电流控制两态调制逆变器的研究

1、题目：电流控制两态调制逆变器的研究题目：电流控制两态调制逆变器的研究设计姓名：设计姓名： 徐海鹰徐海鹰专业：电气工程及自动化专业：电气工程及自动化 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

2、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

3、系统开发的手段。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。课题的任务、目的与意义课题的任务、目的与意义 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

4、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。 第一章 绪论 1.前言1.11.1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

5、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4060，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

6、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

7、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。1.2逆变并网器作用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

8、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

9、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，从而达到理论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

10、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。、 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

11、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20500kHz，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

12、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，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。 2.2 2.2直流母线电压直流母线电压PIDPID控制器设计控制器设计作为直流母线作为直流母线400400电压必需具有一定的稳定性，不应该随着负载的变化或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

13、念。反馈理论的要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，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。用这个误差纠正调节控制系统的响应。 2.2对原始资料的分析从原始资料和文献（4）可以知道，本电厂属于地区性供热火力发电厂，一期建成后装机容量为700MW，二期建成后总装机容量为1400MW，建成后与周边的几个电厂形成区域电网。该电厂的发电量除了本厂厂用电剩余的电力向系统供电，因此，本电厂在系统中有重要作用。电厂是否安全、可靠运行直接影响该地区的经济效

14、益，可见该电厂的重要性。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 =，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，则将Td 按经验值或按=（1/31/4）设置，并由小到大加入。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

15、邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期。 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。 2.4数字滤波器

16、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

17、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501Hz，故有用信号频率为501Hz，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=3dB、阻带衰减

18、=40dB。参数意义见图2-5。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。4.1TMS320F2812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5.3同步锁相设计同步锁相的设计是为了使得逆变并网器产生电压频率、相位与电网电压信号频率相位

19、相同。因此首要解决的就是同频，本设计使用外部中断捕获获取电网电压过零信号，同时可以得到电网电压频率，在乘以查询表点数，即调制信号变化周期=250*。本设计采用TMS320F2812硬件捕获单元，获取电网频率，在一个捕获单元使能后，在对应的输入检测到指定的跳变时，所选择的GP定时器的计数值将自动转入相应的FIFO堆栈，同时如果有一个或多个有效地捕获值存储到FIFO堆栈里（CAPxFIFO位值不等于0），那么将会使相应的中断标志位置位。如果标志位没有被屏蔽，那么将产生一个外设中断请求。每次一个新的计数值被捕获到且存入FIFO堆栈时，CAPFIFOx寄存器相应的位将发生改变。从捕获单元输入引脚发生跳变到所选GP定时器的值被锁存所需的延时间为两个CPU时钟周期（不包括限制电路的额外延时）。复位事件产生时，所有捕获单元的寄存器都被清零。当捕获单元已经执行了一个捕获，而且至少有一个有效值存放在FIFO中，相应的中断标志位将置位，此时如果中断没有被屏蔽，一个外设中断请求将产生。因此，使用