【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 效值為48V的三相全橋整流電路整流得到直流源，其頻率為300Hz，最大波動(dòng)幅度上下20%，此處用于模擬一種不理想的電源情況，來驗(yàn)證三種負(fù)載工作模式的功能。升壓原理前文已經(jīng)討論過，其中電感L1的作用是電壓泵升，L1值設(shè)計(jì)過小達(dá)不到升壓要求，過大則會(huì)導(dǎo)致電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間過長(zhǎng)；電容C1起到儲(chǔ)能和電壓保持的作用，C1過小導(dǎo)致容量受限，過大對(duì)電壓的變化阻礙較大；C2的作用為實(shí)現(xiàn)MOSFET2的零電壓開通關(guān)斷，不宜過大；電感L2作用是穩(wěn)定輸出電流，宜選擇比較大的電感值。這些參數(shù)的選取都要比較適中，因?yàn)楹汶娏髂Ｊ揭箅娏鞅容^穩(wěn)定，恒阻抗模式要求電流跟蹤電壓的變化，而恒功率模式卻要求電流變化趨勢(shì)與電壓相反，這些都是由一套電路參數(shù)得到的，故選值時(shí)須兼顧三種情況做出比較合理的判斷。此外，電阻R為設(shè)想的后級(jí)逆變電路的等效阻抗，通過合理計(jì)算選取適當(dāng)值。參考電流的大小由升壓時(shí)開關(guān)管占空比確定為一個(gè)范圍。具體參數(shù)設(shè)置如下：首先為了滿足升壓比，MOSFET1的占空比被限制在一定的范圍，這就導(dǎo)致輸出電流的恒流也隨之會(huì)有一個(gè)下限，本系統(tǒng)為35A，所以本系統(tǒng)的功率等級(jí)為至少1500W，如此輸出電流約在5A左右。電感L1需要滿足兩個(gè)條件：即使輸入電流連續(xù)和滿足電壓泵升要求。根據(jù)電流連續(xù)的條件可以得到： 其中E是直流電源電壓（取48V），是開關(guān)管MOSFET1的占空比（），T是開關(guān)管MOSFET1的工作周期（），為電源輸出最小功率值（取1500W），此時(shí)可以得到，此外，在恒流模式下，還需要保持電流的波動(dòng)在2%以下，電感電流的波動(dòng)公式為： 其中為輸入電流的波動(dòng)幅度，按照設(shè)計(jì)要求為：，經(jīng)計(jì)算得。但是這是恒流模式下的要求，恒阻抗、恒功率控制模式下電感要小一些。電容C1上的電壓在計(jì)算時(shí)可以近似等效為輸出電壓Ud，根據(jù)輸出電壓品質(zhì)要求可以得到： 其中為電源輸出最大功率（取2000W），為取350V，為電容電壓波動(dòng)幅度（取15V），可以得到。電感L2用來限制輸出電壓（電流）的紋波的，需要滿足： 其中為輸出電流波動(dòng)幅度（?。?，所以得到。電容C2為緩沖電容，用于實(shí)現(xiàn)MOSFET2的軟關(guān)斷，不必過大，取。綜合以上的分析和計(jì)算，最終確定參數(shù)如下：（恒阻抗、恒功率模式下要小些），電容C1為1200μF，電容C2為1μF。此外，后一級(jí)逆變電路的等效電阻R確定時(shí)令系統(tǒng)的功率等級(jí)在1500W2000W，當(dāng)輸出電壓為Ud=350V，此時(shí)對(duì)應(yīng)輸出電流，則計(jì)算出等效電阻阻值約為： 則將輸出等效阻抗設(shè)置為70Ω。此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)基本確定下來。 三種控制策略的電路分析圖27直流升壓電路恒流模式控制策略如圖27為恒定電流模式下的控制電路，MOSFET1通過反饋偏差信號(hào)控制導(dǎo)通關(guān)斷達(dá)到穩(wěn)定輸入電流為期望值的目的；MOSFET2的應(yīng)用做出一定的改進(jìn)，將輸出電壓作為控制對(duì)象采用與控制電流相同的控制策略來得到相對(duì)穩(wěn)定的直流母線電壓。其中PID參數(shù)的設(shè)定主要是依據(jù)輸出的電流電壓波形進(jìn)行調(diào)整，通過Kp、Ki參數(shù)優(yōu)化輸出的靜態(tài)特性和響應(yīng)時(shí)間。在本次設(shè)計(jì)中兩個(gè)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置為Kp=1，Ki=。圖28 直流升壓電路恒阻抗模式控制策略如圖28為恒定阻抗模式下的控制電路，其作用原理與恒流模式基本相同，區(qū)別之處在于此處的參考電流不再是定值，而是由電源電壓采樣值與期望等效阻抗值Ro相除的結(jié)果，其他電路原理及參數(shù)與恒流模式完全相同，不再贅述。