電流控制兩態(tài)調(diào)制逆變器研究

1、題目：電流控制兩態(tài)調(diào)制逆變器的研究題目：電流控制兩態(tài)調(diào)制逆變器的研究設(shè)計(jì)姓名：設(shè)計(jì)姓名： 徐海鷹徐海鷹專業(yè)：電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)：電氣工程及自動(dòng)化 光伏并網(wǎng)發(fā)電能有效的利用清潔的太陽(yáng)能資源，并將其高效饋網(wǎng)。到2007年年底，全國(guó)光伏系統(tǒng)的累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到100MW，并已初步建立起從原材料生產(chǎn)到光伏系統(tǒng)建設(shè)等多個(gè)環(huán)節(jié)組成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，呈現(xiàn)出一片繁榮景象。本設(shè)計(jì)針對(duì)光伏并網(wǎng)過(guò)程中的直流升壓、SPWM波形產(chǎn)生、同步鎖相、逆變并網(wǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程、研究了基于電網(wǎng)特點(diǎn)的FIR數(shù)字濾波、交流采樣和穩(wěn)定直流母線電壓的數(shù)字PID控制器等技術(shù)提出了相應(yīng)的控制策略并進(jìn)行Simulink動(dòng)態(tài)仿真，研究工作對(duì)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)

2、實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)理論上具有一定指導(dǎo)作用。同時(shí)采用基于模型嵌入式的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)使用Matlab提供的Embedded Target for TI C2000 以及DSPTexas Instruments Express 工具建立Simulink模型。進(jìn)一步利用CCSLink調(diào)用第三方編譯軟件CCS，通過(guò)實(shí)時(shí)工作站（real-time workshop）和TI開(kāi)發(fā)工具將Simulink模型轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)C代碼，Embedded Target for TI C2000 DSP提供了Matlab和Simulink與Texas Instruments Express 工具、TI C2000 DSP集成在一起進(jìn)行

3、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的手段。通過(guò)實(shí)時(shí)工作站（real-time workshop）和TI的開(kāi)發(fā)工具將Simulink模型轉(zhuǎn)換變成為實(shí)時(shí)C代碼。課題的任務(wù)、目的與意義課題的任務(wù)、目的與意義 這種基于模型的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠自動(dòng)產(chǎn)生高效的程序代碼。相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：不需要設(shè)計(jì)者熟練掌握DSP內(nèi)部復(fù)雜的寄存器的位設(shè)置，免除手寫程序代碼及驗(yàn)證的繁瑣；有助于工程師進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，并解決設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，可顯著地簡(jiǎn)化并縮短基于C2000處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，使工程師可以更專注于優(yōu)化控制算法的開(kāi)發(fā)。本文最終給出了低壓的模擬樣機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。能方便的對(duì)所研究和制定的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明采用代碼

4、自動(dòng)生成技術(shù)極大地加快了單相橋式逆變器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。運(yùn)行測(cè)試證實(shí)：自動(dòng)生成代碼的可靠性和效率完全可以得到保證。這充分地展現(xiàn)了一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在電力電子裝置中應(yīng)用的光明前景。 第一章 緒論 1.前言1.11.1逆變并網(wǎng)器分類與發(fā)展隨著微電子與信息技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用速度快速發(fā)展。對(duì)電源品質(zhì)的要求越來(lái)越苛刻。但在某種程度上全世界均面臨電力供應(yīng)不足或不穩(wěn)定的威脅，由于公共電網(wǎng)無(wú)法保證提供高品質(zhì)的穩(wěn)定電源，而逆變并網(wǎng)器能夠根據(jù)電網(wǎng)情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)有功無(wú)功，因此逆變并網(wǎng)器將成為電力系統(tǒng)不可或缺的設(shè)備1。逆變器主要分兩類，一類是方波逆變器，另一類是正弦波逆變器。方波逆變器輸出的則是質(zhì)量較差的方波交流電，其正

