【正文】 （）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(guò)程中要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。，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)。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)。將式（）寫成復(fù)頻域形式，有 （）其中， （）即為濾波器傳遞函數(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。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(guò)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(guò)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。 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。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(lái)比較困難，很難獲得良好的濾波效果。該控制方法簡(jiǎn)單可行，搭建模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。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。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。直接電流控制法需要引入電流反饋，先通過(guò)運(yùn)算得到指令值，然后令反饋值跟蹤指令值。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。該控制方法簡(jiǎn)單易行且不需檢測(cè)并網(wǎng)電流。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。因此，本設(shè)計(jì)采用電壓源輸入控制輸出電流的方式。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]。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。四種方式中，先分析輸入為電流源的情形。 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(lái)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)。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。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]。通過(guò)上述過(guò)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。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。，圖中調(diào)制波，幅值為，頻率。將直流輸入電壓加在逆變器的輸入端，通過(guò)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(guò)濾波電容濾波后即可得到正弦輸出。 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。 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)。保護(hù)中斷要求響應(yīng)迅速。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(guò)控制OE端控制PWM的輸出，OE端拉高時(shí)，可以封鎖PWM輸出。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。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(guò)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(shuō)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。本文利用DSP2808內(nèi)部eCAP模塊的eCAP 1來(lái)捕獲電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)。先調(diào)頻后調(diào)相法是將調(diào)頻和調(diào)相分開進(jìn)行，首先實(shí)現(xiàn)輸出和輸入的頻率達(dá)到一致，然后再考慮調(diào)相，最終使頻率和相位都達(dá)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(guò)調(diào)頻實(shí)現(xiàn)調(diào)相，調(diào)頻的同時(shí)能過(guò)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]。其中指針歸零法是最簡(jiǎn)單的鎖相方法，在捕獲電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)的CAP1中斷內(nèi)，直接將正弦表的指針歸零，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流參考信號(hào)與電網(wǎng)電壓相位同步。從上面的描述可以看出，鎖相的過(guò)程包括兩部分，頻率跟蹤和相位同步。同步鎖相基本思想如下：逆變器采用SPWM控制，載波比N是固定不變的，而，當(dāng)調(diào)制波頻率改變，相應(yīng)調(diào)整載波頻率（即改變?nèi)禽d波頻率），本設(shè)計(jì)中即改變EPWM_PERIOD，則逆變器輸出并網(wǎng)電流的頻率也會(huì)隨之改變，所以不斷調(diào)整SPWM載波頻率就能使輸出電流的頻率和電網(wǎng)電壓頻率一致。該算法的基本思想是：根據(jù)控制芯片的字長(zhǎng)，定義一個(gè)長(zhǎng)度等于器件字長(zhǎng)的相位指針PhaseIndex，該指針在調(diào)制頻率下按照一定步長(zhǎng)產(chǎn)生步進(jìn)，會(huì)有周期性溢出，利用這個(gè)特點(diǎn)可以產(chǎn)生同頻率的調(diào)制信號(hào)去控制開關(guān)管通斷[25，26]。根據(jù)調(diào)制方式的不同，軟件鎖相環(huán)的具體實(shí)現(xiàn)方法也有不同。通常鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)，都是先將電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)零比較電路，生成同步方波信號(hào)，然后通過(guò)DSP的Capture捕捉中斷判斷過(guò)零點(diǎn)并通過(guò)時(shí)間寄存器實(shí)現(xiàn)鎖相。 捕捉中斷程序設(shè)計(jì)在并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相，通常使用鎖相環(huán)（PLL—Phase Locked Loop）技術(shù)。在本設(shè)計(jì)中，載波頻率設(shè)為10kHz，調(diào)制波頻率50Hz，所以載波比為200。正弦波的幅值可以通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算和查表法兩種方式得到，其中實(shí)時(shí)計(jì)算法支持的頻率變化范圍較大，非常適用于變頻調(diào)速系統(tǒng)，而查表法更適用于像UPS和對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行跟蹤反饋等頻率變化范圍不大的場(chǎng)合。