如圖29為恒定功率模式下的控制電路，其作用原理也和恒流模式基本相同，圖29直流升壓電路恒功率模式控制策略區(qū)別之處在于此處的參考電流是由期望功率值Po除以電源電壓采樣值的結(jié)果，這樣一來電源的電壓和電流呈相反趨勢(shì)變化，其他電路原理及參數(shù)與恒流模式完全相同，不再贅述。 直流升壓電路整體Simulink仿真驗(yàn)證為了驗(yàn)證所選方案的正確性和可行性，針對(duì)本文中設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)與控制策略，采用Matlab仿真軟件中的Simulink工具進(jìn)行了仿真研究。Matlab軟件在對(duì)系統(tǒng)級(jí)的仿真中有著很大的優(yōu)勢(shì)，仿真速度和準(zhǔn)確度都比較突出。其中Simulink是一個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)和離散數(shù)學(xué)模型，或者是兩者混合的模型。運(yùn)用Simulink工具搭建的電容儲(chǔ)能型Cuk電路仿真模型，現(xiàn)以恒流模式為例如圖210所示。圖210 以恒流控制為例的電容儲(chǔ)能型Cuk電路模型如圖211所示為測(cè)試電源在仿真時(shí)搭建的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，原理為6個(gè)相位依次差的正弦波取最大值等效得到的。圖211 等效電源的內(nèi)部拓?fù)浒凑丈衔牡膮?shù)設(shè)定進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果波形如圖212所示。圖212 恒流模式電路的電源電壓、輸出電壓、輸入電流仿真波形仿真波形第一行為電源電壓波形（單位：V），即模擬有效值為48V的三相整流電路得到的直流源；第二行為輸出電壓（單位：V），可見本電路可以在期望輸入電流特定值時(shí)將輸出電壓控制在350V，上下波動(dòng)小于5%；第三行為輸入電流波形（單位：A），由結(jié)果可見，輸入電流基本可以在電壓波動(dòng)的情況下穩(wěn)定在設(shè)定的期望電流值附近，上下波動(dòng)不超過2%。得到結(jié)果的不足之處在于系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用的調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)，這也是為了兼顧系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性誤差在要求范圍內(nèi)導(dǎo)致的。除此之外，幾乎所有性能指標(biāo)均能符合標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了電路結(jié)構(gòu)和控制策略的可行性。圖213 恒阻抗模式電路的電源電壓、輸出電壓、輸入電流仿真波形如圖213所示為恒阻抗模式下的波形結(jié)果，此處可以清晰看到第三行的輸入電流與第一行的電源電壓呈現(xiàn)相同趨勢(shì)的變化規(guī)律，這樣確保了二者的商即電源的輸出等效電阻為一定范圍內(nèi)的恒定值。將二者相除得到的電源阻抗波形（單位：Ω）如圖214所示。圖214 恒阻抗模式電路的電源接等效阻抗波形可見等效電阻阻值總體上來說比較穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)時(shí)上下波動(dòng)控制在2%之內(nèi)，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，能夠達(dá)到恒定阻抗控制模式的功能，驗(yàn)證了電路結(jié)構(gòu)和控制策略的可行性。圖215 恒功率模式電路的電源電壓、輸出電壓、輸入電流仿真波形如圖215所示為恒功率模式下的波形結(jié)果，此處可以清晰看到第三行的輸入電流（單位：A）與第一行的電源電壓（單位：V）呈現(xiàn)相反趨勢(shì)的變化規(guī)律，這樣確保了二者的乘積即電源的輸出功率（單位：W）為一定范圍內(nèi)的恒定值。將二者相乘得到的電源功率（單位：W）波形如圖216所示。