光伏并网逆变器控制策略与仿真研究.doc

编号 毕业设计毕业设计 论文论文 说明书说明书 题 目 光伏并网逆变器控制策略 与仿真研究 院 系 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 学 号 0700120214 指导教师单位 机 电 工 程 学 院 姓 名 职 称 副 教 授 题目类型 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2011 年 05 月 30 日 摘 要 光伏并网发电能有效的利用清洁的太阳能资源 并将其高效馈网 到 2007 年年底 全国光伏系统的累计装机容量达到 100MW 并已初步建立起从原材料生产到光伏系统 建设等多个环节组成的完整产业链 呈现出一片繁荣景象 本设计针对光伏并网过程中的直流升压 SPWM 波形产生 同步锁相 逆变并网 动态过程 研究了基于电网特点的 FIR 数字滤波 交流采样和稳定直流母线电压的数 字 PID 控制器等技术提出了相应的控制策略并进行 Simulink 动态仿真 研究工作对光 伏并网逆变系统实验与设计理论上具有一定指导作用 同时采用基于模型嵌入式的设 计理念 通过使用 Matlab 提供的 Embedded Target for TI C2000 以及 DSPTexas Instruments Express 工具建立 Simulink 模型 进一步利用 CCSLink 调用第三方 TM DSP 编译软件 CCS 通过实时工作站 real time workshop 和 TI 开发工具将 Simulink 模型 转换为实时 C 代码 Embedded Target for TI C2000 DSP 提供了 Matlab 和 Simulink 与 Texas Instruments Express 工具 TI C2000 DSP 集成在一起进行系统开发的手段 TM DSP 通过实时工作站 real time workshop 和 TI 的开发工具将 Simulink 模型转换变成为实 时 C 代码 这种基于模型的嵌入式设计技术 能够自动产生高效的程序代码 相比传统的设 计方法 不需要设计者熟练掌握 DSP 内部复杂的寄存器的位设置 免除手写程序代码 及验证的繁琐 有助于工程师进行系统级设计 并解决设计中存在的问题 可显著地 简化并缩短基于 C2000 处理器的系统设计过程 使工程师可以更专注于优化控制算法 的开发 本文最终给出了低压的模拟样机 具有结构简单 价格低廉等优点 能方便 的对所研究和制定的控制策略进行验证 实验表明采用代码自动生成技术极大地加快 了单相桥式逆变器系统的开发进程 运行测试证实 自动生成代码的可靠性和效率完 全可以得到保证 这充分地展现了一体化系统设计方法在电力电子装置中应用的光明 前景 关键词 光伏逆变 Simulink 代码生成 FIR 数字滤波 PID 控制器 SPWM Abstract Photovoltaic power generation can effectively using clean solar energy resources and its feed network By the end of 2007 the total installed capacity of PV systems had reach 100MW and established a complete industrial chain that include Production of raw materials to construction of PV systems which presents flourishing The dynamics process of DC boost SPWM generator SPLL inverter and grid base on the characteristics of grid to design FIR digital filter AC sampling and DC bus voltage stability of digital PID control Etc has been designed in this research And corresponding control strategy and the Simulink dynamic simulation are presented also research on photovoltaic inverter system have been used to guide for experiment and theory design At the same time a Simulink model can be created using model based embedded technology with the Matlab Embedded Target for TI C2000 and DSP Texas Instruments Express TM DSP tool Further CCS could be called by CCS Link using real time workshop and the TI development tools real time C code will be turned into Simulink model Embedded Target for TI C2000 DSP provide a way for