5、向最大值到負(fù)向最大值幾乎在同時(shí)產(chǎn)生，這樣，對(duì)負(fù)載和逆變器本身造成劇烈的不穩(wěn)定影響。同時(shí)，其負(fù)載能力差，僅為額定負(fù)載的4060，不能帶感性負(fù)載。如所帶的負(fù)載過(guò)大，方波電流中包含的三次諧波成分將使流入負(fù)載中的容性電流增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞負(fù)載的電源濾波電容。針對(duì)上述缺點(diǎn)，近年來(lái)出現(xiàn)了準(zhǔn)正弦波（或稱改良正弦波、修正正弦波、模擬正弦波等等）逆變器，其輸出波形從正向最大值到負(fù)向最大值之間有一個(gè)時(shí)間間隔，使用效果有所改善，但準(zhǔn)正弦波的波形仍然是由折線組成，屬于方波范疇，連續(xù)性不好。正弦波逆變器輸出的是同我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娋W(wǎng)一樣甚至更好的正弦波交流電，因?yàn)樗淮嬖陔娋W(wǎng)中的電磁污染?？偫▉?lái)說(shuō)，正弦波逆變器提供高質(zhì)量

6、的交流電，能夠帶動(dòng)任何種類的負(fù)載，但技術(shù)要求和成本均高。方波逆變器的制作采用簡(jiǎn)易的多諧振蕩器，其技術(shù)屬于50年代的水平，將逐漸退出市場(chǎng)。微電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的實(shí)用化創(chuàng)造了平臺(tái)，傳統(tǒng)的逆變技術(shù)需要通過(guò)許多的分立元件或模擬集成電路加以完成，然而隨著逆變技術(shù)復(fù)雜程度的增加，所需處理的信息量越來(lái)越大，而微處理器的誕生正好滿足了逆變技術(shù)的發(fā)展要求，從8位的帶有PWM口的微處理器到16位單片機(jī)，發(fā)展到今天的32位DSP器件，使先進(jìn)的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、重復(fù)控制、模糊邏輯控制等先進(jìn)的控制算法在逆變領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。總之，逆變技術(shù)的發(fā)展是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論

7、的發(fā)展而發(fā)展，進(jìn)入二十一世紀(jì)，逆變技術(shù)正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展2。為此本設(shè)計(jì)方案采用DC-DC-AC結(jié)構(gòu)能有效提高效率、同時(shí)由于采用高頻直流升壓技術(shù)使逆變并網(wǎng)器體積更小，安全性能大大提高；并針對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的試驗(yàn)問(wèn)題提出了利用Simulink的參數(shù)估計(jì)功能，使理論模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值參數(shù)估計(jì)，從而達(dá)到理論模型充分接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境；同時(shí)應(yīng)用SPWM技術(shù)降低對(duì)電網(wǎng)的諧波污染到最低；而基于模型設(shè)計(jì)的嵌入式開(kāi)發(fā)理念，更為逆變并網(wǎng)器的開(kāi)發(fā)試探了一條穩(wěn)定迅速的開(kāi)發(fā)方式。1.2逆變并網(wǎng)器作用逆變并網(wǎng)器可以劃歸為用戶組，它即可在電網(wǎng)電能富余時(shí)將電網(wǎng)能量暫時(shí)儲(chǔ)存于蓄電池中以待用電高

8、峰時(shí)向電網(wǎng)提供有功功率，也可將常見(jiàn)的集中綠色能源經(jīng)過(guò)整流器以直流電能的形式存儲(chǔ)于蓄電池，并在電網(wǎng)出現(xiàn)故障后檢測(cè)出電網(wǎng)故障，及時(shí)斷開(kāi)電網(wǎng)連接，避免孤島效應(yīng)，以減少人員設(shè)備損害。 1.3逆變并網(wǎng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)逆變器是通過(guò)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷作用，把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的一種變換裝置，是整流變換的逆過(guò)程。按逆變方式可以粗略分為兩類：其一DC-AC-AC；其二DC-DC-AC。前者先將蓄電池中的12V直流能量逆變成低壓12V 50Hz交流能量，在經(jīng)過(guò)工頻變壓器，最后升壓變換為220V/380V交流電能并入電網(wǎng)中。然而這種逆變器結(jié)構(gòu)由于采用工頻變壓器，工頻變壓器由于工作頻率低電磁轉(zhuǎn)換效率低，如果逆變

