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逆变电源在电梯电能同馈系统中的应用研究 中文摘要 逆变电源在电梯电能回馈系统中的应用研究 中文摘要 常规电能利用率低下的现象广泛地存在于人们的日常生活中，有必要将可利用的 电能进行收集和回馈。逆变电源作为一种电能变换装置，在电力系统中发挥着重要的 作用。它将直流逆变为交流，进而实现电能的再生反馈。电梯电能回馈系统就是采用 逆变电源将变频器直流母线上的泵升电压进行逆变与能量反馈，从而达到节能环保、 稳定工作环境的目的。然而逆变回馈需要在一定的条件下才能进行，逆变电源必须具 有输出高质量电压波形的能力。逆变技术的日趋成熟和数字信号处理器的不断优化， 使脉宽调制( p w m ) 技术在逆变电源中得到了广泛的应用。尤其空间矢量脉宽调制 ( s v p w m ) 以其低谐波失真、高直流利用率、响应速度快和易于数字化实现等显著 优点，广泛地应用于逆变、整流以及调速等控制领域。 本文主要介绍了电梯电能回馈系统的总体设计方案，其中包括逆变控制与并网控 制两个部分。主要以数字化的s v p w m 脉宽调制方法以及空间矢量控制原理为基础， 并结合德州仪器( t i ) 公司最新的高性能定点d s pt m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 芯片强大的运算 能力，设计了一种电能有源逆变控制系统。通过分析空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 与载波调制( c a r r i e r - b a s e dp w m ) 之间的内在联系，将s v p w m 控制算法推广至p w m 逆变电源中，提出了一种统一的基于载波p w m 的s v p w m 等效实现方法。该方法不 需进行大量复杂运算，大大缩短运算时间，更易于数字化实现。 根据t m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 芯片的基本结构和性能，给出了逆变电源系统的硬件电路设 计原理、软件控制算法及流程。该系统充分利用了t m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 芯片丰富的接口部 件，组成的电路结构简单，抗干扰能力强。实验结果表明，该逆变电源控制系统设计 合理，在电梯能量回馈系统中采用s v p w m 技术，既能提高能量回馈逆变电路对直流 电压的利用率，又能减少逆变电能总谐波失真。 关键词：能量反馈；逆变电源；空间矢量脉宽调制；载波p w m 调制 作者：周哲 指导教师：陈小平 t 英文摘要逆变电源在电梯电能田】馈系统中的应用研究 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o fi n v e r t e rp o w e rs o u r c ei n e l e v a t o rp o w e rf e e d b a c ks y s t e m a b s t r a c t t h ep h e n o m e n o no fl o wu t i l i z a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a le l e c t r i cp o w e rw i l d l ye x i s t si n p e o p l e sd a i l yl i f e i ti sn e c e s s a r yt h a tt h ee n e r g yw h i c hi sa v a i l a b l ef o rc o l l e c t i o na n d 诧e d b a c ks h o u l db em a d ef u l lu s eo f t h ei n v e r t e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nap o w e r c o n v e r s i o nd e v i c eo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m i ti sa ni n v e r t e rt h a tc o n v e r t sd ct oa ct o a c h i e v et h er e g e n e r a t i o no ft h ee l e c t r i ce n e r g yf e e d b a c k i nt h ee l e v a t o rp o w e rf e e d b a c k s y s t e mt h ei n v e r t e ri s - a d o p t e dt od r i v et h ep u m pv o l t a g eo nt h ed cb u st oi n v e r ta n dm a k e e n e r g yf e e d b a c k ，s oa st oa c h i e v ee n e r g ys a v i n ga n ds t a b l et h ew o r k i n gc o n d i t i o n s h o w e v e r , t