单片机实现实时跟随电网的优质逆变电源方案.doc

单片机实现实时跟随电网的优质逆变电源方案1 引言随着人类社会的进步和生产技术的飞速发展，能源已成为制约人类生存环境的世界性问题。为了能应对未来社会对能源的巨大需求，一方面要求各行业改进工艺技术，最大限度地节能降耗，同时减少环境污染;另一方面，需要开发研究各类再生能源的利用途径和技术，最大限度的发挥能源效益。随着太阳能、风能的大批量开发利用，其独立发电系统已越来越多地进入了人类的生活，逐渐发挥着越来越大的作用，其并网运行技术的研究也已广泛展开，再生能源的高效优质并网馈电技术也因此越来越受到重视。同时，在机械动力设备的生产过程中，也存在着大量的能源浪费，比如动力机械出厂前的性能测试、动机工程机械的调试等，这些能源也是可以得到再生利用的。通过适当的变换，这些能源均可转换为电能，一方面可以供应本单位或局部电力用户使用，同时在供应富裕时也可以并网回馈。实现这一变换，就需要研究输出特性好，且能方便控制相位、幅值、频率的高正弦度电压型功率变换器。开关线性复合式电压型功率变换器，采用开关线性复合功率变换技术，具有良好的动、静态输出特性。其主要特点是:(1) 输出的电压波形几乎完全相似于给定的参考波形，当给定为正弦波时，逆变输出也为无谐波的正弦波;(2) 对系统的负载适应性强，可适应于各类负载;(3) 抗负载扰动能力强，突加或突卸负载时对输出波形影响小;(4) 由于控制系统采用了单片机及专用波形产生芯片sa4828，使得系统控制方便，可靠性较高，可以方便地构成闭环控制和实现多台电压型功率逆变器的并联运行;(5) 由该电压型功率逆变器构成的再生能源系统在向负载供电的同时，可以将富裕的电能回送电网，其回送过程基本不受负载性质、电网电压波动的影响。2 主体方案的设计2.1 系统构成与工作原理单片机控制的开关线性复合式电压型功率逆变器系统原理框图如图1所示。图1 功率逆变器系统原理框图在图1中，再生能源(可以是太阳能发电场、风能发电场或动力机械生产企业在产品测试过程中的回收的电能等)通过整流送入逆变回馈系统。逆变主电路采用六个功率igbt作为开关器件，在控制系统控制下，逆变出基波和参考电压(可为电网取样电压，亦可为信号源产生的参考信号电压)同频同步的正弦电压波形，通过lc滤波输出到开关线性复合的线性输出级。2.2 spwm控制方案由于各种集成电路层出不穷，微控制器型号繁多，控制方案的不同选择就会直接影响电源整体的复杂程度，可靠程度。采用数字控制至少有以下三种方案:(1) 用软件产生spwm控制波形;(2) 用带有专门产生pwm控制波形的微控制器;(3) 微控制器加上专用spwm波形产生芯片。在第一种方案，软件编程量大，cpu要花大量的时间用以产生spwm控制波形，考虑到中断等因素，波形产生精度不高;第二种方案不失为一种较好的选择，软件编程相对较简单，可靠性高。但该专用芯片不易实现实时采集跟踪一个已知电压波形，且很难再输出一路采样信号供开关线性复合后级驱动;第三种方案中，软件编程最简单，cpu对波形产生的处理时间最小，保证了波形具有较高的精度，并且硬件连接也较为简单。具体的说，就是采用单片机mcs8051加上spwm波形产生芯片sa4828。目前51系列单片机应用较广，性能较高，一般都能满足小系统的需要。a4828是一种性能较优的spwm波形产生芯片，它在本系统中不仅作为spwm波形发生器，还作为开关线性复合电路后级线性级驱动信号发生器。因为它有一个引脚wss，在输出spwm调制信号的同时能输出调制波信号的采样值，用这个信号滤波后正好可以作为开关线性复合电路的驱动信号。系统采用霍尔电压传感器同步检测电网电压，经滤波和锁相电路产生同步信号，经真有效值变换芯片ad737得到采样电压的真有效值信号送单片机处理，进而控制sa4828同步产生spwm控制脉冲。3 程序框图及编程3.1 sa4828特点及工作原理sa4828是一种专用于三相spwm信号发生和控制的集成芯片。它可以单独使用，也可与大多数型号的单片机接口。该芯片的主要特点为:全数字控制;兼容intel系列和motorola系列单片机;输出调制波频率范围04khz;16位调速分辨率;载波频率最高可达24khz，内部rom固化三种可选波形;可选最小脉宽和延迟时间(死区);可单独调整各相输出以适应不平衡负载;可快速封锁输出spwm脉冲，看门狗定时器等。