（电机与电器专业论文）燃料电池用dcac变换器的dsp控制及其emc研究.pdf

a b s 打a c t a b s t r a c t t h ep a p e rm a i n l yp r e s e n t st h er e s e a r c ho ft h ep o w e rc i r c u i tt o p o l o g y , p w m g e n e r a t i o n , h a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o lc i r c u i t , c o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ee l e c t r o - m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) p r o b l e m so fd c a c c o o v e r t g r su s e di nf u e lc e l lp o w e r s u p p l yd e v i c e a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l i t yo ff u e lc e l la n dt h ea p p l i c a t i o nf i l e do f d c a cc o n v e r t e r s ，b o t ht h es i n g l e - p h a s ea n dt h et h r e e - p h a s ec o n v e r t e r sa r ea n a l y z e d f i r s t , t h ep r i n c i p l ea n dt h et o p o l o g i e so fb o t hs i n g l e - p h a s ea n dt h r e e - p h a s e d c ，a cc o n v e r t e r sa r ei n t r o d u c e d i td e t a i l st h ep r i n c i p l et og e n e r a t ep w ms i g n a la n d t h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o nb a s e do nd s e s e c o n d l y , t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e d o nd s pi sd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h i sp a r ti n c l u d e s ：t h em i n i m u ms y s t e md e s i g no f d s p , d r i v e ro fi g b t , p o w e rs u p p l ys y s t e m ，v o l t a g e c u r r e n ts e n s o ra n dc o n d i t i o n i n g c i r c u i t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e ( s c o t h i sp a p e rp r e s e n t sad i g i t a ld o u b l e - l o o pc o n t r o ls c h e m ef o rt h er e g u l a t i o no f d c ，a cc o n v e r t e r b o t ht h ei n s t a n t a n e o u sv o l t a g ei n n e rl o o pa n dt h eo u t e rv o l t a g e l o o pa d o p tp ic o n t r o l l e r d e t a i l so ft h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e r sa r eg i v e n b e s i d e s ， m e t h o do fc o m p e n s a t i o no fi n v e r t e rn o n l i n e a r i t yi si n t r o d u c e d 1 1 l i sp a p e rd i s c u s s e s i n d e p t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yf e m c ) f o r d c ，a cc o n v e r t e l 暑s o m ec o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r e so ft h ea n n o y i n ge m ii s s u e s a r ei n t r o d u c e d 。 