Matlab and Simulink with Texas Instruments Express Tools TI C2000 DSP integrated systems development real time workshop and the TM DSP TI development tools will be converted Simulink model into real time C code Efficient code can be generated automatically by using model based embedded design technology Compared to traditional design methods Designers do not need to proficiency in complexity of the register within the DSP bit settings the process of hand written code and verifying is reduced which help engineers for system level design and solving design problems significantly simplify and shorten the C2000 processor based system design process which allows engineers to concentrate on the development of optimal control algorithms The low voltage prototype with simple structure low cost characteristic had been given in the paper finally It can be developed to study and verify control strategy easily Automatic code generation technology has greatly accelerated the single phase bridge inverter system development process was provided in this paper And auto generated code reliability and efficiency can be guaranteed by confirming with the tests It fully demonstrated the integrated system method bright future in the application of power electronic Key Words PV inverter Simulink code generation FIR digital filter PID controller SPWM 目 录 引言引言 1 1绪论绪论 2 1 1 逆变并网器分类与发展 2 1 2 逆变并网器作用 3 1 3 逆变并网器结构特点 3 1 4 本设计结构特点 4 1 5 本课题主要任务 4 2逆变并网器各部分设计逆变并网器各部分设计 5 2 1 DC DC 变换器 5 2 1 1 隔离型 DC DC 变换器 5 2 1 2 不隔离型 DC DC 变换器 5 2 2 直流母线电压 PID 控制器设计 6 2 2 1 PID 参数整定常用方法 7 2 2 2 利用 Matlab 中 Simulink 进行 PID 参数整定 8 2 3 SPWM 逆变控制技术 9 2 4 数字滤波器的设计 10 2 4 1 电网信号的特点 10 2 4 2 FIR 滤波器设计 10 2 4 3 DSP 中实现 13 2 5 同频同相控制的方法分析 13 2 6 交流采样技术分析 14 2 6 1 最大值交流采样测量方法 14 2 6 2 纯计算法 14 2 7 逆变并网锁相环设计 15 2 7 1 指针归零法 15 3SIMULINK 动态仿真动态仿真 17 3 1 DC DC 直流升压模块仿真 17 3 2 DC DC 直流升压 PID 控制设计 18 3 3 逆变并网器并网仿真 22 3 3 1 MPPT 算法仿真 22 3 3 2 锁相环仿真 24 4逆变并网仿真硬件部分逆变并网仿真硬件部分 25 4 1 TMS320F2812 最小系统板设计 25 4 1 1 电源管理模块 25 4 1 2 CY7C1041CV 外部 RAM 扩展 25 4 1 3 JTAG 接口电路设计 26 4 2 外围信号调理电路 26 4 2 1 信号跟随电路 27 4 2 2 信号限幅电路 27 4 2 3 锁相电路 28 5基于基于 SIMULINK 模型嵌入式控制系统设计模型嵌入式控制系统设计 29 5 1 SPWM 波形发生设计 29 5 2 交流有效值测量 31 5 3 同步锁相设计 31 5 3 1 SPWM 和软件同频锁相 Simulink 建模 32 6总结总结 34 谢谢 辞辞 35 参考文献参考文献 36 附附 录录 37 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 1 页 共 59 页 引言 随着 绿色环保 概念的提出 以解决电力紧张及环境污染等问题为目的的新能源 利用方案得到了迅速的推广 因而研究可再生能源回馈电网技术具有十分重要的现实意 