（机械电子工程专业论文）基于交流母线的光伏系统充放电技术研究.pdf

东华大学硕士学位论文 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确 注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：薹锋 日期：。1 1 年亏月牛日 东华大学硕士学位论文 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 | i 不保密吐 学位论文作者签名： 董锌 1 日期：z o i1 年弓月争日 指导教师签名： 东华大学硕士学位论文 摘要 基于交流母线的光伏系统充放电技术研究 摘要 在一些远离电网的地区，如西部偏远农村及东部某些沿海岛屿， 由于不适宜的地理条件、低人口密度以及由此引起的低电能消耗， 从经济角度讲，在这些地区延伸电网是不经济、不合理的。如何提 供合适的电力成了人们一直研究和探讨的问题，对此有以下看法：在 偏远地区，用电负载比较小，虽可考虑常用的柴油发电机供电，但 柴油机存在燃料和维护费用较高、噪声大、污染大、可靠性不高等 问题，所以柴油发电机只能作为一种短时应急电源。要提供长期、 稳定、可靠的电源，最好利用当地的自然资源，如太阳能和风能。 太阳能和风能在时间、地域上的互补性使风、光发电系统在资源上 具有最佳的匹配性。因此，风能、光能作主要的供电系统、柴油机 发电作应急的供电系统、蓄电池作储能系统组成的风、光、柴、蓄 交流母线供电系统将为远离公共电网地区最有前景的供电方式。 本文首先研究开关电源中e m i 产生的机理，讨论了e m i 的主要 干扰形式，并且根据实际经验进行e m i 滤波器的设计，给出了详细 的设计步骤。然后建立了仿真模型，验证了设计的可行性及其正确 性，达到了验证e m i 滤波器效果的目的。 然后，讨论了双向d c d c 变换器作为系统的降压、升压部分的 可行性，讨论了双向d c d c 变换器的工作原理，利用p s p i c e 建立模 型，验证了双向d c d c 变换器降压、升压的功能。与此同时，进行 相关电路的设计。 在逆变电路中，分析了全桥拓扑电路的优缺点，选用全桥拓扑结 构作为逆变的主电路，并且结合锁相控制技术的要求、p i 控制器在控 制过程中的运用，建立了m a t l a b 模型，进行仿真，从而验证了拓扑 电路以及控制方法的正确性。达到了验证逆变电路的目的。 东华大学硕士学位论文 摘要 最后，因为系统的各个部分都需要不同的工作电压，辅助电源 在系统中也占有重要的一环，因此，最后一张进行了辅助电源的设 计，探讨了c c m 模式下斜率补偿的原理，给出了几种补偿方式，并 且利用p s p i c e 进行仿真，验证了所设计的辅助电源的正确性。 本文最大的创新点在于充放电控制器可以任意数目的并联使 用，相互之间不会互相干扰。 关键词：光伏系统，交流母线，充放电技术，逆变，辅助电源 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t i 之e s e a r c h0 nr e c h a r g ea n dd i s c h a r g e t e c h n o l o g yo fp h o t o v o i ，1 队i cs y s t e mb a s e do n a cb u s a bs t r a c t i nm a n yr e m o t ev i l l a g e s ，w i d ea r e a so ft h ew e s t e r na n ds o u t h w e s t e r np r o v i n c e sa sw e l la s s o m ei s l a n d sa l o n gt h ee a s tc h i n e s ec o a s t d u et ou n f a v o r a b l et o p o g r a p h i cc o n d i t i o n s ，l o w s e t t l e m e n td e n s i t ya n dar e s u l t i n gl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，a ne x t e n s i o no ft h eg r i ds y s t e mi s t h u sn o tr e a s o n a b l ef r o ma ne c o n o m i cp o i n to fv i e w s op e o p l ea r ea l w a y st a l k i n ga b o u th o wt o s u p p l yt h e s ea r e a ss u i t a b l ep o w e r t ot h i sp r o b l e m ，w ek n o w , i n r e m o