[精品论文] 风力发电单相逆变系统研究.pdf

分类号 udc ： 密级 编号 风力发电单相逆变系统研究 r e s e a r c ho fs l n g l e - p h a s el n v e r s i o ns y s t e mf o r w i n dp o w e rg e n e r a t i o n 学位授予单位及代码：篮壹堡王叁堂! ! q ! 些! 学科专业名称及代码：揎到擅生生且塾些整星i 堂! ! 咝2 研究万同：焦卿拉盔皇道显燕剑申请学位级别：亟 指导教师：型重逋副熬擅研 究生：王蛊趋 论文起止时问：艘鲤l = 生虬监l l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，风力发电单相逆变系统研究是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。陈文中已经注明引用的 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成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 王薹硷主! 生年l 月皇l 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研宄所、中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内客编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：至熏丝 塑! f年i 月址日 导师签名 丝! 1 年二l 月二i 生i j 摘要 本文以2 k w 的直驱风力发电机为研究目标，对直驱风力发电机产生的电能通过电 力电子技术进行转换，使系统输出稳定的2 2 0 v 5 0 h z 的正弦波。本文所作的主要工作 是：根据直驱风力发电系统的特点，提出了三相不可控狂流+ b o o s t 升压+ 单相全桥逆 变的拓扑结构；逆变秉统的控制由t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片完成。对系统的硬件电路进 行详细设计，选取了主要电路元器件。 研宽了逆变系统的数字控制方式，根据逆变电路的动态模式设计了电压嚼时值 反馈单环p 1 d 控制器形成闭环控制系统应用m a t l a b s i m u l i n k 专业仿真软件对设计 的逆变控制系统和b o o s t 升压电路进行仿真分析，完成参数的优化设计。编写了逆变 系统的相关单元控制算法，实现s p w m 输出控制和装置的故障处理等功能。 最后对所设计的系统进行测试，符台设计标准。 关键词：直驱风力发电单相全桥逆变d s ps p w mp l d 控制器 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h em u d yo b j e c t i v ei st h ed i r e c t - d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o no f 2 k ww e u s ep o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yt oc o n v e r tt h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t e db yd i r e c t - d r i v ew i n d p o w e rg e n e r a t i o n a n dt h es t a b l e2 2 0 v 5 0 h zs i n ew a v eh a db e e np r o d u c e dt h i sp a p e r sm a i n t a s ki st h a tt h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r ew h i c hc o m p o s e do ft h et h r e e p h a s er e c t i f i e r ，b o o s t c h o p p e ra n ds i n g l e - p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e r i sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed i r e c td r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mt h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p c h i pi sa d o p m dt o