【正文】 高頻諧波，保證輸出高質(zhì)量的正弦電流；（2）利用電感對(duì)電流的阻尼作用，穩(wěn)定電流，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。通訊功能主要利用DSP的SCI、CAN等通訊接口。當(dāng)逆變器電路接上直流電源后，先由VV4導(dǎo)通，VV3截止，則電流由直流電源正極輸出，經(jīng)Vl、濾波器、V4后，再回到電源負(fù)極。此時(shí)，逆變器輸出端已形成正負(fù)交變的方波。同時(shí)，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量提供通道，逆交橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管，在兩對(duì)IGBT管交替重復(fù)的過程中，這些二極管還起到了續(xù)流的作用。選取直流側(cè)輸入電壓Ud的范圍為200～450V。開關(guān)管IGBT的選擇。本課題設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變器輸出功率為10kW。在全橋并網(wǎng)逆變電路中，主功率開關(guān)管承受的最大電壓應(yīng)超過直流輸入側(cè)的最大電壓(450V)，同時(shí)從余量和線路寄生參數(shù)影響等方面考慮，選取的IGBT耐壓值應(yīng)大于500V。濾波電感的選擇。忽略電路中的電阻R，則電感L的計(jì)算是：在輸入電壓和輸出電壓確定的情況下，輸出濾波電感的最小值主要由設(shè)定的電感電流紋波的大小來決定。將式（）變換得式（）， （）對(duì)式（）求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)為0，得到電流紋波最大時(shí)的調(diào)制比。通過計(jì)算得出， （）整合式（）與式（）得到，電感L的取值范圍。 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(diǎn)32位MCU芯片。主頻由40MHz提高到100MHz,結(jié)構(gòu)采用100管腳，體積更小，功耗低，運(yùn)算能力強(qiáng)，大量應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，尤其在逆變器、數(shù)字電源、數(shù)字馬達(dá)控制以及智能傳感器控制等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。下面對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)作個(gè)詳細(xì)介紹：（1）采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，100MHz主頻，功耗低，設(shè)計(jì)成低電壓形式，I/；（2）采用高性能32位CPU，哈佛總線結(jié)構(gòu)，中斷響應(yīng)時(shí)間短；（3）片內(nèi)集成高達(dá)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(hù)高達(dá)128位，安全性非常高；（5）具有35個(gè)可獨(dú)立編程的多路復(fù)用GPIO通道和43個(gè)外設(shè)中斷；（6）增強(qiáng)型外設(shè)控制單元：一共有16路EPWM通道，其中4路為高分辨率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(gè)32位CPU定時(shí)器；（8）16個(gè)片上ADC轉(zhuǎn)換通道，精度12位的，可以配置為級(jí)聯(lián)模式，構(gòu)成一個(gè)16通道模塊，也可以配置成2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，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。利用CCS開發(fā)調(diào)試數(shù)字信號(hào)處理產(chǎn)品時(shí)，： 采用CCS開發(fā)過程在這幾個(gè)開發(fā)階段中，經(jīng)常利用CCS來實(shí)現(xiàn)以下功能單步調(diào)試、設(shè)置斷點(diǎn)、觀察變量、配置存儲(chǔ)器和寄存器、觀察調(diào)用堆棧、觀察圖形、編輯源代碼、觀察反匯編和C指令執(zhí)行情況等。 輔助電源電路 電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)中需要通過霍爾電壓傳感器檢測(cè)兩路電壓信號(hào)，分別為一路直流電壓信號(hào)和一路交流電壓信號(hào)。該傳感器具有3kV的絕緣電壓，電源電壓177。10mA，輸出額定電流為177。在設(shè)計(jì)中，霍爾電壓傳感器輸出的電壓幅值在[5V，5V]的范圍內(nèi)。 電壓檢測(cè)與調(diào)理電路原理，本設(shè)計(jì)中的電壓檢測(cè)調(diào)理電路大體上分為三個(gè)部分。這個(gè)輸入信號(hào)首先經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器。最后，再經(jīng)過用一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器將信號(hào)減半，輸出范圍為[0V，]的信號(hào)。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。15V，額定電流為100A，輸出額定電流為50mA，%以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間為1μs。為了使其輸出信號(hào)能夠被 DSP 檢測(cè)和處理。這時(shí)候必須使用轉(zhuǎn)換電路將采集到的電網(wǎng)的電壓信號(hào)處理成和電網(wǎng)電壓正弦波信號(hào)過零點(diǎn)一致的脈沖信號(hào)。 過零檢測(cè)電路傳感器檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓信號(hào)送入到放大電路中，放大電路由LM258來搭建。這樣就能產(chǎn)生出和電網(wǎng)電壓對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)。DSP 的捕捉端口能夠檢測(cè)到這個(gè)數(shù)字信號(hào)的正向脈沖信號(hào)，這時(shí)，DSP會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主電路中的IGBT必須要有驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)橹骺匦酒敵龅牡腜WM波是不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT的。驅(qū)動(dòng)電路通過光耦隔離或者磁隔離來將控制電路和主電路隔離開，以此來保護(hù)控制電路。DSP輸出的PWM信號(hào)經(jīng)74LVX4245電平轉(zhuǎn)換后送至HCPLJ312的2腳正向輸入信號(hào)端A，再經(jīng)過HCPLJ312內(nèi)部光耦隔離、放大，為IGBT提供+18V的正向柵極驅(qū)動(dòng)電壓，以及9 V的反向柵極快恢復(fù)電壓。 軟件總體設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的總體程序主要包括四部分：（1）主程序；（2）定時(shí)器下溢出中斷程序；（3）捕捉中斷程序；（4）故障保護(hù)中斷程序。本設(shè)計(jì)采用三個(gè)中斷，其中，定時(shí)器下溢中斷主要完成A/D采樣、控制算法的實(shí)現(xiàn)和SPWM波的產(chǎn)生；捕捉中斷主要完成電網(wǎng)電壓的同步鎖相；故障保護(hù)中斷主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)封鎖脈沖，保護(hù)電路。 