t ea r e a s ，l o a d sa r er e l a t i v e l y s m a l l t h o u g hw ec a ns u p p l yp e o p l ep o w e rb yu s i n gd i e s e lg e n e r a t o r , b u td i e s e lg e n e r a t o re x i s t s s o m ep r o b l e m ss u c ha se x p e n s i v ef u e l 、h j 曲m a i n t e n a n c ec h a r g e 、b i gn o i s e 、l a r g ep o l l u t i o n 、 l o wr e l i a b i l i t ya n ds oo n s od i e s e lg e n e r a t o rc a nb ev i e w e da sat e m p o r a r ye m e r g e n c yp o w e r s u p p l ys y s t e m i f w ew a n tt os u p p l yl o n g t e r m 、s t a b l e 、h i g l lr e l i a b i l i t yp o w e rs u p p l ys y s t e m ，w e h a db e t t e ru s el o c a ln a t u r a lr e s o u r c e s ，f o re x a m p l e ，s o l a re n e r g ya n dw i n de n e r g y s os o l a r e n e r g ya n dw i n de n e r g yc o m p l e m e n te a c ho t h e ri nt i m ea n dg e o g r a p h i c a la r e ab e s t s ot h a tw i n d e n e r g ys y s t e m 、s o l a re n e r g ys y s t e ma st h em a i np o w e rs u p p l ys y e s t e ma n dd i e s e lg e n e r a t o ra sa t e m p o r a r ye m e r g e n c yp o w e rs u p p l ys y s t e mw i l lb et h eb e s tp r o m i s s i n gp o w e rs u p p l ys y s t e mf o r t h e s eo f f - g r i da r e a s f r i s t ，t h i sp a p e rs t u d i e se m e r g em e c h a n i s ma b o u tm e i o fs w i t c h i n gp o w e r , a n dd e s i g n se m i f i l t e ra c c o r d i n gt op r a c t i c a le x p e r i e n c e w eb u i l dp s p i c em o d e la n dc o n f i r mt h ee m if i l t e rw e d e s i g ni sr i g h t s e c o n d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep o s s i b i l i t yo fb i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ra st h ep a r to f s t e pu pa n ds t e pd o w ni nt h es y s t e m w es e tu pd c d cc o n v e r t e rp s p i c em o d e lt ov e r i f yt h e f u n c t i o no fb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r , a n dw ed e s i g nr e l a t e dc i r c u i t s w ea n a l y s em e r i ta n dd e m e r i to ff u l l - b r i d g e ，a n dc h o o s ef u l l - b r i d g ea ss y s t e m si n v e r t e r c i r c u i t ，a n dw es e tu pi n v e r t e rc i r c u i tm a t l a bm