基于DSP的風力發(fā)電逆變電源的研究

　　近年來，隨著經(jīng)濟和社會的迅速發(fā)展，我國的能源供需缺口不斷擴大，能源供應緊張。不僅如此，我國面臨能源和環(huán)境的雙重巨大壓力，保持清潔、經(jīng)濟、充足、安全的能源供應是我國經(jīng)濟發(fā)展長期需要面對的重要問題。取之不盡的清潔能源是根本解決我國能源問題的主要途徑之一。目前風能、太陽能、生物能的部分技術已逐漸成熟，有望成為解決我國能源缺口和環(huán)境污染的重要途徑

　　鑒予這種情況，對用于風力發(fā)電的逆變電源的研究有很大的現(xiàn)實意義。逆變電源也是一種產(chǎn)生交流電的裝置，具有以下優(yōu)點；變頻，逆變電源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率的交流電；變相，逆變電源能將單相交流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，也能將三相交流電轉(zhuǎn)換成單相交流電；逆變電源能將直流電轉(zhuǎn)換成交流電；逆變電源能將低質(zhì)量的市電轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。也正由于這些特點逆變電源將取代旋轉(zhuǎn)型變流機組。

　　1 系統(tǒng)硬件

　　用于風力發(fā)電的逆變電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由主電路和控制電路兩部分組成。其中，控制電路以DSP為核心，驅(qū)動電路、保護屯路、通信顯示電路以及采樣反饋等電路均為控制電路的外圍電路。

　　2 電路的設計

　　風力發(fā)電逆變電源的主電路圖如圖2所示，主要包括整流濾波部分、逆變吸收部分、變壓器及濾波電路等，其中逆變吸收部分是整個主電路的核心。本文采用的逆變器為單相全橋逆變電路，當輸出交流側(cè)接阻感負載時需要提供無功功率，因此在每個IGBT的集電極與發(fā)射極間并聯(lián)了快恢復二極管，以便為無功功率提供通道，為了防止逆變器因死區(qū)時間不合適造成上下橋臂直通短路、輸出負載端短路或者變壓器嚴重偏磁飽和時導致的初級組過流等現(xiàn)象，需在逆變橋前串一個熔斷器，以起保護作用。整流濾波部分主要給逆變橋提供無波紋的直流輸入電壓。吸收電路主要用于吸收因直流母線分布電感的存在，導致的開關管關斷時產(chǎn)生的尖峰電壓。變壓器主要用于電氣隔離或變壓。

　　主電路的工作原理如下

　　(1)假設Q1，Q4先導通，則吸收電路中C3，C6上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud，方向為上正下負；由于Q1，Q4導通時管壓降近似為零，故二極管 D5，D8上的電壓也為逆變器的輸入端電壓Ud，但方向為上負下正。Q2，Q3上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud，方向為上正下負，二極管D6，D7上的電壓為零。

??? (2)當Q1，Q4關斷時，由于直流母線分布電感的存在，使得IGBT在關斷過程中產(chǎn)生很大的尖峰電壓；當Q1，Q4上的電壓超過Ud時，尖峰電壓會分別通過C3，R3和C6，R2放電，尖峰電壓全部耗在電阻上，待吸收電路放電結束后，Q1，Q4完全關斷。此時，Q2，Q3還沒開通，Q1～Q4上的電壓為 Ud／2。此時C3，C4，C5，C6上的電壓為Ud，方向為上正下負，二極管D5～D8上的電壓為Ud／2，方向為上負下正。

　　(3)當Q1，Q4關斷后，若仍未開通Q2，Q3，則電流會經(jīng)Q2和Q3的集電極與發(fā)射極并聯(lián)的二極管續(xù)流，Q1，Q4上的電壓為Ud；Q2，Q3上的電壓為零。C3～C6上的電壓為Ud，方向為上正下負；二極管D5，D6上的電壓為零；二極管D6，D7上的電壓為Ud，方向為上負下正。

　　(4)二極管續(xù)流直到電流減小為零時，可開通Q2，Q3，吸收電路中各處電壓不變。

　　3 控制電路的設計

　　3．1 主控芯片選擇

　　該設計采用DSP對逆變電源PWM波部分、死區(qū)部分、電壓有效值外環(huán)及電容電流瞬時值最內(nèi)環(huán)實現(xiàn)全數(shù)字化。電壓瞬時值內(nèi)環(huán)及電容電流瞬時值最內(nèi)環(huán)要求對逆變電源實現(xiàn)實時控制。并且本文所用的開關頻率較高，所以對DSP的主頻要求也較高，并且要求DSP具有方便快捷的事件管理模塊，于是本文選用TI公司的TMS320LF2407A DSP處理器作為主控芯片。TMS320LF2407A有以下特點；改進的哈佛結構；靈活的指令系統(tǒng)；高速運算能力；大容量存儲能力；有效的性價比。主要的應用領域包括：工業(yè)電機驅(qū)動、逆變電源、功率轉(zhuǎn)換器和控制器、汽車系統(tǒng)、儀表和壓縮機電機控制、機器人和計算機數(shù)字控制機械。

　　TMS320LF2407A具有2個事件管理器，32位中央算數(shù)邏輯單元，32位累加器，16位×16位乘法器，3個比例移位器，間接尋址用的8個16 b輔助寄存器和輔助算數(shù)單元，4級流水線操作，8級硬件操作，6個可屏蔽中斷，544 word的片內(nèi)DARAM和2 KB的片內(nèi)SARAM，32 KB的片內(nèi)FLASH程序存儲器，64 KB程序存儲空間，35．5 KB的數(shù)據(jù)存儲空間；I／O空間64 KB。此外，還有功能強大的外設、串行通信接口SCI、串行外圍皆空SPI、CAN總線控制器、事件管理器EV和A／D轉(zhuǎn)換器、看門狗WDT。