基于DSP的并网逆变器的设计

　　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，论文答辩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。