o d e lw h i c ha r ec o n t r o l l e db yp ic o n t r l l e r f r o mt h e m o d e l ，w ev e r i f yt h ei n v e r t e rc i r c u i ta n dp ic o n t r o l l e ra r er i g h t l a s t ，w ek n o wd s p 、o p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n do t h e rd e v i c e sn e e dd i f f e r e n tw o r k v o l t a g e s s o ，t h i sp a p e rd e s i g n sak i n do fa u x i l i a r yp o w e rs u p p l y , a n ds e tu pp s p i c em o d l e ，a n d v e r i f yt h i sp s p i c em o d l ei sf i g h t w ed i s c u s ss l o p ec o m p e n s a t i o n u n d e rc c m m o d e l s o ，w ek n o w , t h ea u x i l i a r yp o w e rs u p p l yw ed e s i g na b o v ei sr i g h t f r o mw h a tw ed i s s c u s sa b o v e ，w ek n o wt h e s et e c h n o l o g i e sa b o u tr e c h a r g ea n dd i s r e c h a r g e t e c h n o l o g yo fp vs y s t e mb a s e do na cb u sa r er i g h t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri sr e a s e r c ho nr e c h a r g ea n dd i s r e c h a r g et e c h n o l o g yo fp v s y s t e mb a s e do na cb u s i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s ed e s i g no fm o s to fh a r d w a r ec i r c u i t ，a n dw e d i s c u s si t sf e a s i b i l i t y m e a n w h i l e ，w ed i s c u s sc o n t r o ls t r a t a g e t h eb i g g e s ti n n o v a t i o ni nt h i sp a p e ri st h a tr e c h a r g ea n dd i s r e c h a r g ec o n t r o l l e r sc a nb eu s e d p a r a l l e l l yn om a t t e rh o wm a n yt h e r ea r e i i i 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t 尬扣鳟一m e c h a n i 砌a n a 日e c 毗m e n g i n 舶g ， s u p e r v i s e db y ： k e yw o r d s ：p vs y s t e m ，a cb u s ，r e c h a r g ea n dd i s r e c h a r g et e c h n o l o g y ，i n v e r t e r ， a u x i l i a r yp o w e rs u p p l y 东华大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景意义1 1 2 国内外研究现状3 1 3 总体方案设计及主要研究内容5 第二章e m i 滤波器设计9 2 1 干扰产生的机理9 2 2e m i 滤波器的主要技术指标1 0 2 3e m i 滤波器设计、参数计算1 1 2 4 仿真分析1 4 2 5 本章小结15 第三章蓄电池整流设计1 7 3 1d c d c 变换器的概念一1 7 3 2 双向d c d c 变换器研究1 7 3 3 工作原理分析及其拓扑电路设计、参数计算2 1 3 4d c d c 变换器整流仿真分析3 0 3 5 本章小结3 1 第四章蓄电池逆变设计3 3 4 1 逆变主电路设计3 3 4 2 仿真分析4 l 4 3 本章小结一4 2 第五章其他电路设计4 3 5 1 调理电路设计4 3 5 2d s p 外围电路设计4 6 5 3 通讯接口电路设计4 8 5 4 本章小结4 9 第六章辅助电源设计5 1 6 1 辅助电源设计过程5 l 6 2 仿真及其分析5 7 6 3 本章小结5 8 第七章总结5 9 参考文献6 1 致谓 6 4 附录攻读硕士期间发表的论文6 5 东华大学硕士学位论文 目录 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 在当今的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是石油、天然气、煤炭等 化石能源。