【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 到一致；同時(shí)調(diào)頻調(diào)相法是將調(diào)頻調(diào)相同時(shí)進(jìn)行，即通過調(diào)頻實(shí)現(xiàn)調(diào)相，調(diào)頻的同時(shí)能過實(shí)現(xiàn)調(diào)相，使頻率和相位同時(shí)與輸入達(dá)到一致[27]。本文先使用指針歸零法，然后再作改進(jìn)。本文利用DSP2808內(nèi)部eCAP模塊的eCAP 1來捕獲電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)。電網(wǎng)電壓過零信號(hào)通常由過零比較電路產(chǎn)生，過零比較電路產(chǎn)生電網(wǎng)電壓同步方波信號(hào)送入eCAP 1，當(dāng)eCAP 1檢測(cè)到過零信號(hào)的上升沿時(shí)，觸發(fā)eCAP 1中斷，并將此時(shí)間點(diǎn)作為正弦基準(zhǔn)信號(hào)的起點(diǎn)，即正弦表指針復(fù)位到零，則實(shí)現(xiàn)了鎖相功能；每次定時(shí)器下溢中斷觸發(fā)時(shí)，正弦表指針便增加1位，將表中對(duì)應(yīng)的正弦值賦給變量在主程序中計(jì)算SPWM波的占空比。發(fā)生定時(shí)器下溢中斷時(shí)，為了對(duì)發(fā)生中斷的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以設(shè)置一個(gè)變量n，在eCAP 1再次捕獲到電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)時(shí)，首先判斷n是否超出頻率正常范圍，設(shè)定頻率正常范圍為49Hz～51Hz，則n的正常范圍為196～204，然后比較變量n和載波比N，如果n=N，說明頻率相同，定時(shí)器周期值不變；如果變量n≠N，定時(shí)器周期值改為，式中T*為根據(jù)前一個(gè)載波周期算出的新的載波周期，并將該值賦給周期寄存器，用于計(jì)算下一個(gè)正弦周期SPWM波的占空比。經(jīng)過以上步驟，調(diào)制波頻率變化，對(duì)應(yīng)改變載波頻率，保證載波比不變，還能實(shí)現(xiàn)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相[28]。同步鎖相的實(shí)現(xiàn)主要依靠?jī)蓚€(gè)中斷配合實(shí)現(xiàn)，定時(shí)器下溢中斷和上升沿捕捉中斷。 故障保護(hù)中斷程序設(shè)計(jì)在上主電之前，通常要先做好系統(tǒng)的保護(hù)。IPM模塊本身具有故障保護(hù)功能，為了更好的實(shí)現(xiàn)保護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性，硬件上使用了三態(tài)門LVXC3245，可以通過控制OE端控制PWM的輸出，OE端拉高時(shí)，可以封鎖PWM輸出。軟件設(shè)計(jì)時(shí)加入了故障保護(hù)中斷，配合硬件電路，一旦產(chǎn)生故障信號(hào)，比如出現(xiàn)過壓、過流、短路等故障時(shí)，IPM發(fā)出故障信號(hào)，觸發(fā)故障中斷，封鎖脈沖，斷開繼電器。保護(hù)中斷要求響應(yīng)迅速。 N Y N Y 上升沿捕捉中斷流程圖 故障保護(hù)中斷流程圖5 并網(wǎng)逆變器控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能要并入電網(wǎng)，電壓幅值、頻率、功率因數(shù)等都需要滿足公共電網(wǎng)的要求，但是隨著風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，這就會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出的電能不能滿足電網(wǎng)要求，所以很有必要在風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間引入電力電子整流逆變裝置，通過對(duì)該裝置的控制使最終輸出的電能滿足電網(wǎng)要求，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。 SPWM技術(shù)簡(jiǎn)介PWM控制技術(shù)，也稱脈寬調(diào)制技術(shù)，顧名思義，就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。脈寬調(diào)制利用的是面積等效原理，上下兩塊脈沖雖然形狀不同，但是面積相等，意味著沖量相等，相同面積的脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上，輸出特性基本相同，所以二者可以等效[20]。 u 0 ωt u 0 ωt SPWM調(diào)制基本原理示意圖SPWM調(diào)制是PWM的一種形式，經(jīng)它調(diào)制輸出的波形是SPWM波，具有正弦波的特性，加在感性或容性等慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出結(jié)果類似正弦波。