h ef e e d b a c ki n v e r t e rn e e d st ob ec a r r i e do u tu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s a n dt h e i n v e r t e rm u s th a v et h ea b i l i t yt oo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mo fh i g hq u a l i t y a st h em a t u r i n g o ft h ei n v e r t e rt e c h n o l o g ya n dt h ec o n s t a n to p t i m i z a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，t h e p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ei n v e r t e rt e c h n o l o g y e s p e c i a l l y , s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i sb e c o m i n gm o r ep o p u l a ri ni n v e r t e r t e c h n o l o g y , r e c t i f i e r , t h eg o v e r n o ra n do t h e rc o n t r o ls y s t e m sb e c a u s eo fi t sl o wh a r m o n i c d i s t o r t i o n ，h i g h c u r r e n t e f f i c i e n c y , f a s tr e s p o n s e ，e a s y - t o - d i g i t a lr e a l i z a t i o na n do t h e r s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no fo v e r a l le l e v a t o re n e r g yf e e d b a c ks y s t e m ，i n c l u d i n g t h ei n v e r t e rc o n t r o la n de m dc o n t r 0 1 m a i n l yb a s e do nt h ep r i n c i p l e so fd i g i t a ls v p w m a n ds p a c ev e c t o rc o n t r o lm e t h o d ，c o m b i n e dw i t ht h ep o w e r f u lc o m p u t i n gc a p a b i l i t i e so f t h el a t e s th i g h - - p e r f o r m a n c ef i x e d - - p o i n td s p c h i pt m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4o ft e x a si n s t r u m e n t s ( t i ) ，ap o w e ri n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d b ya n a l y z i n gt h ei n t r i n s i cl i n kb e t w e e n t h e s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) a n dt h e c a r t i e rm o d u l a t i o n ( c a r r i e r - b a s e dp w m ) ，t h es v p w mc o n t r o l l i n ga l g o r i t h mc a nb et r a n s p l a n t e dt ot h ep w m n 逆变电源舀! 电梯电能i 口l 馈系统中的应用研究英文摘要 i n v e r t e r ，a n dau n i f i e dc a r r i e r - b a s e dp w me q u i v a l e n ti m p l e m e n t a t i o no fs v p w mi s p r o p o s e d t h i sm e t h o dd o e sn o tn e e dal a r g en u m b e ro fc o m p l e xm a t h e m a t i c a lo p e r a t i o n s ， g r e a t l yr e d u c i n gt h ec o m p u t a t i o nt i m ea n dm a k i n gd i g i t a li m p l e m e n t a t i o ne a s i