根据“b ps t a t i s t i c a lr e v i e wo f w o r l de n e r g y , j u n e2 0 1 0 ”报告，2 0 0 9 年末 世界探明的的石油储量大约是1 3 0 0 0 亿桶，大约可开采4 0 年；探明的煤炭储量 大约是8 2 0 0 亿吨，大约可开采2 0 0 年；探明的天然气大约是1 8 0 万亿立方米， 大约可开采6 0 年。从上面数据可以看出，由于化石能源不可再生性，最终将被 耗竭。化石能源的大量开发和使用所造成的全球气候变暖和环境污染日益严重。 在过去的一百年里，全球平均气温上升了o 3 o 6 。c ，全球海平面上升了1 0 2 5 c m ，如果不对温室气体采取减排措施，从2 l 世纪开始，全球平均气温每1 0 年 将升高o 2 ，到2 1 0 0 年全球平均气温将升高1 3 5 。并且化石能源的使用 是酸雨产生的主要来源，也是灰尘颗粒污染的主要来源。目前，我国受酸雨影响 的地区占国土面积的3 0 ，是世界三大酸雨区中唯一一个面积还在继续扩大的地 区。同时，化石能源的采掘还会导致国土的塌陷，容易引起地质灾害。随着化石 能源供需矛盾的进一步加剧以及环境的日益恶化，可再生能源日益受到重视。 可再生能源主要包括风能、水能、太阳能、潮汐能、氢能等。风能是因空气 流做工而提供给人类的一种可再生能源，空气流具有的动能称为风能，空气流速 越高，动能越大。风能的利用形式多种多样，在古代，风能主要是指利用风来抽 水或者碾磨稻谷或者驱动帆船等。在现代，风能主要是指风能发电，即包括独立 的风能发电系统，也包括并网的风能发电系统。风能的优点主要是清洁环保可再 生，其缺点主要是单位能量密度低导致占用空间大、时间和空间上的间歇性等。 太阳能主要是指利用太阳光发电，其优缺点和风能类似。近年来，随着可再生能 源发电技术的快速提高以及其成本的迅速降低，可再生能源系统在电力系统中所 占比重越来越高，但是，大多数可再生能源系统仍然为独立的供电系统，比如独 立的光伏，独立的风能系统。在现代社会，随着用电负荷的上升，以及负载对供 电要求的更加严格，稳定性的电源供应显得尤其重要。因此，如何将各种独立工 作的可再生能源发电系统组建成一个并网系统将会是今后可再生能源领域的一 个重要发展方向。 在中国的一些远离电网的地区、部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路 和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远的农牧民都需要低成本、 高可靠性的独立电源系统。同时，对城市生活前景的憧憬导致大量人口从农村迁 移至哇城市里，也导致了城市以意想不到的速度在扩张。在接下来的几十年里，估 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 计将会有5 亿人口可能会离开他们的居住点。城市的迅猛发展以及偏远地区的没 落有可能给中国的文化发展来来毁灭性的影响。因此中国政府在1 9 9 6 年就启动 了一项计划，该项计划的主要目的就是通过强化电能供应系统来为西部省份的偏 远地区提供电能，主要的方式有：太阳能发电、风能发电【2 】这其中也以独立的太 阳能发电、风能发电为主。哪种独立电源最合理，这是人们一直在研究和探讨的 问题，针对这个问题有以下看法：偏远地区一般用电负荷都不大，所以用公用电 网送电就不合理，而只能在当地直接发电，最常用的就是采用柴油发电机。由于 不仅柴油的储运对偏远地区成本太高，而且柴油机运行的燃料和维护费用很高、 购买燃料要求连续投入资金、对环境污染、相对负载来说柴油发电机功率有限、 存在人员维护、可靠性不高等问题。所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电 源。要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依赖当地的自然能源。太阳能和风能 是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。