逆变器的设计

1绪论太阳能光伏控制系统是近年来绿色能源发展重要的方向之一。随着全世界对环境保护的重视和科技进步，太阳能光伏控制系统正从实验室走向寻常百姓家庭。尽管目前太阳能光伏发电在能源结构中所占比例还微不足道，但是随着社会的发展和技术的进步,其份额将会逐步增加，可以预期，到21世纪末，太阳能发电将成为世界能源供应的主体，一个光辉的太阳能时代将到来.我国的光伏产业发展极不平衡，2007年太阳能电池的产量已经超过日本和欧洲而居世界第一，然而光伏应用市场的发展却非常缓慢，光伏累计安装量大约只占世界的1%,应用技术水平与国外相比还有相当大的差距.光太阳能光伏控制系统中必备部分是控制器,而且系统对控制器的性能要求很高，它在很大程度上决定了太阳能光伏系统的可靠性。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速推广应用。太阳能光伏控制器有着广泛的应用前景。太阳能光伏系统通常由太阳能电池、蓄电池、光伏控制器组成。在太阳能的利用中，光伏发电并网是其主要发展方向之一，而光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件，所以逆变器控制和关键技术成为主要研究对象。这里设计了200W的并网逆变器。整体设计本系统采用TMS320F2812作为控制芯片，采用改进型SPWM电流跟踪控制实现输出电流与网压同频同相.软件设计具有最大功率输出和反孤岛效应功能。我们知道逆变器控制方式可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制。在此采用逆变器电压源输入、电流源输出的控制方式。整个主电路的拓扑方式采用两级级联，前级DC/DC变换器与后级DC/AC逆变器.通过中间直流电压相连。图1示出整个系统的结构图。前级DC/DC电路采用Boost电路.通过MPPT算法控制实现最大功率输出.提高太阳能电池的转换效率：后级DC/AC电路实现输出电流与电网电压同频同相。当系统发生故障时，逆变器保护装置会及时起动，将逆变器从电网中断开。整个控制部分由TMS320F2812协调完成，工作原理如图2VDi1输出电疏d检河电路IGEtT紫沌电瑞4^SPWM电网电压相卅料率r捡部电路9 ■ Vl>4宜流电压校料电路2光伏发电系统最大功率点跟踪(MPPT)控制光伏发电存在的问题是光伏阵列的输出特性受外界环境影响大，电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。并且，由于目前光伏阵列的成本高、转换效率低，价格昂贵，初期投入较大。并且其输出功率易受日照强度、环境温度等因素的影响，为了提高光伏发电系统的效率，充分利用光伏阵列所产生的能量是光伏发电系统的基本要求，在现在的光伏发电系统中，通常要求光伏阵列的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪光伏阵列的最大功率点。因此要解决此问题可在光伏阵列与负载间加入最大功率点跟踪装置，使光伏阵列始终能够输出其最大功率，以提高太阳能的利用率。2.1光伏系统最大功率点跟踪的原理光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受日照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的日照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高发电系统结构最大功率点(maximumpowerpoint,MPP)。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,MPPT)。为便于说明，现将光伏阵列的输出特性绘制如图2.2所示。假定图中曲线1和曲线2为两个不同日照强度下光伏阵列的输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻，系统运行在A点。当日照强度发生变化，即光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2。此时如果保持负载1不变，系统将运行在A'点，这样就偏离了相应日照强度下的最大功率点。为了继续跟踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2,以保证系统运行在新的最大功率点B。同样，如果日照强度变化使得光伏阵列的输出特性由曲线2减全曲线1，则相应的工作点由B点变化到B'点，应当相应的减小负载2至负载图2.2MPPT方法示意图1以保证系统在日照强度减小的情况下仍然运行在最大功率点A。要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，（有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊）在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V!