【正文】 畢業(yè)論文任務書專 業(yè)：電氣工程及其自動化論 文 題 目：基于MATLAB的單相逆變器并網(wǎng)控制技術仿真研究目 錄1 緒論……………………………………………………………………………………1 課題研究背景及意義………………………………………………………………1 國內外發(fā)展情況 ………………………………………………………………… 2 本課題要解決的問題 …………………………………………………………… 32 單相并網(wǎng)逆變器的總體設計 ……………………………………………………… 3 單相并網(wǎng)逆變器拓撲結構…………………………………………………………3 單相并網(wǎng)逆變器的總體設計及功能劃分…………………………………………5 系統(tǒng)主電路拓撲…………………………………………………………………5 系統(tǒng)總體設計及各組成部分介紹………………………………………………6 單相并網(wǎng)逆變器的基本原理 …………………………………………………… 8 系統(tǒng)主電路參數(shù)設計 …………………………………………………………… 83 并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)硬件設計 ………………………………………………………10 TMS320F2808DSP及開發(fā)環(huán)境CCS介紹 …………………………………………10 并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的硬件設計 …………………………………………………11 輔助電源設計 …………………………………………………………………11 電壓檢測電路的設計………………………………………………………… 12 電流檢測電路的設計………………………………………………………… 13 過零檢測電路設計 ……………………………………………………………13 IGBT驅動電路設計 ……………………………………………………………144 并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的軟件設計 ……………………………………………………14 軟件總體設計 ……………………………………………………………………14 主程序設計 ………………………………………………………………………15 定時器下溢中斷程序設計 ………………………………………………………15 捕捉中斷程序設計……………………………………………………………… 17 故障保護中斷程序設計………………………………………………………… 185 并網(wǎng)逆變器控制策略的研究與實現(xiàn)……………………………………………… 20 SPWM技術簡介…………………………………………………………………… 20 逆變器并網(wǎng)運行時的控制策略分析…………………………………………… 23 并網(wǎng)逆變器的輸出控制……………………………………………………… 23 并網(wǎng)電流控制策略研究……………………………………………………… 24 并網(wǎng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型…………………………………………… 26 PI控制器參數(shù)設計…………………………………………………………… 276 基于SPWM的并網(wǎng)系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真…………………………………… 29 MATLAB簡介……………………………………………………………………… 29 仿真模型的建立………………………………………………………………… 29 模型各部分參數(shù)設置…………………………………………………………… 30 仿真結果………………………………………………………………………… 32 仿真結果分析…………………………………………………………………… 347 結論………………………………………………………………………………… 34參考文獻……………………………………………………………………………… 36致謝…………………………………………………………………………………… 391 緒論 課題研究背景及意義在全球生態(tài)環(huán)境惡化和化石能源逐漸枯竭的雙重壓力下，對新能源的研究和利用已成為全球各國關注的焦點。