基于MATLAB的单相逆变器并网控制技术仿真研究毕业论文

发布时间：2024-09-25

null

1 绪论 (1)

1.1 课题研究背景及意义 (1)

1.2 国内外发展情况 (2)

1.3 本课题要解决的问题 (3)

2 单相并网逆变器的总体设计 (3)

2.1 单相并网逆变器拓扑结构 (3)

2.2 单相并网逆变器的总体设计及功能划分 (5)

2.2.1 系统主电路拓扑 (5)

2.2.2 系统总体设计及各组成部分介绍 (6)

2.3 单相并网逆变器的基本原理 (8)

2.4 系统主电路参数设计 (8)

3 并网逆变控制系统硬件设计 (10)

3.1 TMS320F2808DSP及开发环境CCS介绍 (10)

3.2 并网逆变控制系统的硬件设计 (11)

3.2.1 辅助电源设计 (11)

3.2.2 电压检测电路的设计 (12)

3.2.3 电流检测电路的设计 (13)

3.2.4 过零检测电路设计 (13)

3.2.5 IGBT驱动电路设计 (14)

4 并网逆变控制系统的软件设计 (14)

4.1 软件总体设计 (14)

4.2 主程序设计 (15)

4.3 定时器下溢中断程序设计 (15)

4.4 捕捉中断程序设计 (17)

4.5 故障保护中断程序设计 (18)

5 并网逆变器控制策略的研究与实现 (20)

5.1 SPWM技术简介 (20)

5.2 逆变器并网运行时的控制策略分析 (23)

null

5.2.1 并网逆变器的输出控制 (23)

5.2.2 并网电流控制策略研究 (24)

5.2.3 并网电流闭环控制系统数学模型 (26)

5.2.4 PI控制器参数设计 (27)

6 基于SPWM的并网系统MATLAB/Simulink仿真 (29)

6.1 MATLAB简介 (29)

6.2 仿真模型的建立 (29)

6.3 模型各部分参数设置 (30)

6.4 仿真结果 (32)

6.5 仿真结果分析 (34)

7 结论 (34)

参考文献 (36)

致谢 (39)

null

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。除水力发电技术外，风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式[1]。我国的并网风电在―十五‖期间也得到迅速发展。到2005年底，全国风电装机总容量为126万千瓦，居世界第十位。到―十一五‖末期，全国总装机容量将达到500万千瓦。中国将成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一[2]。随着风电场的容量越来越大，对系统的影响也越来越明显，研究风电并网对系统的影响已成为重要课题[3]。

据了解，大部分的新能源直接产生的能量通常是不稳定的，他们在并网时如果不加控制和调节，就会对电网造成冲击，同时为了保证将尽可能多的有功能量送入电网，在新能源发电系统中还要加上储能环节，这些过程都需要利用变流技术对其进行控制，因此新能源在从其原始状态转化到可供人们实际应用的电能过程中与变流技术是密不可分的。比如说，在风力发电系统中，风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电池充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电池里的化学能转变成交流电并入电网，才能保证稳定使用。在这次仿真研究中，我主要就单相逆变器并网控制技术的工作原理学习了解，并设计一种基于DSP控制的单相逆变器。

作为新能源发电系统和电网的接口设备，并网逆变器是研究热点之一。目前并网逆变器从组成结构和单机容量来看，主要分为单级变换和双级变换两种。其中单级式并网逆变器，将直流电直接经过一级直-交变换并网。双级式并网逆变器，由DC/DC升压和DC/AC逆变两级变换构成，一般用于直流侧电压较低、单机容量较小的场合[4]。随着系统的容量增大，单个逆变器的容量已经不能满足要求。为了提高系统的功率、可靠性和效率，逆变器可以并联运行，这又不可避免的产生了环流，导致输出电流畸变，同时使负载不平衡，从而损害整个系统的性能[5]。由于本次研究主体是对于风力发电系统中的单相逆变器并网运行，所以必须得兼顾一些风电行业必须面对的问题与挑战。由于我国的风电并网采用―大规模—高集中—高电压—远距离输送‖与欧洲的―分散上网、就地消纳‖并网方式不同，所以对于电能并网的