它可接受来自单片机送来的有效值和锁相信号，根据初始化设定状态自动产生正弦波spwm控制脉冲，不需其他微处理器干预。通过脉冲删除电路，删去只增加开关管损耗的极窄的脉冲，通过脉冲延迟电路生成死区，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路。看门狗定时器用来防止程序跑飞，当时间条件满足时快速封锁输出。3.2 程序软件设计对sa4828的控制是通过在初始化时写入48位控制寄存器字来实现的。初始化寄存器在逆变电源工作前写入，并且在运行过程中不能改变，控制寄存器用来在逆变电源运行过程中改变电压频率等，它的写入必须在初始化寄存器之后进行。初始化寄存器所设置的参数有:载波频率设定、输出调制频率范围、脉冲延迟时间、最小脉宽删除、调制波形选择、幅值控制、看门狗时间常数设定等;控制寄存器所设置的参数有:输出调制频率、输出调制波幅值、输出禁止、正反转选择、计数器复位控制、看门狗选择、软件复位控制等。主程序流程图如图2所示。图2 主程序流程图为减小数字滤波数据处理时间，提高系统实时性，数字滤波采用移动平均滤波法，每计算一次测量值，只需采样一次，所以大大加快了数据处理速度。4 逆变主电路结构逆变主电路采用开关线性复合结构，转换为直流电的再生能源供给逆变系统工作，前级为开关逆变级，后级为线性级，如图3所示。从电网取样来的参考电压信号vref经锁相电路得到同步信号，再经ad737转换为有效值信号送51单片机处理;来自单片机的控制信号通过spwm专用产生和控制芯片产生spwm控制脉冲，驱动开关逆变级进行正弦波逆变;从wss端输出的采样信号经后级信号处理，作为线性级的同步驱动信号，从而得到跟随电网电压、抗负载扰动能力强的正弦波电压能量，通过变压器升压耦合驱动电力负载或回馈电网。虽然增加了一级线性级，该级功率管仅仅工作在临界饱和状态(通过控制前级逆变幅值和后级驱动信号的相位幅值实现)，所以该级的效率可作到接近98%。同时还可以适当降低开关级的开关频率和开关损耗，使总效率并不降低或略有降低，但却换来了很好的输出特性、很强的负载适应性和抗负载扰动能力，这对电压型逆变系统来说是十分重要的。图3 主电路结构图本文的实验研究中，逆变器选用功率igbt，逆变输出经lc低通滤波后送功率缓冲器，再经1:1.5的升压变压器输出或回馈电网。实验波形如图4所示。图4 功率逆变电网回馈系统电压电流波形图4(a)为开关线性复合功率变换技术中线性级功率缓冲器的输入输出电压波形，测试点为线性级的输入和输出，即输出变压器的原边侧(外侧为逆变后经lc滤波送到功率缓冲器的电压波形，里侧为功率缓冲器的输出电压波形。可见，加上功率缓冲器后一方面逆变电源的抗负载扰动能力大大增强的同时，也能将多余的纹波电压降落在功率缓冲器上，使回馈电压波形得到净化。同时可看出，降落在线性级igbt管上的只是很小的纹波电压，只相当于管子的管饱和压降，功耗并不大。通过计算和测试，该线性级的效率在9095%之间。 图4(b)为开关线性复合功率变换器在接电阻负载时电压电流波形(外侧为电压，内侧为电流)。输出交流电压有效值为232v，电流为3a，通过一个1.5电阻取样在示波器上显示。波形图显示，功率变换器的输出电压电流正弦度较好。图4(c)为突加负载时的电压电流波形(外侧为电压，内侧为电流)。示波器显示的是升压变压器原边的电压电流。输出交流电压有效值223.5v，突加负载(电流为3a)后的电压为220v，幅值降落约1.4%。可见，抗负载扰动能力较强。而不加线性输出级时(相当于通常的开关逆变电源)在突加同样负载时，电压幅值降落大约1518%。实验中，采用阻感负载和容性负载时，也得到了相同的结论。可见，该开关线性复合电压型功率变换器的负载适应性和负载鲁棒性较强。图4(d)为回馈电网时的电压电流波形(外侧为电压，内侧为电流)。由于电网电压中含有一定谐波，为非正弦波，因此，电流波形为非正弦波形。通过理论分析知，即便电压型功率变换器的输出电压和电网电压波形完全相同，只要电压中含有谐波，电压型回馈时电流就为非正弦波。同时也可看出，回馈的电压电流不完全同相位，这是因为功率变换器输出的电压和电网电压存在有15s左右的相位差。当该相位差调整为5s