1 引言
隨著人類社會的進步和生產技術的飛速發展，能源已成為制約人類生存環境的世界性問題。為了能應對未來社會對能源的巨大需求，一方面要求各行業改進工藝技術，最大限度地節能降耗，同時減少環境污染;另一方面，需要開發研究各類再生能源的利用途徑和技術，最大限度的發揮能源效益。隨著太陽能、風能的大批量開發利用，其獨立發電系統已越來越多地進入了人類的生活，逐漸發揮著越來越大的作用，其并網運行技術的研究也已廣泛展開，再生能源的高效優質并網饋電技術也因此越來越受到重視。同時，在機械動力設備的生產過程中，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、動機工程機械的調試等，這些能源也是可以得到再生利用的。通過適當的變換，這些能源均可轉換為電能，一方面可以供應本單位或局部電力用戶使用，同時在供應富裕時也可以并網回饋。實現這一變換，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。
開關線性復合式電壓型功率變換器，采用開關—線性復合功率變換技術，具有良好的動、靜態輸出特性。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，當給定為正弦波時，逆變輸出也為無諧波的正弦波;
(2) 對系統的負載適應性強，可適應于各類負載;
(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) 由于控制系統采用了單片機及專用波形產生芯片sa4828，使得系統控制方便，可靠性較高，可以方便地構成閉環控制和實現多臺電壓型功率逆變器的并聯運行;
(5) 由該電壓型功率逆變器構成的再生能源系統在向負載供電的同時，可以將富裕的電能回送電網，其回送過程基本不受負載性質、電網電壓波動的影響。
2 主體方案的設計
2.1 系統構成與工作原理
單片機控制的開關線性復合式電壓型功率逆變器系統原理框圖如圖1所示。
圖1 功率逆變器系統原理框圖
在圖1中，再生能源(可以是太陽能發電場、風能發電場或動力機械生產企業在產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。
逆變主電路采用六個功率igbt作為開關器件，在控制系統控制下，逆變出基波和參考電壓(可為電網取樣電壓，亦可為信號源產生的參考信號電壓)同頻同步的正弦電壓波形，通過lc濾波輸出到開關線性復合的線性輸出級。
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雜程度，可靠程度。采用數字控制至少有以下三種方案:
(1) 用軟件產生spwm控制波形;
(2) 用帶有專門產生pwm控制波形的微控制器;
(3) 微控制器加上專用spwm波形產生芯片。
在第一種方案，軟件編程量大，cpu要花大量的時間用以產生spwm控制波形，考慮到中斷等因素，波形產生精度不高;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線性復合后級驅動;第三種方案中，軟件編程最簡單，cpu對波形產生的處理時間最小，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波形產生芯片sa4828。目前51系列單片機應用較廣，性能較高，一般都能滿足小系統的需要。
a4828是一種性能較優的spwm波形產生芯片，它在本系統中不僅作為spwm波形發生器，還作為開關線性復合電路后級線性級驅動信號發生器。因為它有一個引腳wss，在輸出spwm調制信號的同時能輸出調制波信號的采樣值，用這個信號濾波后正好可以作為開關線性復合電路的驅動信號。
系統采用霍爾電壓傳感器同步檢測電網電壓，經濾波和鎖相電路產生同步信號，經真有效值變換芯片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信號發生和控制的集成芯片。它可以單獨使用，也可與大多數型號的單片機接口。該芯片的主要特點為:全數字控制;兼容inbbb系列和motorola系列單片機;輸出調制波頻率范圍0～4khz;16位調速分辨率;載波頻率最高可達24khz，內部rom固化三種可選波形;可選最小脈寬和延遲時間(死區);可單獨調整各相輸出以適應不平衡負載;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，根據初始化設定狀態自動產生正弦波spwm控制脈沖，不需其他微處理器干預。通過脈沖刪除電路，刪去只增加開關管損耗的極窄的脈沖，通過脈沖延遲電路生成死區，保證任何橋臂上的兩個開關管不會在狀態轉換期間短路。看門狗定時器用來防止程序跑飛，當時間條件滿足時快速封鎖輸出。
3.2 程序軟件設計
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。初始化寄存器所設置的參數有:
載波頻率設定、輸出調制頻率范圍、脈沖延遲時間、最小脈寬刪除、調制波形選擇、幅值控制、看門狗時間常數設定等;控制寄存器所設置的參數有:輸出調制頻率、輸出調制波幅值、輸出禁止、正反轉選擇、計數器復位控制、看門狗選擇、軟件復位控制等。主程序流程圖如圖2所示。
圖2 主程序流程圖
為減小數字濾波數據處理時間，提高系統實時性，數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，所以大大加快了數據處理速度。
4 逆變主電路結構
逆變主電路采用開關線性復合結構，轉換為直流電的再生能源供給逆變系統工作，前級為開關逆變級，后級為線性級，如圖3所示。從電網取樣來的參考電壓信號vref經鎖相電路得到同步信號，再經ad737轉換為有效值信號送51單片機處理;來自單片機的控制信號通過spwm專用產生和控制芯片產生spwm控制脈沖，驅動開關逆變級進行正弦波逆變;從wss端輸出的采樣信號經后級信號處理，作為線性級的同步驅動信號，從而得到跟隨電網電壓、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動電力負載或回饋電網。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(通過控制前級逆變幅值和后級驅動信號的相位幅值實現)，所以該級的效率可作到接近98%。同時還可以適當降低開關級的開關頻率和開關損耗，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、很強的負載適應性和抗負載擾動能力，這對電壓型逆變系統來說是十分重要的。
圖3 主電路結構圖
本文的實驗研究中，逆變器選用功率igbt，逆變輸出經lc低通濾波后送功率緩沖器，再經1:1.5的升壓變壓器輸出或回饋電網。
實驗波形如圖4所示。
圖4 功率逆變電網回饋系統電壓電流波形
圖4(a)為開關線性復合功率變換技術中線性級—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(外側為逆變后經lc濾波送到功率緩沖器的電壓波形，里側為功率緩沖器的輸出電壓波形。可見，加上功率緩沖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)為開關線性復合功率變換器在接電阻負載時電壓電流波形(外側為電壓，內側為電流)。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(外側為電壓，內側為電流)。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(相當于通常的開關逆變電源)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，也得到了相同的結論。可見，該開關線性復合電壓型功率變換器的負載適應性和負載魯棒性較強。
圖4(d)為回饋電網時的電壓電流波形(外側為電壓，內側為電流)。由于電網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電壓存在有15μs左右的相位差。當該相位差調整為5μs以下時，可以做到回饋的電壓電流基本同相位。
6 結束語
本系統采用低價位、性能優的單片機及專用spwm控制芯片來實現同步跟隨電網的優質電壓型逆變電源，其控制簡單方便，輸出電壓的負載適應性強，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運行，同時亦可方便地實現并網回饋，為再生能源的開發利用提供了一種可行的方案選擇。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