d e v e l o pi n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m t h eh a r d w a r ec i r c u i to f t h es y s i e mh a sb e e nd e s i g n e da n d s e l e c tt h e c o m p o n e n t s o ft h em a i nc i r c u i t w ed e v e l o p e dt h ed i g i t a lc o n t r o lo f t h ei n v e r t e rs y s t e m b yi n v e r s i o nd e v i c esd y n a m i c m o d e l ，as i n g l e l o o pp i dc o n t r o l l e ro fi n s t a n t a n e o u sv a l u eo f v o l t a g ef e e d b a c ki sd e s i g n e d t oe s t a b l i s hc l o s e d l o o pc o n t s y s t e m s p e c i a ls o f t w a r em a t l a b s i m u l i n ka r eu s e dt o s i m u l a t ei n v e r t e rc o n t r o ls y s t e ma n db o o s tc h o p p e rc i r c u i tt h e nt h ec i r c u i tp a r a m e t e r sw e r e o p t i m i z e dt h er e l e v a n tu n i to f t h ei n v e r t e rs y s t e mo f c o n t r o la l g o r i t h mw e r ec o m p i l e dw c a c h i e v e ds p w mo u t p u tc o n t r o l = m dt h ef a u hh a n d l i n gc a p a b i l i t i e so f d e v i c e s f i n a l l y w et e s tt h ew h o l es y s t e ma n dm e e tt h ed e s i g ns t a n d a r d s k e yw o r d s = d i r e c t d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o n s i n g l e - p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e r d s ps p w mp i dc o n t r o l l e r 目录 摘要 a 8 s t i i a c t 目录 第一章绪论 i 1 1 风力发电的背景及意义1 12 国内外风力发电的发展状况 1 1 3 风力发电系统的组成2 14 课题研宄的主要内容 3 第二章系统主电路拓扑结构及逆变控制方案选择5 21 主电路拓扑 5 22 逆变控制方案的选择 ， 7 23 本章小结 9 第三章系统硬件电路的设计， 1 0 31 整流电路二极管的选取 1 0 32 b o o s t 升压电路的设计 1 0 33 逆变电路的设计 1 5 34 采样电路设计一 一 2 2 3 5 辅助电源2 4 3 6 本章小结 2 7 第四章逆变系统控制策略研宄 2 8 4 1 s 嗍控懒术2 8 42 逆变闭环控制系统设计3 2 43 逆变结果仿真分析 3 4 44 本章小结 3 5 第五章基于d s p 控制系统设计3 6 5 1 控制系统硬件的设计3 6 52 逆变软件设计 一3 7 53 主程序设计 3 7 54 周期中断子程序设计 3 8 55 本章小结4 3 第六章测试结果，4 4 61 测试方案与测试结果 “ 62 奉章小结 第七章结论与展望 4 5 ， ，4 6 致谢 参考文献 4 7 4 8 附件5 0 1 1 风力发电的背景及意义 第一章绪论 当前能源的用选越来越多，而能源却是有限的。为了维持能源的可持续发展又 不会对让自然生态环境发生破坏，世界各国都在积极推出新的能源荣略来解决这个问 题。基于节能，环保和高效的考虑各国政府把未来能源的发展方向定为利用可再生 能源和开发新能源。 自然界蕴藏着丰富的能源如风能、煤、石油、天然气。主要是可再生能源和非 可再生能源两类。随着人类活动的加剧非可再生能源逐年减少，自然环境也随之破 坏。而可再生能源不会随着人类活动加剧而日益减少。目前电能主要是依靠这两类 能源转换- 占全球能源消耗总量的首位。火力发电是电能的主要生产方式在转换过 程中产生大量的s o , 、c o ，等有害气体和烟尘对环境造成了很大的危害。