圖216 恒功率模式電路電源的輸出功率波形可見輸出功率總體上來說也比較穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)時(shí)上下波動(dòng)控制在2%之內(nèi)，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了電路結(jié)構(gòu)和控制策略的可行性。本章首先對(duì)四種典型的直流升壓電路拓?fù)渥鞅容^分析，在了解各電路的原理基礎(chǔ)上比較優(yōu)缺點(diǎn)，然后根據(jù)本次設(shè)計(jì)需求確立了電容儲(chǔ)能型Cuk電路作為系統(tǒng)的前級(jí)拓?fù)?，確定了電路元器件參數(shù)；其次設(shè)計(jì)了三種負(fù)載模式的控制策略，搭建了控制電路模型并分析其作用原理；最后對(duì)整個(gè)前級(jí)電路做了基于Matlab軟件Simulink的仿真分析，得到了仿真波形，對(duì)電路結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了可行性。第3章 逆變并網(wǎng)電路的設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器的作用就是接在前級(jí)直流升壓電路上，將得到的直流電壓變換成交流電，同時(shí)完成將直流母線輸出的功率并在電網(wǎng)上向電網(wǎng)輸送功率的目的。此外，為了實(shí)現(xiàn)更好的逆變并網(wǎng)，并網(wǎng)電流的品質(zhì)須符合并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)逆變器的要求[22]：(1) 正常運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)接口處的電壓允許偏差應(yīng)符合GB/T 12325的規(guī)定，為額定電壓的+7%、10%；(2) 系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)應(yīng)與電網(wǎng)同步運(yùn)行。電網(wǎng)額定頻率為50Hz，系統(tǒng)并網(wǎng)后的頻率允許偏差應(yīng)符合GB/T 15945的規(guī)定，；(3) 并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出應(yīng)有較低的電流畸變，以確保對(duì)連接到電網(wǎng)的其他設(shè)備不造成不利影響。其中，總諧波電流應(yīng)小于逆變器額定輸出的5%。各次諧波也應(yīng)有一定的限制；(4) 當(dāng)并網(wǎng)逆變器的輸出大于其額定輸出的50%時(shí)，；(5) 系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器向電網(wǎng)饋送的直流電流分量不應(yīng)超過其交流額定值的1%。為了實(shí)現(xiàn)上述目的和標(biāo)準(zhǔn)，則需要設(shè)計(jì)合理的逆變電路結(jié)構(gòu)和控制策略。 并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖31 逆變器電路結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)并網(wǎng)選擇單相全橋逆變器，如圖31所示。單相全橋逆變電路是逆變并網(wǎng)時(shí)應(yīng)用最多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路原理簡(jiǎn)單，由3組開關(guān)管和4組開關(guān)管交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)化成交流電，幅值為直流母線電壓值的方波。此電路不足之處在于所用電路元器件比較多，但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠并且易于實(shí)現(xiàn)各種功能，故將其作為逆變電路的主體結(jié)構(gòu)。功率MOSFET管雖然具有開關(guān)頻率高、正溫度系數(shù)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但在逆變器的設(shè)計(jì)中，由于輸出濾波電感的作用，使續(xù)流時(shí)間長(zhǎng)，容易使MOSFET燒壞。