逆变电源的设计范文
时间：2023-12-19 17:46:06
导语：如何才能写好一篇逆变电源的设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
【关键词】：无工频变压器；电路；电源
中图分类号： TM4 文献标识码： A
一、正弦波逆变器的设计要求和主电路形式及参数
1）输出电压：输出为单相220VAC（有效值），频率为50Hz±1Hz。
2）输出功率：4KW，允许过载20%，既Pomax=4800W。
3）输出电流：允许失真度为3倍，既在电压峰值时的电流峰值允许最大为有效值的3倍。最大有效值为Pomax/Voe=4800W/220V≈16.5A。
4）整机效率：设计目标η≥78%。
5）输入电压：输入：110/220V直流电压波动±15%
1.2主电路形式选择
1.2.1无工频变压器的逆变电源工作原理
逆变电路以PWM方式首先将220VDC电压逆变成高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的直流电压，比如350VDC。这部分电路实际上是一套直流/直流变换器，既DC/DC或DC-DC。然后，由另一套逆变器以SPWM方式工作，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的SPWM电压波形，经LC滤波后，就可以得到有效值为220V的50Hz交流电压。
1.2.2主电路形式
无工频变压器的逆变电源实际上包含两部分：一套DC/DC和一套SPWM逆变器。DC/DC的设计这里我们不讨论。所以，这里只讨论SPWM逆变主电路，其电路形式如下图所示,电源350V。
单相SPWM逆变主电路
1.3 参数设计
1.3.1开关管
逆变器允许输出峰值电流为
Im=3Iom=3*5.5A=16.5A
所以开关管选择额定电压为600V，额定电流30A。
1.3.2 LC滤波
L为工频电感，电感量可选为1～3mH。为减小噪声，选闭合铁芯，如OD型硅钢铁芯（400Hz）或铁粉芯铁芯。
C为工频电容，可以选CBB61-10µF-250VAC。
1.4 整体电路（如下图）
二、逆变控制电路的设计
2.1 SG3525结构框图和引脚功能
逆变电源控制电路的核心是SPWM发生器。系统采用SG3525来实现SPWM控制信号的输出，该芯片其引脚及内部框图如下图所示。
直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的+5 V基准电压。+5 V再送到内部(或外部)电路的其它元器件作为电源。
振荡器脚5须外接电容CT ,脚6须外接电阻RT ,振荡器频率f由外接电阻RT和电容CT决定，f=1.18／RTCT ,逆变桥开关频率定为10kHz，取CT=O．22μF，RT=5 kΩ。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出。误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管V1及V2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证V1及V2不同时导通。最后，V1及V2分别输出相位相差180°的PWM波。
2．2 SPWM调制信号的产生
要得到正弦电压的输出，就要使逆变电路的控制信号以SPWM方式控制功率管的开关，所得到的脉冲方波输出再经过滤波就可以得到正弦输出电压。通过SG3525来实现输出正弦电压，首先要得到SPWM的调制信号，而要得到SPWM调制信号，必须得有一个幅值在l～3.5V，按正弦规律变化的馒头波，将它加到SG3525脚2，并与锯齿波比较，就可得到正弦脉宽调制波实现SPWM的控制电路框图,如图下所示。
基准50Hz的方波是由555芯片生成的，用来控制输出电压有效值和基准值比较产生的误差信号，使其转换成50Hz的方波，经过低频滤波，得到正弦的控制信号。当电源输出电压发生变化时，会改变正弦信号的幅值，使SG3525输出脉宽也发生相应的变化，这就构成了一个闭合的反馈回路，能有效稳定输出的波形。
三、其他回路设计
3.1 过电流保护电路
过电流保护采用电流互感器作为电流检测元件，其具有足够快的响应速度，能够在IGBT允许的过流时间内将其关断，起到保护作用。
从整体电路图可知，过流保护信号取自CT2，经分压、滤波后加至电压比较器的同相输入端，如上图所示。当同相输入端过电流检测信号比反相输入端参考电平高时，比较器输出高电平，使D2从原来的反向偏置状态转变为正向导通，并把同相端电位提升为高电平，使电压比较器一直稳定输出高电平。同时，该过电流信号还送到SG3525的脚10。当SG3525的脚10为高电平时，其脚11及脚14上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。
3.2 驱动电路的设计
驱动电路的设计既要考虑在功率管需要导通时，能迅速地建立起驱动电压，又要考虑在需要关断时，能迅速地泄放功率管栅极电容上的电荷，拉低驱动电压。具体驱动电路如下图所示。
其工作原理是：
1)当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时，光耦导通，使Q1的基极电位迅速上升，导致D2导通，功率管的栅极电压上升，使功率管导通；
2)当光耦原边无控制电路的驱动脉冲电流流过时，光耦不导通，使Q1的基极电位拉低，而功率管栅极上的电压还为高，所以导致Q1导通，功率管的栅极电荷通过Q1及电阻R3速泄放，使功率管迅速可靠地关断。
当然，对于功率管的保护同样重要，所以在功率管源极和漏极之间要加一个缓冲电路避免功率管被过高的正、反向电压所损坏。
如需减小电源体积，驱动电路可以选择IR2110集成芯片。
3.3 欠压电路
SG3525内部自带欠压保护，故不用设计。
四、逆变器的实验结果
篇2
关键词：低压微网；PQ控制；V/f下垂控制；阻性虚拟阻抗；旋转坐标；孤岛模式
中图分类号：TM91 文献标识码：A
为协调大电网与分布式电源间的矛盾[1]，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，近年来学者们提出了微电网（Microgrid）的概念[2-3].微电网是指由分布式电源（DG）、储能系统、负荷和保护装置汇集而成的配电网子系统.而与单纯的分布式电源（DG）相比，微电网更能充分发挥微电源的各项优势，并且实现微电源的大规模并网，同时可以向用户提供不间断电源（UPS）等服务.
微电网中的微电源包括光伏电池、风力发电机、燃料电池、微型燃气轮机、蓄电池和高速飞轮等等，通常情况下需要通过电力电子装置将其与常规配电网并网运行[4].对于像风力发电和光伏电池这样的微电源，其输出功率的大小受天气影响较大，发电具有明显的间歇性，这种微电源通常只发出恒定的有功功率或执行最大功率跟踪，一般采用定功率PQ控制；对于像微型燃汽轮机、燃料电池、蓄电池等微电源，控制比较容易实现，既可以按照给定的有功无功进行控制，又可以实现电压频率V/f下垂控制，其中电压频率V/f下垂控制可以用于保证微电网电压和频率的稳定性[5-6].
在微电网中，对逆变电源的控制策略研究大多是集中在电压幅值和频率下垂控制策略方面，通过该控制策略，各个逆变电源相互独立，在并网和孤岛运行时不需要进行控制模式的切换，避免了运行模式切换引起的换控制策略失败的可能.而针对微电网一般接入低压配网中，各个微电源与并联母线之间的线路阻抗主要是呈阻性[7]，而采用电感电流和电容电压的逆变器输出阻抗主要是呈感性，这样便使得逆变电源输出的有功和无功与逆变器输出电压的幅值、相位之间存在比较严重的耦合.