义 可再生能源若能有效地回馈到公用电网中 不仅可缓解能源短缺的压力 还可改善环 境 提高经济效益 可靠 高质量地将可再生能源产生的电能输送到电网中是研究可再 生能源回馈电网技术关键 因此 起着电能变换作用的并网逆变器成为了研究的重点 逆变器就是把直流电能转变成交流电 一般为 220V50Hz 正弦或方波 然而这种 逆变器将对公网产生严重的谐波污染 导致电能质量严重下降 特别是三次谐波会产 生特别高的中线电流 甚至会超过相电流值 因此造成电器设备寿命大为减短 电网 过热 甚至可能引起火灾 SPWM 就是在 PWM 的基础上改变了调制脉冲方式 脉冲宽度时间占空比按正弦 规率排列 这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出 它广泛地用于直流交 流逆变器等 在变频器领域被广泛的采用 SPWM 主要可通过硬件调制方法 以及软 件生成法 硬件调制法原理就是把所希望的波形作为调制信号 把接受调制的信号作 为载波 通过对载波的调制得到所期望的 PWM 波形 通常采用等腰三角波作为载波 当调制信号波为正弦波时 所得到的就是 SPWM 波形 而随着微机技术的发展 使得 用软件生成 SPWM 波形变得比较容易 因此 软件生成法也就应运而生 软件生成法其 实就是用软件来实现调制的方法 正因如此近年来 逆变及变频控制方式的数字化已 经成为趋势 随着高性能 DSP 芯片不断涌现 更进一步促进了各种数字式控制策略的 发展 极大提高逆变器的各种性能 在 TI 的 C2000 系列的 DSP 控制芯片中 TMS320F2812 无论在内部结构还是控制接口上 都达到了较高水平 在其足够的硬件 资源基础上 用户只需要添加少数的外围器件 便可很方便地构成逆变控制系统 在并网发电系统中 并网电流需要与电网电压实现同频 同相 电网电压的相位 和频率检测至关重要 电网电压的同步锁相技术可以提高系统电网电压检测的精度 稳定性和抗干扰能力 TMS320F2812 器件包含了捕获单元 利用此捕获单元可以捕获 电网电压的过零点时刻 通过锁相技术 产生同步正弦基准信号 本文针对逆变并网 技术点创新结合 Matlab 的 Embedded Target for TI C2000 DSP 基于模型的嵌入式设计 并由 Simulink 模型生成实时 C 代码 并设计了一套 TMS320F2812 最小系统板 及其 外围信号调理验证电路 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 2 页 共 59 页 1绪论 1 1 逆变并网器分类与发展 随着微电子与信息技术的发展 应用速度快速发展 对电源品质的要求越来越苛 刻 但在某种程度上全世界均面临电力供应不足或不稳定的威胁 由于公共电网无法 保证提供高品质的稳定电源 而逆变并网器能够根据电网情况 动态调节有功无功 因此逆变并网器将成为电力系统不可或缺的设备 1 逆变器主要分两类 一类是方波逆变器 另一类是正弦波逆变器 方波逆变器输 出的则是质量较差的方波交流电 其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生 这样 对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响 同时 其负载能力差 仅为额定负载的 40 60 不能带感性负载 如所带的负载过大 方波电流中包含的三次谐波成分将 使流入负载中的容性电流增大 严重时会损坏负载的电源滤波电容 针对上述缺点 近年来出现了准正弦波 或称改良正弦波 修正正弦波 模拟正弦波等等 逆变器 其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔 使用效果有所改善 但 准正弦波的波形仍然是由折线组成 属于方波范畴 连续性不好 正弦波逆变器输出 的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电 因为它不存在电网中的电 磁污染 总括来说 正弦波逆变器提供高质量的交流电 能够带动任何种类的负载 但技术要求和成本均高 方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器 其技术属于 50 年 代的水平 将逐渐退出市场 微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台 传统的逆变技术需要通过许 多的分立元件或模拟集成电路加以完成 然而随着逆变技术复杂程度的增加 所需处 理的信息量越来越大 而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求 从 8 位的 带有 PWM 口的微处理器到 16 位单片机 发展到今天的 32 位 DSP 器件 使先进的控 制技术如矢量控制技术 多电平变换技术 重复控制 模糊逻辑控制等先进的控制算 法在逆变领域得到了较好的应用 总之 逆变技术的发展是随着电力电子技术 微电子技术和现代控制理论的发展 而发展 进入二十一世纪 逆变技术正向着频率更高 功率更大 效率更高 体积更 小的方向发展 2 为此本设计方案采用 DC DC AC 结构能有效提高效率 同时由于采 用高频直流升压技术使逆变并网器体积更小 安全性能大大提高 并针对动态系统的 试验问题提出了利用 Simulink 的参数估计功能 使理论模型根据实验数据进行数值参 数估计 从而达到理论模型充分接近实际实验环境 同时应用 SPWM 技术降低对电网 的谐波污染到最低 