l y a c c o r d i n gt ot h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h ec h i pt m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 ，t h e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g nm e t h o d o l o g i e so fi n v e r t e rp o w e rs y s t e m ，t h es o f t w a r e ，t h ec o n t r o l a l g o r i t h m sa n dp r o c e s s e sa r eg i v e n t h es y s t e mc o n s i s t i n go fs i m p l ec i r c u i ts t r u c t u r et a k e s f u l la d v a n t a g eo ft h e r i c hp e f i p h e r a lc o m p o n e n t so ft h ec h i pt m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 ，a n dh a s a b i l i t yo fa n t i - i n t e r f e r e n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e dr e a s o n a b l y s v p w mt e c h n i q u ew h i c hi sa d o p t e di nt h ee l e v a t o rw i t he n e r g y f e e d b a c ks y s t e mc a nr a i s et h ee n e r g yu t i l i z a t i o no ft h ed cv o l t a g ef o ri n v e r t e rc i r c u i t f e e d b a c k ，a n dr e d u c i n gt h et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o no ft h ei n v e r t e rp o w e r d s p k e y w o r d s ：f e e d b a c k ；i n v e r t e rp o w e r ；s v p w m ；c a r d e r - b a s e dp w m ； i i i w r i t t e n b y ：z h o uz h e s u p e r v i s e db y ：c h e nx i a o p i n g 逆变电源在电梯电能同馈系统中的j 衄用研究第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论弟一早三百。可匕 随着工业化进程的加快，能源消耗越来越大，常规能源供给的有限性和环保压力 的增大，促使人类去开发新的技术去提高能源的利用率。在我们的日常生活中，到处 存在着能源浪费与利用率低下的现象，为了能源的可持续发展，这些可以回收利用的 大量能源，应当被充分的重视和加以开发利用。 采用变频调速的电梯要求电机四象限运行，当电梯频繁快速制动以及空载上行、 满载下行时，驱动电梯的变频电机处于反向发电状态，再生电能由交流变频电机反向 传输到变频器中间级的直流滤波电容上，反向电流对电容充电使直流电压升高，严重 地威胁系统工作安全性【l j 。由于目前变频器结构的缺陷，通常控制电容泵升电压的方 法是在直流母线上并联一个大功率电阻，释放电流降低电压。然而，由于电梯在运行 过程中频繁地制动、带位势负载运行，一方面严重浪费电能；另一方面功率电阻发热 量大，工作环境温度升高，影响电梯系统的稳定性与可靠性。 电梯电能回馈系统就是一个接在直流母线与电网之间的反向变流器，它将流入变 频器直流侧电容中的电流及时进行逆变，反向回馈到当地电网以达到降压、节能的目 的。直流电逆变为交流电的控制技术已有许多成熟的方法，而全数字控制的s v p w m 逆变技术在电梯电能回馈控制系统中应用、并取得较好效果的还不多，本文研究了数 字s v p w m 控制技术及其在电梯节能能量逆变器中的应用。 1 2 交一直交变频器概述 变频调速系统中的电力电子变流器( 简称变频器) ，除了交交变频器外，在实际 中应用最广泛的是交一直一交变频器【2 1 ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ，简称v v v f 电源) 。交一直一交变频器是由a c d c 、d c a c 两类基本的变流电路组合而成，先将交 流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，因此这类电路又称间接交流变流电路。 交一直交变频器与交交变频器相比，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的 限制。 