本文把逆变器输出的各种因素都考虑在综合等效线路阻抗中，先通过对传统高压大电网下垂控制[3]进行分析，采用旋转坐标的方法，对传统下垂控制进行了扩展，得到新的控制策略，在低压电网的情况，实现了有功功率和无功功率的解耦，能够有效地分担变化的负载要求，这样既能够提高系统功率分担的精度，同时也能够为系统提高电压及频率的支撑.并且根据综合等效线路阻抗一般呈阻感性，在逆变器控制策略中引入虚拟阻抗，并且合理设计逆变器控制参数，使得逆变器输出阻抗呈阻性时可以采用简单的有功调电压幅值，无功调频的下垂控制策略[8-9].
1低压微电网结构
微电网中的电源多为微型电源，即含有电力电子接口的小型机组（小于100 kW） ，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能单元.根据微电网概念，提出了典型的低压微电网基本结构如图 1所示.
图1所示的微电网整体呈辐射状结构，微电网由多个分布式电源系统组成，主要的微电源包括如光伏电池、燃料电池、风电机组等可再生的新能源以及储能装置、控制器、负荷等组成.其中微电网通过主分离器与外部电网连接，当外部系统发生故障或者外部电能质量不能满足微电网内用户的要求时，该分离器动作使微电网转入孤岛运行.在馈线侧则根据负荷的重要程度使用不同的供电方式.本文研究的微电网采用3个分散的DG单元和一个负荷通过线路和开关并联于母线上，在公共连接点（PCC）通过开关和升压变压器连接到10 kV配电网上.
2低压微网功率传输的理论修正
但是绝大多数微电源都是接于低压配电网中，而低压情况下线路参数主要呈阻性.由表1可知，在高压系统中线路阻抗以感性为主，然而微电网常常是接入低压配电网中，而在低压系统中线路阻抗近似呈现出纯阻性（R>>X）.表1给出了典型的线路参数以及各种典型的适合低压微网的传输常用导线参数.从表中可知：适用于低压微电网的导线阻抗比均大于1，说明其线路电阻不能忽略.因此，传统的下垂控制将会导致有功和无功功率控制耦合及系统稳定性相关问题，因此传统的下垂控制在低压微电网中不再适用.
3逆变电源控制器的设计
微电源的控制方式与其类型有关，对于采用电力电子逆变器的微电源来说，通常有3种控制方式：并网状态下的 PQ 控制，孤岛状态下的调速差droop控制[10-12]以及V/f下垂控制[13-14].采用传统发电机接入微网的控制方式与传统控制方式相似，作为微网大多采用微电源的形式.在并网模式下，要求储能系统能够平抑分布式电源的并网功率波动，减少功率波动对微电网系统的冲击，为此，一般采用PQ控制；在孤岛运行时能够提供微电网系统的电压和频率参考，且能合理地分担负荷的功率，维持整个系统的功率平衡，通常采用电压频率（V/f）下垂控制[15].
在图7中，以电感电流瞬时反馈控制为内环，以电容电压瞬时反馈控制为外环.输出电压与参考电压信号进行比较，所得的误差信号经过瞬时电压环PI控制器当作电流内环的参考给定值.逆变桥输出滤波电感电流与电流给定的参考信号相比较，得到的误差信号经过瞬时电流环PI控制器作为 SVPWM 调制电压信号.滤波电感电流内环的引入，使滤波电感电流成为可控的电流源，提高了系统的稳定性.同时，对包含在环内的扰动，能起到及时的调节作用，改善了系统性能.
4仿真分析
为了验证本文所提出的方法，搭建了共有3（n=3时）台逆变器的低压微电网系统如图1所示，微网中各逆变器的参数见表2和表3，根据微电源控制图和电路模型，利用MATLAB R2011a/Simulink进行了仿真分析，为了便于分析，将微电源用直流电压源代替.
由仿真波形图可知，采用V/f下垂控制方法的DG的输出电压频率在经过短时间的震荡后，其频率能够稳定在50 Hz，三相输出电压幅值能够恒定在其基准附近（本文仿真采用标么值，稳定在1附近）.当2 s时投入load3时，逆变器输出的有功功率和无功功率发生变化，发出的有功功率和无功功率均增大，相应地，逆变器输出电流增大，但能保持其电压稳定在基准值附近.由以上分析可知，采用本文提出的V/f下垂控制的DG输出的实时功率能够快速稳定有效地追踪系统内负荷的变化，从而维持孤岛系统内的电压和频率稳定.
5结论
微电网的基本运行依赖于各个微电源，微电网存在两种运行方式.本文在不同的运行模式下，设计了低压微电网逆变电源的综合控制策略.在联网的模式下，微电源采用PQ控制，使得微电源发出指定的功率，且能够保证不改变低压配电网的电压水平；在孤岛模式下，采用V/f下垂控制策略，根据低压线路参数呈阻性的特点，对传统高压大电网下垂特性进行修正，通过旋转坐标正交变换矩阵，对电压频率V/f下垂控制进行了改进，使得传统的V/f下垂控制得以扩展应用于低压微网中，并能保证当系统功率变化时微电源与负荷之间的功率平衡，而对受外界条件影响较大的微电源，即功率源型微电源依旧采用PQ控制.通过MATLAB/Simulink仿真，验证了控制策略的正确性与有效性，为后续工作奠定了基础.
参考文献
[1]黄伟， 孙昶辉， 吴子平， 等. 含分布式发电系统的微网技术研究综述[J]. 电网技术， 2009， 33（9）：14-18.
[2]LASSETER R H. Microgrids[C]//Power Engineering Society Winter Meeting. New York： IEEE， 2002： 305-308.
[3]LASSETER B. Microgrids[C]//Power Engineering Society Winter Meeting. New York： IEEE， 2001：146-149.
[4]鲁宗相， 王彩霞， 闵勇， 等. 微电网研究综述[J]. 电力系统自动化， 2007， 31（19）：100-107.
[5]梁才浩， 段献忠. 分布式发电及其对电力系统的影响[J]. 电力系统自动化，2001， 25（12）：53-56.
[6]王志群， 朱守真， 周双喜， 等. 分布式发电对配电网电压分布的影响[J]. 电力系统自动化， 2004， 28（26）：56-60.
[7]ENGLER A， SOULTANIS N. Droop control in LVgrids[C]//Proceedings of International Conference on Future Power System. Amsterdam， Netherlands： IEEE， 2005：1-6.
[8]王凌， 李培强， 李欣然， 等. 微电源建模及其在仿真中的应用[J]. 电力系统自动化学报， 2010， 22（3）：32-38.
[9]李培强， 刘志勇， 李欣然， 等. 应用综合控制策略的微电网仿真[J].高电压技术， 2011， 37（10）：2356-2362.
[10]LOPES J A P， MOREIRA C L， MADUREIRA A G， et al. Control strategies for microgridsemergency operation[C]//International Conference on Future Power Systems. Amsterdam， Netherlands： IEEE， 2005：1-6.
[11]LOPES J A P， MOREIRA C L， MADUREIRA A G. Defining control strategies for microgrids islanded operation[J]. IEEE Transactions on Power Systems， 2006， 21（2）： 916-924.
[12]王成山， 肖朝霞， 王守相. 微电网综合控制与分析[J]. 电力系统自动化， 2008， 32（7）： 98-103.
[13]JAYAWARNA N， WU X， ZHANG Y， et al. Stability of a microgrid[C]//Proceedings of the 3rd IET International Conference on Machines and Drives. Dublin Irelang， 2006： 316-320.
