【正文】 間指示格式。DS 1305是Dallas公司推出的串行接口帶報警實時時鐘，它有20腳的TSSOP, 16腳的DIP兩種封裝方式，工作電壓范圍從2. 0～5. 5V。使得設(shè)計人員很方便地將浮點算法移植到定點處理器中。(4)為F28xx系列DSP量身定制的IDE(CCS)，使C編譯效率達到近90%，程序可完全采用C語言編寫。(2)片上存儲器:128K16位FLASH, 18K16位SRAM, 4K16位BootROM , 1 K16位OTPROM，最大地址訪問A空間4M。所以在本設(shè)計控制系統(tǒng)中采用了TI最新推出的32位定點DSP : TMS320F2812。除了性價比考慮外，足夠的開發(fā)資料、便宜的開發(fā)裝置、強大的開發(fā)環(huán)境以及周到的售后服務(wù)等也是選擇CPU時需要考慮的因數(shù)。作為數(shù)字信號處理系統(tǒng)，DSP有其專門的開發(fā)工具和軟件，這不是一般高性能通用微處理器的系統(tǒng)可以替代的。 數(shù)字信號處理器DSP (Digital Signal Processor)作為進行高速數(shù)字信號處理的微處理器，采用改善的哈佛結(jié)構(gòu)，提高了運算速度，除此以外，還采用流水線技術(shù)、硬件乘法和乘加指令MAC，獨立的直接存儲器訪問(DMA)總線及其控制器、數(shù)據(jù)地址發(fā)生器(DAG)、定點DSP處理和浮點DSP處理等技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)以DSP為基礎(chǔ)，其型號為TI公司TMS320F2812，功率開關(guān)器件則采用智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM )，型號為三菱公司的PM200CLA120。由式( )可得，取一點余量，取為6mH 。文中額定功率為20kW，直流側(cè)負載電阻取300，直流側(cè)電容選用。一方面，從濾波效果看，C值越大越好；另一方面，從體積、重量、價格和動態(tài)特性看，C值又不宜過大。 由于中間回路與兩端變流器之間存在著復雜的能量交換過程，目前還沒有簡單實用的方法來選擇合適的支撐電容的大小。 直流側(cè)電容的設(shè)計也至關(guān)重要，它的選擇影響著系統(tǒng)的特性及安全性，這是因為直流側(cè)電容有以下功能: 1)濾除由器件高頻開關(guān)動作造成的直流電壓紋波。從每個控制周期內(nèi)電流波動幅值的要求考慮，上式中，當取最大值，取最大2/3時，波動最大，此時滿足:變換上式可得: ()(2)電感不能太大，否則會降低電流的跟蹤速度。設(shè)計交流側(cè)電感應考慮以下兩個方面:(1)電感設(shè)計不能太小，否則輸入電流的諧波過大。在實際系統(tǒng)設(shè)計中，直流側(cè)電壓選定后，交流側(cè)電感的設(shè)計對電源電流波形影響很大，一方面它影響到輸入電流諧波含量，總的輸入電流諧波畸變率定義為: ()式中為所有諧波電流分量的總有效值，為基波電流有效值。（5)使VSR控制系統(tǒng)獲得了一定的阻尼特性，有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。（3)使VSR具有boost PWM AC/DC變換性能及直流側(cè)受控電流源特性。通過VSR交流側(cè)電壓幅值、相位的PWM控制，或通過VSR交流側(cè)電流幅值、相位的PWM控制均可實現(xiàn)VSR四象限運行。 在VSR系統(tǒng)設(shè)計中，交流側(cè)電感的設(shè)計至關(guān)重要，這是因為VSR交流側(cè)電感的取值不僅影響到電流環(huán)的動、靜態(tài)響應，而且還制約著VSR輸出功率、功率因數(shù)以及直流電壓。在滯環(huán)電壓控制方式下。 a，可以看出，要保證續(xù)流二極管只在續(xù)流時導通，系統(tǒng)完全可控，直流電壓。不僅要滿足負載對電壓的要求，而且要能控制流過濾電感L中的電流波形為正弦。 （）令 （）可得基于狀態(tài)空間平均法PWM整流器等效模型: 基于狀態(tài)空間平均法PWM整流器等效模型對于幅相控制，相角平和調(diào)制系數(shù)m將控制d；，第i相的占空比d，可表示如下: 根據(jù)文獻[11]可得,:這里,；是的穩(wěn)態(tài)值，是的穩(wěn) 態(tài)值，是功率因數(shù)角，表示單位功率因數(shù)。