第一章绪论 逆变电源在电梯电能i 口j 馈系统中的应用研究 根据应用场合及负载的要求，当负载电动机需要频繁、快速制动时，通常要求变 频器具有再生反馈电力的能力。图1 1 所示的是不能再生反馈电力的电压型间接交流 变流电路。该电路中整流部分采用了不可控的桥式整流电路，它与直流滤波电容器直 接相连，直流母线电压和直流电流方向同向，只能由交流电源向直流母线输出功率， 而不能由直流母线向交流电源反向传输。由于逆变电路是可控的，电流可以双向流动， 若负载将电能反馈到中间级直流母线上，就会导致直流母线电压升高，称为泵升电压。 由于反向电流无法进一步反向回馈交流供电电源，而且电容只能适当承担反馈的直流 电能，因此过高的直流母线泵升电压将会严重威胁到系统工作安全性。 图1 1 不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路 为使上述电路具备再生反馈电力的能力，可采用几种方法分别如下图所示。 图1 2 电路是在图1 1 电路的基础上，在中间直流侧电容两端并联一个由电力晶 体管v 和能耗电阻r 组成的泵升电压限制电路。在泵升电压超过一定数值时，使v 导通，把从负载反馈的能量消耗在r 上。这种电路可应用于对电动机制动时间有一 定要求的调速系统中。 图1 - 2 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路 当交流电动机负载频繁快速加减速时，上述泵升电压限制电路中消耗的能量较 多，能耗电阻r 也需要较大的功率。这种情况下，希望在制动时把电动机的动能反 馈回电网，而不是消耗在电阻上。这时需要增加一套变流电路，如图1 3 所示，使其 工作于有源逆变状态，以实现电动机的再生制动。当负载电动机回馈能量时，中间级 2 逆变电源4 1 电梯电能同馈系统中的应用研究第一章绪论 直流母线电压上升，使可控变流器工作于有源逆变状态，而不可控整流电路停止工作， 中间级直流电压极性不变，而电流反向，通过可控变流器将电能反馈回电网。 图1 - 3 利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路 图1 4 是变频器整流部分与逆变部分均采用p w m 进行控制的交直交变流电路， 简称双p w m 电路。整流和逆变部分可以采用完全相同的结构，交流电源与前级可控 整流电路之间通过交流电抗器相连。通过可控整流电路的p w m 控制，可使输入正弦 波电流与电网电压频率相同、相位一致，输入功率因素为l ，并且中间级直流母线电 压可以调节。电动机可以工作在电动运行状态，也可以工作在再生制动状态。此外， 改变输出交流电压的相序即可使电动机正转或反转。该电路输入输出电流均为j 下弦 波，输入功率因素高，且可实现电动机四象限运行，是一种性能较理想的变频电路。 但由于整流、逆变部分均为p w m 控制且需要采用全控型器件，控制复杂，成本较高。 图1 4 整流和逆变均为p w m 控制的电压型间接交流变流电路 1 3 逆变电源的数字控制方式 经过多年发展，传统模拟控制方式的逆变电源已经趋于成熟。但是，模拟控制方 式本身存在很大的不足【3 1 。第一，电路由分立电路板和元器件组成，模拟器件数量众 3 第一章绪论逆变电源在电梯电能同馈系统中的j 避用研究 多，制作成本高；第二，连接大量模拟元器件工艺十分复杂，不便于系统故障检测与 维修。模拟器件存在老化问题和温度漂移特性，且易受到工作环境( 如温度、电磁干 扰等) 因素等影响，控制系统无法长期稳定地工作1 4 】。因此专门的集成模拟控制芯片 孕育而生，简化了控制系统的硬件设计，电路开环控制实现方便，但是控制系统闭环 反馈电路仍然由电感电容等模拟器件构成。由于模拟控制方式存在缺陷，专用芯片控 制灵活性差，因而难以实现先进而复杂的控制算法。随着微电子技术的发展，数字信 号处理器以其运算速度快，集成度高，功能强，成本进一步降低等优势，使数字控制 方式逐渐成为当今电力电子技术的发展方向。 1 4 数字控制电路的优点 与模拟控制电路相比，数字控制电路有下列优点： 1 数字控制电路简化了硬件电路的设计，解决了模拟器件老化、温漂等问题， 并且抗干扰能力强。 2 方便地实现先进复杂的控制算法，改善控制效果。 3 通用性强，有利于大规模生产。在不改变硬件电路的前提下，只需修改系统 软件来实现不同的控制算法，即可实现系统软件升级，提高系统性能。 4 人性化与交互性好。高速的数字信号处理器，配备了许多外设与通信接口， 可以外接单片机、f p g a 等进行人机交互，使得控制系统更加人性化，用户操作更加 方便，还能保存历史数据进行故障诊断与分析。通过片上各种通讯端口，可将控制系 统与p c 机相连实现远程监控。 数字控制电路必须注意下列问题【5 叫：a d 采样频率与载波频率的选取、a d 转 换速度与精度、运算精确度、控制算法产生的延时。根据香农采样定理，为了抗混叠， 对模拟信号的采样频率至少为信号频带宽度的两倍，因此a d 采样频率越高，系统 的实时性越好，但这通常受到a d 转换速率、处理器速度的限制。a d 转换存在量 化误差是不可避免的，而量化误差对系统有着不利的影响，为了提高控制精度便要选 择高精度a d 转换器，系统成本相应增加。功率器件的开关性能、开关损耗、处理 器的运算能力与p w m 载波频率密切相关，系统设计时，合理地选取采用的p w m 频 率可以降低功率主电路的开关损耗，为微处理器提供充足的运算时间。 4 逆变电源在电梯电能同馈系统中的应用研究第一章绪论 在数字控制系统中，系统的控制精度主要取决于a j d 转换的精度与运算精度。 