毕业设计（论文）-光伏并网发电模拟装置设计.pdf

中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 I 页 共 II 页 目目 录录 1 绪论.1 1.1 光伏发电的发展.1 1.2 光伏发电的工作方式及并网的意义.1 1.3 光伏发电未来发展前景.2 1.4 光伏并网逆变器的发展.2 2 MPPT 控制策略.4 2.1 光伏电池 U-I 和 P-U 特性.4 2.2 最大功率跟踪理论依据.5 2.3 定电压跟踪法.6 2.4 扰动观测法.6 2.5 电导增量法.7 3 系统方案.9 3.1 系统原理框图.9 3.2 C2000 系列 CPU 选用.9 3.2.1 TMS320F2812 型数字信号处理器.9 3.2.2 TMS320F28335 型数字信号处理器.11 3.2.3 28335 与 2812 的性能对比.12 3.3 主电路拓扑.13 3.3.1 半桥逆变电路.13 3.3.2 全桥逆变电路.13 3.3.3 输出滤波器的参数.14 3.3.4 输入解耦电容.15 3.4 SPWM 调制.15 3.4.1 单极性 SPWM .15 3.4.2 双极性 SPWM .16 3.4.3 倍频 SPWM .18 4 系统硬件设计.20 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 II 页 共 II 页 4.1 全桥逆变电路.20 4.2 开关管驱动电路.20 4.3 电压、电流信号调理电路.21 5 系统软件设计.23 5.1 系统主程序.23 5.2 A/D 采样与滤波模块.23 5.3 eCAP.23 5.4 SPWM 产生模块.24 5.5 PI 调节模块.24 6 光伏并网逆变器控制的仿真分析.25 6.1 光伏并网逆变器单电流环仿真.25 6.2 光伏并网逆变器电压电流双闭环仿真.25 6.3 光伏并网发电模拟装置仿真.26 7 测试结果分析.29 7.1 最大功率点跟踪 MPPT.29 7.2 频率跟踪.29 7.3 效率.29 7.4 总谐波畸变率 THD.30 8 总结与期望.31 8.1 总结.31 8.2 前景与展望.31 附录一：.32 附录二：.33 参考文献.38 致谢.40 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 1 页 共 40 页 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 光伏发电光伏发电的发展的发展 随着化石燃料储量的迅速枯竭，人们担心将很快耗尽世界上的能源资源1。这是靠 消耗能源来带动经济的发展中国家关切的问题。在这种情况下，非常需要可再生能源资 源应当以最大转换效率被用来应对不断增加的能源需求。此外，全球经济和政治环境使 国家更加依赖于自身的能源资源，对可再生能源利用为基础的技术开发有越来越大的兴 趣。 在环境优势方面，可再生能源发电向大气排出微不足道二氧化碳或其他温室气体， 不产生对水和土壤的任何污染物，因此利用可再生能源发电对环境非常重要。可再生能 源主要包括太阳能，风能，水能，等这些能源，这些能源都具有巨大的开发潜力，来满 足未来的能源的庞大需求。几种可再生能源技术中的太阳能光伏发电技术是第一个已经 被全球范围内采用的技术，以满足用电特别是在偏远地区的基本需求。 在 21 世纪能源危机愈发严重，可再生能源的发展呈现出快速发展和应用的趋势。 太阳能作为可再生资源之一，它被认为是最容易被人类使用的清洁能源，太阳能的开发 和利用具有非常重要的战略意义。 光伏发电逆变系统中将太阳能电池板的直流电转换为 可并网的交流电，其主要装置是太阳能电池，逆变器和控制器。其优点是可靠性高，使 用的时间长，对环境没有污染，受到中外企业的青睐，具有非常明朗的发展前景。 “十 二五” 时期我国计划投资约有 1000 万千瓦左右的光伏电站2， 良好的市场前景拉动了相 关产业的发展。 1.21.2 光伏发电的工作方式及并网的意义光伏发电的工作方式及并网的意义 太阳能光伏发电有并网和离网两种工作方式3。 由于太阳能电池的生产成本非常高， 太阳能光伏发电多装设于偏远的无电地区，而且大多是普通家庭和村庄用的中小系统， 都属于分布式离网型用户。