1 引言
隨著人類社會的進步和生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，能源已成為制約人類生存環(huán)境的世界性問題。為了能應(yīng)對未來社會對能源的巨大需求，一方面要求各行業(yè)改進工藝技術(shù)，最大限度地節(jié)能降耗，同時減少環(huán)境污染;另一方面，需要開發(fā)研究各類再生能源的利用途徑和技術(shù)，最大限度的發(fā)揮能源效益。隨著太陽能、風(fēng)能的大批量開發(fā)利用，其獨立發(fā)電系統(tǒng)已越來越多地進入了人類的生活，逐漸發(fā)揮著越來越大的作用，其并網(wǎng)運行技術(shù)的研究也已廣泛展開，再生能源的高效優(yōu)質(zhì)并網(wǎng)饋電技術(shù)也因此越來越受到重視。同時，在機械動力設(shè)備的生產(chǎn)過程中，也存在著大量的能源浪費，比如動力機械出廠前的性能測試、動機工程機械的調(diào)試等，這些能源也是可以得到再生利用的。通過適當(dāng)?shù)淖儞Q，這些能源均可轉(zhuǎn)換為電能，一方面可以供應(yīng)本單位或局部電力用戶使用，同時在供應(yīng)富裕時也可以并網(wǎng)回饋。實現(xiàn)這一變換，就需要研究輸出特性好，且能方便控制相位、幅值、頻率的高正弦度電壓型功率變換器。
開關(guān)線性復(fù)合式電壓型功率變換器，采用開關(guān)—線性復(fù)合功率變換技術(shù)，具有良好的動、靜態(tài)輸出特性。其主要特點是:
(1) 輸出的電壓波形幾乎完全相似于給定的參考波形，當(dāng)給定為正弦波時，逆變輸出也為無諧波的正弦波;
(2) 對系統(tǒng)的負載適應(yīng)性強，可適應(yīng)于各類負載;
(3) 抗負載擾動能力強，突加或突卸負載時對輸出波形影響小;
(4) 由于控制系統(tǒng)采用了單片機及專用波形產(chǎn)生芯片sa4828，使得系統(tǒng)控制方便，可靠性較高，可以方便地構(gòu)成閉環(huán)控制和實現(xiàn)多臺電壓型功率逆變器的并聯(lián)運行;
(5) 由該電壓型功率逆變器構(gòu)成的再生能源系統(tǒng)在向負載供電的同時，可以將富裕的電能回送電網(wǎng)，其回送過程基本不受負載性質(zhì)、電網(wǎng)電壓波動的影響。
2 主體方案的設(shè)計
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理
單片機控制的開關(guān)線性復(fù)合式電壓型功率逆變器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
圖1 功率逆變器系統(tǒng)原理框圖
在圖1中，再生能源(可以是太陽能發(fā)電場、風(fēng)能發(fā)電場或動力機械生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品測試過程中的回收的電能等)通過整流送入逆變回饋系統(tǒng)。
逆變主電路采用六個功率igbt作為開關(guān)器件，在控制系統(tǒng)控制下，逆變出基波和參考電壓(可為電網(wǎng)取樣電壓，亦可為信號源產(chǎn)生的參考信號電壓)同頻同步的正弦電壓波形，通過lc濾波輸出到開關(guān)線性復(fù)合的線性輸出級。
2.2 spwm控制方案
由于各種集成電路層出不窮，微控制器型號繁多，控制方案的不同選擇就會直接影響電源整體的復(fù)雜程度，可靠程度。采用數(shù)字控制至少有以下三種方案:
(1) 用軟件產(chǎn)生spwm控制波形;
(2) 用帶有專門產(chǎn)生pwm控制波形的微控制器;
(3) 微控制器加上專用spwm波形產(chǎn)生芯片。
在第一種方案，軟件編程量大，cpu要花大量的時間用以產(chǎn)生spwm控制波形，考慮到中斷等因素，波形產(chǎn)生精度不高;第二種方案不失為一種較好的選擇，軟件編程相對較簡單，可靠性高。但該專用芯片不易實現(xiàn)實時采集跟蹤一個已知電壓波形，且很難再輸出一路采樣信號供開關(guān)線性復(fù)合后級驅(qū)動;第三種方案中，軟件編程最簡單，cpu對波形產(chǎn)生的處理時間最小，保證了波形具有較高的精度，并且硬件連接也較為簡單。具體的說，就是采用單片機mcs—8051加上spwm波形產(chǎn)生芯片sa4828。目前51系列單片機應(yīng)用較廣，性能較高，一般都能滿足小系統(tǒng)的需要。