篇3
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关键词：逆变电源；串联谐振；数字信号处理器（DSP）
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.008
引言
随着电力电子技术、信号处理技术及计算机控制技术的迅速发展和广泛应用，对逆变电源的性能及效率等要求也越来越高。串联谐振中频逆变电源是感应加热的关键设备，在现代工业生产中，熔炼金属及对工件进行透热、淬火和弯管等，常常采用中频（150Hz～20kHz）谐振逆变电源装置作为感应加热电源。
传统的串联谐振中频逆变电源控制仍然多为模拟控制或模拟与数字相结合的控制系统[1-2]，存在如控制电路结构复杂、采用较多的元器件，体积庞大、电源一致性差；系统工作不稳定、控制精度不高、开发调试复杂等缺点。克服以上缺点的方法是应用数字处理技术，将传统的模拟电源升级改造为数字化电源（DPS：Digital Power Supply）。数字电源控制电路的核心器件是数字信号处理器（DSP），通过微处理器的精确运算来控逆变电源的各项性能和工作全过程，使控制电路高度集成、简化，且实现了数控化。本文设计了基于DSP芯片TMS320LF2407的10kW/10kHz 的串联谐振中频逆变电源，并通过试验验证了该设计方案的有效性和可行性。
中频逆变电源设计
电源主电路设计
串联谐振中频逆变电源系统主电路结构如图1所示。三相380V/50Hz交流电经空气开关、熔断器后加到由二极管模块组成的三相不控整流桥，三相整流桥输出的直流电压Ud经电解电容Cd滤波成平直的电压，再加到由四个IGBT和四个反并联二极管组成的单相全桥逆变器，逆变器输出的电压Uo经中频变压器T隔离并降压后送到由补偿电容C和负载感应器Lo组成的串联谐振电路的两端。中频变压器T用于负载匹配，感应线圈等效电感Lo和电阻R以及谐振电容C组成变压器次级串联谐振槽路。
串联谐振逆变电源工作原理
串联谐振逆变电源等效电路如图2所示，其移相控制原理及工作过程分析如下[3]：
图2所示的主电路的控制采用了如图3所示的移相控制策略。其基本原理是：检测逆变器输出电流 利用其过零点来产生滞后桥臂管VT4的驱动信号4gVTu（VT2管的驱动信号2gVTu与之互补）；由VT1和VT3组成的超前桥臂的驱动信号1gVTu和3gVTu 分别超前于4gVTu和2gVTu，超前的角度为移相角α或者调节逆变桥输出电压的宽度o u，从而调节基波电压的幅值，就能对电路输出功率调节进行调节。
数字锁相环（DPLL）控制
串联谐振逆变电路工作在谐振状态时，谐振回路呈电阻性，工作频率等于负载的谐振频率。由于逆变输出所接负载的规格不同，感应线圈的等效电感和等效电阻也将改变，谐振频率会发生变化，如果不改变逆变电路IGBT的驱动频率，将使逆变器偏离谐振点，不仅使逆变桥上IGBT偏离零电流开关点，而且引起开关损耗增大，当逆变器工作频率高于负载谐振频率较大时，在一定的P值下，还会使负载阻抗增大，逆变器的无功功率增加，输出功率因数下降，功率容量不能充分利用。因此逆变控制系统必须具备频率跟踪功能，使逆变器的工作点保持在谐振点附近，从而实现IGBT的ZCS开关，并且有效利用逆变器的输出功率容量。一般的频率跟踪采用锁相环控制（PLL），通过检测输出电压和电流的相位差，控制锁相环电路的触发信号输出频率，达到频率跟踪的目的。本设计采用基于DSP技术的数字锁相环（DPLL）来实现频率
的自动跟踪[4]。
串联谐振中频逆变电源系统结构框图如图4所示。电源控制系统采用以TMS320LF2407为控制核心的硬件控制平台，传感器采集的各种检测信号经转换后作为DSP的输入信号，DSP根据检测输入的信息对系统进行实时控制，逆变器中功率主开关管的驱动信号由DSP的事件管理模块EV产生，并对最终产生的PWM波形输出进行死区控制；通过对负载电流和电压的检测、采样、滤波、电平转换和A/ D 变换处理后，与给定频率作比较，进行频率锁相跟踪及移相功率控制；当过流或过压等故障信号产生时，硬件电路会封锁逆变器的触发信号来实现保护功能，同时，保护信号会使中断口XINT发生中断，立即进行系统的其他保护处理。系统具有电压、电流、工作频率及谐振频率等各项参数的显示；电路设有过流、过压、过热、缺相等全面的保护系统，并指示出各种故障便于维修；同时，还具有上下位机通讯功能，可以实现远程网络化控制或用计算机自动控制[5]。
实验结果及结论
篇4
关键词：逆变电源； 并联-并网； DCS控制； 反孤岛测试
中图分类号：TN86-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0023-03
Electrical Energy Reuse Technique in Parallel-interconnection of Inverting Power Supplies
Xin Hua-mei
(College of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China)
Abstract： An electrical energy reuse technique in parallel-interconnected inverting power supply based on DSP and DCS control is proposed. It adopts DCS control technology to achieve centralized management and decentralized control. The parallel technology employed in solar power inverter is also used to achieve the synchronization of the inverting power supply output parameters and anti-islanding detection of power grid. The methods to achieve electrical energy reuse and effectively improve the control flexibility and versatility of parallel-interconnected system are also studied. Testing results show that the electrical energy consumed by the form of heat energy can be changed into reusable electrical energy and reused by other electrical equipments. The technology can effectively achieve the energy conservation and improve economic benefits.