最近几年，光伏发电产业及其市场发生了巨大的改变，开始 由偏远的离网地区逐步向城市、光伏建筑（如保定市电谷酒店）以及大型荒漠式光伏并 网发电的方向快速发展， 太阳能已经势不可挡地由 “补充能源” 转向下一代 “替代能源” 。 光伏并网系统中的电网将完全取代光伏独立装置系统中的蓄电池。去除配置蓄电池，蓄 电池的释放和蓄能的过程就没有了，从而可以充分的利用光伏阵列所发出的电能，减小 了系统内部的能量的损耗，降低了成本节约了资源。由于并网需要电压、电流、频率、 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 2 页 共 40 页 相位等满足要求， 所以系统必须要装设专用的并网逆变器， 以满足系统输出的电能质量。 并网逆变器是整个光伏并网系统的核心， 需要对光伏阵列进行最大功率点跟踪 （MPPT） 、 控制并网电流与电网的电流相一致，使光伏阵列所发出的最大功率和流向电网的功率相 平衡。用户可在这种系统中能够并行使用市网电能和太阳能光伏系统发出的电能作交流 负载的电源，降低了用户的断电率。并网光伏系统的另一大优点是可以对电网起到调峰 （如夏季午后用电高峰期）的作用。以上分析太阳能光伏发电将进入大规模商业化应用 时代，太阳能光伏系统直接接入电网，实现并网发电。相比于独立运行的太阳能光伏发 电站，光伏发电并入电网有优点，可以归纳以下几点: 1、去除了蓄电池作为储能元件，减少损耗，经济适用； 2、逆变器将更加可靠，功能更加完善，输出的电能质量越来越好； 3、由于光伏阵列始终工作在最大功率点处，太阳能光伏发电的效率得到了很大的提高； 4、缓解了电网的传输负担，通过政策鼓励普通用户可以通过卖电获得收入。 5、光伏发电装置材料与建筑完美结合，既可以提供能源又可以做装饰材料。 1.3 1.3 光伏发电未来发展前景光伏发电未来发展前景 在未来，太阳能光伏发电是新能源高技术产业化和可再生能源重点支持领域4。发 展太阳能并网发电能够有效解决能源短缺，供需矛盾，环境污染和温室气体排放这些问 题，有利于我国实现资源节约型、环境友好型的可持续发展社会。太阳能是洁洁的无污 染的用之不竭的能源，最大限度地开发利用太阳能发电将是人类 21 世纪利用新能源的 科技发展方向。太阳能光伏发电技术与国家新能源优化发电的举措非常契合，并且太阳 能光伏发电的清洁、廉价等良好的性能，将呈现良好的发展态势。 技术上，将光能转化为电能的光伏发电技术是一项非常重要的技术手段5。它能够 实现向可持续的能源系统转变。相对而言，目前这项技术的发展还处在初期阶段，但在 未来将会有很稳定和很高的增长率，会成为更加可行的电力供应者。 由于之前的光伏发电市场主要是在通信领域和边远地区。在国家和行业大力提倡光 伏发电措施下，应用的范围可以随着光伏发电系统成本的降低，将向工业领域以及屋顶 发电系统发展。而随着常规电力日趋紧张，光伏发电必然向公共电力规模发展。 1.4 1.4 光伏并网逆变器的发展光伏并网逆变器的发展 光伏并网发电系统技术相对复杂，其涉及以电力电子技术为核心的并网逆变技术和 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 3 页 共 40 页 相关的系统控制与优化等多项技术。光伏并网逆变器是将太阳电池所输出的直流电转换 成符合电网要求的交流电再输入电网设备，是并网型光伏系统能量转换与控制核心6。 光伏并网逆变器其性能不仅是影响和决定整个光伏并网系统是否稳定、可靠、高效地运 行，同时也是影响整个系统使用寿命的主要原因。 逆变技术作为开发新能源的关键技术，将太阳能电池的直流电逆变为交流电使之与 电网并网发电。并网逆变器作为太阳能电池与电网的接口装置，在新能源的开发和利用 中有着不可替代的作用。现代逆变技术为光伏逆变提供了强有力的理论支持，半导体器 件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、脉宽调制(PWM)技术为并网逆变的研究提 供了技术支持。 作为光伏发电系统中的重要组成部分， 光伏逆变器研制快速发展， 竞争也日趋激烈， 美国、日本凭借自身原有的雄厚工业基础和先进半导体制造技术以及在控制、电路等领 域的设计优势，并且依靠品牌的优势在光伏逆变器方面也拥有了很强的竞争力7。国外 主要逆变器厂商中仅 SMA、KACO、Siemens、Fronius、lngeteam 五家就几乎占有全球 所有的市场，传统的光伏逆变器厂商扩大生产规模，加紧渠道和品牌营销建设，一些大 牌的电气领域设备供应商也加入光伏逆变器生产和研发领域。 