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基于dsPIC的限頻式滯環控制單相并網逆變系統設計

2019-10-13 15:13編輯:admin人氣:


1 引言

  傳統化石燃料的短缺,以及使用時帶來的全球性環境污染與氣候改變,已經危及到大多數生物物種乃至人類自身的生存,對可再生新能源、清潔能源的開發利用已經得到世界各國的重視[1]。將新能源和可再生能源經發電系統發出電能再輸送到電網上,需要經過接口裝置并網逆變器。因此并網逆變器的性能直接影響了能源的利用率和電網電能的清潔度。并網逆變器的性能關鍵在于控制技術的優劣。采用正弦波電流波形控制技術的電壓型并網逆變器由于使網側電流正弦化,可以運行于單位功率因數,并且電流波形畸變小、諧波含量低,具有優良的動靜態控制性能,實現了能源的清潔變換,在單相電壓型并網逆變系統中使用廣泛。

  本文介紹了一種基于限頻式滯環電流控制的雙閉環單相并網逆變系統,以解決傳統滯環控制頻率不固定的問題。本文使用microchip公司出產的高性價比微控制器dspic30f2010作為單相電壓型并網逆變器的控制單元,以獲得優良的控制性能,相對于目前應用廣泛的微處理器控制,降低了系統的成本。

2 單相并網逆變系統結構與原理  

單相電壓型并網逆變系統主電路采用pwm調制方式控制能量流動,因此又叫做pwm逆變器,模型如圖1所示。pwm逆變器能工作于4個象限,能量能雙向流動。以交流電網電動勢矢量的終點為圓心,以交流側電感電壓矢量為半徑作圓,得到pwm逆變器并網運行的矢量關系圖,如圖2所示。當控制交流側電流矢量使其完全與電網電動勢反相時如圖2(b),pwm逆變器完全工作在有源逆變狀態,成為并網逆變器[2]。為交流側電壓矢量,為交流側電流矢量。

3 系統控制策略

  3.1雙閉環控制

  并網逆變器的控制目標是控制逆變電路輸出的交流電流為穩定的高質量與電網電壓同頻反相的正弦波[3]。本文的單相電壓型并網逆變系統采用典型的電壓電流雙閉環控制策略[4]。其控制框圖如圖3所示。

  雙閉環控制具有較好的動態特性和較強的抗擾動能力的優點。電壓外環將采集的直流側電壓與基準電壓ur比較,通過控制使直流側電壓保持在ur左右;其差值經pi調節放大后,與電網同步信號相乘得到電流基準信號,電流基準信號再與網側采樣的電流作差,通過滯環比較生成pwm信號,控制逆變橋式電路工作,使逆變器輸出與電網電壓反相的正弦波電流,實現逆變運行。

  3.2限頻式滯環電流控制方式

  為實現高精度的電流控制,采用電流跟蹤型的單極性滯環比較電流控制方式。傳統滯環電流控制最大的缺點是開關頻率不固定,造成電路濾波參數設計困難、功率模塊應力及開關損耗增大等問題。文獻[5]通過對滯環電流控制算法的原理和開關頻率波動的原因進行分析,提出了基于積分法的定頻算法,在保持滯環電流控制算法優點的同時,較好實現了滯環開關頻率的穩定。文獻[6]提出一種準固定頻率的滯環電流控制方法,將滯環比較輸出頻率與給定的固定頻率比較,通過實時調整滯環的寬度來改變控制周期,以達到開關頻率基本固定的控制結果。

  但是定頻式滯環電流控制需要進行復雜的矩陣運算,對運算速度有限的單片機數字控制系統不利。準固定頻率的滯環電流控制需要外加模擬測頻電路,增加了電路的成本。

  本文采用了一種限頻式的滯環比較電流控制方式。限頻式滯環控制方法,就是不采用明確的滯環寬度,而是通過設置采樣頻率fc,限制開關頻率fs的最大值不超過fc的1/2 。其控制原理如圖4所示。

  采用單極性同頻調制方式,圖4中給出了開關管v1和v4的驅動波形,v2的驅動波形與v1相反,v3的驅動波形與v4相反。當v1為高電平時,交流側電流波形處于正弦波正半周,當v1為低電平時,交流側電流波形處于正弦波負半周。

  以采樣周期tc作為驅動信號的最小時基,系統每一次采樣將電流采樣值if與基準值ir比較。若if小于ir,則v4導通,使電流增大,若v4在前一時刻已經導通,則此時持續導通,如圖中t1時刻所示;若if大于ir,則v4關斷,使電流續流減小,若v4在前一時刻已經關斷,則此時持續導通,如圖中t2時刻所示。而v4驅動波形每翻轉兩次為一個開關過程,由此限制了最開關頻率不會超過采樣頻率的1/2。

4 系統實現

  4.1硬件設計

  所設計的單相并網逆變器系統如圖5所示。主電路的發電源采用直流電源串聯電阻來模擬,h-橋電路功率開關使用igbt。控制回路以微控制器dspic30f2010為核心,使用其內置ad轉換器來采樣直流側電壓和交流側電流;使用輸入捕捉功能來檢測電網電壓同步信號;使用內置pwm模塊生成驅動信號;引出i/o口搭建簡單的鍵盤控制電路和led指示電路。通過編程實現電壓電流雙閉環控制及滯環電流控制算法。

  4.2軟件設計

  系統軟件包括主程序及pwm中斷和輸入捕捉中斷子程序,如圖6所示。其中輸入捕捉中斷優先級高于pwm中斷優先級。主程序主要完成系統的初始化、鍵盤響應程序和顯示程序、電壓外環的pi調節及中斷等待。輸入捕捉中斷子程序用于同步網側電流與電壓,使pf1。pwm中斷子程序完成信號采樣轉換、雙閉環控制及滯環電流控制,實現系統的逆變功能。

5 實驗結果

  在搭建的實物平臺上進行實驗,對設計的單相并網逆變系統穩態和動態響應性能進行了實驗研究。實驗中直流側電壓從55v變化到70v,實驗波形如圖7所示,圖7顯示直流側電壓出現超調后逐漸穩定,交流側電流幅值增大;圖8反映了系統在穩態到動態變化過程中,交流側電流相位始終嚴格跟隨電網電壓,功率因數pf近似為-1,系統處于逆變工作狀態。

6 結束語

  本文針對單相電壓型并網逆變器的拓撲結構和原理、系統雙閉環控制方案限頻式及限頻式滯環電流控制策略進行了分析研究。并以微控制器dspic30f2010為核心搭建了單相電壓型并網逆變系統實驗平臺,進行了實驗驗證。結果表明所設計的單相電壓型并網逆變系統具有良好的動靜態性能。

(來源:未知)

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