现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%-30%。在此采用增量电导法实现最大功率输出，通过控制Uref来跟踪光伏电池最大功率点。假设太阳能电池的输出功率(1)P=UI，对u求导：(1)dpU假设最大功率点电压为Uma，当U<Uma时，du<1，当U>Uma时，dpU dpUdu>1，当U=U时，du=1，若dU=O，dI=O，则认为找到最大功率点，无需调整；若dU=O,dI#0，则依据cl，的正负来调整参考电压：若dU#0.则根据U上述dP/dU与1之间的关系来调整工作点电压，从而实现MPPT。此控制算法的最大优点是当日照强度变化时，太阳能电池的输出端电压能以平稳的方式追随其变化。孤岛效应是指在电网失电情况下，发电设备仍作为孤立电源对负载供电。逆变器可采用两种孤岛效应检测方法，包括被动式和主动式两种。被动式检测方法指当电网失电时.实时检测电网电压会在电网电压的幅值、频率和相位参数上产生跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否失电：主动式检测方法指对电网参数产生小干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电。这里采用主动频率偏移法。具体实现思想是：通过过零检测电路周期性的检测电网电压相邻两次的过零点，即可计算出电网电压的频率fo引入频率偏移量△£，将△£作为并网电流的给定频率，并且在过零时刻使并网电流复位。当电网正常运行时，其负载电压频率厂应基本不变。当市电脱网时，由于输出电流频率随周期偏移。所以检测到的负载电压频率也会发生相应地变化.因此就形成了并网电流频率的正反馈.使得负载电压频率很快超出频率保护的上下限值.从而使系统有效检测出市电脱网。逆变器的设计要求首先逆变器将光伏阵列输出的直流电压转换为220V/50Hz的交流电压，采用电压源输入电流源输出的控制方式，所以要求输出电流与电网电压同频同相，且满足谐波含量小的电能质量要求；其次能使光伏阵列工作在最大功率点从而提高输出效率；最后，具有先进的防孤岛检测及各种故障保护功能，避免造成不必要的损失。关键技术：额定功率为200叩；输入电压为30〜40V；输出电压为(220+5%)v；输出电流为正弦波，输出波形失真度小于5%；输出频率为(50+2%)Hz；输出功率因数大于0.98。1逆变电路的类型

逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。在交一直一交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更有向交流负载提供无功功率的重要作用。根据直流输入储能元件类型的不同，逆变电路可分为两种类型：图5-4电压源型逆变器图5-5无功二极管的作用1.1电压源型逆变器电压源型逆变器是采用电容作储能元件，图5-4为一单相桥式电压源型逆变器原理图。电压源型逆变器有如下特点：1） 直流输入侧并联大电容C用作无功功率缓冲环节（滤波环节），构成逆变器低阻抗的电源内阻特性（电压源特性），即输出电压确定，其波形接近矩形，电流波形与负载有关，接近正弦。2） 由于直流侧电压极性不允许改变，无功从交流向直流回馈时只能改变电流方向来实现，为此在各功率开关元件旁反并联续流二极管，为感性负载电流提供反馈能量至直流的无功通路。图5-5绘出了一个周期内负载电压及、负载电流的理想波形，按队'极性分区内导通的元件及功率的流向（P>0，功率从直流流向交流；P<0，从交流流向直流），用以说明VD对无功传递的重要作用。1.2电流源型逆变器电流源型逆变器采用电感作储能元件，图5-6为一单相桥式电流源型逆变器原理图，图中未绘出品闸管换流电路。电流源型逆变器有如下特点：图55电流源型逆变器1） 直流回路串以大电感Ld作无功元件（滤波元件）储存无功功率，也就构成了逆变器高阻抗的电源内阻特性（电流源特性），即输出电流确定，波形接近矩形；电压波形与负载有关，在正弦波基础上迭加换流电压尖峰。2） 由于直流环节电流Id不能反向，只有改变逆变器两端直流电压极性来改变能量流动方向、反馈无功功率，无需设置反馈二极管。这个过程可用图5-7所示三相电流源型交一直一交变频调速系统运行状态的变化来说明。当电机运行在电动状态时，需要能量从交流电网送至电动机，从逆变器（桥II）的角度看，即要求功率从直流侧送至交流侧，此时应控制桥I工作在整流状态、桥II工作在逆变状态。在设定的Id电流方向下，两桥直流电压均上（+）、下（-），确保了功率P>0的流向，如图（a）所示。常常1*扣图5-7电流源型逆变器功率流向控制当电机运行在回馈制动时，电动机运行在发电状态，须使能量从电动机反馈送全电网。从原逆变器（桥II）角度看，要求功率从其交流侧反馈至直流侧，此时应控制桥II工作在整流状态、桥I工作在逆变状态下，两桥直流电压极性改变为上（-）、下（+），在设定的Id电流方向下，确保了功率P<0的流向，如图（b）所示。