国内对光伏逆变器的生产研究从 上个世纪 80 年代开始，涌现了大量专门从事光伏 逆变器的研发和生产的企业和研究机构， 与全球顶级光伏发电的终端设备制造商展开竞 争， 其中合肥阳光电源股份有限公司在国内市场占有率超过了 60， 并逐步打入欧洲和 其他海外市场， 部分企业已经具备研制各个功率等级的光伏电站逆变器。 我国启动的 “金 太阳工程”将会极大推动国内光伏逆变器生产和研究机构的发展，由此带来的光伏市场 巨大空间将给国内光伏逆变器生产企业带来历史性机遇和挑战8。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 4 页 共 40 页 2 2 MPPTMPPT 控制策略控制策略 在光伏发电系统中需要利用控制算法实现光伏电池的最大功率输出运行的最大功 率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT ）技术9。是一种通过调节电气模块 的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电 有效地贮存在蓄电池中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活 和工业用电，不产生环境污染。 2 2. .1 1 光伏电池光伏电池 U U- -I I 和和 P P- -U U 特性特性 实际光伏电池一般在正常工作情况下，随辐照度和温度变化的光伏电池 U-I 和 P-U 特性曲线分别如图 2.1、图 2.2 所示。显然，光伏电池运行受外界环境温度、辐射度等因 素的影响，呈现出典型的非线性特征。一般来说，理论上很难得出非常精确地光伏电池 数学模型， 因此通过数学模型的实时计算来对光伏系统进行准确的 MPPT 控制是分厂困 难的。 图 2.1 相同温度而不同光辐照度条件下光伏电池 U-I 特性 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 5 页 共 40 页 图 2.2 相同温度而不同光辐照度条件下光伏电池 P-U 特性 从图 2.1 可以看出，当温度相同时，随着辐照度的增加，光伏电池的开路电压几乎 不变，而短路电流、最大输出功率则有所增加，可见辐照度变化时主要影响光伏电池的 输出电流；从图 2.2 可以看出：当辐照度相同时，随着温度的增加，光伏电池的短路电 流几乎不变，而开路电压、最大输出功率则有所减小，可见温度变化时这要影响光伏电 池的输出电压10。 2 2.2 .2 最大功率跟踪理论依据最大功率跟踪理论依据 将模拟装置电路框图简化成图 2.3。其中 s U 模拟光伏直流稳压电源， s R 为光伏电源 内阻。 图 2.3 MPPT 等效电路 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 6 页 共 40 页 若要测量 d I ， 必须在电路中串进一个取样电阻r 根据图 2-3 可知， d R 获得的功率为 2 2 () Sd d sd U R P RR (2.1) 根据题意，60 s UV是给定的，而 s R 和 L R 在30 60的范围内变化。于是 maxo P也在 25 30W范围内变化。欲求 maxo P，应满足 0 d d dP dR (2.2) 即当 ds RR得 2 max 4 S d s U P R (2.3) 最大功率跟踪的方法有很多，有定电压跟踪法，扰动观测法，导纳增量法等。 2 2. .3 3 定电压跟踪法定电压跟踪法 由图 2.1 可知，在辐照度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出 P-U 特 性曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。因此，若能将光伏电池输 出电压控制在其最大功率点附近的某一定电压处，光伏电池将获得近似的最大功率输 出，这种 MPPT 控制称为定电压跟踪法11。 2 2.4 .4 扰动观测法扰动观测法 扰动观测法（Perturbation and Observation method PO）是实现 MPPT 最常用的自 寻优类方法之一。其基本思想是：首先扰动光伏电池的输出电压（或电流） ，然后观测 光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压(或电流)的方向，使 光伏电池最终工作于最大功率点。