i nt h ee n d ，t h er e s u l t sa r ep r o v i d e da n dt h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：d c a cc o n v e r t e r , f u e lc e l l ，e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名：老竿 乃口7 年月三g 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签 名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：韦牟 z 叩7 年月z 宕日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着石油、煤和天然气等主要能源的大量使用，能源危机与环境污染对全 球经济发展的制约作用日益凸显。新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。 燃料电池是举世公认的高效、便捷及有益于环境的绿色能源装置。国际能源界 预测，作为新型绿色能源，燃料电池是2 1 世纪最有吸引力的发电方法之一。燃 料电池的开发利用、研究是我国科技发展的重要方向之一。 由于燃料电池不会燃烧出火焰，也没有旋转发电机，燃料的化学能直接 转化为电能，所以这一过程使其具有很多重要的优点：首先，燃料电池属于能 量直接转换的装置，效率很高。由于燃料电池中无运动部件，无机械磨损，所 以减少了损耗。其次，燃料电池的环境兼容性好，供电可靠性高。燃料电池可 以直接建在终端用户附近，没有庞大的输配电网络可以节约大量的输配电设备 费用。第三，燃料电池过载运行或欠载运行时效率基本不变，对负荷的适应能 力强，可以无人操作，设备可靠性高。 燃料电池具有以上突出特点，可以当作理想的分布式电源。与目前一些做 为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。作为备用 电源的柴油发电机由于污染和嗓声大不宜在未来的城市中应用。低温燃料电池 不仅发电效率高，而且启动快、交负荷能力强，是很好的备用电源。现代社会 对供电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系 统日益受到重视。 对于象军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、 娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电 力供应的可靠性和质量要求很高。目前采用的备用电源效率低、污染严重、电 压波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提供电力，会使供电的 可靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。 对于边远地区，负荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大， 且电网末端地区电力质量不稳定。对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式 第1 章绪论 电源，更能有效地解决这些地区的电力供应问题。燃料电池的重量比功率和体 积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是理想的移动电源，适合于 各种建设工地、野外作业和临时急用。 燃料电池系统的组成包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能 控制系统及安全装置等。图1 1 为燃料电池发电装置的系统结构图。本文的研究 对象d c a c 变换器是该装置不可或缺的一个组成部分。 扣 j 氢 燃料电 璐 池装置 r _ j l 蠢璧 i 明气俘l 图1 i 燃料电池发电装置的构成 据美国预计，到2 0 1 7 年美国3 0 的电能将由燃料电池提供。未来1 0 年中， 全球燃料电泡的发电能力将会上升到1 5 万兆瓦朝。因此，燃料电池用d c a c 变换器的研究具有非常广泛的实际应用价值。 1 2 本题选题意义与研究背景 美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一。美、日之所以能在燃 料电池技术方面处于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动 密不可分。在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效 发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的战略意义，而燃料电 池发电技术，正是这种高效清洁的高新发电技术之一。