null

稳定性和应急能力有极高的要求[6]。而逆变器则在其中担任了及其重要的位置。1.2 国内外发展情况

伴随着世界范围内开发利用新能源的热潮，很多国家都纷纷研发了光伏发电、风力发电等可再生能源并网发电系统。人们对可再生能源并网发电的技术进行了大量的研究，并使得该技术得到了迅速的发展和应用[7]。目前广泛应用于可再生能源回馈电网系统中的方案是：首先将可再生能源转化成电能的形式，然后将电能调节成满足正弦波脉宽调制SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM全桥逆变器将可再生能源回馈给交流电网。在整个系统中最主要的就是逆变器，它采用的是SPWM逆变技术[8]。在理论和实践上，这种方案能够满足新能源回馈电网的要求，但由于该方案使用了同步、锁相（PLL）、SPWM脉冲发生器、低通滤波等诸多模拟环节，而且控制方法比较落后，因此使得并网逆变装置的控制繁琐，电路复杂，可靠性低，硬件成本高，并网效果不是十分理想，产品价格昂贵，应用得到限制[9]。

但是，随着世界各国对可再生能源开发重视程度的不断提高，针对并网逆变器的技术研究也越来越多，人们对以往控制技术的不足，纷纷提出了很多的研究方向，大体可以分为以下几个方向：

1并网逆变器的拓扑分类及控制方法的研究

目前研究人员提出针对不同的系统要求，逆变器应该有着各种不同的拓扑结构，对于功率较小的并网逆变器可以采用高效、低成本的单级变换器，而多级逆变器变换结构可以使用在大功率、宽电压范围的输入的应用场合[10]。除此以外，逆变器的拓扑结构中还包括单相、三相；隔离、非隔离；功率单向流动、双向等各种形式[11]。例如，并网逆变器采用双向功率流动的拓扑，在并网工作时，既可以向电网提供电能，同时也可以当电网电能富足时，从公用电网吸收电能，并将其储存起来。因此各种拓扑可以分别使用在不同的场合，并且这些拓扑结构可以相互组合成各种不同的形式，以满足各种要求。

在控制方法上，随着各种高速的数字信号处理器DSP（Digital Singnal Processor）的出现，将先进的数字控制应用到并网逆变器的控制中的研究将到达理想的控制效果，这也是目前研究高性能并网逆变器的一个特点[12]。

null

2逆变器并网控制技术的研究

研究人员认为作为一个功能完整的并网逆变器系统，其工作模式应比通常的独立逆变器更为复杂，它不仅可在无市电接入时独立作为电压源逆变，也能在并网时作为电流源工作[13]。针对这些要求，在逆变器并网控制技术上提出了以下几个方面的研究方向：逆变器两种工作模式的无缝切换技术[14]；逆变器工作过程中的同步锁相和电压跟踪技术[15]；并网工作下的防孤岛技术[16]。达到并网电压、电流谐波标准的闭环控制技术[17]。

3多台并网逆变器并联技术的研究

多台逆变器并联可实现大容量供电和冗余供电，因而被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一[18]。多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性，使系统的体积重量大为降低，同时其主开关器件的电流应力也可减少，从根本上降低成本和提高功率密度及系统可靠性[19]。

1.3 本课题要解决的问题

设计一种基于DSP控制的单相并网逆变器。采用电压型逆变器电流控制的方式, 引入固定载波频率的SPWM 强迫电流跟踪和软件锁相等技术, 控制逆变器输出与电网电压同频同相的并网电流, 实现可再生能源以高功率因数回馈电网。