对于光伏并网系统而言，从观测对象来说，扰动观测 发又可以分为两种：一种是基于并网逆变器输入参数的扰动观测法；另一种是基于并网 逆变器输出参数的扰动观测法12。 基于并网逆变器输入参数的扰动观测法直接检测逆变器输入侧光伏电池的输出电 压和电流，通过计算光伏电池的输出功率并采用功率扰动寻优的方法来跟踪光伏电池的 最大输出功率点；而基于输出参数的扰动观测法则是在不考虑逆变器损耗的情况下，根 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 7 页 共 40 页 据功率守恒原理，通过并网逆变器网侧输出功率扰动寻优的方法来跟踪光伏电池的最大 输出功率点。 众所周知， 一般情况下光伏电池 P-U 特性曲线是一个以最大功率点为极值的单峰值 函数，这一特点为采用扰动观测法来寻找最大功率点提供了条件，而扰动观测法实际上 采用了步进搜索的思路，即从起始状态开始，每次对输入信号做一有限变化，然后测量 由于输入信号变化引起输出变化的大小及方向，待方向辨别后，再控制被控对象的输入 按需要的方向调节，从而实现自寻优最优控制。将步进搜索应用于光伏系统的 MPPT 控 制时， 就是所称的扰动观测法。 当负载特性与光伏特性交点在最大功率点左侧时， MPPT 控制会使交点处的电压升高；而当交点在最大功率点右侧时，MPPT 控制会使交点处的 电压下降，如果持续这样的搜索过程，最终可使系统跟踪光伏电池的最大功率点运行。 即使用/PU 代替/dP dU期望得出的工作点满足/0PU，即为最大功率点。 2 2.5 .5 电导增量法电导增量法 电导增量法（incremental conductance INC）从光伏电池输出功率随输出电压变化率 而变化的规律出发，推导出系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变化率之间的关 系，进而提出的相应的 MPPT 算法13。 通过对/dP dU的定量分析，可以得到相应的最大功率点判据。考虑到光伏电池的 瞬时输出功率为 PIU (2.4) 两边对光伏电池的输出电压 U 求导，则 dPdI IU dUdU (2.5) 当/0dP dU 时，光伏电池的输出功率达到最大。则可以推导出工作点位于最大功 率点时需要满足以下关系： dII dUU (2.6) 实际中以/0IU代替/dI dU则使用电导增量法进行最大功率点跟踪时判断依 据如下： 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 8 页 共 40 页 = II UU II UU II UU 最大功率点左边 最大功率点 最大功率点右边 采用电导增量法的主要优点是 MPPT 的控制稳定度高，当外部参数变化时，系统能 平稳地追踪其变化，且与光伏电池的特性及参数无关。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 9 页 共 40 页 3 3 系统方案系统方案 3 3.1.1 系统原理框图系统原理框图 光伏并网模拟装置主要由 DC-AC 变换电路、驱动电路、电压、电流调理电路、CPU 控制单元等组成。系统结构框图如图 3.1 所示。 图 3.1 光伏并网模拟装置系统框图 3 3.2 .2 C C20002000 系列系列 CPUCPU 选用选用 3.2.1 TMS320F2812 型数字信号处理器 TMS320F2812（如图 3.2）内核的结构分为中央处理器单元（CPU） 、逻辑仿真单元、 存储器以及外设的接口单元三个部分，如图 3.3 所示。 其中，CPU 主要包括累加器（ACC） 、算术逻辑单元（ALU） 、乘累加单元（MAC） 、 移位寄存器和寻址单元等， 用于完成数据/程序存储器的访问地址的产生、 译码和执行指 令，逻辑、算术和位移操作，控制 CPU 寄存器以及数据/程序存储器之间的数据传输等 操作。测试逻辑单元主要用来控制、检测 DSP 的每个部分机器运行状态，以方便调试。 接口信号单元完全是存储器、时钟、外设、CPU 以及调试单元的信号传递通道14。 