首先，系统运算的原始数据来源于a j d 转换器，a d 采样的分辨率即转换器位数直 接影响着后续处理的最大精度。其次，数据运算及处理过程中，对运算数据的截尾处 理，也会影响控制精度。第三，数字信号处理器处理位数的有限性、字长效应、运算 精度成为系统控制精度的重要影响因素。 数字运算和a i d 采样产生的延时在数字控制电路中无法避免，延时使系统的实 时性和控制精度下降，对控制系统造成严重影响，甚至出现系统不稳定。而且，由运 算处理和a d 采样引起的数字延时，还会使系统的动态响应速度变慢、带宽变窄 7 】。 因此提出了一些带观测器的反馈控制方法来解决数字延时问题，虽然在一定程度上缓 解了延时对系统的影响，但是运算量比较大，而且观测器要求在比较精确的被控对象 模型下才能建立，因此在运算速度、实时性要求高的场合下无法实现。另外，由于( 负 载变化等) 被控对象模型存在不确定性，这些带观测器控制方法在负载适应性与系统 稳定性方面存在一系列问题。 常见的数字控制系统组成框图，如图1 5 所示。为了使数字控制系统达到最高性 价比，设计时应根据系统控制性能指标选择合适a d 转换器、微处理器及外围电路。 接口电路 卜 d a 或1 0 口 卜、 y 外围电路 入 微处 p w m墙 j 功率 外设理器 j 口外 1 围电 电路 ( m c u ) 路 以 a d 刀 采样刀 n r- -电路 图1 5数字控制系统组成框图 1 5 数字信号处理器( d s pt m s 3 2 0 f 2 8 x ) ( x ) 的结构及内部资源 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发 展。过去，数字信号处理已经在通信、航空航天、雷达、工业控制、网络及家用电器 5 第一章绪论 逆变电源在电梯电能【口1 馈系统中的应用研究 等各个领域得到极为广泛的应用。数字信号处理是以数字形式对信号进行采集、变换、 滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，因其具有可程控、可预见性、精度高、稳定 性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点，广泛应用于 许多领域的新兴学科，应用于实时信号处理系统之中。 d s p 芯片结构的主要特点【8 9 1 ： 1 程序和数据空间彼此独立，允许同时取指令和取操作数。采用改进的哈佛总 线结构，还允许程序空间和数据空间之间相互传送数据。 2 多总线结构，可以保证一个周期内多次访问程序空问和数据空间，大大提高 了d s p 的运行速度。 3 支持流水操作，取指、译码、取操作数和执行等操作可以重叠执行。 4 并行执行多个操作，片内含有硬件乘法器、高性能的运算器及累加器，一个 指令周期内可以完成多个操作，一般能够完成一次加法和一次乘法。 5 片内集成了r a m 、快速双口r a m 、r o m 及f l a s h 等存储器，通常可通过 独立的总线数据进行同时访问，数据读写速度大大提高，而且不存在速度匹配与总 线竞争问题。 6 新型d s p 芯片不仅数据处理能力进一步提高，而且集成了增强型外围设备， 如a d 转换器、捕获器、模拟比较器、脉宽调制、各种通讯端口及看门狗等，为d s p 在电力电子技术、电力控制系统、电机控制等领域的应用提供了丰富的资源。 新型的t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 x 系列浮点d s p 数字信号处理芯片与t i 前代领先数字信号 控制器f 2 4 x 、f 2 8 0 x 、f 2 8 1 x 系列相比： 1 处理器性能平均提高5 0 。处理器能够以15 0 m h z 频率进行每秒3 亿次浮点 运算( m f l o p s ) 。快速富里叶变换( f f t ) 等复杂计算算法，采用浮点技术后与采用 作用相当的3 2 位定点技术相比，性能提升可达2 0 0 ，降低了定点处理器的成本。 2 中央处理器单元( c p u ) 负担减轻。片上采用了6 通道直接存储器存取( d m a ) 控制器对存储器进行访问，并且模数转换器( a d c ) 不再占用c p u 。 3 超快片上a d c 。片上1 2 位1 6 通道a d c 每秒采样1 , 2 5 0 万次，是目前业界 数字信号控制器中最快的。 4 提供多达1 8 个脉冲宽度调制( p w m ) 通道，其中6 个采用t i 独特的高解析 6 逆变电源在电梯电能网馈系统中的应用研究第章绪论 度p w m ( h i u w m ) 技术( 达到1 5 0 皮秒解析度) 。 5 提供了用户可配置的1 6 位或3 2 位外部存储器接口与高速串行端口，包括了 c a n 、1 2 c 、u a r t 、s p i 以及t i 的多通道缓冲串行端口( m c b s p ) 等通讯端口，提 高了整体系统带宽。 从数字输入到高解析度控制输出，所有f 2 8 3 3 x 控制器都为单芯片控制应用提供 了出色的系统集成功能。