Keywords： inverting power supply; parallel-interconnection; DCS control; anti-islanding detection
收稿日期：2011-08-26
基金项目：科技型中小企业技术创新基金项目（2003CB716202）；山东省科技发展计划资助项目（2010GGX10136）
0 引 言
当今世界能源问题日益突出，能源的短缺和不可再生能源的消耗已经严重制约了经济的发展。世界各国都在寻找新的能源形式，以满足日益增长的能源需求，同时大力提倡节能、环保，相继制定了商业用电、工业用电和各类电器的限电和节能标准及措施。电源、电力电子、发动机制造等行业，在生产过程中通常使用阻性负载进行带载测试、调试和老化等，消耗的能量一般都以热能的形式耗费掉，存在大量的电能浪费现象。据不完全统计，仅仅电源制造行业每年浪费的电力就超过了11 000万kW，相当于一个装机容量为10万kW的发电厂45天满负荷工作的发电量。因此，如何将这些以热能形式耗费掉的电能转换为可再利用的电能，并与市电电网进行并网，以直接供给其他电气设备使用或终端用户使用，从而进一步降低生产成本，提高经济效益，已成为一个热门的研究课题。
目前国内外关于并网发电技术的研究主要包括电网的反孤岛测试技术［1-4］和输出参数同步技术［5］。对于DC/AC逆变电源多机并联的技术研究主要包括集中控制法、主从控制法、分散逻辑控制法和外特性下垂直法等方法［6-7］。本文提出了一种逆变电源并联-并网电能再利用技术，利用DCS控制技术实现集中管理分散控制，利用太阳能并网发电逆变电源中的并网技术实现逆变电源输出参数的同步和电网的反孤岛测试，同时利用DSP数字信号处理系统抑制多机并联系统中的环流效益［8］。
1 电能再利用技术原理
1.1 电能能量流程
逆变电源并联-并网电能再利用技术，主要是对制造业耗费的电能进行二次利用，提高电能利用率，降低电能消耗，把制造业以热能形式消耗的能量转换为与电网同频、同相位、同电压幅度的电能，一方面可将产生的电能直接给终端设备供电，另一面将产生的电能送到市电电网供其他终端用户利用，同时可以将多台小功率逆变电源进行并联，通过系统控制协议产生主机，并利用主机控制从机输出参数，实现系统输出的一致性，能够有效地提升系统的输出功率和系统输出的可靠性，电能再利用的能量流程如图1所示。
1.2 电能控制原理
逆变电源多级并联-并网电能再利用技术能够自主识别该系统处于离网状态还是并网状态，并判定系统输出参数来自电网还是主机；当系统处于并网状态时，把电网视为虚拟主机；当系统处于离网状态时，通过CAN总线的竞争机制去确定该系统的主机。
CAN总线是开放式、数字化、多点通信的控制系统局域网络，以全网广播为基础，可采用多主通信方式，利用CAN总线发送争主广播，采用竞争方式获取多机并联系统的主机。主机确定后，主机将多机并联系统的输出参数通过CAN总线发送给从机，从机根据这些参数进行调整，通过计算有功、无功功率等，并将计算结果反馈到SPWM调制系统，自动实现输出电流的均流［7-9］。
2 电能再利用技术实现
2.1 技术方案
逆变电源多级并联-并网电能再利用技术采用自上而下的设计思想，首先对逆变电源多机并联系统结构进行理论分析，建立系统模型，利用EDA设计工具对该多机并联系统模型进行计算机仿真，确定系统模型中各功能模块系数及其输入/输出参数，并且确定系统设计方案的可行性；然后对各功能模块分别进行计算机仿真，确定各测试点的数据，并进行系统的可靠性分析，如容差分析、SI/PI分析、电磁兼容分析和同温度条件下系统的参数分析。
基于上述思想，电能再利用采用的具体技术方案如图2所示。
2.2 结构设计
逆变电源多级并联-并网电能再利用技术，主要包括并网-离网状态自动识别、电网的反孤岛测试、多机并联数量控制［9-10］、多机并联的均流控制等功能单元的设计，具体结构如图3所示。
2.2.1 并网-离网状态自动识别
并网-离网状态自动识别主要是通过电网反孤岛测试技术和电网和逆变电源的输出参数检测时序，识别该逆变电源多机并联-并网发电系统是否连接到市电网络中，从而实现系统的不同控制策略。具体是对输出端口加载一个特定的信号，并检测输出信号，以此判定负载阻抗特性，进而判断本项目系统是否与电网相连接。
2.2.2 电网的反孤岛测试
电网的反孤岛测试主要通过测试输出信号的频率偏移和相位偏移，可以在3个正弦周期内检测电网的“孤岛效应”，电网孤岛测试时间不超过6个正弦波周期。
2.2.3 多机并联数量控制
多机并联数量控制主要是通过DCS控制技术，即采用分散控制、集中管理方式，将大量计算分散到各逆变电源的DSP处理器中进行，CAN总线的通信波特率最高可达1 Mb/s（此时最长距离为40 m）；
2.2.4 多机并联的均流控制
多机并联的均流控制主要是采用4路反馈控制，即输出电压有功功率、无功功率反馈、输出电流反馈和输出电流直流反馈控制，利用150 MHz处理速度的DSP芯片，通过实时计算多机并联系统中输出有功功率和无功功率，以及各逆变电源的输出有功功率和无功功率，实现精确调整各逆变电源的SPWM波形，进而抑制多机并联系统中的环流效益，提高各逆变电源输出信号精度。
3 结 语
本文提出了一种逆变电源多级并联-并网电能再利用技术，通过采用基于DSP数字信号处理器的DCS控制的多机并联-并网技术，即利用DCS控制技术实现集中管理分散控制，借鉴太阳能并网发电逆变电源中的并网技术实现逆变电源输出参数的同步和电网的反孤岛测试，并利用DSP数字信号处理系统提高系统的控制灵活性和通用性，将以热能形式耗费掉的电能转换为可再利用的电能，同时与市电电网进行并网，以直接被其他电气设备使用或供其他终端用户使用，从而进一步降低生产成本，提高经济效益，对我国的节能降耗、国防军工建设、新能源利用等有着重要的意义。
参 考 文 献
［1］ JOHN V, YE Zhi-hong, KOLWALKAR A. Investigation of anti-islanding protection of power converter based distri-buted generators using frequency domain analysis [J ]. IEEE Transaction on Power Delivery, 2004, 19 (5):168-176.
［2］ MENON V, NEHRIR M H. A hybird islanding detection technique using voltage unbalance and frequency set point [J ]. IEEE Transaction on Power Systems, 2007, 22 (1): 442-448.
［3］ 杨海柱,金新民.基于正反馈频率漂移的光伏并网逆变器反孤岛控制［J］.太阳能学报，2005,26(3):409-412.
［4］ 鹿婷,段善旭,康勇.逆变器并网的孤岛检测方法［J］.通信电源技术，2006,23(3):38-42.
［5］ 刑岩,严仰光.逆变器并联系统中基准信号同步的一种方法［J］.数据采集与处理，2000,15(1):65-68.
［6］ 郭景.基于CAN总线的主从式三相逆变电源并联控制技术研究［D］.秦皇岛:燕山大学,2006.
［7］ 姜桂滨,裴云庆,王峰,等.SPWM逆变电源的自动主从并联控制技术［J］.电工电能新技术，2003,22(3):16-20.
［8］ 秦娟英,陕周荣.一种基于DSP的逆变电源并联运行控制系统［J］.通信电源技术，2004,21(4):16-21.
［9］ 余勇,刘正之.基于相移多重化的大功率电流型并联逆变电源［J］.电力电子技术,2005,39(2):10-14.
［10］ 曾令美.三相逆变电源并联系统功率因数校正方法［J］.微计算机信息,2005,21(7):124-125.
［11］ 张乐斌,曹胜利,郑明.电厂侧无功控制方式与最优控制模式［J］.电网与清洁能源,2010,26(6):49-54.