2 单相并网逆变器的总体设计

2.1 单相并网逆变器拓扑结构

并网逆变器的拓扑结构有很多形式，拓扑结构不同，具有的特点不同，相应的控制方法也不尽相同，所以要先确定符合设计要求的拓扑，然后再展开相关研究。

拓扑结构对逆变器的各种性能指标有很大影响，逆变器的效率和制造成本都与拓扑有关。风力发电系统在选择并网逆变器的拓扑时，主要考虑如何降低成本、提高效率，而且由于逆变器输入的直流电压存在波动，所以要求选择的拓扑能承受各种实际运行中存在的问题[11]。另外，对逆变器的输出也有要求，比如输出电流与电网电压同频同相、功率因数为1等等。

根据逆变器输出相数的不同，可以划分为单相逆变器、三相逆变器：根据直流输入端储能元件的不同，又可以分为电压型并网逆变器和电流型并网逆变器[12]。

本文重点研究单相电压型并网逆变器，其拓扑结构如图2.1所示，电压型逆变

null

器最大的特点是在直流输入侧并联滤波电容以稳定直流输入电压，输入可看成恒压源，通过控制开关管动作，在输出端生成一列幅值固定、脉宽变化的方波电压。

图2.1 单相电压型并网逆变器拓扑

图2.2给出了单相电流型并网逆变器的拓扑，与电压型相比，直流侧不再并联电容，而是串接一个电感，输出侧采用LC滤波器，用来滤除输出电流中的高频开关谐波。开关管由可控器件与二极管串联构成，一方面可以阻断反向电流，同时有利于提高耐压。在实际应用中，较少采用电流型并网逆变器，这是因为大多数供电电源都属于电压型，另外输入级串联电感不论在价格还是体积上都不如电容，另外所串联的二极管会产生损耗，影响效率。但它也有自己的优势，那就是不要求直流电压必须高于网侧电压峰值，低于电网电压也能工作，这省去了中间DC/DC升压环节的开销，且采用电感更加耐用，不经常更换，可靠性会提高很多，所以科研人员对电流型并网逆变器也作了大量研究[13]。

另外可以依据逆变器的输入和电网之间有没有电气联系，是否隔离，将逆变器分为隔离型的和非隔离型的：根据逆变器采用几级拓扑，可以将逆变器分为单级式、两级式和多级式逆变器。

null

图2.2 单相电流型并网逆变器拓扑

2.2 单相并网逆变器的总体设计及功能划分

2.2.1 系统主电路拓扑

根据系统设计要求，本文采用单相电压型逆变器结构，逆变电路采用单相全桥结构，逆变器输出由电感滤波后并网。主电路拓扑如图2.3所示。

图2.3 单相并网逆变系统主电路拓扑图

null

2.2.2 系统总体设计及各组成部分介绍

本文设计的并网逆变器功率为10kW，图2.4给出了单项并网逆变系统的组成框图，从图中可以看出，并网逆变控制系统主要有以下几个部分：辅助电源电路、主控单元、逆变驱动电路、信号采样调理及故障检测电路、滤波电路、通讯接口电路。各部分作用不同，分工协作，组成一个整体。

图2.4 单相并网逆变器系统组成框图

结合图2.4，现将系统各个模块的具体功能分别作介绍：

1.辅助电源电路

稳定的电源是整个系统正常工作的前提条件，所以电源的设计通常是系统设计的第一步。要求辅助电源电路为DSP芯片、各种有源器件提供可靠的供电，本系统设计的辅助电源，从直流输入取电，采用控制芯片UC3844，经变压器产生四路相互隔离的电源。

2.主控单元

主控制器部分的设计是系统设计中最关键的部分，主控单元的性能直接影响系

null

统各项控制指标，经过对各种控制芯片的比较，最终选择TI公司DSP （TMS320F2808）芯片。主控单元实现的功能可以用图2.5表示，具体描述如下：（1）产生IGBT驱动信号；

