張飛+++萬樂斐++++劉亞

摘要：微電網儲能系統(tǒng)里的能量轉換系統(tǒng)是一個極其重要的組成部分，有充電與電能回網的作用，儲能變流器控制系統(tǒng)的性能關系到微電網中儲能系統(tǒng)的“穩(wěn)、準、快”三要素。微網運行時，逆變器并網電壓的相位、幅值、頻率能否符合并網要求，是否可以實現無縫切換是儲能變流器要求狀態(tài)轉換時的必要條件。本文給出了儲能變流器的結構，并基于一特定實例，對儲能變流器進行了設計，設計了基于DSP TMS320F28335的算法流程圖，并且進行了仿真驗證。

關鍵詞：儲能；變流器；軟件算法；仿真模型；

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

0 引言

雙向儲能逆變器能根據電網供應自動智能選擇工作在儲能狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，根據電力系統(tǒng)供應情況，電力充足時，逆變器工作在儲能狀態(tài)，為蓄電池，飛輪儲能，超級電容等設備充電。用戶用電量過負荷或者電網由于緊急因素突然斷開時，儲能變流器工作在逆變模式，將存儲的電能逆變?yōu)榻涣麟姟δ茏兞髌髌淇刂撇呗?、硬件性能、軟件算法與微電網的安全、穩(wěn)定、高效和經濟運行密切相關。本文在傳統(tǒng)變流器的拓撲結構的基礎上，對儲能逆變器進行改進設計，總結了理論框架、軟件算法設計流程，并基于MATLAB仿真平臺搭建儲能變流器系統(tǒng)仿真模型，為了提高編碼效率，利用了將MATLAB/RTW工具與SIMULINK相結合啟動CCS生成代碼的方法。系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和主電路?？傮w設計如圖1.1所示。

1.1 三相儲能逆變器總體設計圖

1儲能變流器的硬件設計

主電路包括直流源、穩(wěn)壓電容（電解電容）、三相半橋電路、LCL濾波器、并網開關、變壓器六部分組成。逆變橋采用IGBT FF75R12RT3半橋模塊，為了防止高頻開關管寄生參數等引起的高次諧波，并減小開通時刻對開關管電壓沖擊，在IGBT半橋模塊兩端并聯(lián)3只高頻電容，型號941C12P47K-F。

控制系統(tǒng)基于DSP TMS320F28335芯片，完成采樣、功率管驅動、故障保護、主電路接觸器開關等工作。

1.1溫度采樣電路設計

為保證變流系統(tǒng)和開關管的安全，設計如下的溫度檢測保護電路。電阻分壓平衡電路和差分放大電路組成了溫度檢測電路。溫度的保護點選擇為120℃。溫度檢測由負溫度系數的熱敏電阻R57421V2103H062來實現，在25℃條件下，該熱敏電阻的阻值是10K，溫度升至120℃時，阻值是270Ω。在室溫的條件下差分放大電路的輸出為零，溫度隨著系統(tǒng)的不斷運行溫度可能會升高，當溫度升高到120℃時，進行溫度保護。此時的輸出電壓 與熱敏電阻 的關系為 （式1.1）

代入公式（1.1）得 為1.72V。當溫度檢測轉化后的電壓達到1.72V時，DSP進行相應的溫度保護程序。

1.2 保護電路設計

儲能變流器工作出現異常，或者采樣信號超出設定的范圍時，需要采取保護措施，保護DSP及整個系統(tǒng)的安全。充電時要防止過充，放電要防止過放。蓄電池上限保護電壓取500V，被圖中電阻R58、R59、R60分壓為2.5V，基準電壓5V被R61、R62分壓成2.5V，電池過充導致電壓比500V高時，比較器U15A輸出高電平信號，DSP轉入相應的保護程序。蓄電池下限保護電壓取360V，被電阻R58、R59、R60分壓成1.8V，基準電壓是5V電壓被R64、R65分壓成1.8V，一旦電池的電壓低于360V，比較器U156輸出高電平信號，DSP轉入相應的保護程序。設計的蓄電池保護原理圖見圖1.3。