模拟光伏电池 模拟光伏并网 逆变电路 输入电压采样 驱动电路 输 出 电 压 电 流、相位频率 CPU 控制单元 Uref隔离采样 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 10 页 共 40 页 图 3.2 TMS320F2812 型数字信号处理器 图 3.3 CPU 内部功能框图 CPU 主要包括下面几个部分： (1)数据和程序控制逻辑单元：该单元存储了已经从程序存储器取到的指令15。 (2)地址寄存器算术单元：地址寄存器主要完成数据存储器的寻址运算以及地址的产生。 读取数据时，它将地址放置在数据读地址总线上；数据写操作时，它取数据写地址总 线。它还能递减或递增堆栈指针和辅助寄存器。 (3)实时仿真和清晰度。 (4)预取指令和队列解码。 C2812 CPU CPU 逻辑仿真 内存接口信号 时钟和控制信号 复位和中断信号 仿真信号 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 11 页 共 40 页 (5)数据和程序的地址生成器。 (6)算术逻辑单元：32 位的 ALU 可以实现多种算术和布尔逻辑操作。在计算之前，ALU 接受来自寄存器、程序控制逻辑单元或数据存储器的数据，并将操作结果保存到数据 存储器或寄存器中。 (7)定点 MPY/ALU:乘法器可以完成 64 位的乘法结果。乘法器能够完成两个无符号数、 两个符号数或一个符号数和一个无符号数的乘法运算。 TMS320F2812 数字信号处理器采用增强的哈佛总线结构。能够并行访问数据和存 储空间。 内部继承了大量的 ROM、 SRAM 以及 Flash 等存储器， 采用统一的寻址方式 （数 据、程序和 I/O 统一寻址） ，从而提高了存储器空间的利用率，方便用户开发。 TMS320F2812 数字信号处理器还提供并行的外部拓展接口，有利于大规模的复杂的系 统的开发。 3.2.2 TMS320F28335 型数字信号处理器 TMS320F28335 型数字信号处理器 （如图 3.4 所示） 是 TI 公司的一款 TMS320C28X 系列浮点 DSP 控制器16。与以往的定点 DSP 相比，该器件的精度高，成本低，功耗小， 性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D 转换更精确快速等。在保持了原 有 DSP 优点的同时，能够执行复杂的浮点运算，可以节省代码执行时间和存储空间， 为嵌入式工业应用提供更加优秀的性能和更加简单的软件设计。 图 3.4 TMS320F28335 型数字信号处理器 TMS320F28335 具有 150MHz 的高速处理能力， 具备 32 位浮点处理单元， 6 个 DMA 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 12 页 共 40 页 通道支持 ADC、McBSP 和 EMIF，有多达 18 路的 PWM 输出，其中有 6 路为 TI 特有 的更高精度的 PWM 输出 (HRPWM)，12 位 16 通道 ADC。得益于其浮点运算单元，用 户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代 DSP 相比，平均性能提高 50%，并与定点 C28x 控制器软件兼容，从而简化软件开发， 缩短 开发周期，降低开发成本。 F28335 和 TI 现有的 C28x 的 DAC 一样，C28+FPU 具有相同的 32 位定点结构，并 且具有一个单精度 （32 位） IEEE754 浮点单元 FPU。 这是一个高效的 C/C+支持的芯片， 不仅可以让用户利用高级语言完成控制程序的设计，而且可以实现复杂的数学算法。作 为一种高效的不可多得的微处理器，可以代替其他任何处理器，这种高效性避免了许多 系统中需要第二台处理器的问题。 F28335的3232位乘法运算能力和64 位的处理能力， 能够很好地处理高精度的浮点数值问题。此外，它还有快速的中断响应能力，可以高速 处理异步事件。该器件通过流水式内存访问一个 8 级深的保护流水线，这种流水线使其 能够以很高的速度执行，而不会借助于昂贵的高速处理器。 