而基于模型设计的嵌入式开发理念 更为逆变并网器的开发试探 了一条稳定迅速的开发方式 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 3 页 共 59 页 1 2 逆变并网器作用 图 1 1 电网中的逆变并网器 由图 1 1 我们可以看出相对于传统电网含有逆变并网器的电网 逆变并网器可以 划归为用户组 它即可在电网电能富余时将电网能量暂时储存于蓄电池中以待用电高 峰时向电网提供有功功率 也可将常见的集中绿色能源经过整流器以直流电能的形式 存储于蓄电池 并在电网出现故障后检测出电网故障 及时断开电网连接 避免孤岛 效应 以减少人员设备损害 1 3 逆变并网器结构特点 图 1 2 常见逆变并网器结构 逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用 把直流电能转变成交流电能的 一种变换装置 是整流变换的逆过程 按逆变方式可以粗略分为两类 其一 DC AC AC 其二 DC DC AC 前者先将蓄电池中的 12V 直流能量逆变成低压 12V 50Hz 交流 能量 在经过工频变压器 最后升压变换为 220V 380V 交流电能并入电网中 然而这 种逆变器结构由于采用工频变压器 工频变压器由于工作频率低电磁转换效率低 如 果逆变并网器功率提高工频变压器体积将非常庞大 后者则是先将蓄电池中的直流能 量 通过高频直流逆变装置从 12V 变换为直流母线中 400V 直流电压 再从直流母线 中的 400V 直流电斩波形成 50Hz 交流电向电网中提供有功 本设计方案采用 DC DC AC 结构能有效提高效率 同时由于采用高频直流升压技 术使逆变并网器体积更小 安全性能大大提高 并针对动态系统的试验问题提出了利 用 simulink 的参数估计功能 使理论模型根据实验数据进行数值参数估计 从而达到 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 4 页 共 59 页 理论模型充分接近实际实验环境 同时应用 SPWM 技术使对电网谐波污染降低到最低 而基于模型设计的嵌入式开发理念 更为逆变并网器的开发试探了一条稳定迅速的开 发方式 1 4 本设计结构特点 光伏 电池 阵列 蓄 电 池 DC DCDC AC 电 网 SPWM MPPT P I D S P L L TMS320F 2812 图 1 3 本设计结构框图 本设计针对当前电网特点 以及并网逆变器常用技术 设计出具体结构框图 如 图 1 3 在微处理器 TMS320F2812 的控制下 从电源处采用最大功率点追踪 MPPT 算法以最大功率想蓄电池充电 再从蓄电池中通过高频直流升压 使蓄电池 中 12V 直流电升压为直流母线 400V 以达到并网要求中跟踪电网电压幅值要求 在采 集电网电压过零信号 调节 SPWM 波形中的相位实现并网要求中的锁相目的 期间还 穿插数字 PID 算法以保证直流母线电压恒定 FIR 数字滤波算法减少电网中谐波对于 测量的干扰 1 5 本课题主要工作 本设计通过查找光伏逆变并网的相关资料 在了解其工作原理后 再加上自己的 理解和设计的要求 设计基于 Simulink 逆变并网模型控制策略 具体工作如下 1 通过查找相关逆变并网器控制相关资料 了解逆变并网器外围硬件结构 阅读有关 逆变并网原理及 Matlab 的技术资料 了解其控制方法 2 从说查阅的资料中比较各种方案的特点 最终确定设计所采用的方案 3 使用 Simulink 对设计逆变并网器外围硬件拓扑电路图 包括 DC DC 直流升压电路 逆变桥臂进行动态仿真 4 使用 SimPowerSystems 工具箱结合 Matlab 对设计的 SPWM MPPT 数字 PID 数 字滤波器 FIR RMS SPLL 等控制算法进行仿真测试 5 使用 RTW 对建立好的 Simulink 控制策略模型进行在 TMS320F2812 平台上的代码 生成 6 设计出模拟样机对生成代码进行半物理仿真及调试 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 5 页 共 59 页 2逆变并网器各部分设计 2 1 DC DC 变换器 如图 1 2 是常见的逆变器并网主电路拓朴结构 第一种采用了工频变压器作为逆 变器主电路功率开关元件输出与负载电压的匹配和隔离 这种工频逆变技术具有功率 可双向流动 可靠简单 高效率 无直流分量输出等优点 但由于工频变压器的存在 往往逆变器的功率密度小 体积大 笨重 在小功率场合往往使用很不方便 而高频 环节逆变技术用高频变压器替代了工频变压器 具有体积小 重量轻 价格低廉等优 点 而带有高频环节的逆变并网器中 DC DC 变换器又可分为隔离性 DC DC 变换器与 不隔离型 DC DC 变换器 2 1 1 隔离型 DC DC 变换器 A B 压压压 压压压 12 压压压压压 压压3压压2压压1 压压3 压压2压压1 g A B IGBT DC DC压 g A B IGBT DC AC压压压 图 2 1 常见逆变并网器结构 DC DC 变换器是通过半导体阀器件的开关动作将直流电压先变为交流电压 经 整流后又变为极性和电压值不同的直流电压的电路 这里要阐述的是中间经过变压器 耦合的直流间接变换电路 DC DC 变换器在将直流电压变换为交流电压时频率是任意 可选的 因此使用高频变压器能使变压器和电感等磁性元件和平波用电容器小型轻量 化 如今 随着半导体阀器件的进步 输出功率为 100W 以上的电源实际上采用的开 关频率都在 20 500kHz MHz 