【风力发电】电力电子课程设计报告

【风力发电】电力电子课程设计报告电力电子课程设计封面隐去1上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计摘要本报告设计了一个风力发电并网变流器的实现方案，包含了主电路选型，主电路无源参数计算，主电路有源参数计算，有源电路的驱动和保护原理设计，控制和检测与保护电路原理设计，散热设计以及电气仿真。通过查阅资料，本设计方案决定采用双PWM直驱式风力发电系统作为主电路，以IGBT作为主要元器件，对电路参数进行了详细计算，并用MATLAB对电路进行了详尽的仿真。关键词风力发电并网变流器；直驱式风力发电系统；双PWM；IGBT；仿真ABSTRACTTHISREPORTISTHEDESIGNOFAGRIDCONNECTEDCONVERTERFORWINDPOWERGENERATIONSCHEME,INCLUDINGASELECTIONOFTHEMAINCIRCUIT,PASSIVEPARAMETERSCALCULATIONOFTHEMAINCIRCUIT,ACTIVEPARAMETERSCALCULATIONOFTHEMAINCIRCUIT,DESIGNOFDRIVEANDPROTECTIONOFACTIVECIRCUIT,DESIGNOFCONTROLANDDETECTIONANDPROTECTIONCIRCUIT,THERMALDESIGNOFHEATSINK,ASWELLASTHEELECTRICALSIMULATIONTHROUGHSEARCHINGINFORMATION,DOUBLEPWMDIRECTDRIVEWINDPOWERGENERATIONSYSTEMISUSEDINTHISDESIGNTHATTAKESIGBTASTHEMAINCOMPONENTSANDCALCULATESTHECIRCUITPARAMETERS,ANDMATLABISUSEDTOSIMULATETHECIRCUITINDETAILKEYWORDSGRIDCONNECTEDCONVERTERFORWINDPOWERGENERATIONDIRECTDRIVEWINDPOWERGENERATIONSYSTEMDOUBLEPWMIGBTSIMULATION2上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计目录1概述611课程设计要求612风力发电背景介绍1613本报告设计内容72主电路选型821双馈发电机系统与直驱发电系统比较8211双馈发电机系统8212直驱型风力发电系统922二极管整流BOOSTPWM方式和双PWM方式比较10221二极管整流BOOSTPWM方式10222双PWM方式103主电路无源参数计算1331交流侧电感的设计1332直流侧电容设计144主电路有源参数计算1541主要参数计算1542IGBT介绍1543有源元件的选择165有源电路的驱动、保护原理设计1851有源电路的驱动设计原理1852有源电路的保护设计原理19521电网过电流保护19522电网欠电压保护20523电网过电压保护21524浪涌电压保护226控制、检测与保护电路原理设计233上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计61控制电路设计23611控制系统硬件框图23612控制芯片介绍23613控制电路主要模块2362PWM波形产生单元25621PWM产生单元的特性525622DSP产生PWM波的原理2563检测电路设计27631电压电流检测电路27632电压过零点检测电路287散热设计2971热量的来源2972常用散热方法3073损耗计算3174散热方式选择及其效果验证338仿真3581仿真设计及各模块参数35811仿真设计图35812各模块参数3682仿真结果39821输入部分39822直流电压部分41823输出部分4283不同参数对结果的影响44831电感值对结果的影响44832电容值对结果的影响469参考文献4810学习感想4911致谢504上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计12附录515上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计1概述11课程设计要求设计题目风力发电并网变流器A输入电压三相交流线电压380V（/15）频率30HZB输出电压三相交流线电压380V，频率50HZC最大输出电流100AD工作温度050E谐波THD512风力发电背景介绍1能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题，风能作为一种清洁的可再生能源，已经受到世界各国政府的高度重视。在政府对风力发电研究开发的大力支持下，许多发达国家都开始了大型风力发电机的研制，风力发电机也从早期的蓄电池充电方式向并网型发展。随着桨叶空气动力学，材料、发电机技术、计算机和控制技术的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展；运行可靠性从20世纪80年代初的50，提高到98以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。风电场发展空间更加广阔，从内陆移到海上。风能已成为一种重要的可再生能源。风电的突出优点是环境效益好，不排放任何有害气体和废弃物，不需要移民，风电场虽然占了大片土地，但是风电机基础和道路实际使用的面积很小，不影响农田和牧场的正常生产，多风的地方往往是荒滩或山地，建设风电场同时也开发了旅游资源。