为此， 必须寻找和开发可再生能源，解决环境和能源的可持续发展。 风能属于可再生能源，取之不尽、用之不竭。如果把它合理的利用，将能解决能 源枯竭的问题。将风能转换为电能，可以减少非可再生能源的使用量，不会破坏环境 从而保证了社会的可持续发展。为此，世界各个国家都在积极制定风力发电的政策， 积极开展风力发电【q 1 3 l o 1 2 国内外风力发电的发展状况 风能是可再生能源，其赘源非常丰富，风能资源全世界总量约为每年2 万亿千瓦， 据专家统计，全世界对能源的需求仅i 的地面风力就能满足。世界各国开始重视风力 发电是在2 0 世纪7 0 年代，到现在己经发展成熟，井大规模的开发风力发电技术，商 业化发展前景非常可观。大力发展风力发电产业，是解决我国能源和电力短缺最现实 的战略选择。 1 2 1 国外风力发电产业的发展状况 随着经济全球化的发展，风力发电市场的发展也比较迅速。全球风力发电的总量 在2 0 0 9 增加了3 1 新装机容量增加了3 7 5 0 0 兆瓦。全球总装机容量选到了新的高峰。 这一现象的可持续增长主要在于世界各个国家新的能源政策的实施许多国家认为可 再生能源足可持续发展的必经之路， 世界各围的新增装机容量在2 0 0 4 是8 0 0 0 m w 其总容量选到了4 7 0 0 0 m w 。j 札电 装机容量最多的几个国家在2 0 0 5 年作了2 0 2 0 年风力发电的规划蓝图，那就是让风力 发电的总量为世界总电量的1 2 。当前，世界上风力发电较为丰富的国家是欧洲和美 国t 全世界7 4 的风电装机容量源自于欧洲。如今世界各国家都在实施减少温室气体 的排放- 欧洲把风力发电作为减排的计划鼓励发展风电产业使得风电的成本价格 下降。与此带动其他国家加大力度发展风力发电。 风力发电作为一种新兴能源，世界各国都在快速发展它。全球发展风能速度最快 的是欧洲，德国的风电发展在欧洲处于领先地位德国政府积极致力于风电产业，并 作了长远规划，规划的内容是：本国在2 0 2 5 年电力总量的2 5 来源于风力发电到 2 0 5 0 年的目标是占总容量的5 0 。在2 0 3 0 年前，德国政府要在海上建成总容量为2 5 g w 的风力笈电场t 至少要有1 2 个超过 g w 的电场。到那时，发电量将占总发电量的1 5 ， 另外，风力发电总量能满足1 8 的用电需求的国家是丹麦，风力发电的长远发展战略 也将在法国被制定。与此同时亚洲的风电发展也较为迅速印度政府出台政策积极 发展风能t 对一些大型风电企业进行鼓励，实施很多的优惠政策建立风力发电的场地 目前印度的风电产业迅速发展并跃居世界第五大风电基地i “。 i 22 国内风力发电产业的发展状况 中国风能资源及其丰富，分布面积广储存量大具有很大的开发潜力。从2 0 0 0 年到2 0 0 5 年这五年中风力发电在中国迅猛发展。中国在2 0 0 6 年已经装机2 6 0 0 兆瓦 成为世界风电市场的主要一员。中国在2 0 0 7 年以来以前所未有的增长态势大规模的发 展风能t 在2 0 0 8 年，增加了许多风机使其容量达到7 1 9 0 兆瓦同比增长率选到1 0 8 跃过l3 0 0 0 兆瓦大关。风能赘源丰富的地区集中在内蒙古、新掘、辽宁、山东、广东 等地这些地区加大了风电的发展速度。 中圄在2 0 0 8 年宏现经济增长速度趋缓，主要是受宏观经济的影响。政府加大了新 能源领域的投资力度，使得风电产业有了加好的发展态势。风电作为新能源它具有 清清、环保等优点。尽管爆发金融危机但风电产业仍能在不利的环境下迅猛发展 出现逆市：扬据统计截至2 0 0 9 年底2 5 8 0 0 兆瓦的风机己在全国安装落户。 总而言之，风力发电已经形成新兴产业，技术正在日趋完普，并向以下几个方向 发展：风力发电产业化成本低廉，多方面发展化设备实用化“。 1 3 风力发电系统的组成 目前风力发电系统主要有非直驰式和直驱式发电系统。它们的结构如图1 - 1 和 圜1 2 所示。 群 匠 图1i 非直驱式系统 圈1 2 直驱式发电系统 由图l l 的非直驱式风力发电系统可以看出，需要添加加速装置才能驱动发电机。 这主要是由于风速低，风能密度低的缘故。当前加速装置主要采用齿轮箱装置。这 种发电系统采用的风力机是异步发电机。主要缺点是因为叶尖难以获得合适的风速； 它易受环境的影响它的维修价格价高；转差率无法利用如果转差率稍高点就会 出现热的状况还要附加一些散热设备加大了设备的成本和体积；功率因数极低。 图1 2 的直驱风力发电系统是先将风能转化为机械能驱动发电机再将机械能装 换为电能，将电能进行整流和逆变，得到稳定的电能供用户使用或馈入电网。这种结 构主要是通过整流逆变装置来提高风能的利用率； 在国内小型风力发电系统多采用直驱风力发电系统一般在1 0 k w 以下。低速 永磁同步发电机多被用于直驱发电系统中。国外己制造出大功率的直驱发电机组。比 如瑞士的a b b 公司的风电机组能发出电压高达2 0 k v 以上的电能。德国直驱风电机组 的容量也达到了兆瓦级1 4 7 i 。 