【正文】 它有兩個顯著的功能： Simu（仿真）與 Link（連接）。 MATLAB 可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領(lǐng)域。 典型的 I 型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 0 () ( 1)KGs s Ts? ? （ ） 按照 ―二階最佳 ‖法設計，即令式（ ）中 KT=。 本文采用電流瞬時值反饋與三角波比較控制，在三角波比較控制中， PI 控制器應用最為廣泛，其傳遞函數(shù)為： () iPI p KG s K s?? （ ） 式中， pK 和 iK 分別是 PI 控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。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)。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，濾波器容易設計，所以使用的比較多。當開關(guān)管采用較高開關(guān)頻率時，有很快的響應速度，并且受負載及電路參數(shù)的影響小 [29]。不過隨著DSP 技術(shù)的發(fā)展，實時性已不是很難實現(xiàn)，所以直接電流控制得到廣泛應用。 所以，有關(guān)系 2 / co sgr iddcUm U ?? （ ） 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)給定的功率和并中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 33 頁 共 70 頁 網(wǎng)電流，通過式（ ）和式（ ）就可以算出 Uab 相對與 Ugrid 的超前角 φ 和 SPWM的調(diào)制度 m，這種關(guān)系是一一對應的，只要控制了 φ 和 m，就控制了輸出電壓的幅值和相位，并最終實現(xiàn)控制并網(wǎng)電流。 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并網(wǎng)電流進行控制。當采用電壓源輸入控制輸出電流的方式時，中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 32 頁 共 70 頁 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，輸出依然符 合并網(wǎng)要求。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，但是電感的引入會使系統(tǒng)動態(tài)響應變差 [23]。從上述過程中看出，在輸出波形 abu 中包含有 inU ， 0和 inU 三個狀態(tài)，因此這種調(diào)制方中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 31 頁 共 70 頁 式也被稱為三態(tài)調(diào)制。 下圖 SPWM調(diào)制原理圖， 這種調(diào)制方式使用半波三角波作為載波，當 su 大于零時，載波為正的半波；當 su 小于零時，載波為負的半波。載波 cu 為全波三角波，頻率為 cf ,幅值為 cmU 。逆變器常采用這種調(diào)制方法。 N Y N Y 圖 上升沿捕捉中斷流程圖 上升沿捕獲中斷？ 196≤ n≤ 204 計算新的載波周期 正弦表指針復位到零，變量 n 賦 零 新載波周期賦給周期 寄存器 清中斷向量 返回 輸出 10kHz 載波 中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 28 頁 共 70 頁 圖 故障保護中斷流程圖 5 并網(wǎng)逆變器控制策略的研究與實現(xiàn) 風力發(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，但是隨著風速的變化，風力發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)矩也會發(fā)生相應的改變， 這就會導致發(fā)電機輸出的電能不能滿足電網(wǎng)要求，所以很有必要在風力發(fā)電機與電網(wǎng)之間引入電力電子整流逆變裝置，通過對該裝置的控制使最終輸出的電能滿足電網(wǎng)要求，實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。 IPM 模塊本身具有故障保護功能，為了更好的實現(xiàn)保護，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，可以封鎖 PWM 輸出。發(fā)生定時器下溢中斷時，為了對發(fā)生中斷的次數(shù)進行統(tǒng)計，可以設置一個變量 n，在 eCAP 1 再次捕獲到電網(wǎng)電壓過零點時，首先判斷 n 是否超出頻率正常范圍，設定頻率正常范圍為 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，定時器周期值不變；如果變量 n≠N，定時器周期值改為 * * nTTN? ，式中 T*為根據(jù)前一個載波周期算出的新的載波周期，并將該值賦給周期寄存器，用于計算下一個正弦周期 SPWM 波 的占空比。先調(diào)頻后調(diào)相法是將調(diào)頻和調(diào)相分開進行，首先實現(xiàn)輸出和輸入的頻率達到一致，然后再考慮調(diào)相，最終使頻率和相位都達到一致；同時調(diào)頻調(diào)相法是將調(diào)頻調(diào) 相同時進行，即通過調(diào)頻實現(xiàn)調(diào)相，調(diào)頻的同時能過實現(xiàn)調(diào)相，使頻率和相位同時與輸入達到一致 [27]。 中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 26 頁 共 70 頁 從上面的描述可以看出，鎖相的過程包括兩部分，頻率跟蹤和相位同步。該算法的基本思想是：根據(jù)控制芯片的字長，定義一個長度等于器件字長的相位指針 PhaseIndex，該指針在調(diào)制頻率下按照一定步長 產(chǎn)生步進，會有周期性溢出，利用這個特點可以產(chǎn)生同頻率的調(diào)制信號去控制開關(guān)管通斷 [25， 26]。 通常鎖相環(huán)的實現(xiàn)，都是先將電網(wǎng)電壓經(jīng)過零比較電路，生成同步方波信號，然后通過 DSP 的 Capture 捕捉中斷判斷過零點并通過時間寄存器實現(xiàn)鎖相。在本設計中，載波頻率設為 10kHz，調(diào)制波頻率 50Hz，所以載波比為 200。比較寄存器裝載正弦波離散化后各個比較點的幅值，當計數(shù)器的值與比較寄存器的值相等時，按照相關(guān)動作寄存器的配置產(chǎn)生高低電平。 N Y 圖 定時器下溢中斷流程圖 定時器下溢中斷的一個很重要的作用就是生成 SPWM 驅(qū)動信號。 主程序設計 主程序采用一個大的無限循環(huán)，當有中斷發(fā)生時，跳入中斷服務程序中運行，中斷服務程序運行結(jié)束后返回主程序繼續(xù)運行，等待下一次中斷發(fā)生。 