从当前世界的发展趋势来看，容量小于750KW的系统尚可以用定桨距失速调节技术，但是当容量大于750KW时，大多要采用主动失速调节、变桨调节或变速恒频调节技术。因此，对风力发电中的变速恒频双馈发电技术在理论和实践中进行系统深入的研究，是十分必要和迫切的，对我国的风电事业的发展有着十分重要的意义。以下为几种比较典型的变速恒频风力发电技术。风力发电机组可以分为两大类恒速恒频机组和变速恒频机组。风力发电机与电网并联运行时，要求风力发电的频率保持恒定，为电网频率，恒速恒频指在风力发电中，控制发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能；变速恒频指发电机的转速随风速变化而变化，通过其他方法来得到恒频电能。目前国际上有许多方案实现变速恒频风力发电。如交直交风力发电系统、磁场调制式6上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计发电机系统、绕线转子双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、无刷爪极式发电机系统、开关磁阻式发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，适用于不同的场合。而本文研究的就是交直交风力发电系统，下面对其作出详细的介绍。交直交风力发电系统原理发电机发出频率变化的交流电首先通过整流器整流成直流电，再通过逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。在此系统中，可以采用的发电机有绕线转子同步发电机、笼型感应发电机、永磁同步发电机。优点这种系统在并网时没有电流冲击；可调节无功功率。永磁同步发电机系统是这种类型中最有优势的一种，可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去变速箱，由此可以提供可靠性，减小系统噪声，降低维护成本。缺点变流器的容量和系统的容量相同。有高频电流谐波注入电网。13本报告设计内容1主电路选型A整流电路选型B逆变电路选型2主电路无源器件参数计算要求无源器件的具体型号及设计参数，考虑其各项电气参数要求有设计依据3主电路有源器件参数计算要求有源器件的设计参数，选用型号等，要求有设计依据4有源电路的驱动、保护原理设计要求根据选用的有源器件设计驱动电路，给出设计原理图5控制、检测与保护电路原理设计要求有原理图，可以用PROTEL，ORCAD等软件完成6散热设计要求有大致计算过程，选型依据7上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计2主电路选型21双馈发电机系统与直驱发电系统比较211双馈发电机系统双馈发电机系统又可以分为无刷双馈发电机系统和绕线转子双馈发电机系统。这里我们只对绕线转子双馈发电机系统作出一定的介绍1。原理发电机采用绕线转子感应电动机。定子接电网或者直接接负载。在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。转子和电网之间需要有双向的能量流动，所以需要两个背靠背的四象限变流器。转子侧变流器控制发电机，定子侧变流器控制和电网的能量交换，转子侧只处理转差能量。原理图见21。图21双馈风力发电机系统其所具有的优点1）转子侧只处理转差能量，降低了逆变器的价格因为逆变器的额定值通常为最大输2）双馈发电机的变流器的谐波含量只占整个系统的一小部分，降低了相应的滤波器成3）无功功率控制可以用较小容量的变流器实现，因为双馈发电机本质上是同步发电机，出功率的33，而发电机转速可以扩展到同步转速的50左右。本和容量。所以可以调节双馈发电机吸收的无功功率。通过在双馈发电机的转子侧施加三相交流电进行励磁，调节励磁电流的幅值、频率和相位，实现定子侧输出电压恒频恒压；而其控制方法采用矢量控制技术，实现有功、无功功率的独立调节，从而改善风力发电机组和所并电网的动态和静态特性。8上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计在风力发电中采用绕线转子双馈发电系统，可以获得以下的优越的性能1）调节励磁电流的频率可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求，即变速恒频运行。这样可以从能量最大利用等角度去调节转速，提高发电机组的经济效益。2）调节励磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和无功功率。这样不但可以调节电网的功率因数，补偿电网的无功功率需求，还可以提高电力系统的静态和动态性能。3）由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可以更具电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确地调节发电机输出电压，使其能满足要求。4）由于控制方案是在转子电路实现的，而流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，它仅仅是额定功率的一小部分，这样就大大降低了变流器的容量，减少了变流器的成本。212直驱型风力发电系统原理直驱型风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。