太阳能是地球上一切能源的 来源，太阳照射着地球的每一片土地，风能是太阳能在地球表面的另外一种表现 形式，由一于地球表面的不同形态对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成 温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。因此，太阳能与风能在时 间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后， 光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小， 冬季，太阳光强度弱而风大。因此，风能、光能作为主要的供电系统、柴油机发 电作为应急的供电组成的风、光、柴交流母线供电系统应为远离公共电网地区的 最有前景的供电方式之一。但是，当光照非常充足或者是风能非常充足或者是负 载过小导致母线所能提供的能量大于负载需求的能量时，多余的交流母线的电力 将不能充分地被利用，会白白浪费；相反地，当光照不足或者是风能不足或者是 负载过大导致母线所能提供的电力小于负载需求的电力时，交流母线的电压将会 被拉低，将会影响负载的正常运行。因此，在风、光、柴交流母线系统中增加蓄 电池组来存储富交流母线富余的电力或者作为电源系统释放交流母线所欠缺的 电力供应显得尤其必要。综上所述，所谓的基于交流母线的风、光、柴、蓄交流 母线系统是指风能发电系统、太阳能光伏发电系统、柴油机发电系统、蓄电池发 电系统通过一条公共母线向负载提供电源，可是单相电，也可以是三相叫3 1 。典 型的风、光、柴、蓄交流母线系统如图1 1 所示。 风、光、柴、蓄交流母线系统由于其所利用资源的可再生性、污染小，维护 成本低，以及交流母线系统供电的相对稳定性，风、光、柴、蓄交流母线系统定 会成为远离公共电网的地区最有前景的供电系统。 2 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 1 风、光、柴、蓄交流母线系统 1 2 国内外研究现状 随着能源短缺所引起的可再生能源蓬勃兴起，以及人们对稳定供电系统的需 求，可再生能源并网系统是将来的趋势之一。随着分布式并网发电系统的增加， 它们在一定程度上会改变和影响电网的正常运行，因此，2 0 0 3 年6 月，由标准 委员会2 1 ( s t a n d a r d sc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e 2 1 ，s c c 2 1 ) 发布了i e e es t d1 5 4 7 - 2 0 0 3 是第一个规范燃料电池、光伏系统、分布式发电装置、能量存储设备这类并网系 统的标准。 i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 考虑的是容量不超过i o m v a 的系统，当然，就目前来 讲，绝大多数并网交流母线系统容量都小于这个量值。但是，其规定的工作频率 是6 0 h z ，而目前中国的市电频率是5 0 h z 。因此，需要将该标准作相应修改后作 为参考。下面是标准并网系统中的几个参考量【4 j ： ( 1 ) 电压异常范围和响应时间 并网电网电压的正常范围为标准电压的8 8 - - 1 1 0 ，当电网超出这个范围 时，并网系统应该立即检测出异常并且在规定的时间内执行离网动作。如表1 1 所示。 3 表1 - 1 电压异常范围和响应时间 = = = = = 一一 电压范围 响应爵而一 ! 堡堡皇墨塑亘坌比)( 秒) 一一 ： v 5 0 0 1 6 5 0 v 8 8 2 0 0 11 0 v 1 2 0 0 1 6 ( 2 ) 并网电流谐波要求 一般情况下，并网系统不能对母线系统造成污染，所以对并网电流要求如表 1 2 所示： 表1 - 2 并网电流谐波要求 奇次谐波h l1 11 h 1 7 1 7 h 2 32 3 h 3 5 3 5 h 总谐波 h t h d 4 0 2 01 5 0 6 。百r i 矿一 ( 3 ) 并网电压谐波要求 电压谐波要求如表1 3 所示： 表1 - 3 并网电压谐波要求 奇次谐波h l1 11 h 1 7 1 7 h 2 32 3 h 3 5 3 5 + 一 + 一 + 一 + _ + 一 + 一 。- - 。一2 “c 时，丁。通路，丁z 断路，输出 等于叻；当u r “c 时，丁。通路，丁z 断路，输出 等于零；当u r u c 时，丁。断路，z 通路，输出等于叻。 从图中可以看出，等效正弦波为u m s i n ( w t ) ，s p w m 脉冲系列波的幅值为叻， 兀 脉冲不等宽，但是中心间距相等，为，其中n 为半波周期内脉冲的个数。 在第i 个矩形中，假设矩形波形宽度为西，中心点相位角为臼， 0 卢旦f 一土旦 鬈，2n ( 4 1 ) 1 、， ：竺兰兀 一- _ - 2 根据面积相等的等效原则，有 3 4 东华大学硕士学位论文 第四章蓄电池逆变设计 函昕碥霹8 i n ( w 聊o = 砜 c o s ( 良一昙) 一c o s ( p r + 昙) ( 4 - 2 ) = 2 砜s i n ( 茜) s i n ( 0 f ) 当n 值比较大时，s m 丽丽时，有 一土旦00i u m s l n u i ( 4 3 ) i 斗。