除水力發(fā)電技術外，風力發(fā)電是新能源發(fā)電技術中最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)和最有商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式[1]。我國的并網(wǎng)風電在“十五”期間也得到迅速發(fā)展。到2005年底，全國風電裝機總容量為126萬千瓦，居世界第十位。到“十一五”末期，全國總裝機容量將達到500萬千瓦。中國將成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風力發(fā)電的主要市場之一[2]。隨著風電場的容量越來越大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯，研究風電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響已成為重要課題[3]。據(jù)了解，大部分的新能源直接產(chǎn)生的能量通常是不穩(wěn)定的，他們在并網(wǎng)時如果不加控制和調節(jié)，就會對電網(wǎng)造成沖擊，同時為了保證將盡可能多的有功能量送入電網(wǎng)，在新能源發(fā)電系統(tǒng)中還要加上儲能環(huán)節(jié)，這些過程都需要利用變流技術對其進行控制，因此新能源在從其原始狀態(tài)轉化到可供人們實際應用的電能過程中與變流技術是密不可分的。比如說，在風力發(fā)電系統(tǒng)中，風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電池充電，使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源，把電池里的化學能轉變成交流電并入電網(wǎng)，才能保證穩(wěn)定使用。在這次仿真研究中，我主要就單相逆變器并網(wǎng)控制技術的工作原理學習了解，并設計一種基于DSP控制的單相逆變器。作為新能源發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的接口設備，并網(wǎng)逆變器是研究熱點之一。目前并網(wǎng)逆變器從組成結構和單機容量來看，主要分為單級變換和雙級變換兩種。其中單級式并網(wǎng)逆變器，將直流電直接經(jīng)過一級直交變換并網(wǎng)。雙級式并網(wǎng)逆變器，由DC/DC升壓和DC/AC逆變兩級變換構成，一般用于直流側電壓較低、單機容量較小的場合[4]。隨著系統(tǒng)的容量增大，單個逆變器的容量已經(jīng)不能滿足要求。為了提高系統(tǒng)的功率、可靠性和效率，逆變器可以并聯(lián)運行，這又不可避免的產(chǎn)生了環(huán)流，導致輸出電流畸變，同時使負載不平衡，從而損害整個系統(tǒng)的性能[5]。由于本次研究主體是對于風力發(fā)電系統(tǒng)中的單相逆變器并網(wǎng)運行，所以必須得兼顧一些風電行業(yè)必須面對的問題與挑戰(zhàn)。由于我國的風電并網(wǎng)采用“大規(guī)?！呒小唠妷骸h距離輸送”與歐洲的“分散上網(wǎng)、就地消納”并網(wǎng)方式不同，所以對于電能并網(wǎng)的穩(wěn)定性和應急能力有極高的要求[6]。而逆變器則在其中擔任了及其重要的位置。 國內外發(fā)展情況伴隨著世界范圍內開發(fā)利用新能源的熱潮，很多國家都紛紛研發(fā)了光伏發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。人們對可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的技術進行了大量的研究，并使得該技術得到了迅速的發(fā)展和應用[7]。目前廣泛應用于可再生能源回饋電網(wǎng)系統(tǒng)中的方案是：首先將可再生能源轉化成電能的形式，然后將電能調節(jié)成滿足正弦波脈寬調制SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）全橋逆變器需要的直流電壓，最后經(jīng)SPWM全橋逆變器將可再生能源回饋給交流電網(wǎng)。在整個系統(tǒng)中最主要的就是逆變器，它采用的是SPWM逆變技術[8]。