3.2.3 28335 与 2812 的性能对比 TMS320F28335 与 TMS320F2812 的性能对比如表 3.1 所示： 表 3.1 TMS320F28335 与 TMS320F2812 的性能对比 性能 TMS320F28335 TMS320F2812 CPU 32 位定点+单精度浮点单元（FPU） 32 位定点 CPU 系统频率 150MHz 150MHz 片内 Flash 256K 16 位 128K 16 位 Boot ROM 8K 16 位 4K 16 位 OTP 1K 16 位 1K 16 位 32 位 CPU 定时器 3 个 3 个 SRAM 34K 16 位 18K 16 位 128 位密码保护 有 有 系统外部接口(XNTF) 有 有 通用 IO 口 88 个（可配置 4 种工作模式） 56 个（可配置 2 种工作模式） ADC 12 位，16 通道，12.5MSPS 12 位，16 通道，12.5MSPS SPI 1 个 1 个 SCI 3 个 2 个 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 13 页 共 40 页 3 3. .3 3 主电路拓扑主电路拓扑 电压逆变电路有以下特点： (1) 直流侧为电压源，一般并有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流 回路呈现低阻抗。 (2) 直流电压源有钳位作用，所以交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无 关。但是交流侧输出的电流波形和相位由于负载的阻抗情况不同。 (3) 在生产实践中大多数负载的特性为感性，需要无功功率，所以直流侧的并联的电容 起到无功能量的缓冲作用。逆变电桥各个桥臂都并联了反相二极管，给交流测向直流侧 反馈的无功能量提供通道17。 3.3.1 半桥逆变电路 如图所示单相电压型半桥逆变电路。开关器件 V1 和 V2 与两个足够大的电容 C 构 成半桥式逆变电路，负载连接在两个桥臂连接点和相互串联的大电容的中点之间。如果 电容 C 相对于逆变频率足够大，那么电容上的电压基本维持不变，则两个电容的电压维 持在/ 2 d U。 半桥逆变电路如图 3.5 所示： 图 3.5 半桥逆变主电路拓扑 3.3.2 全桥逆变电路 逆变主电路选用电压型全桥逆变电路如图 3.6 所示： 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 14 页 共 40 页 图 3.6 全桥逆变主电路拓扑 其中桥臂 V1 和 V4 作为一对， 桥臂 V2 和 V3 作为一对， 成对的两个桥臂同时导通。 3.3.3 输出滤波器的参数 （1） f L参数 电感电流纹波最大值： max 4 d L fS U i L f (3.1) 由此可得 max 4 d f LS U L if 。 (3.2) 一般地， maxL i应满足下式要求： max max 15%2 o L o P i U (3.3) 其中 maxo P为逆变器最大输出功率， o U 为输出电压有效值。 依题目要求， max 30 o PW，15 o UV，30 d UV，得到 max 0.4 L iA，0.47 f LmH。 为降低 THD，取2 f LmH。 （2） f C参数 根据LC截止频率确定滤波电容 f C的容值： 1 102 S f LC ， 22 100 4 f Sf C f L (3.4) 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 15 页 共 40 页 得到0.79 f CuF。为了抑制低次谐波， f C一般取理论值的57倍左右。取10 f CuF。 3.3.4 输入解耦电容 由于本系统输出基本恒定的直流电流，而输出工频交变的交流电流，因此需要在直 流输入端 Ud并联较大的解耦电容 Cin。通过 Cin不断吞吐电荷，维持 Ud基本保持不变。 由于 Cin流过工频交流电流，因此 Rs与 Cin组成 RC 环节的时间常数应远大于工频。 1 50Hz 2 sin R C (3.5) 选取1000uF in C 。 3 3. .4 4 SPWMSPWM 调制调制 单向 PWM 逆变电路的驱动信号不是占空比为 50%的方波，是将宽度变化的窄脉冲 作为驱动信号。 PWM 技术的理论基础为面积等效原理，即将形状不同但面积相等的窄脉冲加之与 线性惯性环节时，得到的输出效果基本相同。若采用标准正弦波作为 PWM 调制波，则 称之为正弦脉冲调制，简称为 SPWM，是目前应用较多的一种逆变控制技术。 3.4.1 单极性 SPWM 单极性 SPWM 在每个开关周期内逆变输出电压有零电平和一个正电平或负电平， 不同于双极性SPWM可以在全桥、 半桥中灵活使用， 它不适用于半桥电路。 