首先先将风能转化为频率变化、幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流，然后经过三相逆变器变换为三相恒幅交流电连接到电网。通过中间电力电子变化环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪、最大效率利用风能。原理图见22。图22直驱风力发电系统原理图绕线转子双馈发电机系统是目前大型风力发电机系统研究的热点之一，国际上已经出现了兆瓦级绕线转子双馈调速风力发电机系统，但国内在这方面还比较落后，研究还不深入，受限于资料有限。我们小组本次设计方案采用直驱式风力发电系统。9上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计22二极管整流BOOSTPWM221二极管整流BOOSTPWM方式方式和双PWM方式比较图23直驱二极管整流BOOSTPWM方式发电机系统这种方式的优点2BOOST电路不但可以控制直流母线电压，而且也可以对整流电路进行功率因数的校正（PFC），使电机定子电流波形谐波含量降低，同时通过对BOOST电路的电流控制，一定程度上可以对永磁直驱发电机转矩进行简单控制。但这种方式也存在一些缺点这种结构和二极管不控整流一样存在功率的单向流动，不能直接有效的对发电机实施控制。并且当系统功率较大时，大功率的BOOST电路设计困难。222双PWM方式PWM整流器已不是传统一般意义上的ACDC变换器。由于电能的双向传输，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相正阻特性；当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相负阻特性。进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广应用于有源电力滤波器及无功补偿等非整流器应用场合。原理图见24。10上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图24双PWM直驱式风力发电系统双PWM脉宽调制技术使使电机输出的电流波形达到完美无谐波的控制，而且PWM变流器可以四象限运行。采用PWM调制的发电机侧变流器本身具有BOOST升压功能，无需额外的升压电路，发电机可以在很宽的风速范围内运行，有效的提高了系统的风能捕获效率。更为重要的是，这种双PWM结构的变流器功率可以双向流动，这也使发电机的控制变得非常灵活，有更多的先进控制策略可以采用，以提高系统的性能。另外，利用PWM整流器对发电机定子电流进行控制，可以更好的利用永磁同步发电机的特性。因双PWM方式具有明显优势，本设计报告也采用双PWM的方式。图25为本小组所做原理图，而其保护、控制、驱动和检测部分的具体电路原理图，将在下面章节中具体给出，这里只对主电路做出概述。图25双PWM直驱式风力发电系统原理图11上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图26三相PWM波形12上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计3主电路无源参数计算31交流侧电感的设计在此系统设计中，交流侧电感的设计极为重要，因为交流侧的电感取值不仅影响到电流环的动态响应和静态响应，而且还制约着系统的输出功率和功率因数。而交流侧电感的主要作用可以归纳为如下几点3（1）滤除交流侧PWM谐波电流，实现交流侧正弦波电流或一定频带范围内的任意电（2）隔离电网电动势与交流侧电压。（3）获得良好波形，甚至可以实现网侧纯电感、纯电容运行特性。（4）使变流器控制系统获得一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运行。因此可见，交流侧电感对系统的影响是综合性的，而电感的设计要满足以下几个指标根据文献的推导，我们可以得到其电感的取值范围为流波形控制。1满足有功（无功）功率指标；2满足瞬态电流跟踪指标；3满足电压波动指标。2UDC3EMEMTS2UDCL2UDCIMAX3IM其中，UDC为直流侧电压（V）EM为电网电动势峰值（V）TS为一个PWM开关周期（S）IMAX为谐波电流脉动幅值最大允许值（A）IM为交流侧正弦波电流峰值（A）本文中取UDC为564V，为三相整流所得到的最大直流电压；EM取为241V（38011）；取开关频率10KHZ，则TS100US；由于要求谐波小于5，因此IMAX取为5A（5100）；IM取为141A；100。然后计算得到1731MHL8488MH综合考虑，我们这里选择5MH。在仿真章节中，本文将对电感不同的值对输出波形的影响作出比较，并与此处所得的理13上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计论值做出比较，讨论是否相符。32直流侧电容设计直流侧电容主要有以下作用3（1）缓冲交流侧与直流侧的能量交换，稳定直流侧电压。（2）抑制直流侧谐波电压。一般而言，从满足电压控制的跟随性指标来看，直流侧电容应该尽量取的小，从而确保直流侧电压的快速跟踪控制；但是，从满足电压控制的抗干扰性指标来看，直流侧的电容又应该取的尽量大，从而来限制扰动时的直流电压动态降落。可用下式来表示3LRIIM2CRVUDC其中，RI为电流纹波系数IM为交流侧正弦波电流峰值（A）RV为电压纹波系数UDC为直流侧电压（V）本文中根据设计报告要求，RI与RV均为5；IM取为141A；取UDC为564V，为三相整流所得到的最大直流电压。