二极管D6，D7上的电压为Ud，方向为上负下正。
    (4)二极管续流直到电流减小为零时，可开通Q2，Q3，吸收电路中各处电压不变。

3 控制电路的设计
3．1 主控芯片选择
    该设计采用DSP对逆变电源PWM波部分、死区部分、电压有效值外环及电容电流瞬时值最内环实现全数字化。电压瞬时值内环及电容电流瞬时值最内环要求对逆变电源实现实时控制。并且本文所用的开关频率较高，所以对DSP的主频要求也较高，并且要求DSP具有方便快捷的事件管理模块，于是本文选用TI公司的TMS320LF2407A DSP处理器作为主控芯片。TMS320LF2407A有以下特点；改进的哈佛结构；灵活的指令系统；高速运算能力；大容量存储能力；有效的性价比。主要的应用领域包括：工业电机驱动、逆变电源、功率转换器和控制器、汽车系统、仪表和压缩机电机控制、机器人和计算机数字控制机械。
    TMS320LF2407A具有2个事件管理器，32位中央算数逻辑单元，32位累加器，16位×16位乘法器，3个比例移位器，间接寻址用的8个16 b辅助寄存器和辅助算数单元，4级流水线操作，8级硬件操作，6个可屏蔽中断，544 word的片内DARAM和2 KB的片内SARAM，32 KB的片内FLASH程序存储器，64 KB程序存储空间，35．5 KB的数据存储空间；I／O空间64 KB。此外，还有功能强大的外设、串行通信接口SCI、串行外围皆空SPI、CAN总线控制器、事件管理器EV和A／D转换器、看门狗WDT。
3．2 驱动电路
    对于IGBT来说，只要驱动电路在栅极和发射极间提供正偏电压，IGBT就会导通。当+VGE增加时，开通时间和通态压降减小，这有利于减小通态损耗和开通损耗，但并不意味着+VGE越大越好。
    当负载短路时，短路电流将随着+VGE的增大而增大，并使IGBT承受短路电流的时间变短，因此+VGE的取值要适当，通常推荐使用+15 V。为了保证IGBT承受短路电流的时间变短，也为了保证IGBT在C，E间出现dv／dt噪声时能可靠关断，必须在栅极与发射极关断时施加一个负偏压-VGE。采用负偏压还可以减小关断损耗。负偏压-VGE一般取-5 V左右为宜。另外，为了使IGBT工作在理想状态下，选择合适的驱动电路尤为重要。
    本文选用了美国IR公司生产的高压、高速PMOSFET和IGBT的驱动器IR2110，如图3所示。

3．3 保护电路的设计
    保护电路是傈证电源系统稳定、可靠、安全工作的关键。根据实际需要，设计了许多保护电路，使得本逆变电源能更好地完成任务，并提高电源的安全性和可靠性。系统设计了过流保护、欠压保护、温度保护，以及输出过压保护反馈，一旦出现上述任意异常状况，首先通
过硬件保护电路迅速封锁DSP的PWM输出信号，同时，引起DSP功率驱动保护中断输入引脚上的电平跳变，程序执行相应中断，并进一步在软件中断程序中封锁所有的驱动信号。系统中设定过载／过流保护和短路保护为不可自恢复的保护，即一旦发生过载、过流或者短路现象，系统将自动关闭，无输出，直到人为的重新启动开关为止。系统中设定的过热保护、欠压保护、过压保护为可自恢复的保护，即一旦发生故障，只要恢复正常的工作条件系统就可以自动正常运行。

4 软件设计
    通过对DSP编程来控制整个系统工作。通过系统初始化子程序对各个参数、寄存器等进行设定。对主电路的控制，逆变输出50 Hz交流电。编程采用顺序结构，使调用子程序方便。在整个工作过程中，能随时对电流、电压进行测量比较，一旦出现欠压、过流等故障，将及时报警，并通过子程序显示在LED屏上。主程序及中断子程序如图4、图5所示。

5 结语
    考虑到该逆变电源的工作要求，本文在设计的过程中加入了卸荷接口及蓄能部分，使其能很好地应对随时变化的风力。经过多次试验测试表明，该电源能具有较高的稳定度，通过选择不同的功率，既可以用于输出大功率的发电站，也可以用于普通用户。