篇5
关键词：独立式；太阳能；光复逆变电源
一、独立光伏发电系统组成
独立运行太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方阵，蓄电池组，控制器和逆变器四部分构成。
1.1太阳能电池方阵
光伏电池是组成太阳能光伏发电系统最基本的单位。但单体光伏电池发出的电能很小，工作电压约0.45~0.5V，工作电流20~25mA/cm2，而且是直流电，在大多数情况下很难满足实际应用的需要。为满足负载要求的输出功率，一般都将电池组串并成太阳能电池组件。
1.2蓄电池组
太阳能发电系统只能在日间有阳光的时候才能发电，而多数情况人们主要在夜间大量用电，所以需要存储太阳能电池方阵发出的电能并随时向负载供电。光伏系统对蓄电池组的要求是：1、自放电率低；2、使用寿命长；3、深放电能力强；4、充电效率高；5、少维护或免维护；6、工作温度范围宽；7、价格低廉。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸电池；
1.3控制器
控制器是光伏发电系统的核心部件之一，主要用于实现整套系统地充、放电管理。太阳能光伏阵列发出的直流电能，经过控制器对蓄电池充电，在蓄电池未充满时，控制器的作用是最大限度地对蓄电池充电，当蓄电池被充满时，控制太阳能充电，使蓄电池处于浮充状态。当蓄电池放电至接近蓄电池过放点电压时，控制器将发出蓄电池电量不足报警并切断蓄电池的放电回路，以保护蓄电池。随着光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制器、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。
1.4逆变器
对逆变器的基本要求是：
1、能输出一个电压稳定、频率稳定的交流电，无论是输入电压发生波动还是负载发生变换，都要能达到一定的电压精度；
2、具有一定的过载能力，一般能过载125%~150%；
3、输出电压波形含的谐波成分应尽量少；
4、具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能，且具有快速的动态响应。
二、逆变电源基本工作原理及逆变电路设计
2.1逆变电源基本工作原理
逆变电源的拓扑结构很多，各自的工作过程不完全相同，但最基本的逆变过程是相同的。下面以最基本的单相桥式逆变电路为例，具体说明逆变器的“逆变”过程。单相桥式逆变电路如图1所示，T1，T2，T3，T4是桥式电路的4功率管，由电力电子器件及辅助电路组成。输入直流电压为Vcc，Z代表逆变器的负载。当开关T1、T4接通时，电流流过T1，Z和T4，负载上的电压极性是左正右负；当开关T1、T4断开，T2、T3接通时，电流流过T2，Z和T3，负载上的电压极性反向，把直流电变成了交流电。改变两组开关的切换频率就可以改变输出交流电频率，得到的是正负半周对称的交流方波电压。负载为纯阻型时，负载电流电压波形相同，相位也相同；负载为感性时，电流滞后于电压，波形也不同。
2.2逆变电路设计
逆变电路的功能是将升压得到的高压直流电经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz正弦交流电压输出，包括功率桥的设计、控制电路设计和保护电路设计。
2.2.1逆变环节的主电路
如图2所示为逆变环节主电路图。对输入的直流电进行SPWM调制，经过LC滤波输出，采用电压瞬时值反馈，对输出电压进行采样隔离，反馈信号送给控制芯片经过A/D变换保存，得到脉宽控制量，通过SPWM生成环节产生各功率管的开关信号，控制功率管的通断，使输出电压尽可能跟踪基准正弦给定信号。
2.2.2控制电路设计
逆变环节的任务是使直流变交流，为使交流输出电压稳定，本系统采用闭环控制，对输出电压进行采样分析，系统中CPU根据采样电压值来控制SPWM波发生器输出SPWM参数，产生SPWM波驱动逆变桥，从而得到稳定的交流电。系统CPU采用ATB9C51，SPWM波发生器采用SA838单相SPWM波发生器，功率逆变桥选用PS21865，其内部集成了驱动电路，因而外部驱动电路可以不再添加。控制电路功能包括：控制脉冲产生，交流输出稳定，保护和报警显示，电路框图如图3所示。
三、逆变器控制方案比较
光伏逆变器的性能很大程度上决定了整个光伏发电系统的性能和效率，随着光伏发电系统的应用越来越广，人们对光伏逆变器输出电压的质量要求也越来越高，不仅要求逆变器的输出电压稳定以及工作可靠，而且要求其输出电压正弦度高。所以光伏逆变器的控制技术也得到了不断的发展。
逆变器要实现输出纯正弦波，控制方案的实现通常分为模拟控制和数字控制，具体实现方案有如下几种。
（1）模拟控制。控制脉冲的生成，控制算法的实现全部由模拟器件完成。优点是技术非常成熟，有很多可以参考的实例。但其存在很多固有的缺点：控制器的元器件比较多，电路复杂，所占的体积较大；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；调试不方便，由于所采用器件特性存在差异，致使电源一致性差，且模拟器件工作点的漂移导致系统参数漂移。逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。
（2）由单片机实现数字控制。为改善系统的控制性能，通过A/D转换器，将微处理器与系统相连，在位处理器中实现数字控制算法，然后通过输入、输出口或脉宽调制口（PWM）发出开关控制信号，微处理器还能将采集的功率变换装置工作数据显示或传送至计算机保存。一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行实时监控。微处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的性能，但由于微处理器运算速度的限制，在许多情况下，这种微处理器辅助的电路系统仍旧要用到运算放大器等模拟控制元件。
（3）由DSP实现数字控制。随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件及数字 信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）技术的发展，逆变电源的全数字化控制成为现实。DSP能够实时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出PWM输出值，使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补偿，使输出谐波达到可以接受的水平。但DSP入门门槛较高，开发成本高，造价也较高。
结束语
太阳能作为绿色生态能源，以光伏技术与电力电子技术为依托，结合我国的实际利用它为人类服务，是能源工作者的重要任务之一。充分利用这些无电地区的太阳能资源，有计划、有步骤地推广光伏技术，解决缺电地区的用电问题，促进这些地区的经济文化发展，提高人口素质，对于全国的平衡协调发展，缩小地区间差距，均具有战略与现实意义。
参考文献：
[1] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2005.87
[2] 王常贵，王斯成主编.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.6
[3] 倪海东，蒋玉萍.高频开关电源集成控制器[M].北京：机械工业出版社，2005.1
[4] 郭同生.光伏系统逆变器数字控制技术研究[J].西安交通大学硕士学位论文，2003.3
篇6
引言
电源是电子设备的动力部分,是一种通用性很强的电子产品。它在各个行业及日常生活中得到了广泛的应用，其质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠性,其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围。方波逆变是一种低成本，极为简单的变换方式，它适用于各种整流负载，但是对于变压器的负载的适应不是很好，有较大的噪声。
本文依据逆变电源的基本原理，利用对现有资料的分析推导,提出了一种方波逆变器的制作方法并加以调试。
1 系统基本原理
本逆变电源输入端为蓄电池（＋12V，容量90A·h），输出端为工频方波电压（50Hz，310V）。其结构框图如图1所示。
目前，构成DC/AC逆变的新技术很多，但是考虑到具体的使用条件和成本以及可靠性，本电源仍然采用典型的二级变换，即DC/DC变换和DC/AC逆变。首先由DC/DC变换将DC12V电压逆变为高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的约320V直流电压；然后再由DC/AC变换以方波逆变的方式，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的方波电压；再经LC工频滤波得到有效值为220V的50Hz交流电压，以驱动负载。
2 DC/DC变换
由于变压器原边电压比较低,为了提高变压器的利用率,降低成本,DC/DC变换如图2所示，采用推挽式电路，原边中心抽头接蓄电池，两端用开关管控制，交替工作，可以提高转换效率。而推挽式电路用的开关器件少,双端工作的变压器的体积比较小,可提高占空比,增大输出功率。
双端工作的方波逆变变压器的铁心面积乘积公式为
AeAc=Po(1＋η)/(ηDKjfKeKcBm) （1）
式中：Ae(m2)为铁心横截面积；
Ac(m2)为铁心的窗口面积；
Po为变压器的输出功率；
η为转换效率；
δ为占空比；
K是波形系数；
j(A/m2)为导线的平均电流密度；
f为逆变频率；
Ke为铁心截面的有效系数；
Kc为铁心的窗口利用系数；
Bm为最大磁通量。
图3