a4828是一種性能較優(yōu)的spwm波形產(chǎn)生芯片，它在本系統(tǒng)中不僅作為spwm波形發(fā)生器，還作為開關(guān)線性復(fù)合電路后級線性級驅(qū)動信號發(fā)生器。因為它有一個引腳wss，在輸出spwm調(diào)制信號的同時能輸出調(diào)制波信號的采樣值，用這個信號濾波后正好可以作為開關(guān)線性復(fù)合電路的驅(qū)動信號。
系統(tǒng)采用霍爾電壓傳感器同步檢測電網(wǎng)電壓，經(jīng)濾波和鎖相電路產(chǎn)生同步信號，經(jīng)真有效值變換芯片ad737得到采樣電壓的真有效值信號送單片機處理，進而控制sa4828同步產(chǎn)生spwm控制脈沖。
3 程序框圖及編程
3.1 sa4828特點及工作原理
sa4828是一種專用于三相spwm信號發(fā)生和控制的集成芯片。它可以單獨使用，也可與大多數(shù)型號的單片機接口。該芯片的主要特點為:全數(shù)字控制;兼容inbbb系列和motorola系列單片機;輸出調(diào)制波頻率范圍0～4khz;16位調(diào)速分辨率;載波頻率最高可達24khz，內(nèi)部rom固化三種可選波形;可選最小脈寬和延遲時間(死區(qū));可單獨調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負載;可快速封鎖輸出spwm脈沖，看門狗定時器等。它可接受來自單片機送來的有效值和鎖相信號，根據(jù)初始化設(shè)定狀態(tài)自動產(chǎn)生正弦波spwm控制脈沖，不需其他微處理器干預(yù)。通過脈沖刪除電路，刪去只增加開關(guān)管損耗的極窄的脈沖，通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，保證任何橋臂上的兩個開關(guān)管不會在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路?？撮T狗定時器用來防止程序跑飛，當(dāng)時間條件滿足時快速封鎖輸出。
3.2 程序軟件設(shè)計
對sa4828的控制是通過在初始化時寫入48位控制寄存器字來實現(xiàn)的。初始化寄存器在逆變電源工作前寫入，并且在運行過程中不能改變，控制寄存器用來在逆變電源運行過程中改變電壓頻率等，它的寫入必須在初始化寄存器之后進行。初始化寄存器所設(shè)置的參數(shù)有:
載波頻率設(shè)定、輸出調(diào)制頻率范圍、脈沖延遲時間、最小脈寬刪除、調(diào)制波形選擇、幅值控制、看門狗時間常數(shù)設(shè)定等;控制寄存器所設(shè)置的參數(shù)有:輸出調(diào)制頻率、輸出調(diào)制波幅值、輸出禁止、正反轉(zhuǎn)選擇、計數(shù)器復(fù)位控制、看門狗選擇、軟件復(fù)位控制等。主程序流程圖如圖2所示。
圖2 主程序流程圖
為減小數(shù)字濾波數(shù)據(jù)處理時間，提高系統(tǒng)實時性，數(shù)字濾波采用移動平均濾波法，每計算一次測量值，只需采樣一次，所以大大加快了數(shù)據(jù)處理速度。
4 逆變主電路結(jié)構(gòu)