由此可见，电流源型逆变器只要改变两桥移相触发角的范围内，实现直流电压极性的改变即可实现功率的双向流动。3.1.3两类逆变器的比较1） 电压源型逆变器采用大电容作储能（滤波）元件，逆变器呈现低内阻特性，直流电压大小和极性不能改变，能将负载电压箝在电源电压水平上，浪涌过电压低，适合于稳频稳压电源，不可逆电力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的应用场合。电流源型逆变器电流方向不变，可通过逆变器和整流器的工作状态变化，实现能量流向改变，实现电力拖动系统的电动、制动运行，故可应用于频繁加、减速，正、反转的单机拖动系统。2） 电流源型逆变器因用大电感储能（滤波），主电路抗电流冲击能力强，能有效抑制电流突变、延缓故障电流上升速率，过电流保护容易。电压源型逆变器输出电压稳定，一旦出现短路电流上升极快，难以获得保护处理所需时间，过电流保护困难。3） 采用品闸管元件的电流源型逆变器依靠电容与负载电感的谐振来实现换流，负载构成换流回路的一部分，不接入负载系统不能运行。4） 电压源型逆变器必须设置反馈（无功）二极管来给负载提供感性无功电流通路，主电路结构较电流源逆变器复杂。电流源型逆变器无功功率由滤波电感储存，无需二极管续流，主电路结构简单。在此采用逆变器电压源输入、电流源输出的控

制方式1逆变器输出电流控制单相并网逆变的控制目标：控制逆变电路输出的交流电流u。为稳定的高质量的正弦波，且与电网电压“同频、同相。并网工作方式下的等效电路和电流电压矢量如图3所示。(a)等效电蹄(b)矢量图(a)等效电蹄(b)矢量图图3并网工作方式逆变器电路与矢量图因为电感的存在，所以。与M问有相位差。只要在实际控制中满足这种相位关系，就可成功实现^与u同频同相。采用正弦脉宽调制(SPWM)方式，通过控制开关管VT〜VT4的导通或关断的时间，实现能量从逆变器向电网传送，且交流侧功率因数1。对矢量三角形进行下列变的(g⑴业业印换： 山在一个开关周期内对上式进行周期平均:布(£)7[+虹Q)=h心"应(e)-沁)]I式中：Ko=L/T~o式(3)称为改进周期平均模型。由该模型可得如图4所示的改进型固定开关频率电流控制图。该控制策略不仅保留了原来控制策略的优点.同时电流的跟踪误差显著减小。通过调整电源电压的比例系数来减小直至消除电源电压对电流跟踪偏差的影响.从而显著改善了逆变器中电流跟踪控制的性能。由图4可知，参考电压Uref与中间直流电压相比较，其误差经PI调节得到电流指令I，I与正弦波形相乘得到正弦指令电流七"再与％相比较后得出误差。该误差经P调节后得到的值与u相加，最后与三角波比较，便产生了4路SPWM信号.用以控制逆变器开关管的通断时间，这样便实现了光伏电池输出电压基本工作在UREF附近，且使逆变器输出正弦电流波形幅值为I。该控制方案中对并网电流采用了改进型固定开关频率的控制方法，即在固定开关频率控制的基础上作了进一步改进，加入了交流侧网压的计算，匕与实际逆变器输出电流相比较得到误差△"△［在物理意义上相当于逆变器输出侧电感上产生的电压。AiP与u之和相当于逆变器输出的脉冲电压.这样构成的矢量图与逆变器输出向量图一致。改进的固定开关频率控制策略保持了原有优点.同时显著减小了电流跟踪误差.改善了SPWM整流器电流跟踪性能。2并网同步控制由于系统用于逆变并网.这就要求逆变器输出电流与电网电压同频同相。此系统采用检测电网同步信号的方式实现输出交流与电网同步。具体作法是：通过电网电压检测电路将电网电压信号变为同步方波信号。该同步方波信号的上跳沿与电网电压过零点时刻相对应.将同步方波信号输入DSP的捕获端口，捕捉电网电压的零点，这样可计算电网电压的频率：当DSP检测到同步信号上跳沿就产生同步中断；在同步中断程序中正弦指针复位到零，该正弦指针与I相乘产生if。这样便实现了输出电流与电网电压同步。由于采集的方波信号易受干扰，因此在程序中要加入数字滤波。同步信号使正弦表指针与电网电压同步。将PI调节后得到的I，I与正弦表指针所对应的数据相乘形成幅值可调的irf，通过闭环控制使输出的电流跟踪irf实现电流跟踪控制。5.1控制软件系统概述逆变电源控制系统软件设计主要是针对控制核心TMS320F2812的编程，开发环境为CCS2000，使用C语言及少量汇编语言进行开发。在整个软件设计过程中，主要用到的算法包括PID算法，规则采样算法，并提出了一种进行宽电压范围调节的双电压闭环的算法。下面先对用到的算法和模块分别进行论述。5.2主要算法概述5.2.1规则采样法(1)PWM逆变技术的基本原理PWM(PulseWidthModulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三