j j 第i 个脉冲的起始相位角为 o i - ! 函：2 - 1h 一1 8 ，( 4 4 ) 第i 个脉冲的起始相位角为 o i + ! 函：型n + ! 万， ( 4 5 ) 假设基波分量的角频率为0 ) i ，幅值为u m ，则 吾薹酵蚓鼢懒 件6 、 = 面4 u d 驴u ( 尼莩争夸) 】 从上式可以看出，k 、n 越大，越小，谐波分量会随k 的次数增大而自然消 6 i6 l s l n 一= 一 除外，低次谐波还可以通过脉冲数n 的增加来减少。将k = l 、 2 2 ，可得基 波分量幅值： = 等缸螋2 n s i n 警f = 1 。 。 2 = 等驴n 坠2 n 马2 f = l 。 。 = 锄一学 件7 ， ：堕 n = 从上式可知，输出电压的基波电压是调制时所要求的正弦波。 ( 2 ) 双极性脉宽调制【1 8 】_ 【2 1 从单极性正弦波脉宽调制中可以看出，脉宽调制的电压要么是矾，要么是零或 者要么是u d ，要么是零。电压只在零和u a 或者零和一u a 之间变化。主电路每次只 有t 1 、t 3 反复通断。而双极性s p w m 脉宽调制，其输出电压则在“正”和“负”之间 变化。四个开关管中同一桥臂的上下两个功率管交替导通与关断。其原理如图4 - 4 3 5 东华大学硕士学位论文 第四章蓄电池逆变设计 所示。 d u d o u d 图4 - 4 双极性脉宽调制 输出电压“。( 。) 波形在0 2 区间关于中心对称、在o n 区间关于关于轴对称， 其傅里叶级数表达书如下 “。( f ) = u 加s i n ( k w t )( 4 - 8 ) 式( 4 8 ) 中，k 奇数 = 吾胁舢i n ( 删撕) = 音 j c l 叻s i n ( 挑f 矽( w f ) 一2 u ds i n ( k w t ) d ( w f ) 一4 叻s i n ( k w t ) d ( w t ) - - 0 0 0 0 - - 2 - 1 u d s i n ( k w t ) d ( w t ) = 丽4 u d 1 _ 彝c o s ( 砌) 一c o s ( 锄f ) 】) 式( 4 9 ) 中，n 一半个周期内脉冲波的个数 、t 2 2 、t 2 3 一切换点的角度 考虑到正弦波波形在四分之一周期出纵轴对称，有 倥l = n a 2 ，一( f 1 ) c o s 口l = 一c o s 口2 一( i 一1 ) 因此，可得 ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) ：2 u d 1 + 2 n ( 一1 ) ic o s ( k 口f ) k h i 一= l ” ( 4 1 2 ) s p w m 的实现可以由模拟电路、数字电路、或者大规模集成电路芯片等来完成， 考虑到成本、对m c u 运算速度等因素，s p w m 的具体实现一般会采用查表法，其 3 6 东华大学硕士学位论文 第四章蓄电池逆变设计 具体做法是将点时刻或者脉冲宽度存放于e p r o m ，用查表的方法，读取开关点或 者脉冲宽度来控制开关器件的通断。 4 1 2 锁相控制技术 对于充放电控制器逆变过程的控制来讲，锁相控制是一个非常关键的部分。因 为充放电控制器逆变的输出电压必须与交流母线电源同频同相。锁相控制的重要性 主要体现在充放电控制器逆变输出电压和交流母线电源的并网上。为了确保该过程 安全性，这两路电源的频率和相位必须尽可能地保持一致，并达到一定的控制精度。 否则，就有可能在切换的瞬间，因为两路电源的频率和相位的不一致导致电压差异， 在交流母线电源和充放电控制器之间形成环流。如果环流过大，会对充放电控制器 造成波坏性的损坏。因此，锁相控制技术是充放电控制器逆变过程中的重要技术之 锁相环( p l l ) 是个闭环的相位控制系统， 位。锁相环包含三个必不可少的单元增加2 2 】： 振荡器( v c o ) 。原理如图4 5 所示。 能够自动地跟踪输入信号的频率和相 鉴相器( p d ) 、低通滤波器( l f ) 、压控 图4 5 锁相环原理 锁相环的工作原理如下：鉴相器( p d ) 把周期性输入信号u i ( t ) 与压控振荡器( v c o ) 信号u o ( t ) 相比较，比较后得到的信号“。( f ) 经过低通滤波器( l f ) 进行滤波，低通滤波 器的输出信号“。( f ) 被用作控制电压送入压控振荡器，用来改变压控振荡器的频率和 相位，逐渐减小输入信号和压控振荡器之间的频率和相位的误差。 根据实现方式的不同，充放电控制器逆变过程中的锁相控制技术可以分为以下 几种：模拟锁相控制技术、数字锁相控制技术、软件锁相控制技术【23 i 。本文采用通 过d s p 检测交流母线和逆变输出的频率、相位和电压，调整逆变基准电压的相位、 频率和幅值来实现同步锁相的。