一種基于數字信號處理器的智能微網逆變器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于數字信號處理器的智能微網逆變器，包括DSP控制電路、同步信號及鎖相環電路、以及功率驅動電路。同步信號及鎖相環電路對電流進行采樣，并將采樣信號輸入到DSP控制電路；DSP控制電路通過運算處理輸出PWM補償信號，并將補償信號經過功率驅動電路反饋到電網中。其中，功率驅動電路采用智能功率模塊，包括光耦隔離電路、PWM驅動電路及由功率器件構成的主電路，PWM驅動電路位于DSP控制電路與主電路之間。本實用新型可有效濾除電網中存在的各種諧波，解決了微網污染越來越嚴重的問題。
【專利說明】
一種基于數字信號處理器的智能微網逆變器
技術領域
[0001 ]本實用新型設計一種以控制運算系統為核心，基于TMS320F2812DSP的智能微網逆變器，屬于電力系統自動化領域。
【背景技術】
[0002]目前，智能微網逆變器已經廣泛地在生產生活中得到運用，不僅在容量方面得到較大的提高，補償諧波的頻率范圍也得到了較大的擴展，并且正逐漸從單獨治理向電網質量改善的方向發展。
[0003]雖然近些年國內在智能微網逆變器方面取得了較大的發展，但是和電力電子發達的國家作比較，依然存在著一定的技術差距。當前，國內也有多臺智能微網逆變器設備投入工業運行。如華北電力試驗研究所、冶金部自動化研究院和北京供電公司聯合開發的有源高次諧波治理裝置于1992年在北京木材廠投入運行;華南理工大學研制了用于牽引變電站的諧波治理的混合型有源電力濾波器。這些裝置能夠減小濾波器有源部分容量，也取得了相當的成果，但仍需進一步改進和完善，其部分具體技術實現也尚在研究中。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種智能微網逆變器，能夠對微網中各種頻次的諧波進行濾除。
[0005]為實現上述目的，本實用新型的技術方案為:
[0006]一種基于數字信號處理器的智能微網逆變器，包括DSP控制電路、同步信號及鎖相環電路、以及功率驅動電路，所述同步信號及鎖相環電路對電流進行采樣，并將采樣信號輸入到DSP控制電路;所述DSP控制電路通過運算處理輸出PWM補償信號，并將補償信號經過功率驅動電路反饋到電網中；所述功率驅動電路采用智能功率模塊，包括光耦隔離電路、PWM驅動電路及由功率器件構成的主電路，PWM驅動電路位于DSP控制電路與主電路之間。
[0007]進一步地，所述功率驅動電路內部還集成有保護電路。
[0008]所述DSP控制電路采用TMS320F2812芯片。
[0009]所述同步信號及鎖相環電路包括鎖相倍頻電路和采樣調理電路。
[0010]本實用新型的逆變器能夠對電網中變化的諧波分量進行實時的濾除，減少了諧波對電網產生的影響，解決了微網污染越來越嚴重的問題。其靈活度高，實時性強，可靠度高，硬件實現容易。此外，本實用新型還設置了保護電路，確保了系統電路安全可靠的運行。
【附圖說明】
[0011 ] 圖1為本實用新型TMS320F2812功能框圖
[0012]圖2為實施例的HCPL-4504光耦內部結構圖；
[0013]圖3為實施例的橋臂電流檢測電路；
[0014]圖4為本實用新型并網注入有功功率波形圖。
【具體實施方式】
[0015]為了更好的理解本實用新型的技術方案，結合附圖，作進一步的詳細描述。
[0016]1、控制系統電路
[0017]控制運算系統是整個裝置的核心，一方面負責模擬量采集，解析出諧波分量，另一方面依據諧波分量，輸出補償信號，通過驅動電路及主電路反饋到電網中，對電網中的諧波進行整治。此外，控制系統還將負責異常的捕獲，并控制保護電路做出相應的保護動作。
[0018]本實用新型采用數字信號處理器(DSP)作為整個控制系統的核心處理器件，多數采用哈弗結構，程序存儲與數據存儲分開，采用定點運算，硬件乘法器，支持飽和計算，舍入及移位等運算，內置多路ADC通道，內置事件管理器模塊，支持周期占空比可調的PffM信號輸出，側重于對數字信號處理，控制能力相對較弱。