主程序流程 定時(shí)器下溢中斷程序設(shè)計(jì)在中斷程序中，先完成對(duì)電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流、直流母線電壓等信號(hào)的采樣工作，判斷是否滿足并網(wǎng)條件，滿足則閉合繼電器并網(wǎng)，然后對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，產(chǎn)生正弦基準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)而完成電流控制算法，產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，中斷程序還要實(shí)現(xiàn)過壓、過流保護(hù)等工作。SPWM波是幅值相等，脈寬按正弦規(guī)律變化的一列脈沖波，可以由正弦調(diào)制波和三角載波比較產(chǎn)生。周期寄存器的值能決定三角載波的周期，如果計(jì)數(shù)模式設(shè)定為增/減模式，那么三角載波周期就是周期寄存器的值的2倍。如果需要改變?nèi)禽d波的頻率和比較值，只需要改變EPWM相關(guān)周期寄存器和比較寄存器的值即可，非常方便。對(duì)并網(wǎng)逆變器而言，通常情況下采用查表法產(chǎn)生SPWM波，正弦調(diào)制波由一張正弦表提供，表的長(zhǎng)度由載波比決定。比較寄存器的值的更新通常都是由中斷完成，本設(shè)計(jì)采用下溢中斷，即當(dāng)計(jì)數(shù)器的值等于零時(shí)觸發(fā)中斷，通過計(jì)數(shù)器的值的增減來模擬三角波，可見，在整個(gè)過程中，正弦調(diào)制波和三角載波都不是實(shí)際的波形，而是模擬出來的、抽象的。過去的鎖相技術(shù)都是以硬件方式實(shí)現(xiàn)，隨著DSP的應(yīng)用，軟件鎖相環(huán)（Software PLL）得到極大發(fā)展。該方法屬于硬件電路配合軟件算法共同實(shí)現(xiàn)。采用異步調(diào)制時(shí)，即保持載波頻率不變，這時(shí)可采用一種稱為異步變頻調(diào)制的鎖相算法進(jìn)行鎖相[27，29]。而當(dāng)采用同步調(diào)制時(shí)，即保持載波比不變，此時(shí)鎖相算法采用同步鎖相。本設(shè)計(jì)就是利用同步鎖相的思想先實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻，然后再進(jìn)行相應(yīng)的相位調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)同頻同相，完成跟蹤。通常的鎖相方法有指針歸零法、先調(diào)頻后調(diào)相法[26]。該方法適用于輸入頻率穩(wěn)定的情況。本文先使用指針歸零法，然后再作改進(jìn)。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。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]。 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)。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。 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。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]。逆變器常采用這種調(diào)制方法。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。載波為全波三角波，頻率為,幅值為。 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。，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。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。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。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]。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]。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]。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。 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。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。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]。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。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。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。（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。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]。 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)。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。本文采用基于瞬時(shí)值反饋的三角波比較控制。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)。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。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)。 + + 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)。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=。6 基于SPWM的并網(wǎng)系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是由美國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。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。它有兩個(gè)顯著的功能：Simu（仿真）與Link（連接）。在本次設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型就是基于MATLAB/Simulink中的“Sim Power systems”搭建的。采用400V直流電壓源模擬直流輸入，采用交流電壓源模擬電網(wǎng)電壓，電壓峰值取311V，頻率為50Hz，假定設(shè)計(jì)逆變器功率為10kW。其中控制器設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的跟蹤，減小幅值偏差、相位偏差，增強(qiáng)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)的能力[27]。 采用PI控制器的并網(wǎng)逆變器仿真模型 模型各部分參數(shù)設(shè)置，仿真模型中的電感L設(shè)置為3mH。 模擬電網(wǎng)電壓參數(shù)，PWM波形發(fā)生器的載波頻