燃料电池突出的优点， 以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在2 1 世纪会起到越来越重要的作用。 燃料电池发电装置其输出电压受工作状态的影响较大，且多数为直流输出。 大部分的民用电器以及电网传输用的都是交流电，因此直接使用燃料电池的电 2 第1 章绪论 能有一定困难。为了使燃料电池能在民用备用电源、移动电源中广泛使用，燃 料电池用d c a c 变换器的研制也成为燃料电池应用技术的重要组成部分。针对 燃料电池的宽电压输入特性，研制与其配套的d c a c 变换器，对于拓宽燃料电 池的应用领域具有重要意义。图1 2 为燃料电池的输出电压、电流曲线特性图“1 。 v1 0 幽 脚 魍 曾 囊0 5 电流密度( m a c m 2 ) 图1 2 燃料电池输出电压、电流特性曲线 就国内来说，目前市面上宽电压范围输入的逆变器主要集中在小功率上， 而大功率的逆变器又集中在低电压普遍采用蓄电池2 4 v 、4 8 v 直流输入。既 符合宽电压输入要求，又能达到大功率等级的逆变器在国内市场上还不多见， 尚未实现市场化。丽美、日等国研究成果比较先进，已经具有初步的商业化生 产能力。目前。美国有数万台燃料电池发电站应用于宾馆、医院及居民小区。 国内的研究主要集中在小功率的d c a c 变换器上，虽然取得了一定的研究成果， 但还不具备产品商业化的技术成熟度。对大功率宽电压的燃料电池用d c a c 变 换器的研究还有待进一步深入探索。 本课题的研究目的是研究以宽电压输入的燃料电池为能源的大功率d c a c 变换器的控制策略，使整机的输出具有良好的稳态和动态特性。并研究系统抗 外部电磁干扰能力以及减少自身对外部的电磁辐射干扰，从而符合电磁兼容要 求。课题研究的d c a c 变换器要求体积小、重量轻、转换效率高、可通讯、智 能化等特点。它除了能与氢燃料电池配合使用，也可与其他绿色电源配套使用， 例如太阳能电池、风力发电等。 3 第1 章绪论 1 。3 燃料电池简介 燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池 是由正负两个电极以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池 内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质， 只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量 转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反 应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。与常规的火力 发电相比，它不受卡诺循环( 由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程) 的限制，能量转换效率高。 目前，有5 种类型的燃料电池。碱性燃料电池( a l c ) 、磷酸型燃料电池 ( p f 心c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 和质 子交换膜燃料电池( p e m f c ) 。 很多研究机构正在进行燃料电池的开发与研究。但是，国际公认的是，在 过去的十年中，只有p e m f c 技术已发展到实用阶段。然而，其工业化过程尚未 成熟，而且还需做进一步努力以降低这种技术的成本。 中国的质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 也已经达到可以装车的技术水平； 大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术 成果；在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进彳亍竞争，在市场份额方 面，我国可以并且有能力占有一定比例。但是我国在p a f c 、m c f c 、s o f c 的 研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。 p e m f c 的运行温度较低( 约8 0 ) ，它的启动时间很短，在几分钟内可 达到满负荷。与p a f c 相比，电流密度和功率比都较高，发电效率也较高( 4 5 5 0 ) ，对c o 的容许值较高，p e m f c 的余热温度较低，熟利用率较低。与 p a f c 和m c f c 等液体电解质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。 p e m f c 是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理 想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有 一定的市场，但是不适合做大容量中心电站。 由于成本原因，p e m f c 的高成本限制了它在其他领域的应用。但是开发用 于车辆的移动式p e m f c 是发展这项技术的主要驱动力。