级的变换器也在开发研究之中 而且 通过变换频率的 高频化 可以使平波用电容的容量减小 从而能够使用陶瓷电容等高可靠性的元件 而且 本章在举例阐述动作原理进是采用双极功率晶体管 IGBT MOSFET 等开通关 断可控的器件作为直流电压变换为交流电压的半导体阀器件 使用最多的还是 MOSFET 2 1 2 不隔离型 DC DC 变换器 不隔离型直流斩波器直流变换装置是使用半导体阀器件以很高频率将直流电反复 开通关断 中间不经过交流环节而进行变换的装置 称为直流直接变换电路或直流斩 波器 本节阐述直流斩波电路 这种电路不使用变压器仅靠高频的开通关断动作将某 一数值的直流电压直接变换为另一不同数值的直流电压 根据输入和输出之间连接的 开关器件 二极管 电抗器等位置的不同 可以构成三种斩波电路 降压斩波器 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 6 页 共 59 页 升压斩波器 升降压斩波器 反极性斩波器 如图 2 2 所示为集中常见的斩波电 路设置形式 Q1 MOSFET N L1 INDUCTOR D1 DIODE a C1 CAP Q2 MOSFET N L2 INDUCTOR D2 DIODE b C2 CAP Q3 MOSFET N L3 INDUCTOR D3 DIODE c 图 2 2 常用斩波电路 综上所述 考虑到稳定性 若电网发生故障所产生的故障电流电压会对不隔离型 DC DC 变换器造成毁灭性的影响 轻则造成逆变并网微控制器烧毁 重则带来人员和 财产的损失 不隔离 DC DC 变换器需要大容量电容 在现有制造工艺水平基础上 大 容量电容将使成本和体积急剧增加 不隔离 DC DC 变换器效率往往会低于隔离型 DC DC 变换器 此外不隔离 DC DC 变换器往往需要较高的开关频率 否者无法提供较为 稳定的直流母线电压以及稳定的输出功率 考虑上述原因 结合稳定性 安全性 以 及效率等因素采用隔离型 DC DC 变换器作为本次逆变并网器设计的高频直流升压部分 的拓扑结构 2 2 2 直流母线电压 PID 控制器设计 作为直流母线 400 电压必需具有一定的稳定性 不应该随着负载的变化或电池电 压的改变而产生波动 因此必然需要用到反馈的概念 反馈理论的要素包括三个部分 测量 比较和执行 测量关心的变量 与期望值相比较 用这个误差纠正调节控制系 统的响应 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 7 页 共 59 页 图 2 3 PID 控制原理框图 PID 比例 积分 微分 控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史 现在仍 然是应用最广泛的工业控制器 PID 控制器简单易懂 使用中不需精确的系统模型等 先决条件 甚至在数学上已经证明 PID 控制器对于一阶与二阶环节为最优控制算法 因而成为应用最为广泛的控制器 同时由于 PID 控制器可以实现无差调节 其优异的 动态稳态特性 以及方便灵活的参数整定方法 因此在逆变并网器中直流母线的电压 控制选择 PID 控制算法 PID 控制器分为模拟控制器和数字控制器 模拟控制器以其结构简单易于实现 在控制领域初期占据了非常重要的地位 然而由于模拟 PID 控制器由分立元件组成 各元件之间由于参数差别 外部温湿度的环境变换 很大程度的影响了模拟 PID 控制 器的控制性能 随着大规模集成电路和微控制器技术的发展 因此数字 PID 控制器正 逐步取代模拟 PID 控制器 看起来 PID 算法原理虽然简单 然而要在实际工程中设计出一个性能良好的 PID 控制器并不是容易的事情 首先如何确定 PID 参数 即如何对 Kp Ki Kd 三个参数 进行整定 当然也许之前的项目工程中有过类似的 PID 控制器的设计 你可以将其经 验 PID 参数继承下来 只需要你在硬件基础上对 PID 参数进行微调就可以了 然而如 果被控对象过于复杂 手动调节就变得很艰难了 可能由于在手动调节的过程中使系 统处于危险的工况 甚至不好的控制算法会把硬件摧毁 2 2 1 PID 参数整定常用方法 2 2 1 1 凑试法 按照先比例 P 再积分 I 最后微分 D 的顺序 先设置调节器积分时间 i T 微分时间 0 在比例系数按经验设置的初值条件下 将系统投入运行 由 d T p K 小到大整定比例系数 求得满意的 1 4 衰减度过渡过程曲线 引入积分作用 此时应将 上述比例系数设置为 5 6 将由大到小进行整定 若需引入微分作用时 则 p K p K i T 将 Td 按经验值或按 1 3 1 4 设置 并由小到大加入 d T i T 2 2 1 2 临界比例法 在闭环控制系统里 将调节器置于纯比例作用下 从小到大逐渐改变调节器的比 例系数 得到等幅振荡的过渡过程 此时的比例系数称为临界比例系数 相邻两个 u K 波峰间的时间间隔 称为临界振荡周期 u T 临界比例度法步骤 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 8 页 共 59 页 1 将调节器的积分时间置于最大 微分时间置零 0 比例系数 i T d T 适当 平衡操作一段时间 把系统投入自动运行 p K 2 将比例系数逐渐增大 得到等幅振荡过程 记下临界比例系数和临界振 p K u K 荡周期值 u T 3 根据和值 采用经验公式 计算出调节器各个参数 即 和的 u K u T p K i T d T 值 按 先 P 再 I 最后 D 的操作程序将调节器整定参数调到计算值上 