（2）对电网电压完成锁相，产生同频同相的基准信号；

（3）完成对反馈电流信号的控制；

（4）实现系统保护功能；

（5）实现人机交互。

图2.5 主控单元模块功能

3.逆变驱动电路

逆变驱动电路的设计直接影响开关管的通断，驱动电路的作用主要有：

（1）放大PWM驱动信号，驱动逆变桥正常工作；

（2）将四路PWM驱动信号彼此隔离，没有电气联系；

（3）通过光耦将控制电路与主电路电气隔离。

4.信号采样调理及故障检测电路

为实现逆变系统的稳定运行，需要对一些信号进行实时采样，再经过适当调理后送入DSP处理。当系统故障时，要求逆变器能迅速作出反应。需要采样的信号经采样电路送入DSP中，主要包括以下信号：

（1）直流母线电压采样；

（2）直流电流采样；

（3）电网电压信号，需要测出幅值、频率及相位；

（4）并网电流信号；

（5）逆变器温度信号检测；

（6）继电器开关信号。

null

采样调理电路要保证采样信号的准确性，为系统正常工作提供各种参数，正确的参数是实现有效控制的前提。保护检测电路要能够保证系统的可靠运行，必须有可靠的灵敏性，反应要迅速准确。

5.滤波电路

为保证逆变器输入输出信号都能满足相关要求，本设计在交流输出侧串联滤波电感，从而实现以下作用：

（1）滤除开关管产生的高频谐波，保证输出高质量的正弦电流；

（2）利用电感对电流的阻尼作用，稳定电流，保证系统稳定。

6.通讯电路

通讯电路可以实现人机交互功能，随时对系统运行状况实施监控，便于远程控制。通讯功能主要利用DSP的SCI、CAN等通讯接口。

2.3 单相并网逆变器的基本原理

在图2.3中，功率开关元件采用四只IGBT管V1、V2、V3、V4，由DSP输出的SPWM脉宽调制信号控制驱动IGBT管的导通或截止。当逆变器电路接上直流电源后，先由V1、V4导通，V2、V3截止，则电流由直流电源正极输出，经Vl、滤波器、V4后，再回到电源负极。当V1、V4截止后，V2、V3导通，电流从电源正极经V3、滤波器、V2后，再回到电源负极。此时，逆变器输出端已形成正负交变的方波。利用SPWM控制，使得两对IGBT管交替重复开关动作，输出等效交流电压，再经过滤波器的作用，使输出端形成正弦波交流信号。同时，为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，逆交桥各臂都并联了反馈二极管，在两对IGBT 管交替重复的过程中，这些二极管还起到了续流的作用。

2.4 系统主电路参数设计

直流侧输入电压U d的选择，并网系统直流侧的电压必须大于交流侧的峰值电压，否则系统不能正常工作。选取直流侧输入电压Ud的范围为200～450V。选取U d=400V。

开关管IGBT的选择。当并网逆变器电路正常工作时，流经功率开关管IGBT的电流峰值与滤波电感电流峰值一致，同时考虑到余量，则要求开关管的电流额定值必须略大于电感峰值的最大值。本课题设计的并网逆变器输出功率为10kW，输出电流峰值约为64.3A。同时考虑到系统余量，选择功率开关管的耐流值应该在100A

null

11 以上。

在全桥并网逆变电路中，主功率开关管承受的最大电压应超过直流输入侧的最大电压(450V)，同时从余量和线路寄生参数影响等方面考虑，选取的IGBT 耐压值应大于500V 。频率20KHz 。