由此计算得到的电容值至少为053F。此电容值较大，实际应用中常为多个电解电容并联，这样同时也可以减小电解电容的等效串联电阻。14上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计4主电路有源参数计算41主要参数计算本次设计的要求有以下几点输入电压三相交流线电压380V（/15）频率30HZ输出电压三相交流线电压380V，频率50HZ最大输出电流100A工作温度050谐波THD5根据要求，可知对于电压，输入电压的线电压380V，带有15的波动，因此有源元件所要承受的正反向电压峰值为UM380115618V当然此外还需要考虑一定裕量。输出电压线电压380V，带有10的波动，所要承受的正反向电压峰值肯定小于输入电压的所要承受的反向电压峰值，因此只要满足输入电压，必定可以满足输出电压，因此无需计算。根据要求，可知对于电流，最大输出电流为100A，考虑两倍的裕量，则有源元件所能此外，所选择的元件还必须满足工作温度可以在050之间，对于这一点，参看一些承受的电流约为200A。IGBT元件的DATASHEET，发现一般元件均能满足这个要求。而谐波要满足THD5。42IGBT介绍IGBT是INSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十KHZ频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT的等效电路如图41，由图41可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极和基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间的电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供15上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图41IGBT的等效电路图42IGBT电气符号给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件。作为大功率电力电子器件，具有开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小等优点。43有源元件的选择基于IGBT以上所述的优点，本文中选择IGBT作为有源元件，并且具体提出选择INFINEON（英飞凌）公司的FF200R12KT3系列IGBT模块作为本文所使用的IGBT。这个IGBT模块是一个半桥结构，如图43所示。查阅其DATASHEET，可以得知，其可以图43FF200R12KT3参考电路图承受的重复峰值电压为1200V。可以承受的直流电流为200A，可以承受的重复峰值电流为400A。并且其可以耐受的温度达到40125。这些均满足本文对有源元件选型参数的需416上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计要。此IGBT模块具体参数可以参见其附录DATASHEET。以下论述围绕此IGBT模块展开，进行应有的保护、驱动和散热等模块的设计。17上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计5有源电路的驱动、保护原理设计51有源电路的驱动设计原理为使主电路中的开关器件能正常地工作，合适的驱动电路非常关键。根据驱动方式的区别，驱动电路主要分为直接驱动与隔离驱动两种不同的模式。由于控制电路与主电路之间具有很大的电压及功率级别的差异，不同功率级别的电路中的器件耐受力差异很大。因此现在的驱动模式以隔离驱动为主，通过将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离以避免大功率电路破坏小功率电路。隔离驱动主要分为电磁隔离与光电隔离两种模式，光电隔离利用光电效应，通过转换光电信号来传递控制信号，具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十KHZ。电磁隔离主要以脉冲变压器作为隔离器件，传递快，共模抑制强。但信号传输宽度有限，且器件体积大笨重，加工复杂。此项设计中所使用的主电路为双边全桥，左边整流，右边逆变。此电路共涉及每边6个，共12个开关管的控制。由于高压端开关驱动须悬浮的独立电压源，所需辅助电源过多，考虑到每一对开关（上下为一对）轮流导通，故采用自举电路进行驱动。图51IR2110介绍在众多IGBT驱动芯片中,IR2110是一种利用自举电路同时控制上下两桥臂开关的芯片，对于本电路较为适合。由于本电路有6对开关管，故共需6个IR2110芯片进行两边全桥的驱动。18上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计IR2110通过利用自举电容与二极管配合完成自举功能。另外需要注意的是，从IR2110引出的SPWM信号由于存在振荡的原因不能直接用于控制IGBT的开、关。对此，我们采用了加入一个并联电阻和二极管回路来消除SPWM正弦调制信号的寄生振荡。如图52所示图52寄生振荡消除电路实际每个IR2110的接线如图53所示，自举功能通过二极管D2与电容C33配合完成，由单片机输出的MSFET控制信号经由11与13号管脚进入控制芯片。图53IR2110实现自举功能的实际电路52有源电路的保护设计原理随着风力发电机组装机容量的不断增大，风力发电系统对电网的影响也越来越大。