通过在汽车工业大量使 用p e m f c 而带来预期的成本下降，将使固定式发电受益非浅。这些专门的应用 4 第1 章绪论 领域意味着p e m f c 技术是今后几年中可获得突破的几项未来技术中的一项，而 且不需要耗费大量的政府投资。所以本文研究的燃料电池用d c a c 变换器主要 是针对p e m f c 的，功率等级在1 0 k w 1 0 0 k w 之间。 1 4 伪3 a c 变换器数字控制技术 随着闭环调节p w m 逆变器在各种功率场合中的大量使用，对逆变器输出电 压波形的要求也越来越高。高质量的输出波形不仅要求稳态精度高而且要求动 态响应快。 逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主 要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输 出电压的总谐波含量t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和负载突变时的动态响应 水平。在这些指标中对输出电压t h d 要求比较高，对于三相逆变器，一般要求 阻性负载满载时t h d 小于2 ，非线性满载( 整流性负载) 的t h d 小于5 。 逆变器的控制方法直接影响到它的输出电压性能指标。 逆变器控制技术的发展主要经历了四个阶段。 1 早期逆变器采用阶梯波形式输出，主要通过功率电路的设计来改善输出 电压波形，如通过输出变压器的特殊设计提高输出电压波形的正弦度。 2 脉宽调制技术( p w m ) 出现后，通过开环的脉宽调制方法使输出电压波 形大幅度改善，使逆变技术产生了一个飞跃。 3 随着控制技术的发展，采用模拟的闭环控制方法和p w m 技术相结合， 使逆交器输出电压质量得到进一步提高。 4 近年随着具有高速运算能力的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 问世，使 逆变器控制的全数字化成为现实，许多先进的现代控制理论和方法在逆变器中 得到应用，使逆变器的稳定性和可靠性大幅度提高。 逆变电源的控制技术从总体上可以分为两大类：基于周期的控制、基于瞬 时值的控制。 基于周期的控制是通过对前一周期或多个周期的输出波形进行处理，利用 反馈信号对当前的控制进行校正的控制方法。这种控制方法仅对输出电压有效 值进行控制，而p w m 部分为开环状态，无法对输出波形的正弦度进行调节。所 以这种控制方法得到的输出波形稳叁精度较高，稳定性好，但最大的缺陷在于 5 第1 章绪论 逆变器的动态响应很差，输出电压的波形质量无法控制，完全依靠逆变器的自 身特性。当负载为非线性负载时，由于逆变器输出阻抗的影响，输出电压波形 的t h d 比较大。在实际应用中周期控制一般与其它控制策略相结合，以得到较 好的输出波形和动态响应。图1 3 为周期控制的框图。 图1 3 有效值反馈的周期控制框图 为了提高逆变器输出电压波形的动态响应速度，出现了瞬时值反馈的控制 方法。基于瞬时值的控制是根据当前误差对输出波形进行有效的实时控制，可 以分为单闭环p i d 控制、单闭环滞环控制、瞬时值内环控制、电压电流双闭环 控制、无差拍控制、滑模控制等。 本文所采用的方法为数字p i d 控制方法。数字p i d 控制算法由比例、积分、 微分三种算法组成，它克服了模拟p i d 控制器的许多不足和缺点，可以方便地 调整p i d 参数，具有很大的灵活性和很强的适用性。与其它控制方法相比，数 字p i d 控制具有以下优点： 1 p i d 算法蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，控制过 程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。 2 p 1 d 算法在设计过程中不过分依赖系统参数，系统参数的变化对控制效 果的影响很小，控制的适应性好，具有较强的鲁棒性。 3 p i d 算法简单明了，便于用单片机或d s p 实现。 图1 4 电压瞬时值单环反馈 6 第1 章绪论 电压瞬时值反馈控制如图1 4 所示，它的原理是：用参考正弦波电压与输出 电压瞬时反馈值进行比较得到电压误差，电压误差经p i 或p i d 调节后的控制输 出量与三角波比较得到p w m 控制脉冲。这种控制方法能够实时地调节输出电压 的波形，比较好地抑制元器件的非线性特性和直流母线电压变动所带来的影响， 在一定程度上改善了逆变器的静态和动态特性。但是，由于这种控制方法只采 用单电压环控制，当负载发生比较大的动态变化( 如负载的电流突然变大) 时， 逆变器的输出电压会有比较大的畸变，而且动态调节比较慢。 图1 5 电压电流双环反馈 电压电流双环反馈控制框图如图1 5 所示。在这种控制模式下，参考正弦电 压与输出电压相减后得到的误差电压经过p 1 2 调节后的输出作为电感电流的控 制信号。电流误差信号经过p 1 1 调节后再与三角波比较产生p w m 控制信号。这 种方法是目前应用最为普遍的控制方法之一。电感电流中包含了负载电流，因 此可以起到对负载限流的作用。电感电流的方向是进行死区效应补偿的必要条 件；采用电感电流模式可以方便地对死区进行补偿。