逆變器常采用這種調(diào)制方法。將直流輸入電壓加在逆變器的輸入端，通過SPWM調(diào)制生成驅(qū)動(dòng)脈沖控制開關(guān)管的動(dòng)作進(jìn)而生成SPWM波，再經(jīng)過濾波電容濾波后即可得到正弦輸出。SPWM調(diào)制技術(shù)又分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方式。，圖中調(diào)制波，幅值為，頻率。載波為全波三角波，頻率為,幅值為。同時(shí)定義調(diào)制比為正弦調(diào)制波的輔助與三角載波的幅值之比，頻率比為三角載波與正弦調(diào)制波的頻率之比。 雙極性SPWM調(diào)制原理由上圖可見，當(dāng)時(shí)，開關(guān)管VV4 導(dǎo)通而VV3截至，橋臂中點(diǎn)間電壓；當(dāng)時(shí)，開關(guān)管VV4截止而VV3導(dǎo)通，橋臂中點(diǎn)間電壓。通過上述過程，就將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}寬按正弦規(guī)律變化的正弦脈沖序列。，這種調(diào)制方式使用半波三角波作為載波，當(dāng)大于零時(shí)，載波為正的半波；當(dāng)小于零時(shí)，載波為負(fù)的半波。在雙極性調(diào)制中，四個(gè)開關(guān)管都工作在高頻狀態(tài)，而在單極性調(diào)制中，一對(duì)開關(guān)管工作在高頻狀態(tài)，而另一對(duì)開關(guān)管工作在低頻狀態(tài)[11]。當(dāng)時(shí)，V3一直截止而V4一直導(dǎo)通，此時(shí)當(dāng)時(shí)，開關(guān)管V1導(dǎo)通而V2截至，橋臂中點(diǎn)間電壓；當(dāng)時(shí)，開關(guān)管V1截止而V2導(dǎo)通，橋臂中點(diǎn)間電壓。當(dāng)時(shí)，V3一直導(dǎo)通而V4 一直截止，此時(shí)當(dāng)時(shí)，開關(guān)管V1導(dǎo)通而V2截至，橋臂中點(diǎn)間電壓；當(dāng)時(shí)，開關(guān)管V1截止而V2導(dǎo)通，橋臂中點(diǎn)間電壓。從上述過程中看出，在輸出波形中包含有，0和三個(gè)狀態(tài)，因此這種調(diào)制方式也被稱為三態(tài)調(diào)制。 單極性SPWM調(diào)制原理 逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的控制策略分析 并網(wǎng)逆變器的輸出控制并網(wǎng)逆變器可看作一個(gè)有源逆變系統(tǒng)，是用來將從前級(jí)（光伏電池、風(fēng)機(jī)）經(jīng)整流得到的直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電再饋入電網(wǎng)，并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)就是控制逆變器的輸出滿足并網(wǎng)條件，保證有效并網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器有不同的輸入輸出方式，總的來說，并網(wǎng)逆變器共有四種方式：電壓源輸入控制輸出電壓、電壓源輸入控制輸出電流、電流源輸入控制輸出電壓、電流源輸入控制輸出電流[21，22]。四種方式中，先分析輸入為電流源的情形。逆變器如果以電流源作為輸入，需要在直流側(cè)串聯(lián)電感以穩(wěn)定直流輸入，但是電感的引入會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差[23]。另外，實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)電源都是電壓型的，所以并網(wǎng)逆變器很少以電流源作輸入，大多采用電壓源輸入。逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，輸出控制分電壓控制和電流控制[24，25，26，27]。如果采用電壓控制，是把電網(wǎng)電壓看作基準(zhǔn)值，電網(wǎng)電壓直接決定并網(wǎng)電流和輸出電壓的好壞，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓比較穩(wěn)定、擾動(dòng)很小時(shí)，才能得到令人滿意的并網(wǎng)電流和電壓，如果電網(wǎng)電壓存在畸變或由于故障導(dǎo)致不平衡，并網(wǎng)電流和電壓隨之會(huì)受到極大影響，從而導(dǎo)致輸出波形不符合要求[23]。當(dāng)采用電壓源輸入控制輸出電流的方式時(shí)，系統(tǒng)只需要控制輸出電流，它的波形好壞受電網(wǎng)電壓的影響較小，即使電網(wǎng)出現(xiàn)大的擾動(dòng)，輸出依然符合并網(wǎng)要求。因此，本設(shè)計(jì)采用電壓源輸入控制輸出電流的方式。 