变压器原边的开关管S1和S2各采用IRF32055只并联，之所以并联，主要是因为在逆变电源接入负载时，变压器原边的电流相对较大，并联可以分流，可有效地减少开关管的功耗，不至于造成损坏。
PWM控制电路芯片SG3524，是一种电压型开关电源集成控制器,具有输出限流,开关频率可调,误差放大,脉宽调制比较器和关断电路,其产生PWM方波所需的外围线路很简单。当脚11与脚14并联使用时,输出脉冲的占空比为0～95％,脉冲频率等于振荡器频率的1/2。当脚10（关断端）加高电平时,可实现对输出脉冲的封锁,与外电路适当连接,则可以实现欠压、过流保护功能。利用SG3524内部自带的运算放大器调节其输出的驱动波形的占空比D，使D>50％，然后经过CD4011反向后，得到对管的驱动波形的D<50％，这样可以保证两组开关管驱动时，有共同的死区时间。
3 DC/AC变换
如图3所示，DC/AC变换采用单相输出，全桥逆变形式，为减小逆变电源的体积，降低成本，输出使用工频LC滤波。由4个IRF740构成桥式逆变电路，IRF740最高耐压400V，电流10A，功耗125W，利用半桥驱动器IR2110提供驱动信号，其输入波形由SG3524提供，同理可调节该SG3524的输出驱动波形的D<50％，保证逆变的驱动方波有共同的死区时间。
图4
IR2110是IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，同时还具有快速完整的保护功能，因而它可以提高控制系统的可靠性，减少电路的复杂程度。
IR2110的内部结构和工作原理框图如图4所示。图中HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率MOS的驱动脉冲信号输入端。SD为保护信号输入端，当该脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，其对应的输出端恒为低电平；而当该脚接低电平时，IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化，在实际电路里，该端接用户的保护电路的输出。HO和LO是两路驱动信号输出端，驱动同一桥臂的MOSFET。
IR2110的自举电容选择不好，容易造成芯片损坏或不能正常工作。VB和VS之间的电容为自举电容。自举电容电压达到8.3V以上，才能够正常工作，要么采用小容量电容，以提高充电电压，要么直接在VB和VS之间提供10～20V的隔离电源，本电路采用了1μF的自举电容。
为了减少输出谐波，逆变器DC/AC部分一般都采用双极性调制，即逆变桥的对管是高频互补通和关断的。
4 保护电路设计及调试过程中的一些问题
保护电路分为欠压保护和过流保护。
欠压保护电路如图5所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设的10.8V，保护电路开始工作，使控制器SG3524的脚10关断端输出高电平，停止驱动信号输出。
图5中运算放大器的正向输入端的电压由R1和R3分压得到，而反向输入端的电压由稳压管箝位在＋7.5V，当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器开始工作，输出跳转为负，LED灯亮，同时三级管V截止，向SG3524的SD端输出高电平，封锁IR2110的输出驱动信号。
过流保护电路如图6所示，它监测输出电流状况，预设为1.5A。方波逆变器的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端，当输出电流大于1.5A后，运算放大器的输出端跳转为负，经过CD4011组成的R?S触发器后，使三级管V1基级的信号为低电平，三级管截止，向IR2011的SD1端输出高电平，达到保护的目的。
调试过程遇到的一个较为重要的问题是关于IR2110的自举电容的选择。IR2110的上管驱动是采用外部自举电容上电，这就使得驱动电源的路数大大减少，但同时也对VB和VC之间的自举电容的选择也有一定的要求。经过试验后，最终采用1μF的电解电容，可以有效地满足自举电压的要求。
图8、9、10
5 试验结果及输出波形
DC/DC变换输出电压稳定在320V，控制开关管的半桥驱动器IR2110开关频率为50Hz，实验的电路波形如图7～图14所示。
图11、12、13、14
篇7
关键词：计算机仿真技术 级联 全桥逆变器 Saber软件
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（b）-0001-03
Abstract： The paper based on Saber simulation technology， by means of principle analysis， computer simulation and prototype experiment， a high-efficiency， high-power density， Low harmonic component cascaded inverter. Computer simulation technology play an important role in schemes selection， parameters design， loop design， stability analysis and other links， reduces the development period and the cost considerably. The prototype has high system stability and Reliability. A conclusion has been drawn that computer simulation technology was not only beneficial to theoretical study and teaching， but also has important significance in engineering practices.
Key Words： Computer simulation technology； Cascaded； Full-bridge inverter； Saber simulation software
S着计算机技术的飞速发展，计算机仿真技术在电力电子技术的研发中占有日益重要的地位。利用仿真软件，研发周期和成本大大缩减，仿真具有相当的精确性，在实际调试阶段仿真结果具有可观的可参考性。计算机仿真技术在国内的部分大型企业、高校、研究所已经引起了重视，然而中小企业的研发往往忽略仿真步骤，依靠经验来尝试并确定器件参数。目前主流仿真软件主要有以下几种，PSPIC较适合小功率场合，然而它在磁性元件的仿真上不尽如人意，运算速度较慢；MATLAB兼容度很高，运行速度较快，控制系统运用较多，但MATLAB中的器件多为理想模型，精确性较差，仿真结果与实际有较大不同；Saber器件库中包含大量主流实际器件型号，并且根据用户要求可建立特殊的器件仿真模型，进行系统级的混合信号仿真，运算速度快，精确度高，仿真结果与实际情况接近。该文选择Saber软件对级联式全桥逆变电源的LC滤波器设计进行仿真分析。
1 相移载波SPWM级联式全桥逆变器的工作原理
两级级联式全桥逆变电源的功率电路由两个单相全桥逆变器串联组成，如图1所示，它具有两个相互独立的直流输入电压E1、E2，桥臂输出电压UAB经过LC低通滤波器后输出电压为正弦交流电。级联式全桥逆变器的控制电路中，包含电压电流双闭环控制，各个H桥都采用单极性倍频SPWM控制，H桥之间采用相移载波SPWM控制方式，开关管控制规律如表1所示。
2 SABER仿真
在对系统进行仿真之前，首先要利用Saber Sketch建立正确的仿真模型，在Parts Gallery中根据分类寻找需要的器件，正确连接各器件，最后在Porperty Ediotr对话框中定义各个器件的参数。搭建仿真模型完成后，要对仿真模型进行直流分析（DC Analysis），找出电路的DC工作点，之后可进行瞬态分析（Transient Analysis）、小信号频响分析（Small-Signal Frequency Analysis）等。仿真结果波形用Saber Scope查看，且可对波形进行计算和测量。
2.1 仿真系统的构成
仿真模型遵循实际电路的结构，由功率电路及控制电路组成，仿真模型的功率电路如图2所示。
2.2 仿真结果及分析
仿真参数：输入电压E1=E2=90 VDC，开关频率f=20 kHz，基波频率f0=400 Hz，输出滤波电容为6.8μF，电感为60μH，图3为仿真波形。
3 实验结果
原理样机的参数与仿真一致，两级级联式逆变器工作在额定电压、额定功率下的实验波形。图4为原理样机的实验波形。（1）总桥臂输出电压UAB；（2）电感电流；（3）驱动波形；（4）滤波后的输出电压。
表2给出了样机在满载工况下的实验数据。基于计算机仿真技术辅助设计开发的该级联式逆变电源具有较好的外特性，具有高效率，且重量仅800 g，具有高功率密度，THD=0.7%。
4 结语
在该文所提及的两级级联式样机研发过程中，计算机仿真技术起到至关重要的作用，在前期选择方案时，运用计算机仿真技术大大提高了效率和正确率；在中期设计各器件参数时，计算机仿真结果具有重要的参考价值。基于理论分析计算与计算机仿真技术，在实际调试过程中做了有限的修改就得到了理想的效果。通过计算机仿真与实验调试的合理结合，研发了一款具有高效率、高功率密度的级联式逆变电源，计算机仿真技术不仅适用于理论研究和教学，在工程实践中也具有非凡的意义。
参考文献
[1] 王雪钰，陈轶涵，邓翔，等.高功率密度1 kVA航空静止变流器[J].南京航空航天大学学报，2014，46（1）：137-143.