9、并網(wǎng)器功率提高工頻變壓器體積將非常龐大。后者則是先將蓄電池中的直流能量，通過(guò)高頻直流逆變裝置從12V變換為直流母線中400V直流電壓，再?gòu)闹绷髂妇€中的400V直流電斬波形成50Hz交流電向電網(wǎng)中提供有功。本設(shè)計(jì)方案采用DC-DC-AC結(jié)構(gòu)能有效提高效率、同時(shí)由于采用高頻直流升壓技術(shù)使逆變并網(wǎng)器體積更小，安全性能大大提高；并針對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的試驗(yàn)問(wèn)題提出了利用simulink的參數(shù)估計(jì)功能，使理論模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值參數(shù)估計(jì)，從而達(dá)到理論2逆變并網(wǎng)器各部分設(shè)計(jì)2.1 DC-DC變換器如圖1-2是常見(jiàn)的逆變器并網(wǎng)主電路拓樸結(jié)構(gòu)，第一種采用了工頻變壓器作為逆變器主電路功率開(kāi)關(guān)元件輸出與負(fù)載電壓的匹配

10、和隔離，這種工頻逆變技術(shù)具有功率可雙向流動(dòng)、可靠簡(jiǎn)單、高效率、無(wú)直流分量輸出等優(yōu)點(diǎn)，但由于工頻變壓器的存在，往往逆變器的功率密度小、體積大、笨重，在小功率場(chǎng)合往往使用很不方便，而高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)用高頻變壓器替代了工頻變壓器，具有體積小，重量輕、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。而帶有高頻環(huán)節(jié)的逆變并網(wǎng)器中DC-DC變換器又可分為隔離性DC-DC變換器與不隔離型DC-DC變換器。、 DC-DC變換器是通過(guò)半導(dǎo)體閥器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作將直流電壓先變?yōu)榻涣麟妷?，?jīng)整流后又變?yōu)闃O性和電壓值不同的直流電壓的電路，這里要闡述的是中間經(jīng)過(guò)變壓器耦合的直流間接變換電路。DC-DC變換器在將直流電壓變換為交流電壓時(shí)頻率是任意可選的，因

11、此使用高頻變壓器能使變壓器和電感等磁性元件和平波用電容器小型輕量化。如今，隨著半導(dǎo)體閥器件的進(jìn)步，輸出功率為100W以上的電源實(shí)際上采用的開(kāi)關(guān)頻率都在20500kHz，MHz級(jí)的變換器也在開(kāi)發(fā)研究之中。而且，通過(guò)變換頻率的高頻化，可以使平波用電容的容量減小，從而能夠使用陶瓷電容等高可靠性的元件。而且，本章在舉例闡述動(dòng)作原理進(jìn)是采用雙極功率晶體管、IGBT、MOSFET等開(kāi)通關(guān)斷可控的器件作為直流電壓變換為交流電壓的半導(dǎo)體閥器件，使用最多的還是MOSFET。 2.1.2不隔離型DC-DC變換器不隔離型直流斬波器直流變換裝置是使用半導(dǎo)體閥器件以很高頻率將直流電反復(fù)開(kāi)通關(guān)斷，中間不經(jīng)過(guò)交流環(huán)節(jié)而進(jìn)行