滤波电感的选择。滤波电感在整个系统中有两个作用：抑制开关器件的高频分量；控制其两端的电压来控制并网电流。

忽略电路中的电阻R ，则电感L 的计算是：在输入电压和输出电压确定的情况下，输出滤波电感的最小值主要由设定的电感电流纹波的大小来决定。设电感L 上的电流纹波最大值为max i ，则对于电感L 有：

inv grid i U U L t

-= （2.1）因为1inv dc U U T

=，代入式（2.1）则 1dc grid i U U L T t

-= （2.2）其中，T 为载波周期，dc U 为直流侧电压。将式（2.2）变换得式（2.3），

1()dc grid t i U tU L T

=- （2.3）对式（2.3）求导，并令导数为0，得到电流纹波最大时的调制比。

2grid dc

U t T U = （2.4）将式（2.4）代入式（2.3）得，

4dc

TU i LU = （2.5）变换得，

max

4dc TU L U i ≥ （2.6）对电压有，

222inv grid L

U U U =+ （2.7）因为inv dc U U ≤则，

null

12 L U ≤ （2.8）

其中L U 为电感电压幅值。通过计算得出，

L ≤≤ （2.9）

整合式（2.6）与式（2.9）得到，电感L 的取值范围。

2max 4grid

dc TU L U i ≤≤ （2.10） 3 并网逆变控制系统硬件设计

上章中对单相并网逆变控制系统的总体设计及各部分模块的功能作了详细介绍，本章主要就控制系统的硬件具体实现作全面介绍。

3.1 TMS320F2808DSP 及开发环境CCS 介绍

TI 公司生产的TMS320F2808是TMS320C200系列下的一种定点32位MCU 芯片。与TI 前期推出的C24x 系列DSP 相比，各项指标都有较大改善，性能也大大提高。主频由40MHz 提高到100MHz,结构采用100管脚，体积更小，功耗低，运算能力强，大量应用于工业控制领域，尤其在逆变器、数字电源、数字马达控制以及智能传感器控制等领域获得广泛应用。F2808外设资源丰富、片内存储空间足以满足平常使用、足够多的I/O 口、非常迅速的A/D 转换速率等，并且与TMS320F280x 系列其他芯片相比具有相同的管脚结构，代码也完全兼容，具有很好的可移植性。下面对其各项性能指标作个详细介绍：

（1）采用高性能静态CMOS 技术，100MHz 主频，功耗低，设计成低电压形式，内核电源采用1.8V 供电，I/O 电源采用3.3V 供电；

（2）采用高性能32位CPU ，哈佛总线结构，中断响应时间短；

（3）片内集成高达64K*16的FLASH ，18K*16的SARAM ，1K*16的OTP ROM 以及4K*16的Boot ROM ；

（4）代码安全模块提供的密码保护高达128位，安全性非常高；

（5）具有35个可独立编程的多路复用GPIO 通道和43个外设中断；

（6）增强型外设控制单元：一共有16路EPWM 通道，其中4路为高分辨率

null

HRPWM，另外12路为普通发波通道；4路捕获输入单元；2路正交编码结构；

（7）3个32位CPU定时器；

（8）16个片上ADC转换通道，精度12位的，可以配置为级联模式，构成一个16通道模块，也可以配置成2个独立的8通道模块，高达6.25MSPS的超快转换速率，能够在160ns内完成一次A/D转换；

（9）具有丰富的通讯接口，支持SPI、SCI、eCAN及I2C多种通讯方式。

DSP的开发需要一定的软件工具，CCS（Code Composer Studio）就是专门开发DSP的一种集成开发环境，可视化程度高，界面良好，集成了编辑、调试代码、跟踪、分析等多种功能[25]。利用CCS开发调试数字信号处理产品时，一般步骤如图3.1所示：

图3.1 采用CCS开发过程

在这几个开发阶段中，经常利用CCS来实现以下功能单步调试、设置断点、观察变量、配置存储器和寄存器、观察调用堆栈、观察图形、编辑源代码、观察反汇编和C指令执行情况等。