实践中，由于两个环的互 相影响，电压电流双环控制的参数整定比较困难。 1 5 本文内容提要 本文的主要内容包括以下几个方面： 第一章介绍燃料电池用d c a c 逆变器的发展概况，燃料电池的特点，逆 变器控制的常用控制策略。 第二章介绍了单相、三相逆变系统的拓扑结构以及p w m 调制方法。 第三章介绍了基于d s p 的控制电路板的硬件设计。主要包括d s p 的最小 系统，信号板的电源系统构架，信号的调理电路，i g b t 的驱动电路板等。 第四章介绍了基于d s p 控制的控制方法选取，主要内容包括了逆变器的建 7 第1 章绪论 模，p l 参数的整定以及相应的仿真结果。 第五章对变换器工作的电磁环境进行了理论分析，并在此基础上提出了电 路板级的抑制措施。 第六章对本文的总结和展望。总结所完成的工作，并提出今后的工作方向。 8 第2 章d c a c 变换器的电路拓扑及脉宽调制方案研究 第2 章d c a c 变换器的电路拓扑及脉宽调制方案研究 根据变换器的级数，可以将燃料电池用d c a c 变换器分为两大类”。一类 是单级系统，该系统只通过一级功率变换装置产生交流电；一类是多级系统， 该系统通过两级或多级功率变换产生交流电； 单级系统和多级系统这两种拓扑结构都可以应用于燃料电池发电系统，各 有特点：传统的单级逆变器对燃料电池输入电压等级要求较高，需要多级燃料 电池串联，对逆变器的控制性能要求也较高；而带前级d c d c 变换器的多级系 统目前在家用中小功率中应用比较广泛。 单级系统的框图，如下图2 1 所示 工频逆变器 燃科电池旄渡器1 = 频变压器 滤波器 图2 1 燃料电池单级系统框图 胡 户 对于这种拓扑的单级系统，燃料电池经过一级i c 滤波后直接接工频逆变 器。仅采用一级功率变换，电路结构简洁，使用的功率器件少，效率相对较高。 如果需要隔离发电，则在逆变器后增加工频变压器，但是工频变压器体积和重 量大、音频噪音大。 单级系统由于结构简单也带来了以下问题”1 ：要求燃料电池输出电压较 高时，需要多级燃料电池单体串联：燃料电池的输出电压变动范围较大，空 载输出电压和满载输出电压通常达到2 ：1 ，这样在选取逆变器的功率器件时， 需按照空载电压来选择，提高了对功率器件的要求，变动的直流电压也给逆变 器的控制带来了难度；燃料电池的输出电流以两倍的逆变器输出电流频率波 动，输出电流波动带给燃料电池的问题是使用寿命的降低和燃料的不充分利用； 多级系统目前在家用燃料电池发电系统( 1 0 k w 等级) 中应用的比较多，图 2 2 是两级结构的燃料电池发电系统，燃料电池经一级d c d c 变换后接逆变器。 由于d c d c 的拓扑比较多，所以采用这种拓扑的电路也比较多。经过稳压后的 9 第2 章d c a c 变换器的电路拓扑及脉宽调制方案研究 直流电压比较稳定，对逆变器的功率器件和控制要求降低。如果需要隔离，可 以在d c d c 这一级使用高频变压器隔离，这样避免了工频变压器，降低了系统 的体积和重量。 上卓 j - 用 t c ic t 户 燃料电池d c 仍c 变换器d c ，a c 逆变器 图2 2 燃料电池多级系统框图 燃料电池作为发电装置，将大规模的进入实用阶段。基于对d o ，a c 变换器 的成本以及用户对逆变器供电质量要求等因素的综合考虑，市场上需要一种既 能实现燃料电池产生交流电，又能有效降低成本的逆变器。所以本文研究的燃 料电池用d c ，a c 变换器系统都是单级拓扑的。 2 1 单相d c a c 变换器主电路拓扑 d c a c 变换器的主电路一般分为隔离式和非隔离式两种。隔离式d c a c 变 换器包含了工频变压器，体积庞大，效率也有所降低。大功率的d c a c 逆变器， 效率是极其重要的一个指标，所以本文研究的d c a c 逆变器是非隔离的。 单相逆变电路分为半桥和全桥逆变电路。半桥逆变电路如图2 3 所示，该电 路的优点是简单，使用器件少。但缺点是输出交流电压的幅值u 。仅为玑2 ，且 直流侧需要两个电容串联，工作时还需要控制两个电压的均衡。因此，半桥电 路常用于几k w 以下的小功率逆变器。 全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，如图2 4 所示。其输出电压u 。 的波形与半桥电路的波形u 。完全相同，但其幅值高出一倍，u 。= 玑，显然全桥 逆变电路的电压利用率更高，所以本文采用的单相逆变电路结构即为图2 4 所示 的非隔离的单相全桥逆变电路。 l o 第2 章d c a c 变换器的电路拓扑及脉宽调制方案研究 v d i v 0 2 u d忤 一， 。v d l k 2 蚪 载i tj 气1 l i j 【魄v 4k j v m v 蹦 图2 3 单相半桥逆变电路图2 4 单相全桥逆变电路 2 2 单相d c a c 变换器调制方法 2 2 1 正弦脉宽调制( s p n ) 传统的d a a c 逆变器采用低频环节逆变技术，主要有方波逆变器、阶梯波 合成逆变器、正弦脉宽调制( s p w m ) 逆变器。 与方波逆变器、阶梯波合成逆变器相比，s p w m 逆变器由于其输出滤波器 体积小；系统的动态响应特性好；输出滤波电感产生的噪音得到改善；所以应 用最为广泛。 