基于matlab的单相逆变器并网控制技术仿真研究毕业论文(编辑修改稿)

基于matlab的单相逆变器并网控制技术仿真研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

P ADC DSP(TMS320F2808)主控单元 逆变驱动 电路 辅助电源 并网电流采样 信号调理 公共电网 电网电压采样 信号调理 相位捕获 中北大学 2020 届本科毕业论文 第 15 页 共 70 页 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 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 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。 系统采样 调理电路 电网电压 相位检测 IGBT 驱动电路 控制与保护 电路 人机交互 ADC PWM IO TMS320F2808 CAP SCI 中北大学 2020 届本科毕业论文 第 16 页 共 70 页 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。 单相并网逆变器的基本原理 在图 中，功率开关元件采用四 只 IGBT 管 V V V 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 V V4 导通， V 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 V V4 截止后， V V3 导通，电流从电源正极经 V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。 系统主电路参数设计 直流侧输入电压 Ud 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Ud=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。 同时考虑到系统余量，选择功率开关管的耐流值应该在 100A中北大学 2020 届本科毕业论文 第 17 页 共 70 页 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 maxi ，则对于电感 L有： inv grid iU U L t （ ） 因为 1inv dcUUT， 代入式（ ）则 1 dc grid iU U LTt （ ） 其 中， T 为载波周期， dcU 为直流侧电压。 将式（ ）变换得式（ ）， 1 ()dc gridti U tULT （ ） 对式（ ）求导，并令导数为 0，得到电流纹波最大时的调制比。 2griddcUtTU （ ） 将式（ ）代入式（ ）得， 24 dcTUi LU （ ） 变换得， 2max4 dcTUL Ui （ ） 对电压有， 2 2 2inv grid LU U U （ ） 因为 inv dcUU 则， 中北大学 2020 届本科毕业论文 第 18 页 共 70 页 22L dc gridU U U （ ） 其中 LU 为电感电压幅值。 通过计算得出， 2 2 2 2d c g rid d c g ridU U U ULiI （ ） 整合式（ ）与式（ ）得到，电感 L 的取值范围。 222m ax4d c g ri dg ri ddcUUTU LU i I （ ） 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。 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 供电， I/O 电源采用 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 路为高分辨率中北大学 2020 届本科毕业论文 第 19 页 共 70 页 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 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 所示： 图 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。 并网逆变控制系统的硬件设计 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 所示。 应用设计 编辑源代码 创建相关的配置和 工程文件 调试 分析和 调整 中北大学 2020 届本科毕业论文 第 20 页 共 70 页 辅助电源电路 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 177。 15V，输入额定电流为 177。 10mA，输出额定电流为 177。 25mA，精度为 %，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 所示。 图 电压检测与调理电路原理 由图 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 [， ]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中北大学 2020 届本科毕业论文 第 21 页 共 70 页 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， ]的信号。 这样就可以被 DSP 的 AD 转换处理了。 图中由 R3和 C2构成 AD 输入的低通滤波器，采用 D1和 D2作为 DSP 端的限幅电路。 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 的绝缘电压，电源电压为177。 15V，额定电流为 100A，输出额定电流为 50mA，线性误差在 %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 的电流调理电路。 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 的，这是因为 TMS320F2808 的芯片必须输入 的信号。 如图 所示为过 零检测电路。 图 过零检测电路 传感器检测到的电。