3.2 并网逆变控制系统的硬件设计

3.2.1 辅助电源设计

本系统设计的辅助电源，从直流输入取电，采用控制芯片UC3844，经变压器产生四路相互隔离的电源，分别供给主芯片、IPM模块、继电器和各种有源芯片。如图3.2所示。

null

3.2 辅助电源电路

3.2.2 电压检测电路的设计

本文设计中需要通过霍尔电压传感器检测两路电压信号，分别为一路直流电压信号和一路交流电压信号。在本设计中选用型号为HNV025A 的霍尔电压传感器。该传感器具有3kV 的绝缘电压，电源电压±15V ，输入额定电流为±10mA ，输出额定电流为±25mA ，精度为0.6%，响应时间小于40μs 。在设计中，霍尔电压传感器输出的电压幅值在[-5V ，5V]的范围内。这样的输出的电压显然与 DSP 的端口不匹配，必须要设计电压检测电路和信号调理电路。设计电压检测与调理电路如图

3.3所示。

图3.3 电压检测与调理电路原理

由图3.3看出，本设计中的电压检测调理电路大体上分为三个部分。霍尔电压传感器的输出输入到 Uin ，信号的输入范围为[-5V ，5V]。这个输入信号首先经过一个电压跟随器。这个电压跟随器由运算放大器构成，它将传感器的输出信号减半，输出范围为[-2.5，2.5]的模拟信号；将模拟信号输入到加法器中处理后输出单极性

null

15 的范围为[0V ，5V] 的信号。最后，再经过用一个运算放大器构成的电压跟随器将信号减半，输出范围为[0V ，2.5V]的信号。这样就可以被DSP 的AD 转换处理了。图中由 R 3和 C 2构成 AD 输入的低通滤波器，采用D 1和D 2作为DSP 端的限幅电路。

3.2.3 电流检测电路的设计

本设计中交流侧电流信号也需要被采集到控制系统中，本设计选用型号HNC100LA 的霍尔电流传感器将交流侧电流信号处理成一定比例的弱电压信号HNC100LA 型霍尔电流传感器的性能良好：具有2.5kV 的绝缘电压，电源电压为±15V ，额定电流为100A ，输出额定电流为50mA ，线性误差在0.15%以内，响应时间为1μs 。使用时使被测量的电流信号穿过电流传感器中间的孔，这时候电流传感器的输出端输出处理后采样信号。为了使其输出信号能够被 DSP 检测和处理，电流传感器的输出信号也要经过图3.3的电流调理电路。

3.2.4 过零检测电路设计

在系统工作的时候，需要检测电网电压的相位和频率输入到主控芯片中来实现同步。这时候必须使用转换电路将采集到的电网的电压信号处理成和电网电压正弦波信号过零点一致的脉冲信号。这个脉冲信号要求是 3.3V 的，这是因为 TMS320F2808的芯片必须输入3.3V 的信号。如图3.4所示为过零检测电路。

图3.4 过零检测电路

传感器检测到的电网电压信号送入到放大电路中，放大电路由LM258来搭建。用这个放大电路控制Q 1

的开断。这样就能产生出和电网电压对应的方波信号。在

null

与非门的作用下，方波信号成为了数字信号。DSP 的捕捉端口能够检测到这个数字信号的正向脉冲信号，这时，DSP会产生一个中断。这样就能确定过零点，以此控制输出电流和电网同步。

3.2.5 IGBT驱动电路设计

主电路中的IGBT必须要有驱动电路，因为主控芯片输出的的PWM波是不能直接驱动IGBT的。驱动电路的主要作用是传递信号和保护。驱动电路通过光耦隔离或者磁隔离来将控制电路和主电路隔离开，以此来保护控制电路。

本文采用光电耦合驱动器HCPLJ312，隔离驱动电路如图3.5所示。DSP输出的PWM信号经74LVX4245电平转换后送至HCPLJ312的2脚正向输入信号端A，再经过HCPLJ312内部光耦隔离、放大，为IGBT提供+18V的正向栅极驱动电压，以及-9 V的反向栅极快恢复电压。

图3.5 IGBT隔离驱动电路

4 并网逆变控制系统的软件设计