r s p w m 基本原理“”由采样理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性的环节上，其效果基本相同。脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效 的p w m 波形，称为s p w m 波形。自然采样法是产生s p w m 波形的基本方法， 即在正弦波和三角波的自然交点时刻控制i g b t 的通断。但由于该方法计算复 杂，难以在实时控制中在线计算。实用中多采用规则采样法。 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但 计算量却比自然采样法小得多。图2 。5 为规则采样法说明图。取三角波两个正峰 值之问为一个采样周期砟。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波周 期的中点( 即负峰点) 重合。而规则采样法使两者重合，也就是使每个脉冲的 中点都以相应的三角波中点为对称，这样就使计算大为简化。在三角波的负峰 时刻t 。对正弦信号波采样而得到d 点，过d 点作一水平直线和三角波分别交于 a 点和b 点，在a 时n t 和b 点时n t 。控制开关器件的通断。可以看出，用这 种规则采样法得到的脉冲宽度d 和利用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。 1 1 第2 章d c a c 变换器的电路拓扑及脉宽调制方案研究 u n o o 图2 5 规则采样法示意图 设正弦调制信号波为h ，= a s i nc o , t ，式中：a 称为调制度，0 = - a k + 时，脉宽调制波保持低电平直到屹 k + ； 输出电压v 2 昧宽调 彳爹 豸 彦 、 t lt 2t 3 图2 6 自适应脉宽调制原理 1 1 + 上限( v - + ) 参考电压v i h 一下限( v l a ) 这种调制方法可以通过单片机、d s p 等在软件上实现。它直接利用k 反馈 信号来与用户所设置的两串基准5 0 h z 正弦信号进行比较。因而这种逆变器对输 出附载电流变动和负载功率因数变动有非常优异的自适应能力。其主要特征是 逆变器的输出电压是很标准的正弦波形。其缺点是，当逆变器的输出端负载急 剧变动时，可能造成逆变器输出电压的幅度变动过大。逆变器输出波形畸变程 度随着负载的性质和大小的变化而有所变动。因为自适应调制法所产生的调制 波所包括的高次谐波分量是随负载而变化的，而逆变器的输出滤波器参数是固 定的，所以导致逆变器输出的谐波分量偏大。当用户的功率因数偏低时，有可 能出现输出电压与电流之间的相位相互滞后或超前的问题，影响逆变器的效率。 由于燃料电池d c a c 逆变器是作为备用电源、移动电源使用的，用户在使 用过程中必定存在负载的大量切换问题，而且考虑到逆变器输出端滤波l ，c 参 数的选取方便。所以本文选用单相s p w m 调制方式。不过自适应调制法已经在 工业上开始应用，这也是一个研究的方向。 2 。3s p w m 的软件实现 由前面2 2 1 节的式( 2 2 ) 可以得到，在每个开关周期内的开关管导通 时间为6 一死( 1 + a s i n o m d ) 2 ，根据这一关系式可知，如果一个周期内有n 个 矩形波，则第1 个矩形波的占空比为： 4 0 5 + 0 5 a s i n ( 2 玎) ( 2 4 ) 第2 章d c a c 变换器的电路拓扑及脉宽调制方案研究 这里，n 一丘厂， ( 图2 5 中，三角载波频率正弦调制波频率) 。 在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 本文所选用的d s p 型号) 中，6 路s p w m 的产生是通 过事件管理模块( e v m ) 的全比较单元来实现的。e v b ( 事件管理器b ) 的 定时器有3 个与之相关的比较单元：比较单元4 、5 、6 ，每个比较单元都有一个 相应的比较寄存器：c m p r 4 、c m p r 5 和c m p r 6 。每个比较单元都可单独设置 成比较模式和p w m 模式，设置为p w m 模式时，每个比较单元有两个极性相反 的p w m 输出。因此利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 可实现对单相、三相桥式逆变电路的 s p w m 控制。在周期寄存器t 3 p r 的值一定的情况下，通过改变比较寄存器的 值就可以改变输出矩形脉冲的宽度。 i 塞堕堡! 卜 圆- 匝圃- 全比较 瓜面i 砷 图2 7d s p 全比较单元功能图 我们这里用e v b 中的通用定时器3 及与之相关的比较单元来实现s p w m 的 控制过程。全比较单元的框图如图2 7 所示。全比较主要包括硬件比较器、定时 器、全比较寄存器c m p 4 、c m p 5 、c m p 6 。把定时器的计数模式设置成连续增 减计数模式或连续增计模式来模拟三角载波。载波的频率( 开关频率 ) 由定 时器的定时周期和计数模式决定，具体的式子如下： 厶i 矗暑 q s ， 其中，n 为周期寄存器的时间常数，l 为计时器时基周期，k 在连续增减 计模式时取2 ，而在连续增计模式时取1 。