[0019]本實施例將采用的是TI公司的一款DSP芯片TMS320F2812作為整個諧波整治系統的運算控制核心，TMS320F2812是一款功能非常強大的32位定點型數字信號處理芯片。除了具有DSP共有的數字信號處理能力外，還具有強大的事件管理能力及嵌入式控制能力。其主要性能如下:
[0020](I)時鐘頻率為150MHz，低電壓供電，CPU供電電壓1.8V，I/O口和FLASH電壓均為3.3Vo
[0021 ] (2)32位高性能CPU，包含32位算術邏輯單元(ALU)。
[0022](3)哈弗總線結構，八級流水線，4M程序和數據尋址能力。
[0023](4)存儲器資源:128K Flash存儲器，IK單次編程型只讀存儲器，18Κ但周期單次隨機存儲器。
[0024](5)目前可使用外部中斷45個。
[0025](6)兩個事件管理器，可產生12路PffM輸出通道，并可編程產生死區。
[0026](7) 12位ADC 模塊。
[0027](8)56個通用輸入輸出引腳(GP1)。
[0028](9)含有多種串行設備接口。
[0029]TMS320F2812內置ADC模塊允許輸入的最大電壓值為3V，既能夠按一定序列進行AD采樣由能夠多個AD同時進行采樣兩，ADC觸發源包括:軟件直接啟動，事件管理啟動及外部引腳啟動。
[0030]TMS320F2812的Pmi模塊通過軟件來設置HVM信號死區時間，最大的死區時間可達16us，此外，PWM模塊輸出的PWM頻率占空比都是可調的，可以通過軟件來配置輸出非對稱、對稱和空間向量PWM波形，此外，還配置有功率保護中斷。
[0031]2、功率驅動部分電路
[0032]功率模塊作為聯系主電路與控制電路的核心器件，不僅承擔著直流側和交流側的能量交換的功能，同時承擔著輸出諧波電流補償負載的作用。隨著電力電子水平的發展，出現了以下幾種功率元器件:
[0033](I )IGBT，是一種全控型電壓驅動式功率半導體器件。可以理解是GTR和MOSFET的復合體，GTR具有飽和時電壓降低和載流密度大的優點，卻存在著驅動電流大的缺點；然而MOSFET恰恰相反，具有驅動電流小與開關速度快的優點，卻存在導通壓降大及載流密度小的缺點。IGBT可謂是具有GTR優點的同時，具有了MOSFET優點，總的來說，IGBT具有以下幾方面優點:通流能力強、開關速度快、輸入阻抗高及熱穩定好。IGBT—般是功率器件的首選。
[0034](2)IPM，智能功率模塊，相比于IGBT，IPM內含有驅動電路與保護電路，且IPM內部的IGBT都已經設定了最佳的驅動條件。此外，值得說明的是，智能功率模塊內部通過檢測IGBT集電極電流實現了過電流保護、短路保護等多種保護。三是內含有報警輸出，可以向微機反饋異常信息。四是模塊中集成有驅動電路，和逆變橋一樣。可謂是IGBT的智能升級版。
[0035]本實施例采用三菱公司生產的智能功率模塊(IPM)，這塊IPM芯片內部集成有主電路部分以及驅動電路部分，此外還集成有多種故障檢測電路，并以電平信號的方式輸出故障信號，此信號可以作為DSP的外部中斷信號，以便于及時對故障進行處理。IPM具有非常高的可靠性，即使發生了負載事故，也可是IPM免于受到損壞。本系統選取的三菱PS22A78智能功率模塊，特點如下:
[0036](I)驅動電路靠近IGBT芯片，延時小，開關速度快。
[0037](2)快速過流保護。當系統發生過載或者短路故障時能夠及時關斷IGBT。
[0038](3)橋臂對管互鎖，可以有效地防止上下橋臂同時導通。
[0039](4)抗干擾能力強，功耗低。
[0040](5)—塊IC集成了主電路，驅動電路及保護電路，大大縮小了電路體積。
[0041](6)驅動電源欠壓保護。
[0042]目前，系統已經具有控制系統電路，主電路以及驅動電路這三個電路，三者之間的關系為控制電路輸出PWM信號需要通過驅動電路才能實現對主電路進行控制。