因此，轉(zhuǎn)換部分接近對稱了，如圖( )所示 一個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)的調(diào)制波對進行對偶拓展得: ()令d I = S k代入方程( )，這樣( )就由帶開關(guān)函數(shù)得方程變?yōu)榱诉B續(xù)方程，如下: （）式中為一個開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的平均值，由于開關(guān)函數(shù)是幅值為1的脈沖，所以其平均值等于其占空比。應用了傅立葉變換這個模型，則一個周期的傅立葉級數(shù)為: （）對于一個SPWM自然采樣瓣，在一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)換點并不是對稱的。當開關(guān)頻率很高時，狀態(tài)空間平均法是解決該問題的一種行之有效的方法。 ，第k相下橋臂開關(guān)管導通，上橋臂開關(guān)管關(guān)斷。（2)濾波電感L是線性的，不考慮飽和現(xiàn)象。 三相PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示。a 單相CSRb 三相CSR圖 ，可以看出，除了直流儲能電感外，與VSR相比，其交流側(cè)還增加了濾波電容，與網(wǎng)側(cè)電感組成LC濾波器，濾除網(wǎng)側(cè)諧波電流，并抑制諧波電壓。 軟開關(guān)調(diào)制VSR電路拓撲，橋式并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電感、諧振電容、功率開關(guān)V7以及續(xù)流二極管,組成，,，為直流側(cè)開關(guān)，作用是將直流側(cè)與諧振網(wǎng)絡(luò)和交流側(cè)隔離。這種拓撲結(jié)構(gòu)中以多個功率開關(guān)串聯(lián)使用，并采用二極管箱位以獲得交流輸出電壓的三電平調(diào)制，因此，三電平VSR在提高耐壓等級的同時有效的降低了交流側(cè)諧波電壓、電流，從而改善了其網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。此外，由于VSR交流側(cè)輸出電壓總在二電平上切換，當開關(guān)頻率不高時，會導致諧波含量相對較大。因此，三相全橋VSR實際上是由三個獨立的單相全橋VSR組合而成的，當電網(wǎng)不平衡時，不會嚴重影響PWM整流器控制性能，由于三相全橋電路所需的功率開關(guān)管是三相半橋電路的兩倍，所以三相全橋電路一般較少采用。、全橋VSR拓撲結(jié)構(gòu)a 三相半橋VSRb 三相全橋VSR 三相VSR電路拓撲 a為三相半橋電壓型PWM整流器拓撲，這是一種最常見的三相PWM整流器，其交流側(cè)采用三相對稱無中線連接，3個橋臂具有6只功率開關(guān)。然而，在相同的交流側(cè)電路參數(shù)條件下，要使單相半橋VSR和單相全橋VSR獲得同樣的交流側(cè)電流控制特性，半橋電路直流電壓應是全橋電路直流電壓的兩倍，因此功率開關(guān)耐壓要求相對提高。a 單相半橋VSRb 單相全橋VSR 單相VSR電路拓撲由圖知，單相半橋VSR只有一個橋臂為功率開關(guān)，另一橋臂由兩個電容串聯(lián)組成，兩串聯(lián)電容兼做直流側(cè)儲能電容；而單相全橋VSR的兩橋臂都采用功率開關(guān)，圖中的反并聯(lián)的二極管為續(xù)流二極管，用來緩沖PWM過程中的無功電能。 PWM整流器電路拓撲PWM分類方法很多，但最基本的分類方法是將其分為電壓型PWM整流器(Voltage Source Rectifier, VSR)和電流型PWM整流器(Current SourceRectifier, CSR)兩大類，這主要是因為電壓型、電流型PWM整流器，無論是在主電路結(jié)構(gòu)、PWM信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點，且兩者間存在電路上的對偶性。(4)當電壓矢量V端點在圓軌跡DA上運動時，PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時PWM整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從PWM整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當PWM整流器運行至C點時，此時，PWM整流器將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。