若还不够满 意 可再作进一步调整 临界比例度法整定注意事项 有的过程控制系统 临界比例系数很大 使系统接近两式控制 调节阀不是全关 就是全开 对工业生产不利 有的过程控制系统 当调节器比例系数 Kp 调到最大刻度值时 系统仍不产生等幅 振荡 对此 就把最大刻度的比例度作为临界比例度 Ku 进行调节器参数整定 2 2 1 3 经验法 用凑试法确定 PID 参数需要经过多次反复的实验 为了减少凑试次数 提高工作 效率 可以借鉴他人的经验 并根据一定的要求 事先作少量的实验 以得到若干基 准参数 然后按照经验公式 用这些基准参数导出 PID 控制参数 这就是经验法 2 2 2 利用 Matlab 中 Simulink 进行 PID 参数整定 另外值得注意的是在 PID 控制器设计的过程中 必需考虑如何抗积分饱和 因为 如果具有积分环节的控制器 只要被控量与设定值有偏差 他的输出就会不停的变化 如果由于某种原因 比如说系统故障 被调量偏差一时无法消除 然后控制器还是要 试图校正这个偏差结果经过一段时间之后 控制器输出将进入深度饱和状态这种状态 称为积分饱和 进入深度积分饱和的控制器要等被调量偏差反向以后才能慢慢从饱和 状态中退出来 所以为了避免危险或者是控制品质变坏 在设计控制器的时候必须要 考虑抗积分饱和的问题 第二 是微分环节的近似 纯微分作用在实际中是不可能实现的 所以必须考虑 到微分作用在控制器设计过程中的近似 当设计好 PID 算法之后 为了将它应用到实际的控制系统中去需要对算法进行定 点化和离散化处理 以便将算法做到真实的硬件处理器中以做到精确的控制 然而手动调节是纯粹的试凑过程 耗费时间而且不系统化 很有可能无法达到优 化设计 甚至导致危险的结果 而且永远都无法确定的算法设定是不是系统的最优设 计 此外基于规则的调试需要大量的工作 或者根本无法达到设计指标 这种方法无 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 9 页 共 59 页 法对高阶系统以及带有延时环节的控制器系统进行有效的设计 而且设计出的算法是 连续域的还需要手动切换为离散域的 Matlab 的 Simulink 为解决此类方案提供了全新的 PID 调节算法和 GUI 模块 利用 该工具可以轻易实现从 PID 调节器的参数整定 到调节器定点化 离散化 甚至直接 根据目标微处理器的嵌入式 C 代码生成 2 3 SPWM 逆变控制技术 通过以上步骤 我们能够在直流母线上得到稳定的 400V 直流电能 然而只有当逆 变器输出与电网电压信号同频同相的正弦波才能符合并网要求 这就需要使用 SPWM 逆变控制技术 我们知道如果冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本 相同 而 SPWM 法就是以该结论作为理论基础 用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦 波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断 使其输出的脉冲电 压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等 通过改变调制波的频率和幅 值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值 图 2 4 控制单臂桥式的 SPWM 双脉冲产生原理 正弦波脉宽调制的实现分为电压正弦 PWM 磁通正弦 PWM 即空间电压矢量 SVPWM 和电流正弦 PWM 通常有滞环比较控制和无差拍控制 通常所说的 SPWM 技术主要指电压正弦 PWM 技术 它可以由模拟电路 数字电路或大规模集成 电路芯片来实现 由于微处理器技术的不断发展 数字化 PWM 的方法发展迅速 本 节所介绍的就是数字化 SPWM 的原理及实现 正弦波脉冲调制 SPWM 其工作原理是将正弦半波 N 等分 然后把每一等分的 正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替 矩形脉冲 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 10 页 共 59 页 的中点 与正弦波每一等分的中点重合 根据采样控制理论的一个重要的结论 冲量 相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 把输出波形进行 傅里叶变换分析 则其低频段特性非常接近 仅在高频段有差异 这样 N 个等幅 不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效 图 2 4 显示了控制单臂桥式的 SPWM 双脉冲产生原理 载波信号为三角波与正弦 调制信号相比较当调制信号大于载波脉冲是脉冲 1 为高同时脉冲 2 为低 引入通信中的 调制 概念 将所期望的波形 正弦波 作为调制波 而受它调 制的信号称为载波 载波频率 又叫开关频率 fc 与调制波 正弦波 频率 fr 之比 N fc fr 称为载波比 通常用锯齿波 等腰三角形波作为载波 若以正弦波作为调制波去调制三角载波 由它们的交点时刻确定逆变器的开关模 式 例如 正弦波大于载波的部分 输出正弦脉冲去开通某一个主电路中功率开关器 件 正弦波小于载波部分 输出负脉冲去关断该开关器件 则逆变器输出为宽度按正 弦规律变化的电压脉冲 3 SPWM 波形 2 4 数字滤波器的设计 逆变并网器能有效地将各种形式的绿色能源向电网输送 