角形载波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。上述理论可称之为面积等效理论，它是PWM控制技术的重要理论基础。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。把图59(a)的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。仁\一仁\一OI wt(b)这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等，就可得到图59(b)所示的脉冲序列。这就是SPWM波形，对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到SPWM波形。(2)规则采样法原理规则采样法是用于直流逆变的控制算法，也就是整个逆变系统中最核心是算法。根据PWM控制的基本原理，如果给出逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。这种按照计算的结果控制逆变电路中各开关器件的通断，从而得到期望的PWM波形的方法称为计算法。显然，计算法相当繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，计算结果都要发生变化［13］。与计算法相对应的是调制法。谓调制法就是把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角形用的最多，因为等腰三角波上任意一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅度的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。按照SPWM的基本理论，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称之为自然采样法。自然采样法得到的SPWM波形很接近正弦波，但这种方法要求解复杂的超越方程，采用微机控制技术时需要花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程实际运用不多。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。||此hh规则采样法如图62所示，取三角波两个正峰值之间为一个采样周期孔。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波一周期的终端(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与相应的三角波中点重合，这样就使计算大为简化。在三角波负峰时刻tD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点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。设正弦调制信号波为Ur=asin(3rt)。式中，a为正弦波的幅值；rw为正弦信号波角频率。从图中可得如下关系式：一-5/2 _章 6=—(1-asm(o>rtD))，因此可以得到］ ,-。所以必须知道SPWM波的周期孔，幅值。，和当前的SIN角度，一旦获得了这三个元素就可以准确地计算出当前发出的SPWM波中的脉宽时间0，也就可以获得准确的SPWM波了。除了计算法和调制法，还有一种生成PWM波的方法称为跟踪控制法。这种方法不是用信号波对载波进行调制，而是把输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际电流或电压波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。跟踪控制法中常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。5.4逆变电源控制系统软件流程5.4.1主程序流程逆变控制器主程序流程如图67所示，主程序主要是对系统完成初始化，启动定时器EVA的定时器T1和T2.。进入主循环之后，主程序要根据A/D转换的结果判断是否有运行故障发生，判断是否有按键按下，检查T1定时器周期中断计数器和ADC中断计数器是否溢出，当检测到有上述事件发生时，执行相应的处理程序，若无上述事件发生，则进行下一次循环，等待中断。一旦中断来临，程序就会跳到相应的中断服务子程序。［蛀程序it程 初时化每序能衰5.4.2中断服务程序流程图本文设计的逆变控制系统软件中主要用到3个中断服务程序：EVAT1周期中断服务服务程序、ADC中断服务程序和功率驱动保护中断服务程序°EVAT1周期中断用以产生三角形载波，需要在服务程序更新T1周期比较值，并且计算下一个中断中所需要的正弦函数值，其程序流程如图68（a）所示。ADC中断服务程序主要用于处理A/D转换的结果，将A/D采样得到的4路数字电压值分别传递给相应的全局变量，对于逆变输出电压通道的采样结果，还需要将其与之前采样得到的结果相累加，其程序流程如图68（b