逆變主電路采用開關(guān)線性復(fù)合結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換為直流電的再生能源供給逆變系統(tǒng)工作，前級為開關(guān)逆變級，后級為線性級，如圖3所示。從電網(wǎng)取樣來的參考電壓信號vref經(jīng)鎖相電路得到同步信號，再經(jīng)ad737轉(zhuǎn)換為有效值信號送51單片機處理;來自單片機的控制信號通過spwm專用產(chǎn)生和控制芯片產(chǎn)生spwm控制脈沖，驅(qū)動開關(guān)逆變級進行正弦波逆變;從wss端輸出的采樣信號經(jīng)后級信號處理，作為線性級的同步驅(qū)動信號，從而得到跟隨電網(wǎng)電壓、抗負載擾動能力強的正弦波電壓能量，通過變壓器升壓耦合驅(qū)動電力負載或回饋電網(wǎng)。雖然增加了一級線性級，該級功率管僅僅工作在臨界飽和狀態(tài)(通過控制前級逆變幅值和后級驅(qū)動信號的相位幅值實現(xiàn))，所以該級的效率可作到接近98%。同時還可以適當(dāng)降低開關(guān)級的開關(guān)頻率和開關(guān)損耗，使總效率并不降低或略有降低，但卻換來了很好的輸出特性、很強的負載適應(yīng)性和抗負載擾動能力，這對電壓型逆變系統(tǒng)來說是十分重要的。
圖3 主電路結(jié)構(gòu)圖
本文的實驗研究中，逆變器選用功率igbt，逆變輸出經(jīng)lc低通濾波后送功率緩沖器，再經(jīng)1:1.5的升壓變壓器輸出或回饋電網(wǎng)。
實驗波形如圖4所示。
圖4 功率逆變電網(wǎng)回饋系統(tǒng)電壓電流波形
圖4(a)為開關(guān)線性復(fù)合功率變換技術(shù)中線性級—功率緩沖器的輸入輸出電壓波形，測試點為線性級的輸入和輸出，即輸出變壓器的原邊側(cè)(外側(cè)為逆變后經(jīng)lc濾波送到功率緩沖器的電壓波形，里側(cè)為功率緩沖器的輸出電壓波形?？梢姡由瞎β示彌_器后一方面逆變電源的抗負載擾動能力大大增強的同時，也能將多余的紋波電壓降落在功率緩沖器上，使回饋電壓波形得到凈化。同時可看出，降落在線性級igbt管上的只是很小的紋波電壓，只相當(dāng)于管子的管飽和壓降，功耗并不大。通過計算和測試，該線性級的效率在90～95%之間。
圖4(b)為開關(guān)線性復(fù)合功率變換器在接電阻負載時電壓電流波形(外側(cè)為電壓，內(nèi)側(cè)為電流)。輸出交流電壓有效值為232v，電流為3a，通過一個1.5ω電阻取樣在示波器上顯示。波形圖顯示，功率變換器的輸出電壓電流正弦度較好。
圖4(c)為突加負載時的電壓電流波形(外側(cè)為電壓，內(nèi)側(cè)為電流)。示波器顯示的是升壓變壓器原邊的電壓電流。輸出交流電壓有效值223.5v，突加負載(電流為3a)后的電壓為220v，幅值降落約1.4%。可見，抗負載擾動能力較強。而不加線性輸出級時(相當(dāng)于通常的開關(guān)逆變電源)在突加同樣負載時，電壓幅值降落大約15～18%。實驗中，采用阻感負載和容性負載時，也得到了相同的結(jié)論?？梢姡撻_關(guān)線性復(fù)合電壓型功率變換器的負載適應(yīng)性和負載魯棒性較強。
圖4(d)為回饋電網(wǎng)時的電壓電流波形(外側(cè)為電壓，內(nèi)側(cè)為電流)。由于電網(wǎng)電壓中含有一定諧波，為非正弦波，因此，電流波形為非正弦波形。通過理論分析知，即便電壓型功率變換器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓波形完全相同，只要電壓中含有諧波，電壓型回饋時電流就為非正弦波。同時也可看出，回饋的電壓電流不完全同相位，這是因為功率變換器輸出的電壓和電網(wǎng)電壓存在有15μs左右的相位差。當(dāng)該相位差調(diào)整為5μs以下時，可以做到回饋的電壓電流基本同相位。
6 結(jié)束語
本系統(tǒng)采用低價位、性能優(yōu)的單片機及專用spwm控制芯片來實現(xiàn)同步跟隨電網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)電壓型逆變電源，其控制簡單方便，輸出電壓的負載適應(yīng)性強，抗負載擾動能力強，具有很好的輸出特性。同時由于相位和幅值可以方便的控制，因此可以方便地進行多臺逆變電源的并聯(lián)運行，同時亦可方便地實現(xiàn)并網(wǎng)回饋，為再生能源的開發(fā)利用提供了一種可行的方案選擇。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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