同样，电网运行状态也对风力发电系统的影响也不可忽视。当电网中发生短路导致过电流、或者电网无功负荷不足导致低电压，都会对风力发电系统的正常运行产生影响，可能会损坏电容和功率器件，甚至造成整个风能系统崩溃。521电网过电流保护下图为过流保护电路。其工作原理如下，U、V两相电流检测信号来自霍尔电流传感器，经测量电阻采样得到10V10V电压，经过运放U22叠加获得W相电流信号，每一相电流19上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计输出到两个比较器，比较器正反相输入端参考电压为5V和5V，对应的检测量为50A和50A电流即过载电流阀值，当三相电流正常时，其对应的电压在5V5V之间，6个比较器输出进与门相与输出为1，经光耦隔离得到OI_ERROR输出为1，保护电路不动作。一旦过流，比较器相与后输出信号为0，经光耦隔离得到OI_ERROR输出为0，发出过流警报信号。这里以U27和U28的输出为例做简单的解释注U27“”端电压为5V；U28“”端电压为5V；当三相电流正常时，即W相电流对应的电压信号在5V5V之间，此时U27比较器输出为1，U28比较器输出为1，同理其余比较器的输出也均为1，则与门输出1，经光耦隔离得到OI_ERROR输出为1，保护电路不动作；当电网中发生短路，出现过电流时，三相电流对应的电压信号至少有一个大于5V或者小于5V，假设W相出现过电流，若电压大于5V，则U27输出为0，若电压小于5V，则U28输出为0，故此时经光耦隔离得到OI_ERROR输出为0，发出过流警报信号，保护电路启动。图54过电流保护522电网欠电压保护当电网电压跌落时，由于变流器热容量有限，输出功率受到限制，变浆等调节措施通常响应较慢，造成变流器输入、输出不平衡，导致直流侧电压上升，会对风力系统造成影响，甚至损伤。目前，最常用的一种保护方式是在直流侧增加保护电路。下图为直流侧保护电路拓补图120上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图55欠电压保护示意图此保护中增加了储能装置，采用能量可以双向流动的DC/DC变化器，能量存储设备可以选用蓄电池或者超级电容。当电网电压跌落时，风力系统输出的多余的能量存储在能量存储设备中，使得直流侧电压降低至跟电网相符合，这样风力系统可继续安全并网运行。当电网电压恢复时，直流侧电压不足由存储设备向电容充电来弥补，使得直流侧电压上升至电网电压，风能系统继续安全并网运行。此存储设备也可以用来为电网提供有功功率。这种保护方式的优点是能量可以再利用，而缺点是需要额外的能量存储设备，增大了结构的复杂程度，提高了系统成本。523电网过电压保护图56过电压保护电路过电压保护的主要目的是设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内。抑制过电压的方法21上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计主要要三种用非线性元件限制过电压的幅值；用电阻消耗产生过电压的能量；用储能元件吸收产生过电压的能量。另外，还可以引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。如图56所示。524浪涌电压保护因为电路中分布电感的存在，加之IGBT癿开关速度较高，当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大癿浪涌电压LDI/DT，威胁IGBT癿安全。可采用如图所示癿RCD缓冲电路。图57浪涌电压保护电路22上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计6控制、检测与保护电路原理设计61控制电路设计611控制系统硬件框图实验系统对控制部分的要求有能够完成对PWM整流器控制所需信号量的采集；DSP应具有较高的运算速度，能够满足对控制算法运算的要求；能够输出六路PWM信号，对系统三相桥臂功率开关管进行控制；保护功能完善，确保主电路器件安全工作等。控制系统硬件框图图61所示5图61控制系统硬件框图612控制芯片介绍目前，DSPDIGITALSIGNALPROCESSORS芯片已经广泛应用于自动控制、图像处理、通信技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域；DSP为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。目前，应用最广泛的DSP芯片是1RI德州仪器公司的产品，占到全球市场的60左右，并广泛应用于各个领域。1MS320U240XA是1RI推出的DSP微控制器产品系列。TMS320LF2407A是这一产品系列最具代表性的产品。与本系列其它芯片相比，TMS320I砣407A片上资源最丰富，并配有外存接口，最多允许用户直接外接64K字的外存。613控制电路主要模块1晶振电路23上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图62所示为晶振电路5。TMS320LF2407A具有锁相环PLL功能，用来从一个较低频率的外部时钟合成片内的时钟。锁相环的倍频可以通过编程实现。将晶振连接到AL1CLKIN和XTAL2引脚之间，内部震荡器能被使能，本控制系统采用有源晶振，与无源振相比有更强的抗干扰性。CLKIN10MHZ，和DSP片内锁相环配合，如果PLL编程得到的倍频为4，那么就可以获得CIKIN3440MHZ的CPU时钟。