在设计逆变并网器时 为了减少对电网的污染 就要求产生与电网同频 同相的交流电 使并网逆变器的功 率因数接近于 1 数字滤波器能将采样的电网信号中的高频信号滤除 减少逆变并网器 由于采样误差造成的谐波污染 数字滤波器按单位脉冲响应 h n 的长度分类可分有限脉冲响应 FIR 滤波器 和无限脉冲响应 IIR 滤波器 两者各有优缺点 IIR 滤波器能以较低的阶次获得相 同幅度滤波性能 但一般为非线性相位 FIR 滤波器单位脉冲响应是有限长的 系统 必定稳定 且可以做成严格的线性相位 而 MATLAB 为数字滤波的研究和应用提供了 一个直观 高效的实验环境 其信号处理工具箱 以及各种数字滤波器的函数更是为 高阶的数字滤波的设计提供了可能 2 4 1 电网信号的特点 电网基频为 50 1Hz 故有用信号频率为 50 1Hz 电网信号中除了基频信号外 还有谐波 产生谐波的根本原因是由于给非线性阻抗特性的电气设备供电的结果 这 些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波 导致供电系统的电压 电流波形畸变 使电力质量变坏 其中五次 七次 十一次及十三次谐波影响较大 因此这些信号应 被滤除 2 4 2 FIR 滤波器设计 根据电网信号的特点 设计电网通带频率 55Hz 其中谐波量最低频率为 pass f 250Hz 故阻带频率 245Hz 为了精确得到电网信号有效值要求通带波动 stop f 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 11 页 共 59 页 3dB 阻带衰减 40dB 参数意义见图 2 5 pass A stop A 图 2 5 低通滤波器参数意义示意图 逆变并网器需要检测电网过零信号 要求严格的线性相位 故设计为 FIR 滤波器 采样频率设为 3 2K 本文采用窗函数法设计 表 2 1 为六种窗函数的特性表 表 2 1 六种窗函数的特性表 窗函数旁瓣峰值 dB近似过渡带宽精确过渡带宽 阻带最小衰减 dB Retangular 13 4 N1 8 N 21 Triangular 25 8 N6 1 N 25 Hann 31 8 N6 2 N 44 Hamming 41 8 N6 6 N 53 Blackman 57 12 N11 N 74 Kaiser 7 86 5 57 10 N 80 由于设计要求阻带衰减 40dB 考虑到阶数最小原则选择 Hann 函数设计 根据通 带频率与阻带频率确定过渡带宽 deltaw 将这些频率转化为归一化频率 0 1 再 根据表 1 中精确过渡带宽 6 2 N 确定滤波器阶数 根据之前的理想滤波器的参数 使用 MATLAB 的 hann 进行函数逼近即可生成一个滤波器模型 具体对应 MATLAB 代码 Fpass 55 通带频率 Fstop 245 阻带频率 Wp Fpass 2 pi Fs Ws Fstop 2 pi Fs deltaw Ws Wp 过渡带宽 的计算 Normal N ceil 6 2 pi deltaw 1 按 Hann 窗计算所需的滤波器阶数 N N wdham hann Normal N 1 Hann 窗计算 Wc Fpass Fstop Fs 计算截止频率 Normal hann fir1 Normal N Wc N wdham af Normal filter Normal hann 1 y figure 2 subplot 2 1 1 plot x s grid on title 原电压信号 figure 2 subplot 2 1 2 plot x af Normal r grid on title Hann 滤波后的波形 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 12 页 共 59 页 02004006008001000120014001600 0 100 200 300 400 交 交 交 交 交 交 交 交 交 02004006008001000120014001600 0 50 100 150 200 250 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 00 0050 010 0150 020 0250 030 0350 040 0450 05 400 200 0 200 400 交 交 交 交 交 00 0050 010 0150 020 0250 030 0350 040 0450 05 400 200 0 200 400 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 交 a b 图 2 6 滤波器仿真结果 图 2 6 a 滤波前信号发生畸变 严重影响对电网的过零检测以及对齐有效值的 测量 滤波后信号 可以发现信号的畸变明显减少 然而仅从时域难以确定信号的频 率成分 利用快速傅立叶变换 FFT 将原始信号与所得的滤波信号转换到频域从而得 到信号的功频谱 MATLAB 程序如下 以下为绘制各个信号的功频图 NFFT 2 nextpow2 Length Y fft y NFFT Length AF NORMAL fft af Normal NFFT Length f Fs 2 linspace 0 1 NFFT 2 1 figure 3 subplot 2 1 1 plot f 2 abs Y 1 NFFT 2 1 grid on title 滤波前信号的频谱图 figure 3 subplot 2 1 2 