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太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器的方案設(shè)計(jì),有完整硬件模塊以及算法

作者: 時(shí)間:2018-09-03 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  要實(shí)現(xiàn)把太陽(yáng)能電池上的低直流電能能夠并網(wǎng)供電,就需要一種逆變裝置,這種逆變裝置要求能夠把低的直流電變換成與電網(wǎng)電壓幅度、頻率、相位均相同的正弦交流電,才能保證可靠的并網(wǎng)供電。而實(shí)現(xiàn)逆變的主要部分就是逆變控制器。本方案擬采用單片F(xiàn)PGA來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變控制器的功能,其實(shí)現(xiàn)整體框圖如圖1所示。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201809/388224.htm

  首先數(shù)據(jù)采集芯片在FPGA的控制下采集的市電電壓與逆變器輸出電壓進(jìn)行鎖相,保證了逆變器輸出電壓與市電電壓保持相位一致,用鎖相環(huán)輸出的正弦信號(hào)作為電壓電流雙環(huán)控制的基準(zhǔn)信號(hào)。電壓電流控制環(huán)在基準(zhǔn)信號(hào)、濾波電感電流、輸出電壓的反饋信號(hào)的控制下通過(guò)PI調(diào)節(jié)等控制策略產(chǎn)生用于SPWM的調(diào)制波,該調(diào)制波與三角波通過(guò)SPWM產(chǎn)生模塊即可產(chǎn)生SPWM波作為全橋逆變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

  芯片中還有用于DC-DC的PWM控制信號(hào),通過(guò)采集DC-DC輸出電壓值來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度,保證DC-DC輸出的高直流電壓的穩(wěn)定。輸入欠壓輸出過(guò)流保護(hù)模塊保證在光伏電池輸出電壓過(guò)低時(shí)、輸出過(guò)流時(shí)及時(shí)關(guān)斷SPWM和PWM信號(hào),保證設(shè)備的安全。

  1.電壓電流雙環(huán)控制

  電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一,雙環(huán)控制方案的電流內(nèi)環(huán)擴(kuò)大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬,使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快,非線性負(fù)載適應(yīng)能力加強(qiáng),輸出電壓的諧波含量減小。本設(shè)計(jì)擬采用以濾波電感電流為內(nèi)環(huán)被控量的電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制。

  電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制方式的控制原理框圖如圖2所示,電壓給定信號(hào)與輸出電壓反饋信號(hào)比較得到電壓誤差,經(jīng)過(guò)PI電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電感電流給定信號(hào),再與電感電流反饋信號(hào)比較而得的電流誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI電流調(diào)節(jié)器形成控制量,對(duì)逆變器實(shí)施控制。

  在這個(gè)雙環(huán)控制方案中,電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器,電流調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)用來(lái)增加逆變器的阻尼系數(shù),使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定,并且保證有很強(qiáng)的魯棒性;電流調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)用來(lái)使電流環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差小。電壓外環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器,電壓調(diào)節(jié)器的作用是使得輸出電壓波形瞬時(shí)跟蹤給定值。這種電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)雙環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度十分快,并且靜態(tài)誤差較小。其FPGA內(nèi)部的硬件實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

  圖3中PI控制器輸出信號(hào)m(t)與輸入信號(hào)e(t)的關(guān)系為:

  

  則PI算法的S域的傳遞函數(shù)為:

  

  其中, 、 分別為比例和積分環(huán)節(jié)系數(shù),當(dāng)采樣周期很短時(shí),映射到Z域有:

  

  將

按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),有:

  若取泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式的前兩項(xiàng),則PI算法的Z域傳遞函數(shù)為:

  

  顯然,在離散系統(tǒng)中,積分表示累加求和,這樣我們就不難構(gòu)造工程上的硬件PI算法了。圖4是硬件PI算法結(jié)構(gòu)的運(yùn)算流程。

  圖5所示為電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制逆變系統(tǒng)輸出負(fù)載突變時(shí)的電壓電流SIMULINK仿真結(jié)果,從上到下依次為突加負(fù)載、突卸負(fù)載、負(fù)載不變的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果中可以看出,在負(fù)載變化后,系統(tǒng)能較快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),并且在負(fù)載變化的前后,輸出的電壓值基本不變。這說(shuō)明電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制逆變系統(tǒng)不僅具有較好的動(dòng)態(tài)性能,也具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。

  2.SPWM波形產(chǎn)生

  SPWM波產(chǎn)生原理如圖6所示,正弦基準(zhǔn)信號(hào)與三角載波進(jìn)行比較,當(dāng)正弦波大于三角波時(shí),一路SPWM為正;當(dāng)正弦波小于三角波時(shí),一路SPWM為負(fù)。實(shí)際中的與三角波進(jìn)行調(diào)制的并不是直接的正弦基準(zhǔn)信號(hào),而是正弦基準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)電壓電流雙閉環(huán)后產(chǎn)生的調(diào)制波U0與三角波進(jìn)行比較調(diào)制的,這樣才能保證對(duì)逆變輸出電壓的實(shí)時(shí)控制。AH、AL即為調(diào)制波與三角載波比較而來(lái)。

  其三角載波可利用10位有符號(hào)可逆計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,利用其循環(huán)加減來(lái)產(chǎn)生數(shù)字化三角載波,即從-512計(jì)數(shù)到511,再?gòu)?11返回到-512。加減計(jì)數(shù)器每進(jìn)行一次計(jì)數(shù)所需要的時(shí)間即為數(shù)字化三角載波周期的一半。因此,計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期TO、數(shù)字化三角載波峰峰值P以及三角載波周期TC三者之間的關(guān)系為:TC=2TOP。

  由于開(kāi)關(guān)管固有開(kāi)關(guān)時(shí)間ts的影響,開(kāi)通時(shí)間ton往往小于關(guān)斷時(shí)間toff,因此容易發(fā)生同臂兩開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的短路故障。為避免這種故障的發(fā)生,通常要設(shè)置開(kāi)關(guān)死區(qū)△t,以保證同橋臂上的一只開(kāi)關(guān)管可靠關(guān)斷后,另一只開(kāi)關(guān)管才能開(kāi)通。本文中的死區(qū)設(shè)置原理如圖7所示,首先將調(diào)制波 加和減一個(gè)常數(shù) 分別得到 ,然后通過(guò)三角波與 比較得到AH,三角波與 比較得到AL,這樣就會(huì)得到一個(gè)死區(qū),并且死區(qū)時(shí)間可通過(guò)常數(shù) 來(lái)調(diào)節(jié), 越大,死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng),反之越短。


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