[2] Rodriugez J， Lai Jih-Sheng，Peng Fangzheng. Multilevel Inverters：a Survey of Topologies， Controls， and Application[J].IEEE Trans.On Industrial Electronics， 2002，49（4）：724-736.
[3] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.
篇8
关键词:逆变器;双闭环控制;无差拍控制;DSP
中图分类号:TP274文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2009)12-189-03
Research of Deadbeat Control Inverter Based on DSP
QUAN Xiaoming,SHEN Quntai
(School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha,410083,China)
Abstract:With the wide use of high-performance digital signal processor,it is a natural trend that the traditional analog control of the inverter can be replaced by digital technology.Because the nonlinear loads cause the interference,inverter is hard to receive ideal control.This paper introduces a control method based on PI control strategy and non-deadbeat control method:Inverter control circuit of the current inner loop choose the optimized digital PI control methods,the voltage loop choose the no deadbeat control methods.This method combines the advantages of PI control and non-deadbeat control.Deadbeat control has good performance at transient state.And PI control is simple,easy parameter setting and robust.Finally,the simulation and test figures show that double-loop control method of the inverter receives a lot of advantage such as output waveform with a good,fast response,and better capacity adapt to the different loads.
Keywords:inverter;double-loop control;deadbeat control;DSP
0 引 言
随着高性能DSP控制器的出现,采用数字化控制的UPS电源已成为现在研究的热点[1]。基于DSP实现的数字双闭环控制能有效提高电源系统的抗干扰能力,降低噪声,提高效率和可靠性,进一步有利于电源的智能化管理、远程维护和诊断。在逆变器的多种控制策略中,重复控制技术能有效消除非线性负载和干扰引起的波形畸变;滑模变结构控制方法能使系统运行于一种滑动模态,能保证系统的鲁棒性;模糊控制和神经网络控制等智能控制不依赖控制对象的数学模型,适应于非线性系统;无差拍控制能够瞬时控制电压,对负载有很强的适应能力,有输出总谐波畸变少,损耗少等优点;PID控制简单,并具有好的可靠性;新型数字化PID控制更能取得满意的控制效果。各种控制策略各有优缺点,如果能把其中的两种或几种控制技术结合运用,将取得更好的输出特性。基于此思想提出数字PID控制和无差拍控制技术相结合的控制策略[2]。理论和实践证明,该方法具有广泛的应用前景。
1 系统结构设计
该系统选用的TMS320F2812芯片是TI公司的TMS320C28x系列中的一种,其指令执行速度快,从而可以在此基础上实现复杂的控制算法,优化系统的输出特性。
基于该芯片的逆变电源系统框图如图1所示。整个系统由AC/DC,DC/DC,DC/AC,以及滤波电路和其他辅助电路构成。其中,DC/AC逆变器部分是整个系统的重要组成,逆变器采用单相全桥逆变电路,适应大功率场合。通过采样电路采样得到的输出电压和电流经过DSP的A/D转换器转换成数字信号,作为数字控制器的反馈信号,经与给定输出信号比较后,再经过控制算法调节器和脉宽调制器得到SPWM波控制IGBT功率管的通断,从而改变输出电压的值,使其与给定输入电压相等。给定参考电压由软件方式实现,因此信号稳定无温漂、无干扰。这种控制方法在负载变化较快时仍然能保证输出电压不发生畸变[3,4]。
图1 系统整体框图
2 逆变器控制方案及其参数设计
2.1 逆变器建模及其控制策略研究
如图2所示,图中iL为电感电流;iC为电容电流;io为负载电流;uo为输出电压;R为逆变器负载电阻,VS1~VS4为逆变控制开关;r为电路阻尼电阻;L,C组成LC滤波器;E为逆变器输入直流电源[5,6]。
取x(t)=[uo(t) iL(t)]T为状态变量,平均电压ui(t)和负载电流为系统输入,则主电路的状态方程为:
ddtx(t)=Ax(t)+B1uo(t)+B2io(t)
y=Dx
式中:A=C-1/L1/L0;B1=1/L0;
B2=0-1/C;D=[1 0]
离散化状态方程,可以得到:
x(k+1)=Φx(k)+Γ1u(k)+Γ2io(k)
y(k)=Dx(k)
式中:
Φ=cos(ω0TS)(1/ω0C)sin(ω0TS)
-(1/ω0L)sin(ω0TS)cos(ω0TS)=
Φ11Φ12Φ21Φ22
Γ1=1-cos(ω0TS)
1ω0Csin(ω0TS)=Γ11Γ12
Γ2=-1ω0Csin(ω0TS)
1-cos(ω0TS)=Γ21Γ22
式中:TS为采样周期;ω0为二阶LC滤波器的谐振角频率。
由此得出的电压电流离散化状态方程为:
uo(k+1)=Φ11uo(k)+Φ12iL(k)+Γ11ui(k)+
Γ21io(k)
iL(k+1)=Φ21uo(k)+Φ22iL(k)+Γ12ui(k)+
Γ22io(k)
图2 逆变器等效电路及其控制策略框图
针对该逆变器所设计研究的控制方法:采用双闭环控制算法调节系统的动静态特性,内环采用无差拍控制方法,是一种能够瞬时控制电压的有效手段,对负载具有很强的适应能力,尤其对非线性负载,输出波形失真小,可以改善系统的动态响应特性;外环采用瞬时值的数字PI算法,输出电压的瞬时值信号直接反馈,与参考正弦电压比较,使输出电压稳定在设定值上,并抑制输出电压的畸变。两种控制算法能互相弥补各自控制上的不足,使系统得到较好的控制效果[7,8]。
2.2 电流内环
内环采用干扰无差拍控制策略,结合离散化状态方程和系统主电路图分析结果,可以得到无差拍控制实现方法为:
ui(k+1)=Γ12iref(k+2)-Φ22Γ12iref(k+1)-
Φ21Φ11Γ12uo(k)-Φ21Φ21Γ12io(k)-Φ21Γ11Γ12ui(k)-
Φ21Φ12Γ12iL(k)-Γ22Γ12io(k+1)
可以通过采用一个二阶预估方法对负载电流io(k+1)进行预估有:
io(k+1)=3io(k)-3io(k-1)+io(k-2)
而iref(k+1)可从外环控制算法中得出。
2.3 电压外环
电压外环采用增量式PI算法,其差分方程可以表示为:
Δu(k)=KP[(uref(k)-uref(k-1)]-[uo(k)-
uo(k-1)]+KI[uref(k)-uo(k)]
PI调节器性能的好坏取决于KP,KI的选取。PI参数可以从理论上算出,但是由于系统参数的扰动性,采用仿真调试的方法来确定具有更实际的价值。
2.4 PWM波的生成
通过预估算法得到正弦参考电流iref(k),再根据内环控制算法可以算出uI(k),从而得到开关的控制时间,即PWM的脉冲时间,从kTS~(k+1)TS的采样间隔内,IGBT的导通时间为[9]:
Ton(k)=ui(k)ETS
得到导通时间后,要进一步确定DSP中PWM输出寄存器的值。从而使DSP实现了对IGBT的通断时间的控制。
3 逆变器控制电路的仿真研究
搭建逆变器控制方法研究的仿真模型如下[10]:
主电路参数:电感L=10 mH,电容C=20 μF,额定阻性负载R=50 Ω,开关频率fS=1/TS=10 kHz,直流电源电压E=310 V,输出电压有效值uo=220 V,频率f=50 Hz。
逆变器的主电路由直流稳压电源模块、全桥开关管模块、LCR模块、电压、电流测量模块、信号输入模块等部分组成;电压外环采用Simulink模块库中的PI离散控制模块;电流内环采用S函数子模块。仿真结果如图3所示。
图3 阻性负载下输出波形
如图4所示,无论在阻性负载还是在感性负载下,闭环PID控制和无差拍控制相结合控制策略下的逆变器输出波形从谐波或动态性能上都优于普通的单环控制。负载如何变化,即使存在扰动的情况下,都能很快地调节负载电压和电流波形,输出稳定的波形,而且谐波失真度低。试验证明,该次设计取得了预想的成果。
图4 感性负载下输出波形
4 结 语
通过分析对在不同负载和不同环境下逆变电路的输出电压和电流波形,可以肯定该控制方法的可行性和优越性。
参考文献
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[2]刁元均.基于DSP的逆变电源数字控制技术的研究[D].成都:西南交通大学,2007.