本课题主要选择的是直驱风力发电系统选择的是2 k w 的风力机这种系统与非 直驱发电系统相比有很多优点，使得系统的体积大大减小，维护简单化。将是以后风 电技术的发展趋势。 1 4 课题研究的主要内容 本文主要研究风力发电单栩逆变系统问题对风力机发出的能跫进行进行整流和 逆变使系统输出2 2 0 v 5 0 h z 稳定的交流电。本谡蹰选择的直驱风力发电机是永磁同 步风力发电机型号是f d 4 - - 2 0 0 0 型当风速极低或其它状况发生时，不能满足逆变 的条件。因此需要设计直流变换和逆变电路使系统输出2 2 0 v 5 0 h z 稳定的交流电； 当风速极大时为保证稳定输出，接入卸衙器防止风机超载运行。 系统的主要参数如下： 风机输出功率：2 k w ； 风力机输出的电压：4 0 1 5 0 v ； 逆变的直流电压为：4 0 0 v ； 输出电压：单相2 2 0 v 士5 v ； 频率：5 0 h z 士2 ： 效率：8 5 ； 文章主要有以下部分： ( 1 ) 绪论：介绍风力发电的背景及意义，风电系统的组成。 ( 2 ) 确立了逆变系统的主电路拓扑结构、控制方案和风力发电系统的总体框图设 计，并对电路进行了分析。 ( 3 ) 对系统的硬件电路进行设计，包括整流、直流变换电路和逆变电路、l c 滤 波电路、辅助电源电路的设计以及各电路的主要元器件参数的选取。 ( 4 ) 对控制系统进行详细的设计引入了s p w m 控制技术，对逆变系统进行闭 环设计运用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 对控制系统进行建模和仿真。 ( 5 ) 采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 作为控制中心实现对装置的数字化控制。 第二章系统主电路拓扑结构及逆变控制方案选择 本章的主要任务是确定整个逆变系统主电路的结构，通过几种方案的对比选择了 台适的主电路拓扑结构并根据主电路结构确定了相应的控制方案。 本课题选择的是2 k w 的小型直驱式风力发电机，风力帆输出的三相电的电压为 4 0 m 5 0 v ，不能满足逆变要求需要设计直流变换电路使得直流母线电压为y 。一4 0 0 v 。 经过逆变装置输出为2 2 0 v 5 0 h z 的稳定的单相正弦交流电。图为21 为直驱风力发电系 统的总体结构豳i t 2 1 。 直流变换 21 主电路拓扑 2 1 1 整流部分 图21 风力发电系统的总体结构图 整流主要包括全控整流、半控整流和不可控整流。本系统整流电路选择的不可控 方式。不可控整流有输入谐波小、输出纹波小等优点，并且不用中线。图22 为三相不 可控整流的电路图。 2 1 2 直流变换电路 【i ) 2 】 k d 4 】k d 5j 图2 , 2 三相不控整； ! 的电路圈 本课屈的风力发电系统是直驱发电系统，选择的是永磁同步发电机。当风速极低 或其它状况发生时不能满足逆变的条件，因此需要设计直流变换电路，即将直流侧 的电压提升到4 0 0 v 。常见的升压电路有很多种其中有不隔离式的b o o s t 电路和升 压式cuk 电路等电路。这里选择的是b o o s t 电路，它以拓扑简单、控制系统比较简 啦而得到广泛应用。图2 3 为整流+ b o o s t 升压的电路图。 5 2 1 3 逆变电路的拓扑结构 圈2 3 整流* b o o s t 升压电路 逆变器按不同的方式分法很多按照输出的相数分有单相、三相两种。三相半 桥可以构成三相逆变器，3 个相位互差1 2 0 的单相逆变器也可构成三相逆变器。因此 单相逆变嚣的技术被广泛应用。 单相逆变器主电路拓扑结构主要有半桥式、全桥式和推挽式3 种如图2 4 ( a ) 、 ( b ) 、( c ) 所示，输出端的电压波形幅值仅为直流母线电压的一半的是半桥电路它 有以下特点电压利用率低但是半桥电路的一大优点是图中的两个大电容c l 和c 2 可 以自动补偿不对称波形。 c a ) 半桥式拓扑 ( c 】推挽式拓扑结构 圈2 , 4 逆受电路的三种拓朴结构 推挽电路的优点是直流母线电压只有一个开关管的管压降损失电压损失小驱 动电路简单驱动电路驱动两个开关管时可以共用一个电路。低压输入的场台主要选 择的是推挽式电路。推挽式变压器低压输入时原边匝数比较少，通常情况下采用并绕 方式，目的是增加两个绕组的对称性，绕组工艺比较难。 全桥结构多用于中、大容量逆变器中，谐波可以被有效地控制，当它工作干倍频 方式时开关频率是输出电压的谐波频率的一半。在输出功率相等时，流过开关管的 电流相同时半桥电路开关管承受的电压是全桥电路的2 倍。全桥电路的开关管虽然 数量较多，但组合应用的方式较为简单。因此功率输出较高时全桥电路在各种场 合被广泛应用。有比较灵活的控制方法主要有双极性和单极性两种控制方式。开关 管也比较易选取。电力m o s f e t 多被用于小容量逆变器中，大容量正弦被输出的逆变 器多用i g b t 选择g t o 的场合多数为特大容量逆变器1 9 l 1 0 i 。 