(2)當電壓矢量V端點在圓軌跡BC上運動時，PWM整流器運行于整流狀態(tài)。值得注意的是，當PWM整流器運行在B點時，則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制。上述中的A, B, C, D四點是PWM整流器四象限運行的四個特殊工作狀態(tài)點進一步分析，可得PWM整流器四象限運行規(guī)律:(1)當電壓矢量V端點在圓軌跡AB上運動時，PWM整流器運行于整流狀態(tài)。假設(shè)不變，也是固定不變，此時，PWM整流器交流電壓矢量V端點運動軌跡為一個以為半徑的圓。穩(wěn)態(tài)條件下，PWM整流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖2. 2所示 a純電感特性運行 b正阻特性運行 c純電容性運行 d負阻特性運行 整流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系: ,交流電網(wǎng)電動勢矢量；,交流側(cè)電壓矢量；，交流側(cè)電感電壓矢量；，交流側(cè)電流矢量。下面從模型電路交流側(cè)入手，分析PWM整流器的運行狀態(tài)和控制原理。,為模型電路直流側(cè)電壓、電流。功率開關(guān)橋路為電壓型或電流型橋路組成。以及網(wǎng)側(cè)電感L等。從圖2. 1可以看出，PWM整流器模型電路是由交流回路、功率開關(guān)橋路和直流回路組成的。單位功率因數(shù)指的是:當PWM整流器運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相位(正阻特性)；當PWM整流器運行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相(負阻特性)。 PWM整流器的工作原理PWM整流器是與傳統(tǒng)整流裝置關(guān)鍵性的不同之處是用全控型功率器件取代了半控型功率開關(guān)或二極管，以PWM斬波控制整流取代了相控整流或不可控整流，因此，PWM整流器具有下列優(yōu)越性能:(1)網(wǎng)側(cè)電流為正弦波；(2)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控或為單位功率因數(shù)；(3)電能雙向流動；(4)較快的動態(tài)控制響應。52第二章 PWM整流器的工作原理、拓撲結(jié)構(gòu)及數(shù)學模型本章先對PWM整流器的工組原理進行詳細的分析，剖析其改善功率因數(shù)，實現(xiàn)能量雙向流動的原因，在此基礎(chǔ)上，闡述了多種PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu)并加以比較說明。，著重對電路設(shè)計用到的傳感器和開關(guān)管進行比較和選擇，對驅(qū)動電路，直流電壓、交流電流采樣及電網(wǎng)電壓同步信號采樣電路和DSP控制電路進行了設(shè)計。通過對電壓型PWM整流器的工作原理進行了比較詳細的分析，建立了整流器的數(shù)學模型，為后面的分析提供了理論基礎(chǔ)。(6)提高直流側(cè)電壓利用率，擴大調(diào)制波的控制范圍。(4)降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗，提高整個裝置的效率。(2)提高功率因數(shù)，減少整流的非線性，使之對電網(wǎng)而言相對是“純電阻”負載。近年來，有關(guān)PWM整流器高頻整流控制技術(shù)的研究圍繞在以下幾個方面:(1)減少交流側(cè)輸入電流畸變率，降低其對電網(wǎng)的負面效應。目前，電流型PWM整流器的研究主要集中在數(shù)學建模及特征分析、網(wǎng)側(cè)電流畸變和諧振抑制及控制策略、網(wǎng)側(cè)濾波參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計和不平衡電網(wǎng)條件下的控制設(shè)計等上。(5)對電流型PWM整流器的進一步研究 隨著超導技術(shù)的應用與發(fā)展，電流型PWM整流器克服了自身的一些缺陷，在近些年里取得了成功應用。