单极性SPWM 采用三角波为载波，正弦波为调制波，按调制波每半个周期对调制波本身或者载波进行 一次极性反转。 在单极性 SPWM 方式下，电路有三种模式: 1、V1 和 V4（或者反并联的二极管导通）导通输出电压为正。 2、V2 和 V3（或者反并联的二极管导通）导通输出电压为负。 3、桥臂上侧或下侧一个开关管和另一臂上同侧续流二极管载流输出电压为零。 在一个开关管的开关周期内输出电压在正和零（或负和零）间跳变，由于正负两种 电平不会同时出现在一个周期内，所以这种方式称为单极性 SPWM 调制。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 16 页 共 40 页 图 3.7 单极性 SPWM 示意图 3.4.2 双极性 SPWM SPWM 采用的调制波为频率为 s f 的正弦波 sin ssms uUt 2 ss f (3.6) 载波 c u 是幅值为 cm U、频率为 c f 的三角波。载波信号频率 c f 与调制信号频率 s f 之比 称为载波比，用 p 来表示： / cs pff (3.7) 正弦调制信号与三角载波信号的幅值之比可以定义为调制深度 m / smcm mUU (3.8) 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 17 页 共 40 页 通常采用 s u 与 c u 相比较的方法生成 PWM 信号：当 sc uu 时，功率开关管 1 V 、 4 V 导通， 逆变电路输出电压 od uU；当 sc uu时， 2 V 、 3 V 导通， od uU 。随着开关管以载波频 率 c f 轮番导通，逆变器的输出电压 o u 不断在正负 d U 间转换。 工程上对 SPWM 逆变器常采用电压平均值模型进行输出基波电压的计算。当载波 频率远高于电压基频且调制深度1m 时，可知基波电压 1 u 的幅值 1m U满足如下关系 1md UmU (3.9) 它表明在1m 和 cs ff的条件下， SPWM 逆变输出电压的基波幅值随调制深度 m 线性 变化。因此通过控制调制信号，可方便地调节逆变器输出电压的频率和幅值。双极性 SPWM 示意图如图 3.8 所示： 图 3.8 双极性 SPWM 示意图 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 18 页 共 40 页 3.4.3 倍频 SPWM 倍频 SPWM 模式的控制脉冲的发生方法与双极性 SPWM 的方式非常类似。其独特 之处在于它的一个桥臂使用的是由正弦调制波与三角波比较产生的互补控制脉冲， 而另 一桥臂使用的是同一正弦调制波与反相的三角波比较产生的互补控制脉冲。 图 3.9 倍频 SPWM 示意图 从逻辑关系上看在输出电压的正半周，是信号 1g u和 3g u的与。当二者都为高时，输 出电压 od uU ；当其中有一个处于低电平时，输出电压0 o u 。这样 1g u和 3g u的与逻 辑在一个载波周期中出现了两次状态转化，相应的输出电压的电平也有两次变化，而对 于逆变电路的器件来说却只开关了一次。总的来说相当于等效载波频率变为器件开关频 率的两倍，故称为倍频 SPWM。 倍频这种方式的直流电压利用率和前面介绍的 SPWM 一样，但是输出电压的脉动 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 19 页 共 40 页 频率增加了一倍，其谐波特性发生了很大的变化。除了基波外，各次谐波分布在偶数倍 开关频率的奇数次边带上。这种方式的输出谐波性能等效为两倍载波频率的单相单极性 SPWM。虽然只是在控制上稍加改动，但是却提高了性能。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 20 页 共 40 页 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 系统硬件由以下四个部分组成：全桥逆变电路，开关管驱动电路，电压、电流信号 调理电路，显示电路。下面分别介绍。 4 4.1.1 全桥逆变电路全桥逆变电路 逆变电路拓扑选择全桥电路，使用双极性 SPWM 进行控制，输出正弦波形。全桥 逆变电路如图 4.1 所示，由两个功率 MOSFET 组成的桥臂加上一个 LC 滤波器组成。 NP1 Vg