在连续增减计数模式下。计数器的值 从“0 ”开始计数，到达周期值时再往下计数。在这期间，三个全比较寄存器的 值与计数器的值进行比较，在第一次相同时( 增计数) ，对应的p w m 输出脚 ( p w m 7 8 ，p w m 9 1 1 0 ，p w m l l 1 2 ) 的输出极性发生变化；第二次相同时( 减 计数) ，对应的p w m 输出脚( p w m 7 8 ，p w m 9 1 0 ，p w m l l 1 2 ) 的输出极性再 次发生变化，这样就实现了p w m 输出。d s p 的这些比较，全部由硬件实现，所 1 4 第2 章d c a c 变换器的电路拓扑及脉宽调制方案研究 以只要在每个开关周期内更新全比较寄存器的值，就可以实现p w m 控制。 选定i g b t 开关频率为3 6 k h z ，运用定时器的周期中断，使用连续增，减模 式，产生对称的三角载波。根据式( 2 4 ) 所得的占空比表达式，再利用通用定 时器比较单元的p w m 特性，就可以很容易地实现s p w m 。 首先介绍一下产生p w m 的e v b 寄存器初始化设置，其步骤如下：装载 比较方式控制寄存器a c t r b ；使能死区1 2 0 s ，设置和装载死区时间控制寄 存器d b t c o n b ( 使能死区可避免上下桥臂同时输出触发脉冲) ；设置和装载 定时器3 周期寄存器，部规定p w m 波形周期：初始化e v b 的比较寄存器 c m p r 4 、c m p r 5 、c m p r 6 ：设置和装载定时器3 的控制寄存器t 3 c o n ： 更新比较寄存器的值，使输出的p w m 波形占空比发生变化。系统初始化后根据 载波频率和调制信号频率计算出每个周期需要输出的矩形波个数，从而确定定 时器的周期，设置频率参数及脉冲个数。 根据式( 2 t 4 ) 计算出每个矩形脉冲的占空比，用占空比乘以周期寄存器的 值，从而计算出比较寄存器的值。该过程作为计算子程序，并使脉冲指针个数 i = i + 1 。 、 在周期中断子程序中将计算所得出的比较寄存器的值送到比较寄存器，当 达到一次载波周期时置相应的标志位。下图2 8 是s p w m 程序流程图。 开始 系统韧始化 设置频率参数及 脉冲个数 调用计算 子程序 确定比较寄存器的值，并令i - j + 调用中断子程序，将所得比较寄存器的值? 入比较寄存器，每剜一次载波周期，置位 n y 调 i i 计算，i 空比子程序 闰2 8s p 棚程序流程图 1 5 曼一 第2 章d c a c 变换器的电路拓扑及脉宽调制方案研究 2 4 三相d c a c 变换器主电路拓扑 交流负载用电量大或需要三相四线制供电的场合必须采用三相逆变器。用 三个单相逆交器可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最 为广泛的还是三相全桥式逆变电路。采用i g b t 作为开关器件的电压型三相全桥 式逆变电路如图2 9 所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。三相全桥式逆 变器具有电路拓扑简洁、功率器件数少、功率开关应力低等优点。 m i v s i ! vv v vv v r 0 v v v i 图2 9 三褶全桥式逆变电路 该电路可以直接带三相对称负载：譬如电机等负载。虽然三相全桥式逆变 器输出滤波电容的星型联结，能够得到一个电源中点，但为了能够对不平衡负 载供电，提高逆变器带不平衡负载的能力，就必须在输出端接入一个y 输出 变压器，或接入一个中性点形成变压器( n e u t r a lf o r m e d t r a n s f o r m e r 简称n f t ) ， 如图2 1 0 所示。n f t 是一个变比为l ：l 的自耦变压器。它虽然比y 输 出变压器的体积重量小些，但它的体积重量是随负载不对称的程度面变化的， 不对称度越大它的体积重量也越大。 v 。 jm jm j i _ m f r 1i| i ： _ ，1i 。_ 黼 毕 仉 j j 黜_ i =扣 j l j 幽2 1 0 具有中性点形成变压器n f t 的二相全桥式逆变器 第2 章d c a c 变换器的电路拓扑及脉宽调制方案研究 三相半桥式逆变器如图2 1 1 所示，三相半桥逆变器是三个单相半桥式逆变 器的组合。该电路具有如下的特点；如果两个串联的电解电容足够大，则可 保证中点电位不偏移。具有较强的带不平衡负载的能力。但也大大增加了系统 的体积和重量：输入直流电源电压利用率较低，相同的输出电压时，三相半 桥逆变器所需的直流电压为三相全桥电路的2 j 3 3 倍；与三相全桥式逆变器 相比，输出电压相同时，其输入电流电压和功率开关电压应力更大。 。v t 【 ji j - o _ r 1 r 1 r r ll = 一_ v 2 ( j【v 4 ( j【v 6 ( 2 i 图2 i i 三相半桥式逆变器 a b c n 由于三相半桥式电路的每一相都是独立的，相互之间不存在耦合关系，因 此可以把三相逆变器看成是三个输出电压相位互差1 2 0 。的单相半桥逆变器组 合在一起。控制相对比较简单，单相逆变器的控制方法可以直接用在这里。 