并網(wǎng)電流控制策略研究選取并網(wǎng)電流iL作為逆變器的控制量，可以通過對(duì)逆變器輸出電壓Uab的控制來完成對(duì)iL的控制；或者直接對(duì)iL進(jìn)行控制。因此電流控制技術(shù)按照采用何種控制方式的不同，分為兩大類：間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制也稱為相位和幅值控制，考慮的是穩(wěn)態(tài)控制，沒有考慮動(dòng)態(tài)過程，在已知穩(wěn)態(tài)電流給定的情況下，根據(jù)SPWM通過控制PWM輸出基波電壓的幅值和相位間接對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行控制。該控制方法簡(jiǎn)單易行且不需檢測(cè)并網(wǎng)電流。但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，同時(shí)控制復(fù)雜、信號(hào)計(jì)算過程中還要考慮電路參數(shù)的影響，如果參數(shù)變化，會(huì)影響控制效果[28]。假設(shè)輸入電網(wǎng)的功率為P，則有 （）從而有 （）另外，逆變器輸出電壓滿足 （）而對(duì)于SPWM逆變器，輸出電壓基波滿足 （）其中m為調(diào)制度。所以，有關(guān)系 （）從上述關(guān)系可以看出，在電網(wǎng)電壓和電感確定的情況下，根據(jù)給定的功率和并網(wǎng)電流，通過式（）和式（）就可以算出Uab相對(duì)與Ugrid的超前角φ和SPWM的調(diào)制度m，這種關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)的，只要控制了φ和m，就控制了輸出電壓的幅值和相位，并最終實(shí)現(xiàn)控制并網(wǎng)電流。直接電流控制法需要引入電流反饋，先通過運(yùn)算得到指令值，然后令反饋值跟蹤指令值。對(duì)于并網(wǎng)逆變器來說，要求輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，為了獲得與電網(wǎng)電壓同步的正弦波電流指令信號(hào)，通常利用鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓同步信號(hào)，然后再乘以電流幅值給定，得到正弦波參考電流，然后控制實(shí)際輸出電流跟蹤這個(gè)參考電流。和間接電流控制相比，直接電流控制引入了電流反饋，可以獲得更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但控制相對(duì)復(fù)雜，并且要求電流采樣信號(hào)有很高的實(shí)時(shí)性。不過隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)性已不是很難實(shí)現(xiàn)，所以直接電流控制得到廣泛應(yīng)用。直接電流控制的最大特點(diǎn)就是引入了瞬時(shí)值反饋，該控制方式被大量研究，實(shí)際應(yīng)用中常采用的有電流滯環(huán)控制、三角波比較控制等，本文對(duì)這兩種控制方式的工作原理做了簡(jiǎn)單分析。（1）電流滯環(huán)控制將實(shí)際的電流信號(hào)和指令電流信號(hào)進(jìn)行比較，二者的差值送入滯環(huán)比較器，由滯環(huán)比較器輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制逆變橋。該控制方法簡(jiǎn)單可行，搭建模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)開關(guān)管采用較高開關(guān)頻率時(shí)，有很快的響應(yīng)速度，并且受負(fù)載及電路參數(shù)的影響小[29]。但通常在設(shè)計(jì)滯環(huán)寬度采用固定的數(shù)值，這樣做的結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)PWM開關(guān)周期中，開關(guān)管頻率不固定，濾波器設(shè)計(jì)起來比較困難，很難獲得良好的濾波效果。 電流滯環(huán)控制原理圖（2）三角波比較控制將反饋電流信號(hào)與給定電流信號(hào)進(jìn)行比較，比較后的誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出與高頻三角載波比較產(chǎn)生了PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤，同時(shí)積分的引入則會(huì)產(chǎn)生電流相移，影響逆變器輸出電能質(zhì)量，所以有時(shí)直接采用P調(diào)節(jié)器。但該方法下開關(guān)管的開關(guān)頻率一定，輸出電流的頻譜固定，濾波器容易設(shè)計(jì)，所以使用的比較多。 