12、變換的裝置，稱為直流直接變換電路或直流斬波器。本節(jié)闡述直流斬波電路，這種電路不使用變壓器僅靠高頻的開(kāi)通關(guān)斷動(dòng)作將某一數(shù)值的直流電壓直接變換為另一不同數(shù)值的直流電壓。根據(jù)輸入和輸出之間連接的開(kāi)關(guān)器件、二極管、電抗器等位置的不同，可以構(gòu)成三種斬波電路：降壓斬波器，升壓斬波器，升降壓斬波器（反極性斬波器）。如圖2-2所示為集中常見(jiàn)的斬波電路設(shè)置形式。 2.2 2.2直流母線電壓直流母線電壓PIDPID控制器設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)作為直流母線作為直流母線400400電壓必需具有一定的穩(wěn)定性，不應(yīng)該隨著負(fù)載的變化或電壓必需具有一定的穩(wěn)定性，不應(yīng)該隨著負(fù)載的變化或電池電壓的改變而產(chǎn)生波動(dòng)。因此必然需要用到反饋的概

13、念。反饋理論的要電池電壓的改變而產(chǎn)生波動(dòng)。因此必然需要用到反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。 2.2對(duì)原始資料的分析從原始資料和文獻(xiàn)（4）可以知道，本電廠屬于地區(qū)性供熱火力發(fā)電廠，一期建成后裝機(jī)容量為700MW，二期建成后總裝機(jī)容量為1400MW，建成后與周邊的幾個(gè)電廠形成區(qū)域電網(wǎng)。該電廠的發(fā)電量除了本廠廠用電剩余的電力向系統(tǒng)供電，因此，本電廠在系統(tǒng)中有重要作用。電廠是否安全、可靠運(yùn)行直接影響該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)效

14、益，可見(jiàn)該電廠的重要性。2.2.1 PID參數(shù)整定常用方法2.2.1.1 湊試法 按照先比例（P）、再積分（I）、最后微分（D）的順序。先設(shè)置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間 =，微分時(shí)間=0，在比例系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，由小到大整定比例系數(shù)。求得滿意的1/4衰減度過(guò)渡過(guò)程曲線。引入積分作用（此時(shí)應(yīng)將上述比例系數(shù)設(shè)置為5/6）。將由大到小進(jìn)行整定。若需引入微分作用時(shí)，則將Td 按經(jīng)驗(yàn)值或按=（1/31/4）設(shè)置，并由小到大加入。2.2.1.2 臨界比例法 在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，將調(diào)節(jié)器置于純比例作用下，從小到大逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，得到等幅振蕩的過(guò)渡過(guò)程。此時(shí)的比例系數(shù)稱為臨界比例系數(shù)，相

15、鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔，稱為臨界振蕩周期。 2.3 SPWM逆變控制技術(shù) 通過(guò)以上步驟，我們能夠在直流母線上得到穩(wěn)定的400V直流電能，然而只有當(dāng)逆變器輸出與電網(wǎng)電壓信號(hào)同頻同相的正弦波才能符合并網(wǎng)要求。這就需要使用SPWM逆變控制技術(shù)。 我們知道如果沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。而SPWM法就是以該結(jié)論作為理論基礎(chǔ)。用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。 2.4數(shù)字濾波器

16、的設(shè)計(jì) 逆變并網(wǎng)器能有效地將各種形式的綠色能源向電網(wǎng)輸送。在設(shè)計(jì)逆變并網(wǎng)器時(shí)，為了減少對(duì)電網(wǎng)的污染，就要求產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻、 同相的交流電，使并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)接近于1。數(shù)字濾波器能將采樣的電網(wǎng)信號(hào)中的高頻信號(hào)濾除，減少逆變并網(wǎng)器由于采樣誤差造成的諧波污染。 數(shù)字濾波器按單位脈沖響應(yīng)h（n）的長(zhǎng)度分類可分有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器和無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)：IIR濾波器能以較低的階次獲得相同幅度濾波性能，但一般為非線性相位；FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，系統(tǒng)必定穩(wěn)定，且可以做成嚴(yán)格的線性相位。而MATLAB為數(shù)字濾波的研究和應(yīng)用提供了一個(gè)直觀、高效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其信號(hào)