根据上面的分析本模块的逆变器主电路选用单相全桥逆变拓扑结构。 综合以上几个小节的介绍风力发电系统的拓扑结构如图2 5 所示： 圉2 5 风力发电系统的拓扑结构 风力发电主要包括风力发电机、卸荷器和逆变装置。当风机开始工作时，它产生 的交流电经过整流、直流变换和逆变后变为稳定的正弦交流电供负载使用或馈入电网。 当风速特别大是加入卸荷器，保证风机稳定运行。 22 逆变控制方案的选择 2 2 1 控制芯片的选择 整个逆变系统的控制芯片选择的是t l 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a d s p 芯片它是最适 台r 逆变控制等的控制器。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 足一款高速的数字信号处理器广泛应 用到电机控制、变频调建、逆变电源等领域。 控制芯片我们选择t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 是因为它有如下一些优势： i ) 它是t i 公司2 0 0 2 年推出的内核为3 2 位定点数字信号处理器最高达到1 5 0 m i p s 的处理速度内核运算能力强一般单片机要比这款数字信号处理嚣的数据处理速度 慢的多。所以它克服了普通数字信号处理器速度慢的缺点使速度不再受限制，可 以实现先进、复杂的控制方式，使控制效果选到照佳。复杂的拄带4 算法能够被实时、 精确地处理。 2 ) f l a s h 存储器的大小为1 2 8 k b 4 k b 的引导r o m 它的内部集成了数学运算表， 使器件应用的灵活性得到大大改普。 3 ) 多种先进的外设被集成在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 器件上，e v a 和e v b 两个事件管理 器模块有比较丰富的电机和功率变换控制资源。每个事件管理器包括：两个1 6 位的通 用定时器( g p ) ：1 6 位8 通道的p v n v l 逻辑电路：三个完全比较单元：正交编码脉冲电 路( q e p ) 以及中断逻辑电路等。3 对p w m 脉冲输出并能控4 他们的死区时间，防止驱 动电机和开关管时，损坏器件。用于控制逆变输出的p w m 信号主要是在全比较单元 中产生，可以设置开关点的位置，产生s p w m 。不必设置专门的死区单元，具有实时 计算的控制方式。 4 ) 提供了两个采样保持电路，每个采样电路是1 6 通道高性能1 2 位a d c 模块。 可以同步采样从而实现电好的控制平台i i i 。 2 2 2 逆变系统控制系统总体设计 本课题研究的逆变系统，采用三相桥式不可控整流+ b o o s t 升压电路+ 单相全桥逆 变电路将风力发电机产生的电能进行变换，得到2 2 0 v 5 0 h z 的稳定的单相正弦交流电 并添加了一些保护环节。整个逆变系统的控制芯片是d s p 拉制芯片，它的内部资源比 较丰富，利用它的事件管理单元产生s p w m ，来控制逆变电路开关管的通断。另外 d s p 的a d c 模块对逆变器的输出电压电流进行采样，构成闭环调制系统。下面几章将 对系统详细的设计。图2 6 为逆变系统控制结构图。 三相不控整流 直流变换 逆变模块滤渡器 圈2 , 6 逆变系统控制结构圈 23 本章小结 本章主要分析了逆变系统的结构选择了合理的逆变系统的拓扑结构。对比了各 个电路的形式从性能和成本考虑在满足各项指标的基础上，采用的结构足三相桥 式不可控整流+ b 0 0 s t 升压电路十单相全桥逆变电路。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 是整个系统 的控制核心，并设计了总体设计方案。 第三章系统硬件电路的设计 本章主要是对系统硬件电路进行设计，包括整流、直流变换电路和逆变电路，l c 滤波电路、辅助电源电路的设计，以及各电路的主要元器件参数的选取。 31 整流电路二极管的选取 风力机发出的三相交流电经整流后的直流输出电压平均值n 可用式( 3 】) 表示 叱= 23 4 u 。 ( 31 ) 其中t u 。= 4 0 1 5 0 v k 为整流后的直流输出电压，代入式( 3 - 1 ) 后 n f 9 3 6 3 5 1 v 。 ( i ) 不可控整流电路的原件参数的选取 选择整流二极管时参数选择的主要依据是：( 1 ) 正向平均电流，r ：( 2 ) 反向 重复峰值电压u 腓，。 下面根据它的主要参数选择本课题的整流二极管。设计允许最大输出功率为 2 k w ，风力机的电压范围为4 0 15 0 v t 选择c ，删时按u 腓，= 2 u 驯，u ，为反向最 高峰值电压；u 删；2 2 3 4 1 5 0 = 4 9 7 v ，u 肼= 2 u 刑，我们留有一定裕量- 选 u 黼，= i 2 0 0 v 。正向平均电流的选择主要是通过以下几个公式选择 ，m = r u w = 2 14 , 4 ( 32 ) n - - - 极管的电流有效值和平均电流，m 。