一种基于数字信号处理器的智能微网逆变器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于数字信号处理器的智能微网逆变器，包括DSP控制电路、同步信号及锁相环电路、以及功率驱动电路。同步信号及锁相环电路对电流进行采样，并将采样信号输入到DSP控制电路；DSP控制电路通过运算处理输出PWM补偿信号，并将补偿信号经过功率驱动电路反馈到电网中。其中，功率驱动电路采用智能功率模块，包括光耦隔离电路、PWM驱动电路及由功率器件构成的主电路，PWM驱动电路位于DSP控制电路与主电路之间。本实用新型可有效滤除电网中存在的各种谐波，解决了微网污染越来越严重的问题。
【专利说明】
一种基于数字信号处理器的智能微网逆变器
技术领域
[0001 ]本实用新型设计一种以控制运算系统为核心，基于TMS320F2812DSP的智能微网逆变器，属于电力系统自动化领域。
【背景技术】
[0002]目前，智能微网逆变器已经广泛地在生产生活中得到运用，不仅在容量方面得到较大的提高，补偿谐波的频率范围也得到了较大的扩展，并且正逐渐从单独治理向电网质量改善的方向发展。
[0003]虽然近些年国内在智能微网逆变器方面取得了较大的发展，但是和电力电子发达的国家作比较，依然存在着一定的技术差距。当前，国内也有多台智能微网逆变器设备投入工业运行。如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发的有源高次谐波治理装置于1992年在北京木材厂投入运行;华南理工大学研制了用于牵引变电站的谐波治理的混合型有源电力滤波器。这些装置能够减小滤波器有源部分容量，也取得了相当的成果，但仍需进一步改进和完善，其部分具体技术实现也尚在研究中。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种智能微网逆变器，能够对微网中各种频次的谐波进行滤除。
[0005]为实现上述目的，本实用新型的技术方案为:
[0006]一种基于数字信号处理器的智能微网逆变器，包括DSP控制电路、同步信号及锁相环电路、以及功率驱动电路，所述同步信号及锁相环电路对电流进行采样，并将采样信号输入到DSP控制电路;所述DSP控制电路通过运算处理输出PWM补偿信号，并将补偿信号经过功率驱动电路反馈到电网中；所述功率驱动电路采用智能功率模块，包括光耦隔离电路、PWM驱动电路及由功率器件构成的主电路，PWM驱动电路位于DSP控制电路与主电路之间。
[0007]进一步地，所述功率驱动电路内部还集成有保护电路。
[0008]所述DSP控制电路采用TMS320F2812芯片。
[0009]所述同步信号及锁相环电路包括锁相倍频电路和采样调理电路。
[0010]本实用新型的逆变器能够对电网中变化的谐波分量进行实时的滤除，减少了谐波对电网产生的影响，解决了微网污染越来越严重的问题。其灵活度高，实时性强，可靠度高，硬件实现容易。此外，本实用新型还设置了保护电路，确保了系统电路安全可靠的运行。
【附图说明】
[0011 ] 图1为本实用新型TMS320F2812功能框图
[0012]图2为实施例的HCPL-4504光耦内部结构图；
[0013]图3为实施例的桥臂电流检测电路；
[0014]图4为本实用新型并网注入有功功率波形图。
【具体实施方式】
[0015]为了更好的理解本实用新型的技术方案，结合附图，作进一步的详细描述。
[0016]1、控制系统电路
[0017]控制运算系统是整个装置的核心，一方面负责模拟量采集，解析出谐波分量，另一方面依据谐波分量，输出补偿信号，通过驱动电路及主电路反馈到电网中，对电网中的谐波进行整治。此外，控制系统还将负责异常的捕获，并控制保护电路做出相应的保护动作。
[0018]本实用新型采用数字信号处理器(DSP)作为整个控制系统的核心处理器件，多数采用哈弗结构，程序存储与数据存储分开，采用定点运算，硬件乘法器，支持饱和计算，舍入及移位等运算，内置多路ADC通道，内置事件管理器模块，支持周期占空比可调的PffM信号输出，侧重于对数字信号处理，控制能力相对较弱。