比較寄存器裝載正弦波離散化后各個(gè)比較點(diǎn)的幅值，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值相等時(shí)，按照相關(guān)動(dòng)作寄存器的配置產(chǎn)生高低電平。在DSP2808中，有專門產(chǎn)生PWM波的模塊ePWM，PWM波的產(chǎn)生主要依靠周期寄存器和相關(guān)比較寄存器的匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)。 N Y 定時(shí)器下溢中斷流程圖定時(shí)器下溢中斷的一個(gè)很重要的作用就是生成SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 主程序設(shè)計(jì)主程序采用一個(gè)大的無(wú)限循環(huán)，當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，跳入中斷服務(wù)程序中運(yùn)行，中斷服務(wù)程序運(yùn)行結(jié)束后返回主程序繼續(xù)運(yùn)行，等待下一次中斷發(fā)生。主程序主要完成DSP系統(tǒng)的各類初始化設(shè)置，包括各類寄存器的配置，中斷使能等。 IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電路4 并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)上章對(duì)單相并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)介紹，本章主要就控制系統(tǒng)的軟件具體實(shí)現(xiàn)作全面介紹。本文采用光電耦合驅(qū)動(dòng)器HCPLJ312。驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是傳遞信號(hào)和保護(hù)。這樣就能確定過(guò)零點(diǎn)，以此控制輸出電流和電網(wǎng)同步。在與非門的作用下，方波信號(hào)成為了數(shù)字信號(hào)。用這個(gè)放大電路控制Q1的開斷。這是因?yàn)?。 過(guò)零檢測(cè)電路設(shè)計(jì)在系統(tǒng)工作的時(shí)候，需要檢測(cè)電網(wǎng)電壓的相位和頻率輸入到主控芯片中來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。使用時(shí)使被測(cè)量的電流信號(hào)穿過(guò)電流傳感器中間的孔，這時(shí)候電流傳感器的輸出端輸出處理后采樣信號(hào)。 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中交流側(cè)電流信號(hào)也需要被采集到控制系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)選用型號(hào)HNC100LA的霍爾電流傳感器將交流側(cè)電流信號(hào)處理成一定比例的弱電壓信號(hào)HNC100LA型霍爾電流傳感器的性能良好： 的絕緣電壓，電源電壓為177。這樣就可以被DSP的AD轉(zhuǎn)換處理了。這個(gè)電壓跟隨器由運(yùn)算放大器構(gòu)成，它將傳感器的輸出信號(hào)減半，輸出范圍為[，]的模擬信號(hào)；將模擬信號(hào)輸入到加法器中處理后輸出單極性的范圍為[0V，5V] 的信號(hào)?；魻栯妷簜鞲衅鞯妮敵鲚斎氲?Uin，信號(hào)的輸入范圍為[5V，5V]。這樣的輸出的電壓顯然與 DSP 的端口不匹配，必須要設(shè)計(jì)電壓檢測(cè)電路和信號(hào)調(diào)理電路。25mA，%，響應(yīng)時(shí)間小于40μs。15V，輸入額定電流為177。在本設(shè)計(jì)中選用型號(hào)為HNV025A的霍爾電壓傳感器。 并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 輔助電源設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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，分別供給主芯片、IPM模塊、繼電器和各種有源芯片。DSP的開發(fā)需要一定的軟件工具，CCS（Code Composer Studio）就是專門開發(fā)DSP的一種集成開發(fā)環(huán)境，可視化程度高，界面良好，集成了編輯、調(diào)試代碼、跟蹤、分析等多種功能[25]。F2808外設(shè)資源豐富、片內(nèi)存儲(chǔ)空間足以滿足平常使用、足夠多的I/O口、非常迅速的A/D轉(zhuǎn)換速率等，并且與TMS320F280x系列其他芯片相比具有相同的管腳結(jié)構(gòu)，代碼也完全兼容，具有很好的可移植性。與TI前期推出的C24x系列DSP相比，各項(xiàng)指標(biāo)都有較大改善，性能也大大提高。 （）3 并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上章中對(duì)單相并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及各部分模塊的功能作了詳細(xì)介紹，本章主要就控制系統(tǒng)的硬件具體實(shí)現(xiàn)作全面介紹。 （）將式（）代入式（）得， （）變換得， （）對(duì)電壓有， （）因?yàn)閯t， （）其中為電感電壓幅值。設(shè)電感L上的電流紋波最大值為，則對(duì)于電感L有： （）因?yàn)?，代入式（）則 （）其中，為載波周期，為直流側(cè)電壓。濾波電感在整個(gè)系統(tǒng)中有兩個(gè)作用：抑制開關(guān)器件的高頻分量；控制其兩端的電壓來(lái)控制并網(wǎng)電流。頻率20KHz。同時(shí)考慮到系統(tǒng)余量，選擇功率開關(guān)管的耐流值應(yīng)該在100A以上。當(dāng)并網(wǎng)逆變器電路正常工作時(shí)，流經(jīng)功率開關(guān)管IGBT的電流峰值與濾波電感電流峰值一致，同時(shí)考慮到余量，則要求開關(guān)管的電流額定值必須略大于電感峰值的最大值。選取Ud=400V。 系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)直流側(cè)輸入電壓Ud的選擇，并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)的電壓必須大于交流側(cè)的峰值電壓，否則系統(tǒng)不能正常工作。利用SPWM控制，使得兩對(duì)IGBT管交替重復(fù)開關(guān)動(dòng)作，輸出等效交流電壓，再經(jīng)過(guò)濾波器的作用，使輸出端形成正弦波交流信號(hào)。當(dāng)VV4截止后，VV3導(dǎo)通，電流從電源正極經(jīng)V濾波器、V2后，再回到電源負(fù)極。 單相并網(wǎng)逆變器的基本原理，功率開關(guān)元件采用四只IGBT管VVVV4，由DSP輸出的SPWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)IGBT管的導(dǎo)通或截止。6. 通訊電路通訊電路可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況實(shí)施監(jiān)控，便于遠(yuǎn)程控制。保護(hù)檢測(cè)電路要能夠保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，必須有可靠的靈敏性，反應(yīng)要迅速準(zhǔn)確。需要采樣的信號(hào)經(jīng)采樣電路送入DS