[0043]但是控制電路僅僅能輸出包含有補償信息的信號，無法直接輸出補償信號注入到電網。因此，需要補償電路，將控制部分電路來連接控制電路與電網。在這里補償電路實質上指的是光耦隔離電路，將控制部分電路來連接控制電路與電網。在這里補償電路實質上指的是光耦隔離電路、PWM驅動電路及主電路這三個電路構成的電路。主電路即功率器件構成的電路，在本實施例中即是由功率元件構成的逆變橋。驅動電路介于控制電路與主電路兩者之間，主要起到對PWM信號進行放大隔離作用。此外，需要說明的是，由于控制電路與主電路之間的電信號等級相差較大，為了主電路中的強幅度模擬信號不對控制電路信號產生干擾，需要設計控制系統電路與驅動電路之間的隔離電路，在本實施例中將選取一款絕緣電壓大于1000V的高速光耦來構成主電路與控制電路之間的隔離電路。
[0044]3、采樣部分的電路
[0045]為了能夠對電網中諧波進行整治，除了采用無源濾波器對電網信號進行濾波處理夕卜，就是產生特定諧波的反向諧波注入到電網中，直接將電網中包含的諧波抵消掉。本實施例將采用后者，即有源濾波器的方式。依據有源濾波器的原理，首先得解析出電網中諧波分量。這些都要源于對電網中的模擬樣進行采樣，也只有實時地采集電網中的電壓電流信號，才能了解到當前電網中都包含了哪些諧波并產生抵償諧波信號。因此本設計系統需要模擬量采樣電路。
[0046]本實施例采用LCTA21CE電流互感器，把待檢測電路的大的交流信號按一定比例轉換成較小的交流信號，在進行信號調理之前，需要先經過電阻，電流流過電阻產生壓降，從而實現了電流信號向電壓信號的轉換，最后再經過一個低通濾波器電路接入到DSP的ADC模塊引腳上。進行電網模擬量采樣。
[0047]由于電網中的頻率是在很小的范圍內波動的，并不是固定不變，這樣，如果以59Hz為基準進行采樣的話，必然會導致采樣誤差，特別是在采樣點比較多的情況下，采樣到的數據與實際偏差更大，嚴重地還會產生另一個諧波。因此，需要設計一個電路來保證采樣基準頻率與實際頻率一致，即鎖相環電路。鎖相環電路，對電力系統中實際頻率進行追蹤，以產生與實際頻率同步的采樣出發信號。使采樣值和實際值一樣。
[0048]在本實施例硬件電路里包含有倍頻鎖相電路，用于對電網實際頻率進行追蹤，同時對實際頻率倍頻，借用硬件觸發的方式來啟動DSP進行AD采樣，增加采樣點數。因此，倍頻鎖相電路與采樣調理電路共同構成采樣部分的電路。
[0049]4、保護電路
[0050]本實用新型的輸入輸出端都是直接掛接電網的，并且電路中包含有大功率器件，必須得配置有一個完善的保護電路，一方面是保護系統電路本身，另一方面是防止系統電路對電網噪聲影響及電網的異常對系統電路的影響。驅動電路PS22A78內部集成有保護電路，主要包含有控制電壓欠電壓保護、過熱保護及過電流保護三種保護。無論是IPM模塊中哪種保護電路發生動作，IPM都會封鎖驅動電路并輸出一個故障信號(FO)。
[0051 ] 本實用新型的智能微網逆變器能將輸入電壓范圍為750V-800V的直流電逆變成220V交流，并入電網，對電網的電流電壓信號進行采樣AD后傳輸給指令運算模塊；以解析出的諧波信號作為控制算法的輸入，通過智能控制算法輸出諧波補償信號，最終將補償信號通過驅動電路反饋到微網中，對諧波進行補償。
【主權項】
1.一種基于數字信號處理器的智能微網逆變器，其特征在于，包括DSP控制電路、同步信號及鎖相環電路、以及功率驅動電路，所述同步信號及鎖相環電路對電流進行采樣，并將采樣信號輸入到DSP控制電路;所述DSP控制電路通過運算處理輸出PffM補償信號，并將補償信號經過功率驅動電路反饋到電網中；所述功率驅動電路采用智能功率模塊，包括光耦隔離電路、PffM驅動電路及由功率器件構成的主電路，PffM驅動電路位于DSP控制電路與主電路之間。2.根據權利要求1所述的一種基于數字信號處理器的智能微網逆變器，其特征在于，所述功率驅動電路內部還集成有保護電路。3.根據權利要求1所述的一種基于數字信號處理器的智能微網逆變器，其特征在于，所述DSP控制電路采用TMS320F2812芯片。4.根據權利要求1所述的一種基于數字信號處理器的智能微網逆變器，其特征在于，所述同步信號及鎖相環電路包括鎖相倍頻電路和采樣調理電路。
【文檔編號】H02J3/01GK205544275SQ201620061648
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月21日
【發明人】李智, 陳金威, 周晨, 范育奇, 張金龍
【申請人】南京師范大學