三角波比較控制原理圖 并網(wǎng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型電流閉環(huán)設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，作好電流閉環(huán)的設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)獲得良好的電流的動(dòng)、靜態(tài)特性，可以使電流對(duì)外界擾動(dòng)信號(hào)有很好的抗干擾性。本文采用基于瞬時(shí)值反饋的三角波比較控制。，從圖中可以看出，參考電流IL*與采樣得到的并網(wǎng)電流瞬時(shí)反饋值iL先作一個(gè)比較，二者誤差送入控制器，經(jīng)過調(diào)節(jié)輸出的信號(hào)作為調(diào)制波與三角波比較，得到SPWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)IPM模塊，再經(jīng)電感濾波后得到符合要求的并網(wǎng)電流。其中，Uab為逆變橋輸出電壓，Ugrid為電網(wǎng)電壓，G1（s）為控制器傳遞函數(shù)，G2（s）為逆變橋傳遞函數(shù)，G3（s）為濾波器傳遞函數(shù)。 UgridiL* + Uab + iL 控制器 逆變橋 濾波器 并網(wǎng)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，可以建立其數(shù)學(xué)模型。對(duì)逆變器的輸出端有： （）式中，為逆變橋輸出電壓，為電網(wǎng)電壓，為并網(wǎng)電流，為濾波電感值，為電感的串聯(lián)等效電阻。將式（）寫成復(fù)頻域形式，有 （）其中， （）即為濾波器傳遞函數(shù)。本文采用電流瞬時(shí)值反饋與三角波比較控制，在三角波比較控制中，PI控制器應(yīng)用最為廣泛，其傳遞函數(shù)為： （）式中，和分別是PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。本文設(shè)計(jì)的逆變器開關(guān)頻率取10kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率，如果忽略開關(guān)管的延時(shí)及死區(qū)時(shí)間的影響，將逆變橋等效為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為： （）式中，是一個(gè)開關(guān)周期，為逆變器增益，與PI調(diào)節(jié)器的最大限幅值有關(guān)。 + + PI控制器 逆變橋 濾波器 并網(wǎng)電流PI控制結(jié)構(gòu)框圖 PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)為獲得理想的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)二階系統(tǒng)，采用工程上常用的“二階最佳”法對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。，控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （）為了使PI調(diào)節(jié)器抵消并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中較大的時(shí)間常數(shù)，令 （）此時(shí)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 （）顯然系統(tǒng)屬于典型的I型系統(tǒng)。典型的I型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 （）按照“二階最佳”法設(shè)計(jì)，即令式（）中KT=。對(duì)比式（），得 （）所以，有 （）代入式（），有 （）上面介紹了PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)的工程設(shè)計(jì)方法，該方法建立在逆變器傳遞函數(shù)已知的基礎(chǔ)上，式（）給出的逆變器傳遞函數(shù)只是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，和?shí)際還是有誤差的，所以得到的P，I參數(shù)只是理論指導(dǎo)值，實(shí)際測(cè)試過程中要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。6 基于SPWM的并網(wǎng)系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是由美國(guó)Mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。在一些實(shí)際應(yīng)用中，如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不適合用分析和編程的方法建模。在這種情況下，功能完善的Simulink程序可以用來方便地建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。Simulink是由Mathworks軟件