2 儲能變流器的控制策略與軟件設計

逆變器算法程序包括：1.SPLL軟件鎖相環(huán) ；2.SVPWM算法編程與實現；3.PQ 、VF控制算法編程與實現；4.PID/PI調節(jié)算法與參數調制； 5.14路ADC采集算法（包括中斷程序，選擇程序啟動源）；6.保護程序：過欠壓（直流）保護、過欠頻（電網頻率）保護、過流保護、過溫保護。

2.1 A/D采集程序設計

三相逆變器輸出的三相電流和電壓信號，電網的三相電壓信號，IGBT的溫度信號，以及蓄電池的直流電壓和直流電流信號。AD程序流程圖見圖2.1。

2.2 SVPWM程序設計

SVPWM是基于電機旋轉磁場的一種控制方法。其輸出要比SPWM諧波含量少，器件損耗少，而且編程簡單。編程流程如圖2.2所示

2.3 數字鎖相環(huán)的設計

為了輸出與電網相位相同，幅值穩(wěn)定，頻率相符的波形，算法程序中應該包含鎖相環(huán)。鎖相環(huán)包括模擬與數字兩種。模擬鎖相環(huán)是基于硬件方式來完成鎖相功能，設計中包含復雜的硬件電路，并且伴隨直流零點漂移、必須初始校準、器件飽和等等棘手的問題。而數字鎖相環(huán)有很多優(yōu)點： 精度高、速度快、控制方法靈活易實現。圖4.3為鎖相環(huán)算法流程圖。

2.4 總程序流程圖

總程序的工作是完成系統(tǒng)初始化、寄存器的配置、看門狗設置、AD轉換設置等任務。初始化之后定時器和比較單元被啟動，等待中斷發(fā)生。一旦中斷發(fā)生，中斷標志位被置位，轉入相應中斷子程序。最后分塊調用上述的子程序，完成縝密的邏輯控制，并且進行算法合理優(yōu)化與簡化。

3.基于模型的設計

基于模型的設計利用stateflow工具克服了傳統(tǒng)開發(fā)方式中控制算法設計與硬件實現獨立進行的缺點，加快了系統(tǒng)開發(fā)效率，可以與上述編程方法相結合取長補短提高開發(fā)效率。根據系統(tǒng)控制要求，搭建simulink仿真模型，測試并達到系統(tǒng)所需性能后，嵌入目標系統(tǒng)模塊，啟動CCS文件生成DSP可讀的CCS機器碼（.out）。最后進行接口修改與程序校準工作。

4.控制策略與仿真驗證

在已知的控制方式里雙環(huán)控制是儲能變流器的主流控制方式逆變型微電源系統(tǒng)通常有三種控制方式分別是并網狀態(tài)下的P/Q控制，孤島狀態(tài)下的V/F控制和Droop下垂控制。

本文設計的額定功率10kW的三相儲能變流器額定輸入電壓：480VDC，輸入電流20.83A；設計電壓范圍：400-500VDC； 輸出的線電壓有效值：220VAC；變流器效率：>90%；交流并網電流THD：<4%。功率因數： ±0.98。工作制：連續(xù) 。輸出波形如圖所示。

4.結語

本文介紹了三項儲能逆變器典型的研制方法，并闡述了軟硬件系統(tǒng)設計，算法優(yōu)化，并且應用了比較新穎的基于模型的方法進行編程與調試。給出了硬件設計與軟件系統(tǒng)詳細的分析與設計過程，包括主程序與子程序設計流程圖。最后，仿真實驗結果證明了設計方法的有效性和準確性，可以滿足分布式能源及微電網對儲能系統(tǒng)的需求，具有較好的推廣價值。

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