圖 IGBT 隔離驅(qū)動電 路 4 并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的軟件設計 上章對單相并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的 硬件 設計作了詳細介紹，本章主要就控制系統(tǒng)的 軟件 具體實現(xiàn)作全面介紹。驅(qū)動電路的主要作用是傳遞信號和保護。在中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 22 頁 共 70 頁 與非門的作用下，方波信號成為了數(shù)字信號。如圖 所示為過 零檢測電路。為了使其輸出信號能夠被 DSP 檢測和處理，電流傳感器的輸出信號也要經(jīng)過圖 的電流調(diào)理電路。圖中由 R3和 C2構(gòu)成 AD 輸入的低通濾波器，采用 D1和 D2作為 DSP 端的限幅電路。這個輸入信號首先經(jīng)過一個電壓跟隨器。這樣的輸出的電壓顯然與 DSP 的端口不匹配，必須要設計電壓檢測電路和信號調(diào)理電路。15V，輸入額定電流為 177。如圖 所示。下面對其各項性能指標作個詳細 介紹： （ 1）采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)， 100MHz 主頻，功耗低，設計成低電壓形式，內(nèi)核電源采用 供電， I/O 電源采用 供電； （ 2）采用高性能 32 位 CPU，哈佛總線結(jié)構(gòu)，中斷響應時間短 ； （ 3）片內(nèi)集成高達 64K*16 的 FLASH， 18K*16 的 SARAM， 1K*16 的 OTP ROM以及 4K*16 的 Boot ROM； （ 4） 代碼安全模塊提供的密碼保護高達 128 位，安全性非常高； （ 5）具有 35 個可獨立編程的多路復用 GPIO 通道和 43 個外設中斷； （ 6）增強型外設控制單元：一共有 16 路 EPWM 通道，其中 4 路為高分辨率中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 19 頁 共 70 頁 HRPWM，另外 12 路為普通發(fā)波通道； 4 路捕獲輸入單元； 2 路正交編碼結(jié)構(gòu)； （ 7） 3 個 32 位 CPU 定時器； （ 8） 16 個片上 ADC 轉(zhuǎn)換通道，精度 12 位的，可以配置為級聯(lián)模式，構(gòu)成一個 16 通道模塊，也可以配置成 2 個獨立的 8 通道模塊，高達 的超快轉(zhuǎn)換速率，能夠在 160ns 內(nèi)完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換； （ 9）具有豐富的通訊接口，支持 SPI、 SCI、 eCAN 及 I2C 多種通訊方式。 TMS320F2808DSP 及開發(fā)環(huán)境 CCS 介紹 TI 公司生產(chǎn)的 TMS320F2808 是 TMS320C200 系列下的一種 定點 32 位 MCU芯片。將式（ ）變換得式（ ）， 1 ()dc gridti U tULT?? （ ） 對式（ ）求導，并令導數(shù)為 0，得到電流紋波最大時的調(diào)制比。 濾波電感的選擇。本課題設計的并網(wǎng)逆變器輸出功率為 10kW，輸出電流峰值約為 。選取直流側(cè)輸入電壓 Ud 的范圍為 200～ 450V。此時，逆變器輸出端已形成正負交變的方波。通訊功能主要利用 DSP 的 SCI、 CAN 等通訊接口。 系統(tǒng)采樣 調(diào)理電路 電網(wǎng)電壓 相位檢測 IGBT 驅(qū)動電路 控制與保護 電路 人機交互 ADC PWM IO TMS320F2808 CAP SCI 中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 16 頁 共 70 頁 采樣調(diào)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。 圖 主控單元模塊功能 3. 逆變驅(qū)動電路 逆變驅(qū)動電路的設計直接影響開關(guān)管的通斷，驅(qū)動電路的作用主要有： （ 1） 放大 PWM 驅(qū)動信號，驅(qū)動逆變橋正常工作； （ 2） 將四路 PWM 驅(qū)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。 直流母線 控制 保護 圖 單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)組成框圖 結(jié)合圖 ，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。 中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 13 頁 共 70 頁 圖 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(jié)構(gòu)，逆變電路采用單相全橋結(jié)構(gòu)，逆變器輸出由電感濾波后并網(wǎng)。開關(guān)管由可控器件與二極管串聯(lián)構(gòu)成，一方面可以阻斷反向電流，同時有利于提高耐壓。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。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(shù) , 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)。達到并網(wǎng)電壓、電流諧波標準的閉環(huán)控制技術(shù) [17]。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(jié)構(gòu)可以相互組合成各種不同的形式，以 滿足各種要求。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]。 國內(nèi)外發(fā)展情況 伴隨著世界范圍 內(nèi)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)。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]。目前并網(wǎng)逆變器從組成結(jié)構(gòu)和單機容量來看，主要分為單級變換和雙級變換兩種。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。到 ―十一五 ‖末期，全國總裝機容量將達到 500 萬千瓦。 關(guān)鍵詞 ：風力發(fā)電，單 相 并網(wǎng)逆變器， 正弦脈沖寬度調(diào)制，鎖相環(huán) 中北大學 2020 屆本科畢業(yè)論文 第 7 頁 共 70 頁 目 錄 1 緒論????? 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