尽量使用DSP片内PLL，降低片外时钟频率，提高系统的稳定性。图62晶振电路2电源转换单元图63所示为电源转换电路5。本控制系统的输入电压为仅为15V，由于控制系统中的部分芯片需要5V电源，而且LF2407A芯片的供电电压只能是33V，因而需要将15V电源变换为5V和33V作为DSP和外设RAM的电源，并通过电压监测单元实时监测。因此，使用REG111750元件作为15V5V的转换芯片，使用REG111733元件作为5V33V的转换芯片。A15V降5V电路（B）5V降33V电路图63电源转换单元24上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计62PWM波形产生单元在TMS320LF2407A型DSP中，事件管理器可以同时输出8路PWM，其中由3个带可编程死区控制的比较单元产生独立的3对输出信号即6路输出以及GP通用定时器比较产生的两路独立的PWM输出组成5。621PWM产生单元的特性51十六位的数据存储和控制寄存器控制单元；2有从O16“S的可编程死区发生器控制的PWM输出对；3最小死区时间宽度为1个CPU时钟周期；4PWM频率变动可以根据需要改变PWM的载波频率；5在每个PWM周期内，可以根据需要改变PWM脉冲的宽度；6可以屏蔽的功率驱动保护中断；7脉冲形式发生器电路，用于可编程的对称、非对称以及4个空间矢量PWM波形的产生；8自动重装载的比较和周期寄存器使CPU的开销最小。在事件管理器模块中每个比较单元和通用定时器1或定时器3，死区单元及输出逻辑可以在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性的PWM输出。在每个事件管理器模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚。如有需要，每个定时器的比较单元还可以基于它自身的定时器产生一路PWM输出622DSP产生PWM波的原理边沿触发或不对称PWM信号的特性由PWM周期中心不对称的调制脉冲规定，如图64所示，每个脉冲的宽度只能从脉冲的一边开始变化。在图中给出了事件管理器EVA模块下的非对称的PWM信号，需要将通用定时器L设置为连续增计数模式。通用定时器1的周期寄存器中装入了所需要的PWM载波周期的值。COMCONA寄存器中的相应位用来设置比较操作使能，再将选中的输出引脚置成PWM输出并且使能这些引脚输出。如果死区被使能，可以通过软件对相应的死区宽度进行设置。25上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图64不对称PWM波形用软件对PWM工作模式控制寄存器ACTRA进行正确配置之后，与比较单元相关的一个PWM输出引脚上将产生一路正常的PWM信号，与此同时，另一路输出引脚可在PWM周期的开始、中间和末尾处保持低电平或高电平。通用定时器1启动后，比较寄存器在每个PWM周期中可以重新写入新的比较值，以调整用于控制功率器件的导通和关断时间的PWM输出的宽度即占空比发生变化。因为比较寄存器是带影子寄存器的，所以在一个周期的任何时刻都可以将新值写入。同样在周期的任何时刻可以将新值写入到周期寄存器中和比较方式控制寄存器中，以改变PWM周期或强制改变PWM的输出方式。对称PWM信号的产生特性由PWM周期中心对称的调制脉冲规定。对称PWM信号相比于非对称PWM信号，其优势在于它在一个周期内有两个无效的区段。已经证明在交流电机和直流无刷电机中使用正弦波调制时，对称的PWM信号比不对称PWM信号引起的电流谐波成分更小。图65对称PWM波形对称PWM信号的产生与不对称的PWM控制信号的产生相似，唯一的不同之处在于，通用定时器的计数模式应该设置为连续增减计数模式。图65中给出了对称PWM波形。在对称PWM波形发生的一个周期内通常有两次比较匹配一次发生在周期匹配之前的增计数阶段；一次发生在周期匹配之后的减计数期间。新的比较值在匹配之后更新了比较寄存器中的值，从而提前或推迟了PWM脉冲的第二个边沿的到来。26上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计63检测电路设计631电压电流检测电路在VO的出线上装有一个变比为10001的电流互感器和变比为2001的电压互感器。其中，电流互感器的反馈形成系统过电流保护；电压互感器的反馈形成调频调相电路。VO通过电流互感器产生与之成正比的电流。通过测量电流互感器二次侧上电阻R（R10）两端的电压VI，并形成负反馈给DSP2812控制单元，以防止输出电流IO超过设计要求。VI和IO有如下关系VIIOIMAX201000R图65电压电流检测电路VO通过电压互感器（降压变压器）产生与之成正比的电压VOUT。在这里VOUT主要有两个用途同频控制将UREF经过过零检测，接入同一个定时器的另一个通道，使用上升沿触发，可以得到参考电压和逆变电压的频率，通过差值调节SPWM中的周期值从而SPWM波的周期，进而改变逆变电压的频率。F定时器150MHZ，FREF50HZ，则频率误差为150000000FFREF501667105HZF定时REF50频率精度为1F/F999999967同相控制将逆变电压经过过零检测，DSP2812使用上升沿触发，那么两个过零检测之间的时间差就能够通过读取该定时器的计数器的值计算得到，再经过计算得到两个波形之间的相位差，调整步值就能够保持两者波形的相位始终保持一致。