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0 引言
電力電子技術的迅猛發展,有力地促進和推動了新能源技術的進步。逆變器在風能和太陽能的開發利用中起著至關重要的作用,承擔著把風機或者太陽能板轉換過來的電能變為可直接供居民使用的交流電或饋送到電網中的任務。
離網逆變器就是將風能或者太陽能板發出來的電通過升壓,逆變環節直接給交流負載供電,其功能類似于一個微電網。
為了提高供電質量,降低輸出電壓畸變率,使輸出電壓在輸入波動和負載變化時能保持穩定,一般采用電壓外環電流內環的雙環PID控制的方法。
1 逆變器的控制模型
1.1 逆變系統的總體設計
如圖1所示,拓撲結構采用單相全橋逆變電路。
通過AD口采集輸出負載端的電壓和電感上的電流,在DSP內部通過PI雙環控制,產生SPWM信號波,直接驅動IPM模塊(內含IGBT,續流二極管,驅動電路和過壓、過流、過熱保護),使其正常工作。總體框圖如圖1所示。
1.2 SPWM逆變器的建模
當系統的帶寬遠小于開關頻率時,以至于系統的變化相對于開關頻率而言足夠緩慢,就可以忽略單個開關周期內的狀態變化細節,狀態的總體變化趨勢可用連續序列的單個開關周期內狀態均值的改變來等效。
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采用雙極性SPWM調制時,調制信號為Us(t)=Usmsinωst,三角波幅值為Ucm,頻率為fc。
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式中,Ud為逆變器直流端的輸入電壓。
當載波頻率fc遠大于調制信號頻率fs時,系統可用開關周期狀態平均值來分析
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式中,D(t)為占空比,D(t)=τ(t)/Tc,τ(t)為開關管導通時間;Tc為開關周期。
當Ts
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因Us(t)為連續模擬變量時,Uin也為連續變量。當采用開關周期狀態平均法時,用Uin等效Uin瞬時值,也可以將Uin看作模擬連續變量
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2 控制系統的設計
2.1 控制系統結構
本系統采用PID雙環控制方式。參考正弦電壓與輸出電壓比較得到的誤差電壓經過PI調節后作為電流的參考指令與電感電流作比較,電流誤差信號再經過PI控制后與三角載波比較產生占空比來控制逆變器的開關。和電壓單閉環相比,增加了電感電流內環控制,使得系統的帶寬增大,反應速度加快,系統抗干擾能力強,穩定性好,調節時間短,諧波含量小,同時能有效地限制負載電流,起保護作用,更具優越性。
根據系統的結構,控制方法和逆變器的建模結果,系統的總體結構框圖如圖3所示。
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2.2 控制芯片
TMS320LF2407A芯片是TI公司的一款功能強大的數字信號處理器。其優點有:
(1)采用高性能靜態CMOS技術,供電電壓為3.3V,減低了功耗;
(2)最高頻率可達40MHz,提高了控制器的實時控制能力;
(3)兩個管理器模塊EVA和EVB,每個包含:2個16位通用定時器;8個16位的PWM通道;
(4)完成1路A/D轉換的時間僅需375ns;
(5)可編程的PWM死區控制可防止上下橋臂直通。當外部引腳PDPINTx出現低電平時能快速關斷PWM通道,對系統提供快速可靠的保護。可見TMS320LF2407A具有離網逆變器數字化設計所需的結構特點。
2.3 增量式PI控制的實現
由于PI控制簡單,參數易于整定等,尤其是和DSP結合后大大提高了系統的可靠性,改善了控制效果,所以本系統采取PID控制。比例環節P能及時地成比例反映控制系統的偏差,減小偏差,校正偏差,使反應迅速。I能消除或減小穩態誤差,改善系統的穩態性能。PI控制的實現流程圖如圖4所示。同時由于位置式算法和整個過去的狀態有關,計算式中要用到過去偏差的累加值,容易產生較大的積累誤差,計算量較大,不便于軟件編程。本系統采用增量控制法,其具有編程方便、易于實現等優點。
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2.4 SPWM波的產生
利用DSP中的事件管理模塊(EV)可以產生SPWM波。DSP中的三角載波是通過定時器的連續增/減計數模式來實現。而正弦調制波則是通過將參考正弦波制成表格,查表獲得代表正弦波的數字量得到。采用定時中斷,在每個開關周期,程序從參考正弦表中獲得相應的數字量,并將它賦值給比較寄存器CMPRx。
PWM輸出設置為高有效時,當計數值從零開始計數到周期值TxPR的過程中與CMPRx匹配時,則輸出高電平;當計數值從周期值TxPR開始計數到零的過程中與CMPRx匹配時,則輸出低電平。設置為低有效的另一組PWM輸出與高有效互補。當到達一個正弦周期時,將查表的指針復位到正弦波的初始處循環讀取,其數字實現如圖6所示。為了同一橋臂的上下開關管直通,兩路互補的PWM信號還要通過死區時間寄存器(DBTCONx)來設置一定的死區時間。
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3 仿真研究與實驗波形
根據文中所采用的逆變控制方案進行MATLAB仿真,如圖6所示。仿真結果如圖7所示,由圖可見即使在負載變化時,輸出仍能準確地跟蹤參考電壓。
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負載開關在0.2s時合上,產生突變,圖7(a)為參考電壓波形圖,(b)為負載兩端的輸出電壓波形圖。由圖7的仿真結果知,利用雙環PID控制能達到非常良好的跟蹤效果。
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樣機試驗中,在直流母線電壓為350V時,濾波電感取2.87mH,濾波電容取8.8μF,逆變橋采用富士公司型號為6MBP20RH060的IPM模塊,用TI公司的TMS320LF2407A做控制芯片,利用TDS3052B示波器觀察輸出,得到實際波形如圖8。
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由圖8可知,輸出波形跟電網電壓波形十分接近,在電網電壓誤差范圍內。可見,利用雙環PID控制實際電路是比較有效的。
4 結論
本文主要研究了離網型逆變器,目的是為了提高其帶載能力,輸出穩定的電網電壓波。為此對逆變器進行了建模,利用PID控制構成電壓電流雙環電路。最后通過了仿真和實驗進一步驗證了方案的可行性。