程序流程如图4 - 6 所示： 3 7 东华大学硕士学位论文 第四章蓄电池逆变设计 i 检测交流母线过零 0 计数、消抖 4 1 3pld 控制器 图4 - 6 锁相流程图 为了尽可能的延长蓄电池使用寿命，蓄电池的充电往往采用恒流、恒压、浮充 方式的三阶段充电 2 4 】【2 7 1 ，因此需要对同步整流过程采取控制策略以获取比较比较精 确的充电电压。目前在工程中应用最为广泛的应算是p i d 控制了。 p i d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控 制的，其原理如图4 7 所示【2 8 】_ 3 0 】。 3 8 东华大学硕士学位论文 第四章蓄电池逆变设计 图4 - 7p i d 原理图 p i d 控制器是一种线性的控制器，它根据给定值r ( f ) 和实际输出值“( ) 构成控制 偏差 e ( t ) = r ( t ) 一u ( t ) ( 4 - 1 3 ) 其输入与输出的关系为 “( f ) ：k e e ( s ) + k ie ( s ) + k o s e ( s ) ( 4 1 4 ) 可得其传递函数 g = 罴= 昏+ 鼢三+ k d s 件1 5 ) 式( 4 1 5 ) 中，群一比例系数 硒一积分系数 硒一微分系数 实际应用中，可以根据实际应用情况，灵活地采用不同的控制组合： l l 歹q j ( p ) 控制器 “( f ) = k e e ( t ) ( 4 1 6 ) 比例积分( p i ) 控制器 ) = k 4 m ) + 去胁m ( 4 - 1 7 ) 式( 4 1 7 ) q h ，乃一积分时间 t 一采样周期 比例积分微分( p i d ) 控制器 砸) = k 4 叶吾套。+ 等( e , - e , - 0 ( 4 - 1 0 8 ) ，i = 式( 4 1 8 ) 中，1 d 一微分时间 比例、微分、积分三种控制方式各有优缺点，比列控制能迅速反应误差，从而 减小稳态误差。但是，比例控制不能消除误差，而过大的比例系数又会引起系统的 不稳定。积分控制主要是积累误差，输出空置量，以消除误差。因此，只要有足够 的时间，积分控制能完全消除误差，使系统误差为零。但是，积分作用太强会使系 3 9 东华大学硕士学位论文 第四章蓄电池逆变设计 统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时加快 系统的动态响应速度，减小调整时间，改善系统的动态特性。 在过程控制，模拟p i d 控制器有电气、气动、液压等多种类型，其主要是靠硬件 电路来实现p i d 调节规律的。在数字计算机控制中，p i d 控制器主要是通过控制算 法程序来实现的，也就是数字p i d 控制器，其控制规律主要是通过采用数值逼近的 方法来实现的。当采样周期相当短时，用求和来代替积分，用差商代替微商，使p i d 算法离散化，将描述连续时间的p i d 算法的微分方程变为描述离散时间p i d 算法 的差分方程。主要有位置式p i d 、增量式p i d 两类： ( 1 ) 位置式p i d 数字p i d 控制器的输出量为 “。，= 玉研e t + 莠高白+ 等c e t e t t t ，+ 掰。 。4 ，9 ， 离散化后的表达式为 砸= m + 寺驴和咱_ l 肌 可改写为 “( f ) = + 髓e j + k d ( a e ) ( 4 - 2 1 ) 上式表示的控制算法提供了执行机构的位置所以称为位置式p i d 。 ( 2 ) 增量式p i d 由位置式算法可得 娴= m + 吾耔等( 旷1 ) ) m 。 ( 4 - 2 2 ) 可求出 诹- 1 ) = 斟阻件吾。7 y 。，( e ( k - ，) - e ( k - 2 ) ) 】+ 讹( 4 - 2 3 ) 由式( 3 1 9 ) 一式( 3 2 0 ) ，可得 a u ( k ) = u ( k ) - u ( k - 1 ) = ，哪- ，+ 萨t + - - 等 e ( k ) - 2 e ( k - 1 ) + e ( 一) 】) 4 - 2 4 u ( k ) = u ( k 一1 ) + a u ( k )( 4 - 2 5 ) 从式( 4 - 2 4 ) 署h 式( 4 2 5 ) ，可以看出，数字增量式p i d ，只要储存最近的三个误差 采样值p ( k - - 2 ) 、e ( k 1 ) 、e ( t ) 就足够了。 4 0 东华大学硕士学位论文 第四章蓄电池逆变设计 4 2 仿真分析 m a t l a b 在控制方面具有强大的仿真功能，在系统中，采用电流环、电压环双环 跟踪控制，利用m a t l a b 建立图4 。8 控制器模型，取局= 2 8 8 ，k , - = 3 2 4 0 0 ，然后建立 图4 - 9 的仿真模型，可以得到图4 1 0 的电压电流波形，从图中可以看出，输出的电 压电流周期、幅值都能很好地与母线电压电流匹配，完全满足要求，从而可以知道 所设计的逆变电路是正确的，从而验证了上面所提到的内容。 