为 ，* 目205 7 7 ， ( 3 3 ) j i = j i5 7 式中u 足当输出晟小时所对应的电压，代入数据得，r 。，= 78 6 a 。我们按二倍量 来选择，即为i5 7 2 a 。摄后进择二极管的型号是z p 2 0 a 1 2 0 0 v ，二极管的正向电流为 2 0 a 最高反向峰值电压为1 2 0 0 v ”。 32 8 0 0 s t 升压电路的设计 3 2i b 0 0 s t 升压电路的原理 图31 为b o o s t r e , 电路的原理图：设开关管v t 的导通时间为l 。关断时问 为肿瓦= l 。+ t 肿占空比d = i 。t , 。+ i 肿= 正。瓦。在输入电压不变的情况 下，开关管被开通时，电感电流的变化量为 圈3 1b o o s t 计址电路 。( + ) ：孥：譬d 瓦 ( 3 4 ) 在开关管截止时t 加载电感两端的电压为一u 电感电流量的变化量为 训巾半= 生产眠 ( 3 - ) 当电路处于平稳状态时，开关管截止期间的电感电流变化量与开关管导通期间电 感电流的变化量相等。即 鲁d 靠= 半( m 瓜 ( 36 ) 经运算后，求得b o o s t 变换器的输出电压为 2 i 与“一 ( 3 7 ) d = 7 赢，+ i 胛 ”。使吒导通，关断， 。= u d ：当口，使圪导 通关断，”。；0 。在的负半周，u 保持断态k 保持通态当h ，虬使心导 通- 关断，“。= - u 。：当”，) “，使n 导通，关断，。= o 。这样- 就等到了s p w m 的波形“一图中虚线h 。表示h 。的基波分量。像这样在“，的半个周期内三角波载波只在 正极性或负极性一种极性范围内变化，所得的p w m 波形也只在单个极性范围变化的 控制方式称为单极性p w m 控制方式。 与单极性p w m 控制方式相对应的是积极性控制方式。图4 4 为的单相桥式逆变电 路采用双极性控制方式的波形图。采用双极性方式时在“的半个周期内，三角波载 波不再是单极性，而是有正有负。在“，的一个周期内输出的p w m 只有u 。两种电 平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号m ，和载波信号“，的交点时刻控 制各开关器件的通断。在“，的正负半周对各开关器件的控制规律相同。郎当， ，时， 给k 和以导埔信号给k 和k 以关断信号这时如果， 0 则k 和导通，l 0 ， 则u 和导通不管那种情况都是输出电压1 4 。= u 。即当h ， 0 则和导通，i 。 0 则， 和n 导通不管那种情况都是输出电压”。= 一u 。 腻 删 r d - 一h ， 毽 一 f0 匕 圈4 3 单极性p w m 拄制方式渡孵罔4 4 敢极性p w m 控制方式波形 奉课题的逆变控制方式选择的是单极性p w m 控$ 崂式。 42 逆变闭环控制系统设计 逆变电路采用单极性p w m 控带i i t y 式虽具有良好的稳定性但是当负载发生突变 时开环系统不能满足需求。因此要设计相关的控制器，构成闭环系统。实验系统 采用基于t i 的t m a s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的全数字化控制通过采样电路采样逆变器的输出 电压、输出电流和电感电流作为控制器的输入。采样电路在第三章己详细介绍。 4 2 1 逆变电路的建模 由单相全桥逆变电路，在理想状态下，它的等效电路模型如图4 5 所示，图中，u 为p w m 的电压脉冲，电感电流为f 。，l 的内部等效电阻为r 为负载流过的电流， 可看成是系统的外部扰动u 为输出信号i 圳p o l 。 则系统的动态方程为： 旦：u ， 栅 一 j 乩州。 ( 49 j i c 。 ，：c d u m o 曲 根据式( 4 9 ) ，可以画出图4 6 系统的传递函数的控$ 框图 圈4 5 逆变器的等效电路 图4 6 逆变器的系统控制框图 4 2 2 逆变器闭环控制设计 当前逆变器的数字控制方式有多种主要包括电压瞬时值反馈单环p i d 控制、 电压电流双口1 环反馈控制、滞环控制、滑模控制等。本系统采用采用基于极点配置的 p i d 控制p i d 控制结构简单易于操作。其控制算法是： “肭) + 寺l p ( ，) 舢l 挚 ( 4j 0 ) 式中，k ，为比例系数：t 为积分时阃常数：乃为微分时间常数：e ( t ) 为电压误差。 其中比例积分微分的传递函数为 g ；器喝( 1 + 去+ 嘶+ t k e j i 喁跏 将生t = k ，乃= 岸。则上式变为 g = 器喝”去哪州，扣s u ( j ) 为u ( t ) 的s 域变换，( s ) 为e o ) 的s 域变换。 则加入p i d 的逆变系统框图为4 - 15 所示； ( 4i 】j ( 4 1 2 ) 圈47p i d 控制的逆变系统框图 设电流，( s ) 为系统的扰动信号u ，( 5 ) 为系统的输入信号。则系统的输出为u 。