本课题所采用的是t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 x 2 8 2 3 x 系列中的f 2 8 2 3 4 ， 其主要特点如下【1 0 川】： 采用高性能静态c m o s 技术，内核和i o 供电电压分别为1 9 v 1 8 v 和3 3 v ，高 达15 0 m h z 的执行速度使得指令周期缩短到6 6 7 n s ； 基于t m s 3 2 0 c 2 8 xd s p 的3 2 位高性能c p u 内核，支持1 6 1 6 位和3 2 3 2 位或 者双1 6 x1 6 位的乘加期( m u l t i p l i c a t i o na d d e rc y c l e ) 操作，哈佛总线结构、快 速中断响应与处理、统一的存储器编程模式、高效率的执行代码； 用于a d c 、m c b s p 、e p w m 、x i n t f 和s a r a m 的6 通道的d m a 控制器； 片内高达1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 程序存储器、高达3 4 k 1 6 位的s a r a m 、1 k x 1 6 位的o t pr o m 、还有8 k 1 6 位的b o o tr o m 空间； 片外高达2 m 1 6 位的可扩展的1 6 位或3 2 位外部存储器接口； 用于f l a s l i 0 p t 】m u v i 的1 2 8 位密码保护； 具有可编程的p l l 锁相环、片内晶振及看门狗定时器( w d t ) 的时钟与系统控 制； g p l 0 0 - g p l 0 6 3 可用于产生8 个外部中断中的1 个： 支持所有5 8 个外设中断的外设中断使能控制模块； 增强的控制外设，包括多达1 8 个脉宽调制( e p w m ) 通道、其中6 个高分辨率脉 宽调制( h r p w m ) 通道( 它的时间步长精度达到1 5 0 p s ) 、6 个事件捕获( e c a p ) 通道、2 个正交编码器( e q e p ) 接口、多达8 个3 2 位或者9 个1 6 位的定时计数 器； 3 个3 2 位的c p u 系统计数器； 串行外设接口，包括2 个e c a n 总线控制器、3 个的串行通信( s c i 、u a r t ) 接 口模块、2 个可配置为s p i 的多通道缓冲串行端口( m c b s p ) 、1 个1 6 位串行外 7 第一章绪论逆变电源在i 乜梯i 乜能同馈系统中的应用研究 设( s p i ) 接口模块、1 个1 2 c 接口： 1 2 位a d c 转换器，最小转换时间为8 0 n s ，2 x8 个多路复用的输入通道，2 个采 样保持电路和1 个转换电路，采样时间和转换时间分开，提高了采样率和输入阻 抗，并且支持序列采样和同时采样，配有内部或外部基准电压。 多达8 8 个可独立编程或者复用的带输入滤波的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 1 6d s p 在电力控制系统中的应用 。 随着信号处理技术的发展，d s p 处理器广泛应用于语音图像处理、通信、高清电 视、雷达及声纳等领域，然而它在电力系统中的应用却比较晚。工业控制领域中，电 力系统设备通常使用微处理器等控制型器件。随着控制理论的发展，电力系统对系统 实时性、数据存储量、运算能力等要求不断提高，传统的微处理器、微控制器在计算 能力方面不能很好地适应电力系统的要求，因此d s p 处理器被逐渐应用到电力控制 系统中来。 针对电力系统的特点，电力装置的输入一般仅限于电压、电流、频率等数据的测 量，而输出一般通过p w m 或者i 0 口去控制功率管的导通与断开，对数据的实时处 理也只限于求解基波、谐波向量、有效值、有功功率、无功功率、以及求解正序、负 序和零序分量等，因此适用于电力系统特点的算法实现并不多。 近年来，随着国际光伏发电产业的迅速发展，世界上各个国家对光伏的政策扶持 力度不断加强，我国的光伏发电产业也得到了迅猛发展。太阳能光伏发电亟待解决的 最大问题，就是如何提高太阳能逆变器对太阳能电池板的电能转换效率，必须对太阳 能电池板的输出进行最大功率点跟踪( m p p t ) ，以及根据不同负载情况( 如阴天、光 照不强等) 进行动态算法调节，从而实现系统峰值效率最大化。 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 北8 2 3 x 系列是美国德州仪器( t i ) 公司推出的业界首款浮点数字 信号处理器( d s c ) 。f 2 8 3 3 x 控制器的强大性能可充分发挥最大功率点跟踪算法与动 态调节的优势，能够提高太阳能逆变器对太阳能板的转换效率，并在回馈电网( u t i l i t y g r i d ) 上集成数据记录、电力线通信( p l c ) 与逆变器同步等更多系统特性【1 2 j 。目前， 全球领先的太阳能逆变器制造商大都采用t i 的d s c 。 f 2 8 3 3 x 控制器与所有前代t m s 3 2 0 c 2 8 x 控制器实现了全面的软件兼容。f 2 8 3 3 x 8 逆变电源枉电梯电能州馈系统中的应用研究第一章绪论 芯片具有处理性能更好、存储空间更大、a d 转换速度更快和精度更高、外设集成度 更高等特点，是电力控制系统数字化的升级产品。许多先进外设被集成到该系列芯片 内，以形成真正的单芯片控制器。f 2 8 3 3 x 控制器还得到了t it m s 3 2 0 c 2 0 0 0 丌数字 马达控制与数字电源软件库的支持，可帮助开发人员采用c 2 0 0 0 控制器快速进行马 达控制或数字电源系统的原型设计工作，帮助设计人员简化软件开发，增加系统性能， 提高工作效率。