在理論和實踐上，這種方案能夠滿足新能源回饋電網(wǎng)的要求，但由于該方案使用了同步、鎖相（PLL）、SPWM脈沖發(fā)生器、低通濾波等諸多模擬環(huán)節(jié)，而且控制方法比較落后，因此使得并網(wǎng)逆變裝置的控制繁瑣，電路復雜，可靠性低，硬件成本高，并網(wǎng)效果不是十分理想，產(chǎn)品價格昂貴，應用得到限制[9]。但是，隨著世界各國對可再生能源開發(fā)重視程度的不斷提高，針對并網(wǎng)逆變器的技術研究也越來越多，人們對以往控制技術的不足，紛紛提出了很多的研究方向，大體可以分為以下幾個方向：1并網(wǎng)逆變器的拓撲分類及控制方法的研究目前研究人員提出針對不同的系統(tǒng)要求，逆變器應該有著各種不同的拓撲結構，對于功率較小的并網(wǎng)逆變器可以采用高效、低成本的單級變換器，而多級逆變器變換結構可以使用在大功率、寬電壓范圍的輸入的應用場合[10]。除此以外，逆變器的拓撲結構中還包括單相、三相；隔離、非隔離；功率單向流動、雙向等各種形式 [11]。例如，并網(wǎng)逆變器采用雙向功率流動的拓撲，在并網(wǎng)工作時，既可以向電網(wǎng)提供電能，同時也可以當電網(wǎng)電能富足時，從公用電網(wǎng)吸收電能，并將其儲存起來。因此各種拓撲可以分別使用在不同的場合，并且這些拓撲結構可以相互組合成各種不同的形式，以滿足各種要求。在控制方法上，隨著各種高速的數(shù)字信號處理器DSP（Digital Singnal Processor）的出現(xiàn)，將先進的數(shù)字控制應用到并網(wǎng)逆變器的控制中的研究將到達理想的控制效果，這也是目前研究高性能并網(wǎng)逆變器的一個特點[12]。2逆變器并網(wǎng)控制技術的研究研究人員認為作為一個功能完整的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，其工作模式應比通常的獨立逆變器更為復雜，它不僅可在無市電接入時獨立作為電壓源逆變，也能在并網(wǎng)時作為電流源工作[13]。針對這些要求，在逆變器并網(wǎng)控制技術上提出了以下幾個方面的研究方向：逆變器兩種工作模式的無縫切換技術[14]；逆變器工作過程中的同步鎖相和電壓跟蹤技術[15]；并網(wǎng)工作下的防孤島技術[16]。達到并網(wǎng)電壓、電流諧波標準的閉環(huán)控制技術[17]。3多臺并網(wǎng)逆變器并聯(lián)技術的研究多臺逆變器并聯(lián)可實現(xiàn)大容量供電和冗余供電，因而被公認為當今逆變技術發(fā)展的重要方向之一[18]。多臺逆變器并聯(lián)實現(xiàn)擴容可大大提高系統(tǒng)的靈活性，使系統(tǒng)的體積重量大為降低，同時其主開關器件的電流應力也可減少，從根本上降低成本和提高功率密度及系統(tǒng)可靠性[19]。 本課題要解決的問題設計一種基于DSP控制的單相并網(wǎng)逆變器。采用電壓型逆變器電流控制的方式, 引入固定載波頻率的SPWM 強迫電流跟蹤和軟件鎖相等技術, 控制逆變器輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的并網(wǎng)電流, 實現(xiàn)可再生能源以高功率因數(shù)回饋電網(wǎng)。2 單相并網(wǎng)逆變器的總體設計 單相并網(wǎng)逆變器拓撲結構并網(wǎng)逆變器的拓撲結構有很多形式，拓撲結構不同，具有的特點不同，相應的控制方法也不盡相同，所以要先確定符合設計要求的拓撲，然后再展開相關研究。拓撲結構對逆變器的各種性能指標有很大影響，逆變器的效率和制造成本都與拓撲有關。風力發(fā)電系統(tǒng)在選擇并網(wǎng)逆變器的拓撲時，主要考慮如何降低成本、提高效率，而且由于逆變器輸入的直流電壓存在波動，所以要求選擇的拓撲能承受各種實際運行中存在的問題[11]。另外，對逆變器的輸出也有要求，比如輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相、功率因數(shù)為1等等。根據(jù)逆變器輸出相數(shù)的不同，可以劃分為單相逆變器、三相逆變器：根據(jù)直流輸入端儲能元件的不同，又可以分為電壓型并網(wǎng)逆變器和電流型并網(wǎng)逆變器[12]。