( 5 ) ， o ( s ) 为系统的传递函数中。( ，) 为系统的扰动传递函数。刚 当i o ( j ) - o 时系统的传递函数o ( s ) 为 o ( s ) ：旦趔：；塑：! 耸! 墨! ( 4 1 3 ) 。 u ( j ) l c s + ( r c + k d h ：+ ( 1 + k p 扣+ k 当u 。( j ) = 0 时，扰动传递函数m 。( j ) 为 叫加船一面而毫等 则在系统在，。( 5 ) 和u ( 5 ) 同时作用时输出u ，( s ) 为 u o ( j ) = o ( s ) u ( s ) + 中( 5 ) ( s ) 则系统的特征方程为 d ( ) = l c s + ( r c + k d 。十( 1 + k ，h + k ， ( 4 1 5 ) 则方程有三个闭环极点极点的分布决定了系统的稳定性。系统的零点和极点决 定系统的动态特性。主导极点主要决定系统的动态性能主导极点定义是整个时间内 起主要作用的极点。 系统的主导极点是根据系统动态特性决定的g g ! 位y s a ：；鼻q 1 一；，2 其 中鼻是期望的阻尼比竹是自然振荡频率。这里选取非主导极点为5 ，= 叫鼻啡n 为 整数。如果s ，越小则说明系统的动态特性主要由两个主导极点决定。 譬一 薅 一 j 一 一 参 一 墨一 o ，l l “一 系统的闭环方程可理想化为： d ，( 5 ) = “一j l x s s2 ) 抽一j 3 ) = ( ，+ 2 鼻，s + 甜 ( j 2 + 2 ，啡j + ，3 ) 如+ 月 ，啡) = l c s 3 十( 异c + 解得p i d 的参数为厝。= 53 3 9 3 8 tk ，= 1 2 8 65 43 逆变结果仿真分析 s i m p o w e r s y s t e m s 里提供了很多相关的控制模块，将设计的电路通过它的环境搭建 起来，井调节p i d 控制参数，就可观测设计结果是否符台要求。在m a t l a b s i m u l i n k 中 搭建的仿真电路如图48 所示：开关频率进1 0 k h z 。图4 9 是未加闭环p i d 控制时，逆 变输出的5 0 h z 的方波信号和经过l c 滤波电路的正弦信号。匿4 1 0 是加闭环p i d 控制 时，逆变输出的5 0 h z 的方波信号和经过l c 滤波电路的正弦信号，将电感和电容的值 相应的变化，谐波变小。正弦波信号变平滑i ”i 。 圈4 9 未加入p i d 控制的逆变辅 3 4 k j + ：2 拈mq 呜”乩 + + ， n ，旷足 44 本章小结 本章主要对逆变系统的控制策略进行了详细的介绍。详细阐述了s p w m 控$ 立了数学模型在建立模型的基础上设计了p i d 控制控制器，在此基础 ，亍了m a t l a b 仿真。 第五章基于d s p 控制系统设计 逆变系统的控制采用的是t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片。它主要完成s p w m 波的产生、p i d 控制算法和装置的故障保护。本章主要包括两个内容一个是控制系 统的硬件电路的设计另一个是系统的软件设计。 51 控制系统硬件的设计 控制系统硬件电路主要是d s p 的最小系统板和相关采集电路的设计，相关的采集 电路在第三章已经设计，d s p 最小系统的原理图如图5 1 所示。 遗 垂窭肇 声屯e 二到 “一 图5i 雌j ，的最小系统报 最小系统中主要设计了电源供电部分如图5 2 所示d s p 2 8 1 2 需要采取双电源供 电，分别足19 v 的内棱电源和3 3 v 的电源i o 口和内核供电有先后次半。供电 芯片选的是t p s 7 6 7 d 3 0 1 它是积路输出的一路电压是3 3 v 另一路是l5 、55 v 可 调的电压。可调的输出电压可由下式决定： 一蔫掣塞 = m + 争 固5 2 电源供电 ( j 1 ) 其中：v r e f = 1 1 8 3 4 v ，通常选择r 2 = 3 01 k n 由此可通过式( 51 ) 式可得r l 取 值公式为： 耻( 苦- 1 ) r ： 其中v o = l9 v 则r l = 1 69 k c l 。 52 逆变软件设计 ( 5 2 ) 系统的软件主要包括：模块初始化。产生s p w m 波形横块，a d c 采样模块、p i d 调节模块、保护模块。系统程序主要包括以下单元；主程序和周期中断子程序。周期 中断子程序包括a d c 采集程序、s p w m 中断子程序、p 1 d 控制程序。其中a d c 中断 序主要是实现电压电流的采集功能。s p w m 中断是编写相应的控制算法来产生s p w m 波、p i d 控制程序主要是完成逆变过程的控制算法【蚓。 53 主程序设计 主程序的流程如图53 所示 首先是系统的各个寄存器初始化、中断寄存器初始 化；之后校正周期中断定时器的值是否符合将正弦表指针复位开定时器t 1 中断和 总中断；塌后执行中断服务子程序的相关功能循环等待。 