因此選用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為開關(guān)元件設(shè)計(jì)逆變器電路。 濾波器的選擇單相全橋逆變電路輸出的是等效電網(wǎng)正弦電壓的SPWM波，含有較大的與IGBT開關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波，不能滿足直接并網(wǎng)的電流品質(zhì)要求，所以需要加一個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)。此外，濾波器還具有相位、有功無功交換等作用，做出歸納如下[23,24]： (1) 影響并網(wǎng)電流閉環(huán)控制的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)，而且制約著并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率、系統(tǒng)功耗、直流電壓等；(2) 可以隔離電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的逆變電壓，通過控制逆變器輸出電壓的幅值和相位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流幅值和相位的控制；(3) 濾除逆變器輸出的高頻諧波電流，從而實(shí)現(xiàn)交流側(cè)正弦波電流，保證單位功率因數(shù)的并網(wǎng)輸出；(4) 在保證獲得良好的并網(wǎng)電流波形同時(shí)，還可以根據(jù)需要向電網(wǎng)輸送無功功率使并網(wǎng)系統(tǒng)獲得了一定的阻尼特性，有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。比較簡(jiǎn)單的濾波器比如單電感濾波器就具有一定的濾波效果，使用一個(gè)電感L就可以在一定程度上減小電路中流過電流的波動(dòng)。但是這種單電感結(jié)構(gòu)對(duì)于高頻諧波的濾除能力較差，不能滿足系統(tǒng)要求。所以本系統(tǒng)采用LC型濾波器，如圖32所示。圖32 LC型濾波器結(jié)構(gòu)圖LC型濾波器既有很好的電流——電壓轉(zhuǎn)化性能，又有很好的去噪能力，常在獨(dú)立供電中使用。下面討論有關(guān)LC濾波器的設(shè)計(jì)問題，電感L的作用是抑制逆變器產(chǎn)生的高次諧波通過，電容C為逆變器產(chǎn)生的高次諧波提供旁路。理論上，只要L和C的值足夠大，就可以使輸出電壓波形非常接近正弦波，但是，高壓逆變器的輸出濾波器必須綜合考慮基波壓降、有功損耗、電流諧波和諧振等問題，所以必須合理設(shè)計(jì)L和C的值，以達(dá)到期許的目的。系統(tǒng)的諧振頻率為，逆變器輸出電壓的基波頻率必須避開這一頻率；同時(shí)與開關(guān)頻率相關(guān)的載波頻率必須大于這一頻率，從而通過一個(gè)低通濾波器將諧波濾除?？紤]到一定的裕量，設(shè)計(jì)諧振頻率需要滿足： 其中基波頻率為50Hz，等效載波頻率設(shè)為8kHz，帶入式中得到： 進(jìn)一步化簡(jiǎn)得到： 綜合考慮最終設(shè)定電容C為300μF，電感L為1mH。 并網(wǎng)側(cè)變壓器的應(yīng)用經(jīng)過濾波器得到的正弦電流已經(jīng)符合并網(wǎng)要求，但是由于安全原因不能直接接在電網(wǎng)上，而是需要有電氣隔離。所謂電氣隔離，就是使兩個(gè)電路之間沒有電氣上的直接聯(lián)系。即，兩個(gè)電路之間是相互絕緣的，同時(shí)還要保證兩個(gè)電路維持能量傳輸?shù)年P(guān)系。這里采用普通雙繞組變壓器來實(shí)現(xiàn)電氣隔離。普通雙繞組變壓器的一、二次側(cè)所連接的電路之間是絕緣的。因此可以說，雙繞組變壓器的一、二次側(cè)所連接的電路處于電氣隔離狀態(tài)。其隔離原理就是變壓器的工作原理，是利用電磁感應(yīng)定律工作的原理。變壓器工作時(shí)，一次繞組通入交流電后，將在其鐵心中產(chǎn)生交變磁通，交變磁通又將在一、二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)后就可向二次電路提供交流電壓，當(dāng)二次繞組帶負(fù)載后有電流流過時(shí)，將對(duì)磁路的磁通產(chǎn)生影響，從而引起一次繞組的電流發(fā)生變化。雖然變壓器的一、二次繞組之間沒有直接的電氣連接，但通過其磁路中的磁通變