f 2 8 3 3 x 控制器不仅在太阳能光伏发电中取得了优越的性能，而且在 其他电力控制应用中也表现出卓越的优势，如改善交流( a c ) 变速驱动的功率与性 能、增强汽车雷达应用的性能等。 1 7 本课题的意义及研究主要内容 由于传统的交直交变频器前级整流部分均采用不可控整流电路，因此前级无法 实现能量的双向流动，从交流负载端回馈到中间直流环节的电流会给电容充电，为了 使泵升电压限制在一定的范围内，一般采用如图1 2 所示的方法。图1 4 所示的方法 虽然可以实现两级电路之间电能的双向流动，但是控制复杂度增加，成本也较高，需 要对变频器重新设计。采用如图1 3 所示的方法，在交流输入端与中间直流之间反接 可控变流器，既节约成本、降低控制的复杂度，又不必重新设计变频器，从而实现直 流电能再生回馈与并网。既节能环保、改善了变频器的工作环境，又在一定程度上降 低了技术难度与开发成本。该逆变电路以终端电网为负载，输出交流电能回馈当地电 网，这种逆变器称为有源逆变器。目前逆变器并网控制多采用相控方式，并利用负载 电网电压实现换流。 论文主要研究了基于t m s 3 2 0 f 2 8 2 3 4 的直交逆变s v p w m 控制方法与系统并网 控制的条件与方法，设计制作了具体电路并结合统一s v p w m 快速算法进行了软件 设计。全文共分五章，主要研究工作及章节安排如下： 第一章绪论简要说明了逆变电源在电梯电能回馈系统中应用的背景意义，介 绍了交直交变频器基本工作原理，概括并总结了逆变器数字控制的特点、数字信号 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 x f 2 8 2 3 x 系列的主要特点和d s p 技术在电力控制系统中的应 用。 第二章p w m 控制技术与有源逆变首先介绍了传统的逆变电路的基本原理与 9 第一章绪论逆变电源在电梯电能【口1 馈系统中的应用研究 各种p w m 控制方法，在此基础上详细阐述了传统s v p w m 方法与载波p w m 方法的 内在联系与统一性，为第四章的软件编程提供了理论基础；其次对有源逆变与可控整 流进行了研究与分析，得出了系统工作于有源逆变状态的充分条件。 第三章系统硬件设计用框图的形式描述了电梯电能回馈系统的总体组成，并 在实验室环境下搭建了实验模拟装置。介绍了系统总体硬件结构和智能型功率模块， 简单描述了逆变功率主电路、驱动控制电路、直流检测电路和交流检测回路。 第四章系统软件设计首先简要说明了系统软件开发所使用的集成开发环境 c c s 3 3 ，给出了系统软件整体结构、系统主程序流程图、中断处理流程图，并对系 统底层与硬件相关的软件初始化流程进行了说明，包括e p w m 初始化流程、e c a p 初 始化流程及a d 转换流程；其次给出了实时s v p w m 算法的具体流程，并结合有源 逆变与并网控制条件，对系统上层闭环反馈控制进行了软件设计。 第五章实验与结果分析给出了m a t l a b 仿真实验结果及实际实验波形结 果，并对实验结果进行了分析。 第六章总结与展望对全文进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 l o 逆变电源在电梯电能回馈系统中的应用研究 第二章p w m 控制技术与有源逆变 第二章p w m 控制技术与有源逆变 与整流电路相对应，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。当交流侧接在电 网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变电路；当交流侧直接与负载相接时，称为 无源逆变电路。在不加说明时，逆变电路一般多指无源逆变电路。本章首先主要讨论 了无源逆变电路的p w m 控制方法，其次通过对换流电路的整流及有源逆变两种工作 状态进行分析，得出换流电路工作于有源逆变状态的充分条件，从而实现有源逆变电 路的并网控制。 2 1 方波逆变电路 电压源单相半桥式逆变电路与单相全桥式逆变电路分别如图2 1 和图2 2 所示。 方波逆变电路主要采用非移相和移相控制方式，方波逆变电路的结构与控制方式简 单，直流电压利用率高。但是由于输出电压不可调、输出电压谐波含量高等缺点，已 逐步被s p w m 逆变电路所取代。 图2 1单相半桥式逆变电路图2 2单相全桥式逆变电路 2 2s p w m 逆变电路 脉宽调制是一种重要的逆变方法，脉宽调制是利用半导体开关器件的导通与关断 将直流电压通过开关后变成脉冲序列，并通过控制脉冲宽度、周期以达到调节电流、 电压、频率及控制谐波的目的。脉冲宽度调制信号是由一系列周期固定的等幅不等宽 的脉冲序列组成的，这个固定的脉冲周期称为p w m ( 载波) 周期，其倒数称为p w m 频率。p w m 脉冲序列的宽度则由另一组期望值序列来确定或调制，该期望值序列就 第二章p w m 控制技术与有源逆变 逆变电源在电梯, e f l 同馈系统中的应用研究 是调制信号。 逆变用p w m 技术是一种调制信号周期化的p w m 技术，将调制信号变成幅值和 频率均可变化的周期信号时，主电路输出电压便成为频率和幅值均可调的交流电压从 而实现d c a c 的变换。技术发展证明，调制信号正弦化的p w m 技术具有很多优点， 是目前应用最为广泛的逆变用p w m 技术，即正弦波脉宽调制技术( 简称s p w m ) 。 