這一新穎的控制方案以電感、電容儲能的定量關(guān)系建立了Lyapunaov函數(shù)，并由三相PWM整流器的dq模型以及相應的空間矢量PWM約束條件，推導出相應的控制算法。④基于Lyapunov穩(wěn)定理論的PWM整流器控制針對PWM整流器的非線性多變量強禍合的特點，常規(guī)的控制策略和控制器的設(shè)計一般采用穩(wěn)態(tài)工作點小信號擾動線性處理方法，這種方法的不足之處是無法保證控制系統(tǒng)大范圍擾動的穩(wěn)定性。因此，又有學者提出了正、負序雙旋轉(zhuǎn)坐標系控制，該方法實現(xiàn)了無靜差控制。即通過負序分量地前饋控制來抑制電網(wǎng)負序分量地影響。 為了能使整流器在電網(wǎng)不平衡條件下仍能正常運行，有學者提出了不平衡條件下，網(wǎng)側(cè)電流和直流電壓的時域表達式，認為電網(wǎng)負序分量使導致網(wǎng)側(cè)電流畸變的原因。當電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡時，以三相電網(wǎng)平衡為約束所設(shè)計的整流器會出現(xiàn)不正常運行，表現(xiàn)為:PWM整流器直流側(cè)電壓和交流側(cè)的低次諧波幅值增大，且產(chǎn)生非特征波形，同時損耗相應增大。③電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制一般的策略研究總是假設(shè)電網(wǎng)是平衡的。這一研究主要包括兩類電網(wǎng)電動勢重構(gòu)方案:一種是通過功率估計另一種是通過電流的偏差求導重構(gòu)電動勢。其基本方法是根據(jù)時間最優(yōu)控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優(yōu)控制電壓，并在動態(tài)過程中降低無功分量的響應速度，提高有功分量的響應速度，實現(xiàn)了時間最優(yōu)控制。而有功、無功分量間的動態(tài)禍合和PWM電壓利用率的約束，影響了電壓型PWM整流器有功分量的動態(tài)響應。此外，控制策略上還出現(xiàn)了狀態(tài)反饋控制。為了提高電壓利用率并降低損耗，基于空間矢量的PWM控制在電壓型PWM整流器中取得了廣泛的應用，并提出了多種方案。由于間接電流控制的網(wǎng)側(cè)電流動態(tài)響應慢，且對系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏，因此這種控制策略己經(jīng)逐步被直接電流控制策略取代。在PWM整流器技術(shù)發(fā)展過程中，電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類:；另一類就是目前占主導地位的直接電流控制策略。此外，在大功率PWM整流器設(shè)計上，還研究了基于軟開關(guān)(ZVS, ZCS)控制的拓撲結(jié)構(gòu)和相應的控制策略，這一技術(shù)有待進一步完善。與普通并聯(lián)不同的是，每個并聯(lián)的PWM整流器中PWM信號采用移相PWM控制技術(shù)，從而以較低的開關(guān)頻率獲得了高效的高頻控制，即在降低損耗的同時，提高了電流、電壓波形品質(zhì)。多電平拓撲結(jié)構(gòu)的PWM整流器主要應用于高壓大容量場合。一般Boost型變換器直流側(cè)電壓大于交流側(cè)電壓峰值，為了實現(xiàn)降壓功能，有學者對拓撲結(jié)構(gòu)進行了改造，并取得了一定的成果。但隨著超導技術(shù)的發(fā)展，因為超導線圈可以直接作為直流儲能電感，電流型PWM整流器在超導儲能技術(shù)中有更大的優(yōu)勢。 長期以來，因為電壓型整流器結(jié)構(gòu)簡單、損耗較低、控制方便，所以一直是人們研究地重點。電壓型PWM整流器(VSR)最顯著的拓撲特征是直流側(cè)采用電容進行電流儲能，從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。在此基礎(chǔ)上，Hengchun Mao等人又建立了一種新穎的降階小信號模型，從而簡化了PWM整流器的數(shù)學模型及特性分析。自從出現(xiàn)基于坐標變換的PWM整流器的數(shù)學模型之后，各國學者對PWM整流器的數(shù)學模型進行了詳細的研究，, ，并將時域模型分解成高頻、低頻模型，且給出了相應的時域解。與普通并聯(lián)不同的是，每個并聯(lián)的PWM整流器中的PWM信號發(fā)生采用相移PWM控制技術(shù)[ 16]，從而以較低的