相位误差为F定时器360FREFF定时器3605012104海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计相位精度为1/360999999967,根据上述计算结果可知，这样的设计完全可以达到设计题目中所要求的并网条件。632电压过零点检测电路整个系统的运行需要已知电网电压的相位过零点，图65为过零点检测电路，输入为网侧A相电压，当电压为负半周时，C6经D6、D5、R2L充电到15V。在A相电压通过零点进入正半周之后，A相电压由负值变为正值。当正半周电压达到14V左右时，晶体管T4开始导通，C6即通过限流电阻R20、光耦中的LED和T4放电，使该LED点亮。由于T4的集电极电流很大，C6将迅速放电，故光耦中的LED只是短暂地点亮。这意味着T4只是短暂导通。C6的容值为01UF，同步输出端将变低约LMS。改变C6的容值可以改变脉冲时间。输出经电阻分压后接DSP的捕获单元CAP1。图66电压过零点检测电路28上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计7散热设计71热量的来源IGBT模块的热量主要来源于其损耗，而IGBT模块的损耗源于其内部IGBT和二极管芯片的损耗。主要是IGBT和DIODE产生的损耗。IGBT损耗IGBT不是一个理想开关，这体现在1）IGBT在导通时有饱和电压（VCESAT）；2）IGBT在开关时有开关损耗（EON和EOFF）。这两者是IGBT产生损耗的根源，饱和电压造成导通损耗，开关能耗造成开关损耗。导通损耗开关损耗IGBT总损耗。其中IGBT导通损耗与下面三个因素有关1）与IGBT芯片技术有关；2）与运行条件有关与电流成正比，与IGBT占空比成正比，随芯片的结温TJ升高二增加；3）与驱动条件有关随门极电压VGE增加而减小。IGBT开关损耗也与三个因素有关1）与IGBT芯片技术有关；2）与工作条件有关与开关频率、电流、电压成正比，随TJ升高而增加；3）与驱动条件有关随RG的增大而增大，随门极关断电压的增加而减小。图71IGBT模块的温度DIODE损耗DIODE损耗也体现在两个方面1）在正向导通（即续流）时有正向导通电压（VF）；2）在反向恢复过程中有反向恢复能耗（EREC）。正向导通电压造成导通损耗，反向恢复能耗造成开关损耗。导通损耗开关损耗DIODE总损耗。29上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计其中DIODE的导通损耗与下面两个因素有关1）与DIODE芯片技术有关；2）与工作DIODE的开关损耗也与两个因素有关1）与DIODE芯片技术有关；2）与工作条件有关条件有关与电流成正比，与DIODE占空比成正比。与开关频率、电流、电压成正比，随TJ升高而增加。TJTJCTCHTHATA最后得到的热阻的等效模型为图72散热系统热阻的等效电路72常用散热方法主要的散热降温方式有风冷、水冷、热管制冷、半导体制冷、压缩机制冷、液氮制冷等。下面主要介绍前面三种制冷方式。风冷风冷是最常见的散热方法，就是用一块导热性能比较好的散热片（一般是铝或铜）通过特殊的介质（通常是导热硅脂）紧贴住发热量很大的芯片，然后再在散热片上固定一个风扇，不停地产生强劲的风力，把散热片上的热量带走，从而达到对芯片散热的目的。水冷水冷散热也是使用散热片对芯片散热，与风冷不同的是，它是将水管固定在散热片上，当芯片发出的热量传到散热片上后，通过水管中反复循环的水流将热量带走。其散热效果较风冷散热有明显优势，但也存在着较大的弊端首先，由于不停地将散热片上的热量带走，水温会逐渐升高，散热的效果会越来越差；其次就是漏水问题，一旦漏水，后果将不堪设想。虽然水冷散热具有功率消耗较小、工作噪声很小、可以利用多种方式完成散热过程的优势，30上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计但是其安装过程对大多数用户而言过于复杂，这是影响它普及的一个主要因素。热管制冷热管制冷运用了热力学的一条基本原理当有温差存在时，热量必然会从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传至低温部分。热管是将一真空金属管置于散热片中，内置一吸热芯及沸点很低的液体。工作时，由于温度升高，一端的液体吸热汽化，飞速到达管子的另一端，而后因这一端温度较低，从而放热液化，并流回去。这样通过液体在两态之间的变化及在管子两端之间的流动，有效地散去了从芯片吸收的热量，达到了较好的散热效果。但是热管制作成本较高，不易推广。下面我们分三个步骤来对散热器进行设计，首先，我们根据负载情况对模块进行损耗的求取，并通过查阅资料得到的热阻等效电路求取散热器与模块的各点温度，最后根据各点的温升，以及所处的环境条件，来确定最终的方案。73损耗计算目前对于IGBT损耗精确的计算比较困难，工程上一般采用厂家给定的相关参数，采取线性近似的方法来计算IGBT的损耗。在理论计算IGBT模块损耗计算前，先假设电路工作如下条件1）逆变器拓扑结构为三相桥式；2）输出电流为正弦IPIPSINT；3）调制方式为SPWM双极性调制。由此可得损耗计算公式如下IGBT的导通损耗PCOND_IGBTDIODE的导通损耗18M1MRCEIP2COSVCEOIP（71）328PCOND_DIODEIGBT的开关损耗1M1MRDIP2COSVFOIP（72）8328PSW_IGBTDIODE的开关损耗1FSWEONEOFFIPVDE（73）ICNVCENPSW_DIODE其中，M为幅值调制比；1FSWEREC045VIP055DE（74）ICNVCEN；FSW为器件开关频率（KHZ）31上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计；IP为正弦波输出电流峰值（A）；RCE为IGBT导通等效电阻（）；RD二极管导通等效电阻（）；EON、EOFF分别为IGBT额定条件下的导通、关断损耗（MJ）；EREC为DIODE额定条件下的关断损耗（MJ）；VDC为桥臂电压（V）；VFO为二极管门槛电压（V）。