u i s c r e t e pc o n t r o l l er a d d 剐! d - 卜 41 蛔：l i ：! 卜 p u l s e s s i g n a l ( s )一； p i 0 u t l ll i n 2 。 一 1 图4 - 8 控制器模型 图4 - 9m a t l a b 逆变仿真电路 4 1 东华大学硕士学位论文第四章蓄电池逆变设计 4 3 本章小结 图4 1 0 电压电流波形 在本章中，着重研究了全桥型逆变电路，分析了全桥电路的优缺点。针对逆变 过程中容易导致的交流母线的相位和蓄电池逆变后的相位无法同步的问题，采取了 锁相同步控制技术，给出了具体的流程图。 针对控制过程中容易出现超调及控制不稳定等问题，文中讨论了p i d 控制的原 理及类型，并且自己选择了最常用p i 控制器作为其控制。 最后，建立了m a t l a b 模型，进行了基于电流环、电压环双环控制的仿真，电流 能很好的跟踪匹配电压，同时电压波形稳定，从而实现了验证电压环、电流环双环 控制下逆变电路输出的稳定性要求，从而间接验证了本系统方案的合理性。此方案 对于现实使用的产品设计具有很好的借鉴意义。 4 2 东华大学硕士学位论文 第五章其他电路设计 第五章其他电路设计 5 1 调理电路设计 在系统中，即需要对芯片的供电系统进行保护，防止过压等情况出现，也需 要对电压、电流进行采样，以供锁相环、蓄电池充电过程切换等使用。因此，调 理电路的设计也显得很重要，关系到系统的稳定性、准确性等 5 1 1 + 3 3 v 、+ 5 v 、+ 15 v 保护电路 在系统中，为了保护系统中各个部分的正常运行以及安全性，往往会对各种 芯片的供电电源进行保护。+ 3 3 v 、+ 5 v 、+ 1 5 v 保护电路如图5 1 所示，其他保 护电路类似3 1 - 3 4 1 。上面的电路均是由比较器组成的窗式比较电路，因三组电路原 理类似。现以分析+ 1 5 v 电路的保护电路为列： 运放3 脚的输入电压u ， ：j盟uu3u ( + 15 ) ( 5 1 )= ( + 1 5 )i ，- ll 尺7 + r 8 + r 9 式( 5 1 ) 中，u ( “5 ) m + 1 5 v 电源输出端电压 运放6 脚的输入电压u s u 6 ：l u ( + 1 5 ) ( 5 2 ) 尺7 + r 8 + r 9 从运放特性可知，运放a 的翻转电压为 u 3 ：j 塑墨! 一，) 2 5 v) 尺7 + r 8 + r 9 运放b 的翻转电压为 u 6 ：j 竺一u ( + 1 5 ) 2 5 v ( 5 4 ) 尺7 + r 8 + r 9 因此，可知( + 1 5 ) 电压范围 2 5 ( r 7 + r 8 + r 9 ) u ( + 1 5 ) 2 5 ( r 7 + r 8 + r 9 ) ( 5 5 ) r 8 + r 9r 9 当u ( + 1 5 ) 的电压超过了上面的范围时，运放输出电压会翻转，当d s p 探测到 相应i o 接口电压的变化时，可以执行相应的保护动作。 4 3 东华大学硕士学位论文 第五章其他电路设计 图5 1 + 3 3 v 、+ 5 v 、+ 1 5 v 保护电路 5 1 2 电流采样电路 电流采样电路如图5 - 2 所示，却掰端为电流传感器的输出电压，根据运放 虚短虚断原则，可得 坠v 1 p , 一1 5 炜一j 坠玩。， 叁星 一 旦星： r 3r 1 ( 5 - 6 ) 可得输出电压 陉( 1 + 芸) ( 熹腑_ 1 5 ( 芸) ( 5 - 7 ) 需要指出的是，在设计电阻的阻值时，需要考量到运放和d s p 允许通过的电 流，其中，电阻只。是起限流作用。 4 4 东华大学硕士学位论文 第五章其他电路设计 g ) ( ，n d 图5 - 2 电流采样电路 5 1 3 电压采样电路 在系统中，一方面需要检测母线电压来实现充放电控制器的切换，另一方面 需要测量输出电压以实现系统的同步锁相。具体的电压采样电路如图5 - 3 所示。 图5 - 3 电压采样电路 在直流情况时，电容相当于断路功能，电压采样电路等效于电压跟随器。 r 1 盂。磊 在交流情况时，1 5 v 的电源相当于地，因此，电压采样电路等效于下图电路。 r l 可得其输出电压为 4 5 东华大学硕士学位论文第五章其他电路设计 巧3 = r r - - z ( i , 卜2 ) ( 5 - 8 ) 因此综上所述，电压采样电路的输出电压为直流和交流输出电压之和，即 v p 3 = 1 5 + r r - - 2 1 ( 1 4 p 川1 一“2 ) ( 5 - 9 ) 式( 5 9 ) 中，( 1 o n p ，一以z ) 2 2 0 v 交流电分压后的电压。 5 1 4 温度检测电路 为了检测m o s 管版面的温度，同时检测室温，给蓄电池充放电提供温度参数， 在系统中需要有温度检测系统，具体电路图如图5 4 所示： 图5 - 4 温度采样电路 在图中，r 4 为热敏电阻，和电阻忍、r 加、尺，组成测量电桥。由于