54 周期中断于程序设计 圈5 3 主程序流程圈 周期中断子程序主要是对定时器t i 为研究对象，主要包括对系统的电压电流采 样、s p w m 产生、故障检测和p i d 控制算法四个子程序。程序流程如图5 4 所示，首 先，开定时嚣t 1 中断对逆变输出信号进行采样采样之后，计算当前定时寄存器的 值t 正弦表指针复位对采样的电压信号进行p i d 调节完成控制算法，装载比较寄 存嚣，正弦表指针加1 开总中断，执行相关的功能。 5 4 i a d c 采样模块 圈5 4 周期中断子程序 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中a d c 模块中含有1 6 通道的1 2 位模数转换器( a d c ) ，含两路采样 保持器一个转换单元可实现双通道同步采样，最小转换时间为8 0 n s 。可以使用两 个事件管理器顺序触发8 对模数转换i 。 a d c 采样主要是采样输出电压电流的信号，判断系统是否出现异常，如过压、过 流等a d c 的采样频率为1 0 k h z ，a d 涵道主要对2 个通道进行采样分别是 a d i n t a 0 a d i n t a i ，将采样的结果放入结果寄存器中。主要的程序流程如图55 所示： 图5 5a d c 中断子程序流程圈 5 4 2 电压p i d 调节模块 逆变系统稳定工作的在于电压p 调节模块的设计它对系统起着至关重要的 作甩。 将p i d 调节器关系式帅) = “，) + 毒i 州瑚+ 瓦皇竽 离散化得到： l f ( 女) = k v p ( 女) + p ( ) 十等) 一p ( 女一1 ) 】 ( 53 ) t 为采样时间当t 很小时精度越高。 由式( 5 , 3 ) 可以看出要想计算u ( k ) 且须历次累加，占内存较大所以将 式( 53 ) 改进，得到第( k - 1 ) 次输出量， u k - 1 ) = k i , 一1 ) 十 p ( ，) + 争一1 ) 一e ( k 一2 ) ( 5 4 ) 将两式( 5 3 ) 和( 5 4 ) 相减得， m ”1 ) + k p ( 1 + 吾+ 争( k ) - k e 争1 ) + k p 弘- 2 ) ( 5 5 ) 这样只需要计算前一次的u ( k - i ) 节省了大量内存这种方式称为增量式控制 方法。图5 6 为p i d 的控制流程图。 5 4 3 s p w m 模块 鼬5 6p i d 的控制流程闺 产生s p w m 渡目前主要有以下方法：第一种是采用运用一些相关模拟器件组装成 一个s p w m 模拟式产生电路本方案由于器件的精度电路比较复杂化极易受l u 干 扰，可靠性不能达到理想的效果因此很少采用这种方式产生s p w m 波。第二种方案 是采用专用的集成芯片产生s p w m 简洁实现功能是这种方式的优点但是要实现非 常高的精度和速度，选择它还不是最佳的选择。随着数字控制技术的发展，当前大都 采用数字技术产生s p w m 波，通常用来产生s p w m 波的控制器主要有高性能的单片 机、d s p 、f p g a 和a r m 等器件。最后在这个系统中采用的主控制器是d s p 芯片用 它的事件管理单元产生s p w m 波。 利用d s p 通过软件生成s p w m 波形可以采用自然采样法、规则采样法和指定谐波 消除法。本文生成s p w m 波形采用自然采样法。 在d s p 芯片中利用定时器( g p t l ) 中的周期寄存器和比较寄存器( c o m p ) 的 匹配可以产生s p w m 信号。它的生成过程如下：正弦波是调制波，它离散化的各个比 较点的幅值被装载在比较寄存嚣中：三角波是载波给定三角波周期相应的计数值装 载在周期寄存器里。然后设置定时器的增，减计数模式，在g p t i 的计数值和c o m p 的 值相等时刻产生比较匹配当每次匹配时输出电平就会翻转这样宽度不等的s p w m 波就产生了。当改变周期寄存器和比较寄存器的值时，载波频率和比较值就会改变 这样$ p w m 波的脉宽随之改变s p w m 生成过程如图5 7 所示三角波和正弦波只是 一种抽象信号【”1 0 9 1 。 4 l f 图57 s p w m 产生单元 本文中的具体实现方法是：选择定时器t 1 为周期寄存器设置定时器的计数模式 模拟三角波选择模式是连续增减计数模式。t i 周期寄存器的值是通过载波频率f 的 大小来确定的。，f ；i o k h ：载波周期为l o o u s 。这里d s p 的时钟频率为4 0 m h z ，即 计数器t l 计数器的时钟为4 0 m h z ，2 5 n s 计1 个数。当采用连续增减计数模式时t 1 周期寄存嚣的值为1 0 0 u s 2 5 n s 2 = 2 0 0 0 。 p i d 调节器的值送入比较寄存器中，定时中断开启后，每个p w m 周期中新的比较 值可以重新写到比较寄存器中，比较寄存器能调整p w m 的宽度，用以控制开关管的 导通和关断。比较寄存器每一时刻都能写入新的比较值。当新值被写入到周期寄存器