[0019]本实施例将采用的是TI公司的一款DSP芯片TMS320F2812作为整个谐波整治系统的运算控制核心，TMS320F2812是一款功能非常强大的32位定点型数字信号处理芯片。除了具有DSP共有的数字信号处理能力外，还具有强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)时钟频率为150MHz，低电压供电，CPU供电电压1.8V，I/O口和FLASH电压均为3.3Vo
[0021 ] (2)32位高性能CPU，包含32位算术逻辑单元(ALU)。
[0022](3)哈弗总线结构，八级流水线，4M程序和数据寻址能力。
[0023](4)存储器资源:128K Flash存储器，IK单次编程型只读存储器，18Κ但周期单次随机存储器。
[0024](5)目前可使用外部中断45个。
[0025](6)两个事件管理器，可产生12路PffM输出通道，并可编程产生死区。
[0026](7) 12位ADC 模块。
[0027](8)56个通用输入输出引脚(GP1)。
[0028](9)含有多种串行设备接口。
[0029]TMS320F2812内置ADC模块允许输入的最大电压值为3V，既能够按一定序列进行AD采样由能够多个AD同时进行采样两，ADC触发源包括:软件直接启动，事件管理启动及外部引脚启动。
[0030]TMS320F2812的Pmi模块通过软件来设置HVM信号死区时间，最大的死区时间可达16us，此外，PWM模块输出的PWM频率占空比都是可调的，可以通过软件来配置输出非对称、对称和空间向量PWM波形，此外，还配置有功率保护中断。
[0031]2、功率驱动部分电路
[0032]功率模块作为联系主电路与控制电路的核心器件，不仅承担着直流侧和交流侧的能量交换的功能，同时承担着输出谐波电流补偿负载的作用。随着电力电子水平的发展，出现了以下几种功率元器件:
[0033](I )IGBT，是一种全控型电压驱动式功率半导体器件。可以理解是GTR和MOSFET的复合体，GTR具有饱和时电压降低和载流密度大的优点，却存在着驱动电流大的缺点；然而MOSFET恰恰相反，具有驱动电流小与开关速度快的优点，却存在导通压降大及载流密度小的缺点。IGBT可谓是具有GTR优点的同时，具有了MOSFET优点，总的来说，IGBT具有以下几方面优点:通流能力强、开关速度快、输入阻抗高及热稳定好。IGBT—般是功率器件的首选。
[0034](2)IPM，智能功率模块，相比于IGBT，IPM内含有驱动电路与保护电路，且IPM内部的IGBT都已经设定了最佳的驱动条件。此外，值得说明的是，智能功率模块内部通过检测IGBT集电极电流实现了过电流保护、短路保护等多种保护。三是内含有报警输出，可以向微机反馈异常信息。四是模块中集成有驱动电路，和逆变桥一样。可谓是IGBT的智能升级版。
[0035]本实施例采用三菱公司生产的智能功率模块(IPM)，这块IPM芯片内部集成有主电路部分以及驱动电路部分，此外还集成有多种故障检测电路，并以电平信号的方式输出故障信号，此信号可以作为DSP的外部中断信号，以便于及时对故障进行处理。IPM具有非常高的可靠性，即使发生了负载事故，也可是IPM免于受到损坏。本系统选取的三菱PS22A78智能功率模块，特点如下:
[0036](I)驱动电路靠近IGBT芯片，延时小，开关速度快。
[0037](2)快速过流保护。当系统发生过载或者短路故障时能够及时关断IGBT。
[0038](3)桥臂对管互锁，可以有效地防止上下桥臂同时导通。
[0039](4)抗干扰能力强，功耗低。
[0040](5)—块IC集成了主电路，驱动电路及保护电路，大大缩小了电路体积。
[0041](6)驱动电源欠压保护。
[0042]目前，系统已经具有控制系统电路，主电路以及驱动电路这三个电路，三者之间的关系为控制电路输出PWM信号需要通过驱动电路才能实现对主电路进行控制。