plot f 2 abs AF NORMAL 1 NFFT 2 1 r grid on title Hann 滤波后的频谱图 由图 2 6 可发现经过数字滤波器后原始信号中的高次谐波被剔除掉了 这不仅提 高信号的过零检测的检测精度 而且同时也提高信号能量的检测而且同时也提高信号 能量的检测 图 2 7 FIR 幅频与相频特性 利用 MATLAB 的 fdatool 可对设计的滤波器性能进行仿真分析 并可得出 FIR 滤 波器工作时的幅频响应 相频响应 见图 2 7 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 13 页 共 59 页 2 4 3 DSP 中实现 将前面设计结果 生成 C 头文件 加入 CCS 工程中 根据 FIR 传递函数为 2 1 1 0 N n n znhzH 由此得差分方程为 y n h 0 x n h 1 x n 1 h n 1 x n N 1 2 2 其中 h i 为滤波器系数 可由 MATLAB 中所设计的滤波器生成 由此可得 C 语言代码如下 float FIR int i float fSum fSum 0 for i 0 i 0 如果电流变大 Vref x 3 k1 elseif dI u 2 u 1 电流变化与电压变化大于当前电压电流比值 Vref x 3 k1 elseif dI dV u 2 u 1 电流变化与电压变化小于当前电压电流比值 Vref x 3 k1 end end 00 010 020 030 040 050 06 0 50 100 150 200 250 X 0 02936 Y 238 7 交 交 交 S交 交 交 交 V交 交 交 MPPT交 交 交 交 交 交 交 交 交 00 010 020 030 040 050 06 0 500 1000 1500 2000 2500 X 0 03858 Y 2084 交 交 交 S交 交 交 交 W交 交 交 MPPT交 交 交 交 交 交 交 a b 图 3 11 经过 MPPT 后输出特性 经过MPPT算法后 太阳能输出电压自动跟踪输出时最大功率点时的对应电压 其 输出特性如图3 11 a 所示 而其亦以最大功率稳定输出 即输出为238 7V时 功率 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 24 页 共 59 页 为2084W 对比之前实际太阳能电池板最大功率点数据 最大功率点为241 8V时输出 2083W 可以看出该算法基本能跟踪太阳能电池板的最大功率点 3 3 2 锁相环仿真 Continuous powergui v v g A B Universal Bridge Scope sfun PV array MPPT S Function RMSRMS Signal s Pulses PWM Generator T R Vpv Ipv PV array PID L 4 0 99 0 01 i i 2 30 C V pu Freq wt Sin Cos 1 phase PLL 图 3 12 锁相环仿真建模 如图 3 12 所示有 MPPT 算法得出的功率信号 除以从电网采集回来的电压信号有 效值信号 可以得到馈网的电流有效值 乘以电网电压的对应相位信号 即可得到锁 相环的参考输入电流信号 再与实际馈网电流信号相比较 其中误差信号作为反馈输 入 PID 调节器 即可得到想要的并网时电压与电流锁相环的仿真 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 25 页 共 59 页 4逆变并网仿真硬件部分 为了更好地理论验证实际 指导实际设计 以及进一步提高仿真精度 加之算法 具体实例化需要相应的硬件验证平台 本设计还特别设计了相应的硬件电路以达到实 现半实物仿真 4 1 TMS320F2812 最小系统板设计 TMS320F2812 最小系统板设计 能为整个硬件仿真提供程序运行平台 同时可被 Matlab 识别第三方开发板 以进行相关算法开发及相应的代码生成 本最小系统设计包括 1 电源管理模块 2 外扩 RAM 3 JTAG 下载调试接口 4 按键电路 5 晶振电路 4 1 1 电源管理模块 NC 1 NC 2 1GND 3 1EN 4 1IN 5 1IN 6 NC 7 NC 8 2GND 9 2EN 10 2IN 11 2IN 12 NC 13 NC 14 NC 15 NC 16 2OUT 17 2OUT 18 2SENSE 19 NC 20 NC 21 2RESET 22 1OUT 23 1OUT 24 1FB SENSE 25 NC 26 NC 27 1RESET 28 U2 TPS767D301 1KR1 1KR21K R3 10uF C1 100uF C2 0 1uF C3 0 1uF C4 22uF C5 22uF C7 16 9K 1 R4 30 1K 1 R5 5V D1 RED 1 8V 3 3V 1 2 3 P 10mH L1 5V 0 01uF C9 100uF C8 10mH L2 EXTERNAL POWER 1 2 POWER GND 5V 0 1U C10 0 R6 1U C11 0 1U C12 VDD3VFL 0 1U C6 图 4 1 TPS767D301 电源管理模块电路 如图 4 1 所示 本设计采用 TPS767D301 专用电源管理芯片 TPS767D301 可将 5V 直流电转成双电压输出 其中一路 DSP 外围 I O 口 3 3V 供电 另一路则作为 DSP 内核 1 8