VCEN为工作时模块CE上电压（V）第4章节中我们已经选用了FF200R12KT3模块，通过查阅其DATASHEET，并且根据本设计报告的实际参数，可得相关的参数结果如表71。表72损耗计算结果利用上面71至74式计算可得如表72所示的结果。L8649W，定义PTO6PTA6534W，PIGBTPCOND_IGBTPSW_IGBTPDIODEPCOND_DIODEPSW_DIODE2241W。32上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计74散热方式选择及其效果验证散热系统的热阻等效电路如上文中图72所示，TJ_IGBT为IGBT的结温，TJ_DIODE为二极管的结温，RJC_IGBT为单个IGBT结壳的热阻，RJC_DIODE为单个二极管结壳的热阻，RCA为管壳到大气间的热阻，RCS为管壳至散热器的热阻，RSA为散热器到大气间的热阻，TC为IGBT管壳温度，TS为散热器表面温度，TA为环境温度。由散热系统热阻的等效电路推导可得各点温度TSPTOTALRSATATCPTOTALRCSTSTJ_IGBTPIGBTRJC_IGBTTC（75）TJ_DIODEPDIODERJC_DIODETC在72小节叙述的散热方式中，由于风冷设计较为简单，且推广性好，因此本报告采用强制空气冷却的方式来进行散热。而强制空气冷却用散热器的热阻经验公式为RSA650/AC1C2C3（76）其中K为散热器热导率（W/CM2）；D为散热器基板厚度（CM）；A为散热器有效散热面积（CM2）C1为散热器表面状况和安装状态相关的系数，散热器水平安装和垂直安装时的散热效果C2为强迫风冷条件下散热器相对热阻系数；C3为空气换热系数。本文根据文献，选用表面发黑的插片式铝制散热器，散热器热导率K为208W/CM2；散热器垂直安装，取系数C105；采用四个风速为4M/S的轴流风机作为冷却风扇，取系数C204；空气流场以紊流为主，取系数C3012；根据表73散热器参数，利用式76可以计算得到散热器热阻RSA0053/W。表73散热器外形尺寸及相关参数表74FF200R12KT3热阻参数不同；而通过查阅FF200R12KT3的DATASHEET，可以得知表74参数。33上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计假设环境温度TA为25，由以上数据根据式75可以计算得到TS5963TC6616TJ_IGBT7654TJ_DIODE7064而由FF200R12KT3的DATASHEET可知，其可耐受温度达到40125，以上计算得到结点温度在考虑一定裕量的情况也满足要求，因此以上设计的强制风冷散热方案可行。34上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计8仿真81仿真设计及各模块参数811仿真设计图本报告仿真所用软件为MATLAB，其整体结构图见图81。图81仿真整体结构图图中标示了六个模块，为此电路的主要元件，下一小节将对这些模块参数进行说明，并且随后展开的分析也将围绕这些模块进行。图82IGBT模块内部结构图35上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图83PWM生产模块内部结构图图84谐波测量模块结构图812各模块参数1输入电压模块这里根据设计报告要求输入电压三相交流线电压380V（/15）频率30HZ。进行参数配置，具体参数如图82（三个交流电源互差120，此处只列出一个）。图85输入电压模块参数36上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计2PWM模块图86PWM模块参数3IGBT模块图87IGBT模块参数37上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计4电容模块根据计算得到的结果为电容值至少为053F，这里本报告取1F。图88电容参数5电感模块图89电感参数6负荷模块本报告中符合模块根据最大输出功率来设置负荷参数，并按设计要求中相位不超过10，这里本报告就取10计算，所得数据见图87。38上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图810负荷模块参数82仿真结果821输入部分图811输入电压波形39上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图812输入电压谐波波形图813输入电压谐波电压分析结果图814输入电流波形40上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计图815输入电流谐波波形图816输入电流谐波电流分析结果可见，其谐波在经过刚开始的暂态过程后，其谐波满足输入要求。822直流电压部分图817直流电压波形41上海交通大学电子信息与电气工程学院电力电子课程设计由图可见，直流电压波形并不是很好，在下面章节本报告讲讨论电容取值与直流电压波形的关系。823输出部分图818输出电压波形图819输出电压谐波波形42上