[0043]但是控制电路仅仅能输出包含有补偿信息的信号，无法直接输出补偿信号注入到电网。因此，需要补偿电路，将控制部分电路来连接控制电路与电网。在这里补偿电路实质上指的是光耦隔离电路，将控制部分电路来连接控制电路与电网。在这里补偿电路实质上指的是光耦隔离电路、PWM驱动电路及主电路这三个电路构成的电路。主电路即功率器件构成的电路，在本实施例中即是由功率元件构成的逆变桥。驱动电路介于控制电路与主电路两者之间，主要起到对PWM信号进行放大隔离作用。此外，需要说明的是，由于控制电路与主电路之间的电信号等级相差较大，为了主电路中的强幅度模拟信号不对控制电路信号产生干扰，需要设计控制系统电路与驱动电路之间的隔离电路，在本实施例中将选取一款绝缘电压大于1000V的高速光耦来构成主电路与控制电路之间的隔离电路。
[0044]3、采样部分的电路
[0045]为了能够对电网中谐波进行整治，除了采用无源滤波器对电网信号进行滤波处理夕卜，就是产生特定谐波的反向谐波注入到电网中，直接将电网中包含的谐波抵消掉。本实施例将采用后者，即有源滤波器的方式。依据有源滤波器的原理，首先得解析出电网中谐波分量。这些都要源于对电网中的模拟样进行采样，也只有实时地采集电网中的电压电流信号，才能了解到当前电网中都包含了哪些谐波并产生抵偿谐波信号。因此本设计系统需要模拟量采样电路。
[0046]本实施例采用LCTA21CE电流互感器，把待检测电路的大的交流信号按一定比例转换成较小的交流信号，在进行信号调理之前，需要先经过电阻，电流流过电阻产生压降，从而实现了电流信号向电压信号的转换，最后再经过一个低通滤波器电路接入到DSP的ADC模块引脚上。进行电网模拟量采样。
[0047]由于电网中的频率是在很小的范围内波动的，并不是固定不变，这样，如果以59Hz为基准进行采样的话，必然会导致采样误差，特别是在采样点比较多的情况下，采样到的数据与实际偏差更大，严重地还会产生另一个谐波。因此，需要设计一个电路来保证采样基准频率与实际频率一致，即锁相环电路。锁相环电路，对电力系统中实际频率进行追踪，以产生与实际频率同步的采样出发信号。使采样值和实际值一样。
[0048]在本实施例硬件电路里包含有倍频锁相电路，用于对电网实际频率进行追踪，同时对实际频率倍频，借用硬件触发的方式来启动DSP进行AD采样，增加采样点数。因此，倍频锁相电路与采样调理电路共同构成采样部分的电路。
[0049]4、保护电路
[0050]本实用新型的输入输出端都是直接挂接电网的，并且电路中包含有大功率器件，必须得配置有一个完善的保护电路，一方面是保护系统电路本身，另一方面是防止系统电路对电网噪声影响及电网的异常对系统电路的影响。驱动电路PS22A78内部集成有保护电路，主要包含有控制电压欠电压保护、过热保护及过电流保护三种保护。无论是IPM模块中哪种保护电路发生动作，IPM都会封锁驱动电路并输出一个故障信号(FO)。
[0051 ] 本实用新型的智能微网逆变器能将输入电压范围为750V-800V的直流电逆变成220V交流，并入电网，对电网的电流电压信号进行采样AD后传输给指令运算模块；以解析出的谐波信号作为控制算法的输入，通过智能控制算法输出谐波补偿信号，最终将补偿信号通过驱动电路反馈到微网中，对谐波进行补偿。
【主权项】
1.一种基于数字信号处理器的智能微网逆变器，其特征在于，包括DSP控制电路、同步信号及锁相环电路、以及功率驱动电路，所述同步信号及锁相环电路对电流进行采样，并将采样信号输入到DSP控制电路;所述DSP控制电路通过运算处理输出PffM补偿信号，并将补偿信号经过功率驱动电路反馈到电网中；所述功率驱动电路采用智能功率模块，包括光耦隔离电路、PffM驱动电路及由功率器件构成的主电路，PffM驱动电路位于DSP控制电路与主电路之间。2.根据权利要求1所述的一种基于数字信号处理器的智能微网逆变器，其特征在于，所述功率驱动电路内部还集成有保护电路。3.根据权利要求1所述的一种基于数字信号处理器的智能微网逆变器，其特征在于，所述DSP控制电路采用TMS320F2812芯片。4.根据权利要求1所述的一种基于数字信号处理器的智能微网逆变器，其特征在于，所述同步信号及锁相环电路包括锁相倍频电路和采样调理电路。
【文档编号】H02J3/01GK205544275SQ201620061648
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月21日
【发明人】李智, 陈金威, 周晨, 范育奇, 张金龙
【申请人】南京师范大学