此外也出现了一些新型的三相逆变器结构，如图2 1 2 所示的三相四桥臂逆 变器就通过增加一个桥臂而产生中性点n ，这样就可以消除三相全桥式逆变器的 输出变压器n f t ，减小了逆变器的体积。和三相半桥式逆变器相比，虽然增 加了两个开关器件，但是减去了两个输入电容也减小了体积，不过这种控制方 式实现起来更加复杂。 u v 一l 副，c【 ji 聊 j l -。_ _- r 1 ： r 1 r 1 _， _ - 仉矾 j i j o 的信号时序图 _ i m l l t 艄一o ：二二直 二习j 二二 n - 时一一一一一一一卜k “一 u k i j k 一一 珂j ：二二i 三= 三圭i j 兰二二盎岛二二： ，掣i 苗 一。晰：j ，岫 ：二二奠 二二j 二 1 、“一一一一一一一- - l “一 帆一 u k a g l 掣la 嚣气厂_ 二叮卜 _ - - j - 一h 一 t km n 队n h- n 幽4 1 7t 内方向发生变化的信号时序图图4 1 8t 内 o 的信号时序图 第4 章d c a c 变换器控制策略 图4 1 6 、4 1 7 、4 1 8 分别是逆变器输出电流i 。在一个p w m 周期内保持正向， 改变符号、保持负向的信号时序图。从图中可以总结出误差电压平均值2 7 1 a u t - u ，os 印纯) ( 4 3 7 ) 这里- 笙! 产- 屹等 ( 4 3 8 ) t - t t + 钿一蜥称作补偿时间。 f l 如果在t 内，i k ，0 s 印以) 一 - 1如果在t 内，i t 0 ( 4 3 9 ) 1 0如果在t 内，i k 改变方向 上述式子是针对单相逆变器的非线性补偿，而求出的补偿误差电压。考虑 到使用空间矢量调制法( s v p w m ) 的三相逆变器，它的输出电压空间矢量误差 平均值 a u 一妄【a 【，i + a a u 2 - i - a 2 a 【，3 】 ( 4 ，4 0 ) j 2 这里口一p ，是空间矢量算子。由式( 4 3 7 ) ，( 4 3 8 ) ，( 4 4 0 ) 得 ，一 4 u i os g n ( i ) 在开关周期r 内，所有相电流方向不变 竽u f o s 印o ) 在开关周期r 内，只有两路相电流方向不变 ( 4 4 1 ) u ，。s a c ( i ) 在开关周期r 内，只有一路相电流方向不变 0在开关周期r 内，所有相电流都改变方向 电流的s g n 矢量定义为 s g n ( o - 瓯s g n ( i 丽i ) + a 面s g l l 西( i 2 ) + 石z 2s g 习n ( i 3 ) ( 4 舵) 非线性补偿的实现通常是基于误差电压的求取。逆变器的非线性补偿的实 现如下式所示： u j 呵- u 呵- a u ( 4 4 3 ) 【，。是逆变器控制端的理想参考信号，u 是经过计算得到的误差电压，u 珂 则是考虑了非线性因素，经过补偿后加到逆变器控制端的实际控制信号。该式 第4 章d c a c 变换器控制策略 子不仅适用于单相逆变器，对于s v p w m 的三相逆变器同样适用。 针对单相逆变器的非线性补偿，可以通过d s p 用一种更为简单的方法来实 现。本文就是采用的这种方法。如式( 4 4 4 ) 、( 4 4 5 ) 、( 4 4 6 ) 所示，在每个开 关周期，通过判断桥臂电流的方法， 删c m p r k 的值就可以实现非线性补 偿。这里，z z 。是定时器的时钟周期。 一垒：塾( 4 4 4 ) 2 s 印( ) 一1 时，令c m p r k c - c m p r k + 尘专矗 ( 4 4 5 ) s 印( ) 一0 时，令c m p r k c c m p r k ( 4 4 6 ) 考虑到实际的电路特性。在每个开关周期只进行一次电流方向的判断，检 测不到电流方向在一个周期内发生变化的情况，所以忽略了s g n q ) 一0 的情况。 由于电流换向时刻占整个参考信号周期值的比例很小，几乎没有影响，所以这 里就省略了式( 4 4 6 ) 。 为了实现非线性补偿，我们需要根据实际电路所选的i g b t 参数来确定t 的 范围，l g 町参数如表4 1 所示： 表4 1i g b t 参数表 i 上升时间l 开通时间 l 下降时间 关断时间 i ( o 3 5 0 6 泓s( o 4 6 o 7 5 ) p s( 0 2 5 0 4 ) s( 0 6 o 7 ) z s( 1 6 2 7 ) v 从上表可以看出丁k + z 易 ，那么共模插入损耗大于b ，共模噪声电压得 到衰减，衰减的大小和阻抗值的匹配程度相关：如果 0 ，那么差模插入损耗大于。d b ，差模噪声得到衰 减；反之如果1 乏三豢：i i ；芝j o ，差模插入损耗小于0 d b 差模噪声被放 大。 本文的控制电路板以d c l 2 v 为额定输入电压，后面接了输出为1 5 v 的直 流电源模块。如图5 3 、5 4 所示，在加了共模电感之后，在1 5 0 k h z 以及6 m h z 处噪声电压反而被放大了，这一点证实了上面的理论。由于阻抗值都是矢量， 所以l 墨型生刍剖可能大于1 也可能小于l ，这也解释了为什么加了电源 r m 。+ z i 滤波器以后，有些频段噪声会更大。图5 3