本文重點研究單相電壓型并網(wǎng)逆變器，電壓型逆變器最大的特點是在直流輸入側并聯(lián)濾波電容以穩(wěn)定直流輸入電壓，輸入可看成恒壓源，通過控制開關管動作，在輸出端生成一列幅值固定、脈寬變化的方波電壓。 單相電壓型并網(wǎng)逆變器拓撲，與電壓型相比，直流側不再并聯(lián)電容，而是串接一個電感，輸出側采用LC濾波器，用來濾除輸出電流中的高頻開關諧波。開關管由可控器件與二極管串聯(lián)構成，一方面可以阻斷反向電流，同時有利于提高耐壓。在實際應用中，較少采用電流型并網(wǎng)逆變器，這是因為大多數(shù)供電電源都屬于電壓型，另外輸入級串聯(lián)電感不論在價格還是體積上都不如電容，另外所串聯(lián)的二極管會產(chǎn)生損耗，影響效率。但它也有自己的優(yōu)勢，那就是不要求直流電壓必須高于網(wǎng)側電壓峰值，低于電網(wǎng)電壓也能工作，這省去了中間DC/DC升壓環(huán)節(jié)的開銷，且采用電感更加耐用，不經(jīng)常更換，可靠性會提高很多，所以科研人員對電流型并網(wǎng)逆變器也作了大量研究[13]。另外可以依據(jù)逆變器的輸入和電網(wǎng)之間有沒有電氣聯(lián)系，是否隔離，將逆變器分為隔離型的和非隔離型的：根據(jù)逆變器采用幾級拓撲，可以將逆變器分為單級式、兩級式和多級式逆變器。 單相電流型并網(wǎng)逆變器拓撲 單相并網(wǎng)逆變器的總體設計及功能劃分 系統(tǒng)主電路拓撲根據(jù)系統(tǒng)設計要求，本文采用單相電壓型逆變器結構，逆變電路采用單相全橋結構，逆變器輸出由電感濾波后并網(wǎng)。 單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)主電路拓撲圖 系統(tǒng)總體設計及各組成部分介紹本文設計的并網(wǎng)逆變器功率為10kW，從圖中可以看出，并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)主要有以下幾個部分：輔助電源電路、主控單元、逆變驅動電路、信號采樣調理及故障檢測電路、濾波電路、通訊接口電路。各部分作用不同，分工協(xié)作，組成一個整體。直流母線 控制 保護 單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)組成框圖，現(xiàn)將系統(tǒng)各個模塊的具體功能分別作介紹：1. 輔助電源電路穩(wěn)定的電源是整個系統(tǒng)正常工作的前提條件，所以電源的設計通常是系統(tǒng)設計的第一步。要求輔助電源電路為DSP芯片、各種有源器件提供可靠的供電，本系統(tǒng)設計的輔助電源，從直流輸入取電，采用控制芯片UC3844，經(jīng)變壓器產(chǎn)生四路相互隔離的電源。2. 主控單元主控制器部分的設計是系統(tǒng)設計中最關鍵的部分，主控單元的性能直接影響系統(tǒng)各項控制指標，經(jīng)過對各種控制芯片的比較，最終選擇TI公司DSP（TMS320F2808）芯片。，具體描述如下：（1）產(chǎn)生IGBT驅動信號；（2）對電網(wǎng)電壓完成鎖相，產(chǎn)生同頻同相的基準信號；（3）完成對反饋電流信號的控制；（4）實現(xiàn)系統(tǒng)保護功能；（5）實現(xiàn)人機交互。 主控單元模塊功能3. 逆變驅動電路逆變驅動電路的設計直接影響開關管的通斷，驅動電路的作用主要有：（1）放大PWM驅動信號，驅動逆變橋正常工作；（2）將四路PWM驅動信號彼此隔離，沒有電氣聯(lián)系；（3）通過光耦將控制電路與主電路電氣隔離。4. 信號采樣調理及故障檢測電路為實現(xiàn)逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要對一些信號進行實時采樣，再經(jīng)過適當調理后送入DSP處理。當系統(tǒng)故障時，要求逆變器能迅速作出反應。需要采樣的信號經(jīng)采樣電路送入DSP中，主要包括以下信號：（1）直流母線電壓采樣；（2）直流電流采樣；（3）電網(wǎng)電壓信號，需要測出幅值、頻率及相位；（4）并網(wǎng)電流信號；（5）逆變器溫度信號檢測；（6）繼電器開關信號。采樣調理電路要保證采樣信號的準確性，為系統(tǒng)正常工作提供各種參數(shù)，正確的參數(shù)是實現(xiàn)有效控制的前提。保護檢測電路要能夠保證系統(tǒng)的可靠運行，必須有可靠的靈敏性，反應要迅速準確。5. 濾波電路為保證逆變器輸入輸出信號都