17、處理工具箱，以及各種數(shù)字濾波器的函數(shù)更是為高階的數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)提供了可能。2.4.1 電網(wǎng)信號(hào)的特點(diǎn)：電網(wǎng)基頻為501Hz，故有用信號(hào)頻率為501Hz，電網(wǎng)信號(hào)中除了基頻信號(hào)外還有諧波。產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給非線性阻抗特性的電氣設(shè)備供電的結(jié)果。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電力質(zhì)量變壞。其中五次、七次、十一次及十三次諧波影響較大，因此這些信號(hào)應(yīng)被濾除。 2.4.2 FIR濾波器設(shè)計(jì)： 根據(jù)電網(wǎng)信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)電網(wǎng)通帶頻率=55Hz，其中諧波量最低頻率為250Hz，故阻帶頻率=245Hz。為了精確得到電網(wǎng)信號(hào)有效值要求通帶波動(dòng)=3dB、阻帶衰減

18、=40dB。參數(shù)意義見(jiàn)圖2-5。4逆變并網(wǎng)仿真硬件部分為了更好地理論驗(yàn)證實(shí)際，指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)，以及進(jìn)一步提高仿真精度。加之算法具體實(shí)例化需要相應(yīng)的硬件驗(yàn)證平臺(tái)。本設(shè)計(jì)還特別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路以達(dá)到實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真。4.1TMS320F2812最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)TMS320F2812最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)，能為整個(gè)硬件仿真提供程序運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)可被Matlab識(shí)別第三方開(kāi)發(fā)板，以進(jìn)行相關(guān)算法開(kāi)發(fā)及相應(yīng)的代碼生成。本最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：（1）電源管理模塊（2）外擴(kuò)RAM（3）JTAG下載調(diào)試接口（4）按鍵電路（5）晶振電路5.3同步鎖相設(shè)計(jì)同步鎖相的設(shè)計(jì)是為了使得逆變并網(wǎng)器產(chǎn)生電壓頻率、相位與電網(wǎng)電壓信號(hào)頻率相位

19、相同。因此首要解決的就是同頻，本設(shè)計(jì)使用外部中斷捕獲獲取電網(wǎng)電壓過(guò)零信號(hào)，同時(shí)可以得到電網(wǎng)電壓頻率，在乘以查詢表點(diǎn)數(shù)，即調(diào)制信號(hào)變化周期=250*。本設(shè)計(jì)采用TMS320F2812硬件捕獲單元，獲取電網(wǎng)頻率，在一個(gè)捕獲單元使能后，在對(duì)應(yīng)的輸入檢測(cè)到指定的跳變時(shí)，所選擇的GP定時(shí)器的計(jì)數(shù)值將自動(dòng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的FIFO堆棧，同時(shí)如果有一個(gè)或多個(gè)有效地捕獲值存儲(chǔ)到FIFO堆棧里（CAPxFIFO位值不等于0），那么將會(huì)使相應(yīng)的中斷標(biāo)志位置位。如果標(biāo)志位沒(méi)有被屏蔽，那么將產(chǎn)生一個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求。每次一個(gè)新的計(jì)數(shù)值被捕獲到且存入FIFO堆棧時(shí)，CAPFIFOx寄存器相應(yīng)的位將發(fā)生改變。從捕獲單元輸入引腳發(fā)生跳變到所選GP定時(shí)器的值被鎖存所需的延時(shí)間為兩個(gè)CPU時(shí)鐘周期（不包括限制電路的額外延時(shí)）。復(fù)位事件產(chǎn)生時(shí)，所有捕獲單元的寄存器都被清零。當(dāng)捕獲單元已經(jīng)執(zhí)行了一個(gè)捕獲，而且至少有一個(gè)有效值存放在FIFO中，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位將置位，此時(shí)如果中斷沒(méi)有被屏蔽，一個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求將產(chǎn)生。因此，使用