2 2 1 等效面积方法 把一个正弦半波分成n 等份，每一等分的正弦曲线与横轴包围的面积都用一个 与此面积相同的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合， 这样，由n 份等幅不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦波等效，等效面积方法 如下图2 3 所示。这一系列脉冲波形的宽度和开关时刻可以用严格的数学方法计算得 到【1 3 - 15 1 。 图2 - 3 等效面积法产生s p w m 在区间 f ，缸 ，正弦波面积为s ，则有如公式( 2 1 ) 所示： s = m u si a t s i n c o t d t = m c o u s i c o s c o t - c o s c o ( t + a t ) i ( 2 - 1 ) 式中m 为调制深度，u s 为直流电源电压。s 2 对应区间e t ，a t 的脉冲面积。 s 2 = 万u s 2 1 2 ( 2 2 ) 逆变电源在电梯电能【口l 馈系统中的应用研究第二章p w m 控制技术与自源逆变 将正弦信号的正半周用高度为u s 2 的脉冲等效，负半周脉冲高度为一虮2 。如上图 所示正半周n 等份，则每份为万弧度。设第k 份脉冲宽度为瓯，由第k 份j 下弦 波面积与对应的第k 个s p w m 脉冲面积相等，解得脉冲宽度如公式( 2 3 ) 所示： 瓯= 警 c 。s ( 与尹力- - c o s ( - - 寿 力】 ( 2 - 3 ) 2 2 2 自然采样方法 自然采样法( n a t u r a ls a m p l i n g ) 移植了模拟控制的方法，以正弦波为调制波、等 腰三角形为载波进行比较，计算正弦波与三角波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲 间歇时间，生成s p w m 波形，原理如下图2 4 所示。此脉宽表达式是一个超越方程， 计算繁琐，难以实时控制。 2 2 3 规则采样方法 图2 4 自然采样法 规则采样方法( r e g u l a rs a m p l i n g ) 原理，当载波频率z 远高于输出频率厂时， 输出频率随时间变化的正弦调制信号u 。在一个载波周期c 中可视为恒定，其实质是 用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻来控制开关 器件的通断。规则采样方法的计算显然比自然采样法简单，图2 5 所示为对称规则采 样方法原理图及单载波周期放大图，三角载波只在其顶点( 或谷点) 位置对正弦波进 行采样，由阶梯波与三角波的交点确定脉冲宽度，这种方法在一个载波周期内是对称 的，因此称为对称规则采样方法【1 6 以7 1 。但由于采样水平线与三角载波的交点都处于正 弦波的同一侧，所得脉冲宽度明显地偏小，从而造成控制误差。图2 6 所示为非对称 规则采样方法原理图及单载波周期放大图，三角载波在正弦波的顶点和谷点均进行采 13 第二章p w m 控制技术与有源逆变 逆变电源在电梯电能同馈系统中的应用研究 样，一个载波周期内进行两次采样，阶梯波与三角波在一个载波周期内有两个交点， 这种方法所确定的脉冲宽度在前半周期与后半周期为非对称的，因此称为非对称规则 采样方法，显然这种方法比对称规则采样方法更精确。只要选择的载波比= z 厂 足够大，两种方法产生的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差就可以忽略不计了。 图2 5 对称规则采样方法原理图、单载波周期放大图 图2 - 6 非对称规则采样方法原理图，单载波周期放大图 然而，s p w m 逆变控制的目标函数被定为在输出电压的正弦化：希望直流电压 利用率尽量高，谐波含量尽量低，在这个目标下产生了电压型逆变电路。这种电路就 其输出电流而言是开环的，它可能远非正弦波，因为在电压源逆变电路中，输出电流 的波形会受到负载参数的影响。电流的谐波分量不仅使电路损耗增加、效率下降，还 会影响电路的工作性能。据此才有电流型控制方式的出现，它直接追求输出电流的正 弦化，这比只着眼于输出电压更进了一步。 2 3s v p w m 原理 空间矢量的概念最初应用于交流调速系统中电机的分析，空间电压矢量脉宽调制 控制技术，是根据空间电压( 磁通) 矢量的定义，以三相对称正弦波电压供电时交流 1 4 逆变电源在电梯电能同馈系统中的应用研究 第二章p w m 控制技术与有源逆变 电机的理想磁通为基准，把逆变器和交流电机视为整体，用逆变器不同的开关模式对 应的空间电压矢量，作用不同的时间并相加，使所产生的实际磁通逼近基准圆磁通， 形成圆形的旋转磁场【1 8 1 9 】。而在有源逆变控制系统中，则将逆变器与负载电网视为整 体，逆变器开关产生各种的基本空间电压矢量。根据伏秒平衡原理，由基本空间电压 矢量来合成所需的基准电压矢量。 实践和理论证明，空间矢量p w m 技术与正弦脉宽调制( s p w m ) 相比，具有较 高的直流电压利用率，空间矢量p w m 比s p w m 对直流电压的利用率约高1 5 ，提 高了对电压源逆变器直流供电电源的利用效率1 9 】。s v p w m 在输出电压或电机线圈中 的电流中都将产生更小的谐波，能将输出电流的谐波分量降到最低限度。 2 3 1c l a r k e 变换和p a