基于DSP的储能变流器开发

张飞+++万乐斐++++刘亚

摘要：微电网储能系统里的能量转换系统是一个极其重要的组成部分，有充电与电能回网的作用，储能变流器控制系统的性能关系到微电网中储能系统的“稳、准、快”三要素。微网运行时，逆变器并网电压的相位、幅值、频率能否符合并网要求，是否可以实现无缝切换是储能变流器要求状态转换时的必要条件。本文给出了储能变流器的结构，并基于一特定实例，对储能变流器进行了设计，设计了基于DSP TMS320F28335的算法流程图，并且进行了仿真验证。

关键词：储能；变流器；软件算法；仿真模型；

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

0 引言

双向储能逆变器能根据电网供应自动智能选择工作在储能状态还是逆变状态，根据电力系统供应情况，电力充足时，逆变器工作在储能状态，为蓄电池，飞轮储能，超级电容等设备充电。用户用电量过负荷或者电网由于紧急因素突然断开时，储能变流器工作在逆变模式，将存储的电能逆变为交流电。储能变流器其控制策略、硬件性能、软件算法与微电网的安全、稳定、高效和经济运行密切相关。本文在传统变流器的拓扑结构的基础上，对储能逆变器进行改进设计，总结了理论框架、软件算法设计流程，并基于MATLAB仿真平台搭建储能变流器系统仿真模型，为了提高编码效率，利用了将MATLAB/RTW工具与SIMULINK相结合启动CCS生成代码的方法。系统包括控制系统和主电路。总体设计如图1.1所示。

1.1 三相储能逆变器总体设计图

1储能变流器的硬件设计

主电路包括直流源、稳压电容（电解电容）、三相半桥电路、LCL滤波器、并网开关、变压器六部分组成。逆变桥采用IGBT FF75R12RT3半桥模块，为了防止高频开关管寄生参數等引起的高次谐波，并减小开通时刻对开关管电压冲击，在IGBT半桥模块两端并联3只高频电容，型号941C12P47K-F。

控制系统基于DSP TMS320F28335芯片，完成采样、功率管驱动、故障保护、主电路接触器开关等工作。

1.1温度采样电路设计

为保证变流系统和开关管的安全，设计如下的温度检测保护电路。电阻分压平衡电路和差分放大电路组成了温度检测电路。温度的保护点选择为120℃。温度检测由负温度系数的热敏电阻R57421V2103H062来实现，在25℃条件下，该热敏电阻的阻值是10K，温度升至120℃时，阻值是270Ω。在室温的条件下差分放大电路的输出为零，温度随着系统的不断运行温度可能会升高，当温度升高到120℃时，进行温度保护。此时的输出电压 与热敏电阻 的关系为 （式1.1）

代入公式（1.1）得 为1.72V。当温度检测转化后的电压达到1.72V时，DSP进行相应的温度保护程序。

1.2 保护电路设计

储能变流器工作出现异常，或者采样信号超出设定的范围时，需要采取保护措施，保护DSP及整个系统的安全。充电时要防止过充，放电要防止过放。蓄电池上限保护电压取500V，被图中电阻R58、R59、R60分压为2.5V，基准电压5V被R61、R62分压成2.5V，电池过充导致电压比500V高时，比较器U15A输出高电平信号，DSP转入相应的保护程序。蓄电池下限保护电压取360V，被电阻R58、R59、R60分压成1.8V，基准电压是5V电压被R64、R65分压成1.8V，一旦电池的电压低于360V，比较器U156输出高电平信号，DSP转入相应的保护程序。设计的蓄电池保护原理图见图1.3。

2 储能变流器的控制策略与软件设计

逆变器算法程序包括：1.SPLL软件锁相环 ；2.SVPWM算法编程与实现；3.PQ 、VF控制算法编程与实现；4.PID/PI调节算法与参数调制； 5.14路ADC采集算法（包括中断程序，选择程序启动源）；6.保护程序：过欠压（直流）保护、过欠频（电网频率）保护、过流保护、过温保护。

2.1 A/D采集程序设计

三相逆变器输出的三相电流和电压信号，电网的三相电压信号，IGBT的温度信号，以及蓄电池的直流电压和直流电流信号。AD程序流程图见图2.1。

2.2 SVPWM程序设计

SVPWM是基于电机旋转磁场的一种控制方法。其输出要比SPWM谐波含量少，器件损耗少，而且编程简单。编程流程如图2.2所示

2.3 数字锁相环的设计

为了输出与电网相位相同，幅值稳定，频率相符的波形，算法程序中应该包含锁相环。锁相环包括模拟与数字两种。模拟锁相环是基于硬件方式来完成锁相功能，设计中包含复杂的硬件电路，并且伴随直流零点漂移、必须初始校准、器件饱和等等棘手的问题。而数字锁相环有很多优点： 精度高、速度快、控制方法灵活易实现。图4.3为锁相环算法流程图。

2.4 总程序流程图

总程序的工作是完成系统初始化、寄存器的配置、看门狗设置、AD转换设置等任务。初始化之后定时器和比较单元被启动，等待中断发生。一旦中断发生，中断标志位被置位，转入相应中断子程序。最后分块调用上述的子程序，完成缜密的逻辑控制，并且进行算法合理优化与简化。

3.基于模型的设计

基于模型的设计利用stateflow工具克服了传统开发方式中控制算法设计与硬件实现独立进行的缺点，加快了系统开发效率，可以与上述编程方法相结合取长补短提高开发效率。根据系统控制要求，搭建simulink仿真模型，测试并达到系统所需性能后，嵌入目标系统模块，启动CCS文件生成DSP可读的CCS机器码（.out）。最后进行接口修改与程序校准工作。

4.控制策略与仿真验证

在已知的控制方式里双环控制是储能变流器的主流控制方式逆变型微电源系统通常有三种控制方式分别是并网状态下的P/Q控制，孤岛状态下的V/F控制和Droop下垂控制。

本文设计的额定功率10kW的三相储能变流器额定输入电压：480VDC，输入电流20.83A；设计电压范围：400-500VDC； 输出的线电压有效值：220VAC；变流器效率：>90%；交流并网电流THD：<4%。功率因数： ±0.98。工作制：连续 。输出波形如图所示。

4.结语

本文介绍了三项储能逆变器典型的研制方法，并阐述了软硬件系统设计，算法优化，并且应用了比较新颖的基于模型的方法进行编程与调试。给出了硬件设计与软件系统详细的分析与设计过程，包括主程序与子程序设计流程图。最后，仿真实验结果证明了设计方法的有效性和准确性，可以满足分布式能源及微电网对储能系统的需求，具有较好的推广价值。

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