摘要：風電是一種清潔、經濟、充足、安全的能源，它的提出不僅解決了我國能源和環(huán)境的問題，同時也符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要?；?strong>DSP的風力發(fā)電逆變電源是專門為用于風力發(fā)電設計的，它針對風力的不穩(wěn)定性以及風力發(fā)電環(huán)境的特殊性，加入了各種保護電路以及反饋電路，最后經過逆變電路和整流濾波電路輸出用于民用的穩(wěn)定電壓。介紹了主控芯片TMS320LF2407的特點，給出了系統(tǒng)設計的軟硬件結構，并通過試驗驗證了系統(tǒng)的可行性。
關鍵詞：DSP風力發(fā)電；逆變電源；TMS320LF2407

    近年來，隨著經濟和社會的迅速發(fā)展，我國的能源供需缺口不斷擴大，能源供應緊張。不僅如此，我國面臨能源和環(huán)境的雙重巨大壓力，保持清潔、經濟、充足、安全的能源供應是我國經濟發(fā)展長期需要面對的重要問題。取之不盡的清潔能源是根本解決我國能源問題的主要途徑之一。目前風能、太陽能、生物能的部分技術已逐漸成熟，有望成為解決我國能源缺口和環(huán)境污染的重要途徑。
    鑒予這種情況，對用于風力發(fā)電的逆變電源的研究有很大的現(xiàn)實意義。逆變電源也是一種產生交流電的裝置，具有以下優(yōu)點；變頻，逆變電源能將市電轉換為用戶所需頻率的交流電；變相，逆變電源能將單相交流電轉換成三相交流電，也能將三相交流電轉換成單相交流電；逆變電源能將直流電轉換成交流電；逆變電源能將低質量的市電轉換成高質量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。也正由于這些特點逆變電源將取代旋轉型變流機組。

1 系統(tǒng)硬件
    用于風力發(fā)電的逆變電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由主電路和控制電路兩部分組成。其中，控制電路以DSP為核心，驅動電路、保護屯路、通信顯示電路以及采樣反饋等電路均為控制電路的外圍電路。

2 電路的設計
    風力發(fā)電逆變電源的主電路圖如圖2所示，主要包括整流濾波部分、逆變吸收部分、變壓器及濾波電路等，其中逆變吸收部分是整個主電路的核心。本文采用的逆變器為單相全橋逆變電路，當輸出交流側接阻感負載時需要提供無功功率，因此在每個IGBT的集電極與發(fā)射極間并聯(lián)了快恢復二極管，以便為無功功率提供通道，為了防止逆變器因死區(qū)時間不合適造成上下橋臂直通短路、輸出負載端短路或者變壓器嚴重偏磁飽和時導致的初級組過流等現(xiàn)象，需在逆變橋前串一個熔斷器，以起保護作用。整流濾波部分主要給逆變橋提供無波紋的直流輸入電壓。吸收電路主要用于吸收因直流母線分布電感的存在，導致的開關管關斷時產生的尖峰電壓。變壓器主要用于電氣隔離或變壓。[!--empirenews.page--]

    主電路的工作原理如下：
    (1)假設Q1，Q4先導通，則吸收電路中C3，C6上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud，方向為上正下負；由于Q1，Q4導通時管壓降近似為零，故二極管D5，D8上的電壓也為逆變器的輸入端電壓Ud，但方向為上負下正。Q2，Q3上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud，方向為上正下負，二極管D6，D7上的電壓為零。
    (2)當Q1，Q4關斷時，由于直流母線分布電感的存在，使得IGBT在關斷過程中產生很大的尖峰電壓；當Q1，Q4上的電壓超過Ud時，尖峰電壓會分別通過C3，R3和C6，R2放電，尖峰電壓全部耗在電阻上，待吸收電路放電結束后，Q1，Q4完全關斷。此時，Q2，Q3還沒開通，Q1～Q4上的電壓為Ud／2。此時C3，C4，C5，C6上的電壓為Ud，方向為上正下負，二極管D5～D8上的電壓為Ud／2，方向為上負下正。
    (3)當Q1，Q4關斷后，若仍未開通Q2，Q3，則電流會經Q2和Q3的集電極與發(fā)射極并聯(lián)的二極管續(xù)流，Q1，Q4上的電壓為Ud；Q2，Q3上的電壓為零。C3～C6上的電壓為Ud，方向為上正下負；二極管D5，D6上的電壓為零；二極管D6，D7上的電壓為Ud，方向為上負下正。
    (4)二極管續(xù)流直到電流減小為零時，可開通Q2，Q3，吸收電路中各處電壓不變。

3 控制電路的設計
3．1 主控芯片選擇
    該設計采用DSP對逆變電源PWM波部分、死區(qū)部分、電壓有效值外環(huán)及電容電流瞬時值最內環(huán)實現(xiàn)全數(shù)字化。電壓瞬時值內環(huán)及電容電流瞬時值最內環(huán)要求對逆變電源實現(xiàn)實時控制。并且本文所用的開關頻率較高，所以對DSP的主頻要求也較高，并且要求DSP具有方便快捷的事件管理模塊，于是本文選用TI公司的TMS320LF2407A DSP處理器作為主控芯片。TMS320LF2407A有以下特點；改進的哈佛結構；靈活的指令系統(tǒng)；高速運算能力；大容量存儲能力；有效的性價比。主要的應用領域包括：工業(yè)電機驅動、逆變電源、功率轉換器和控制器、汽車系統(tǒng)、儀表和壓縮機電機控制、機器人和計算機數(shù)字控制機械。
    TMS320LF2407A具有2個事件管理器，32位中央算數(shù)邏輯單元，32位累加器，16位×16位乘法器，3個比例移位器，間接尋址用的8個16 b輔助寄存器和輔助算數(shù)單元，4級流水線操作，8級硬件操作，6個可屏蔽中斷，544 word的片內DARAM和2 KB的片內SARAM，32 KB的片內FLASH程序存儲器，64 KB程序存儲空間，35．5 KB的數(shù)據存儲空間；I／O空間64 KB。此外，還有功能強大的外設、串行通信接口SCI、串行外圍皆空SPI、CAN總線控制器、事件管理器EV和A／D轉換器、看門狗WDT。
3．2 驅動電路
    對于IGBT來說，只要驅動電路在柵極和發(fā)射極間提供正偏電壓，IGBT就會導通。當+VGE增加時，開通時間和通態(tài)壓降減小，這有利于減小通態(tài)損耗和開通損耗，但并不意味著+VGE越大越好。
    當負載短路時，短路電流將隨著+VGE的增大而增大，并使IGBT承受短路電流的時間變短，因此+VGE的取值要適當，通常推薦使用+15 V。為了保證IGBT承受短路電流的時間變短，也為了保證IGBT在C，E間出現(xiàn)dv／dt噪聲時能可靠關斷，必須在柵極與發(fā)射極關斷時施加一個負偏壓-VGE。采用負偏壓還可以減小關斷損耗。負偏壓-VGE一般取-5 V左右為宜。另外，為了使IGBT工作在理想狀態(tài)下，選擇合適的驅動電路尤為重要。[!--empirenews.page--]
    本文選用了美國IR公司生產的高壓、高速PMOSFET和IGBT的驅動器IR2110，如圖3所示。

3．3 保護電路的設計
    保護電路是傈證電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全工作的關鍵。根據實際需要，設計了許多保護電路，使得本逆變電源能更好地完成任務，并提高電源的安全性和可靠性。系統(tǒng)設計了過流保護、欠壓保護、溫度保護，以及輸出過壓保護反饋，一旦出現(xiàn)上述任意異常狀況，首先通
過硬件保護電路迅速封鎖DSP的PWM輸出信號，同時，引起DSP功率驅動保護中斷輸入引腳上的電平跳變，程序執(zhí)行相應中斷，并進一步在軟件中斷程序中封鎖所有的驅動信號。系統(tǒng)中設定過載／過流保護和短路保護為不可自恢復的保護，即一旦發(fā)生過載、過流或者短路現(xiàn)象，系統(tǒng)將自動關閉，無輸出，直到人為的重新啟動開關為止。系統(tǒng)中設定的過熱保護、欠壓保護、過壓保護為可自恢復的保護，即一旦發(fā)生故障，只要恢復正常的工作條件系統(tǒng)就可以自動正常運行。

4 軟件設計
    通過對DSP編程來控制整個系統(tǒng)工作。通過系統(tǒng)初始化子程序對各個參數(shù)、寄存器等進行設定。對主電路的控制，逆變輸出50 Hz交流電。編程采用順序結構，使調用子程序方便。在整個工作過程中，能隨時對電流、電壓進行測量比較，一旦出現(xiàn)欠壓、過流等故障，將及時報警，并通過子程序顯示在LED屏上。主程序及中斷子程序如圖4、圖5所示。

5 結語
    考慮到該逆變電源的工作要求，本文在設計的過程中加入了卸荷接口及蓄能部分，使其能很好地應對隨時變化的風力。經過多次試驗測試表明，該電源能具有較高的穩(wěn)定度，通過選擇不同的功率，既可以用于輸出大功率的發(fā)電站，也可以用于普通用戶。