[3]周志敏.逆变电源实用技术[M].北京:中国电力出版社,2005.
[4]曲学基,曲敬铠,于明扬.逆变技术基础与应用[M].北京:电子工业出版社,2007.
[5]Zhang Kai,Kang Yong,Xiong Jian.Repetitive Waveform Correction Technique for CVCF-SPWM Inverters [A].IEEE Trans.on PESC Conf.Rec[C].2000:153-158.
[6]Miura Y M,Matsukawa M,Nakano H.A Deadbeat Control Method for a PWM Converter Applied to a Superconducting Magnet [J].Fusion Engineering and Design,2001,58(59):57-62.
[7]Mario E Salgado,Diego A Oyarzun,Eduardo I Silva.H2 Optimal Ripple-free Deadbeat Controller Design [J].Automatica,2007,43:1 961-1 967.
[8]李巍,冀捐灶,郭庆,等.基于DSP的SVPWM逆变电源研制[J].继电器,2007,35(20):60-63.
篇9
【关键词】双动力场桥 超级电池 转场系统
一、课题背景
近年来，国内很多专业集装箱码头完成了场桥油改电工程，改造后场桥在箱区内的作业时使用市电，在转场过程中仍使用柴油发电机组，即所谓“双动力场桥”。场桥的转场仍需柴油发电机组完成，市电―柴电的频繁切换导致发动机磨损增加，场桥“零排放”未能实现，转场灵活性降低影响作业效率。为此，使用新能源设备进行转场成为油改点工程后各码头着手研究发展的课题之一。
二、系统可行性分析
系统可行性分析主要依据是场桥作业工况和技术参数，具体包括如下几个条件：
安装空间：系统需安装在独立机房内，称作电池机房。根据场桥空间确定电池房外形尺寸最大为2.2m（L）*1.5m（W）*2.6m（H）。
轮压负荷：根据场桥海陆两侧负荷情况进行轮压计算，确定电池房的最大重量4吨。
系统性能：首先满足在电池驱动下SOC保持在40%以上；其次连续转向20次；最后满足辅助设备不间断供电。
三、系统设计方案
在可行性分析的基础上得出系统设计的关键点包括储能元件、逆变电源、电气隔离、控制连锁和系统安全等因素。
（一）储存元件的选择。常用的动力系统储存元件主要为三种：传统的VRLA电池、锂离子电池和超级电池。三种元件的性能对比如下表所示：
如表一所示数据，综合考虑使用超级电池为系统的储存元件。超级电池共48节串联，单节电池电压12V，容量为120AH，最大放电电流可达到300A。电池组在10%SOC 时端电压为580V，在100%SOC时端电压为624V，满足系统要求。
（二）逆变电源的选择
根据场桥系统的要求，逆变电源的容量60KW、交流输入电压380VAC―480VAC、直流输入电压450VDC―750VDC、交流输出电压380VAC―480VAC，可是实现交直流输入在线“零缝隙”切换。
（三）系统设计的思路。为了使场桥改造后司机的操作不受太大影响，设计思路要从直流主电路接口、交流主电路接口和控制电路接口三个方面着手。直流接口作外接式，即将电池直流母线和场桥变频器直流母线外接，线路设置空气开关、接触器、二极管和保险等保护装置，使外界系统做到安全隔离。交流接口为嵌入式，即将逆变电源“镶嵌”在交流主电路中，同时设置旁路开关作为应急操作使用。控制接口设计到两套系统之间的I/O联络，逆变电源的控制和保护，直流母联的控制和保护，电池状态监测和维护以及场桥电池用电时的控制和保护等。
（四）直流主电路。电池系统的直流连接为外接式，直流母线正极安装二极管的目的是避免变频器对电池组进行充电，直流母线负极安装分流器进行电流采集、反馈和控制。
在电池侧的直流母线上安装了EPS（逆变电源）以供场桥系统控制电源和辅助设备以及电池系统辅助、控制电源使用。母线正极安装二极管，作用是除了截止电池不充电外，保证EPS交直流切换时供电不间断。
（五）交流主电路。电池系统和场桥系统在交流方面的连接方式为嵌入式，即将EPS嵌入接在辅助电路中。EPS交流进线来自场桥原电路，EPS输出分返回场桥辅助变压器供给场桥辅助电路和电池系统控制回路。
（六）控制回路
1.EPS启停控制。EPS启动命令包括维修用的上电开关和电瓶接触器触点，两个启动信号并联接入EPS的外部控制端子。EPS的停止是通过在停止端子上接入紧停开关来实现的。另外，EPS具有自我保护功能，故障情况能自动关断，同时反馈信号接入电池控制器用于切断直流母联。
2.直流母联控制。在使用市电/柴电作业的情况下，母联接触器断开，电池母线和变频器直流母线隔离；在使用电池转场作业时，电池控制器在检测到市电/柴电信号无、控制电源合信号有、电池电量充足信号有以及母联空气开关、电池状态良好等信号有的情况下，控制缓冲接触器和主接触器先后吸合，从而完成母联连接，上述任何条件的不满足，母联将关断。
3.充电控制。在使用市电/柴电作业的情况下，电池控制器检测到市电/柴电信号有即对电池进行充电。充电过程分为恒流充电和涓流充电，同时冷却风机间断周期开启，辅助电池房空调，为电池提供良好的环境温度。
四、系统改造
系统改造包括平台加固、电池房吊装、电气调试等工作：
（一）平台加固。在原平台14#槽钢框架的基础上，我们用14#槽钢框架叠了一层，对平台进行了加强改造， 同时在机房内侧使用150*100方管安装了机房的防撞护杠。
（二）平台布置方案。在满足元器件散热空间和维修空间的基础上，考虑配重平衡完成吊装。
（三）电气调试。安装完成后，根据系统控制功能和技术性能要求进行调试，启停控制、直流回路、交流回路、电池充放电以及极限工况测试均顺利通过，技术性能达成设计指标的要求。
篇10
关键词：直流高压；Buck；半桥逆变；倍压电路
中图分类号：TN-9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）10-2485-03
近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关直流电源，同线性电源相比较高频开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短。但由于高频高压变压器是高频高压并存，出现了新的技术难点：1）高频高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗变小，绝缘问题异常突出；2）大的电压变化比使变压器的非线性严重化，漏感和分布电容都增加，使其必须与逆变开关隔离，否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作，甚至会击穿功率器件；3）高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。鉴于上述情况，高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。该文的主要研究内容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计，以及系统仿真研究。
1 主电路设计
1.1 主电路的拓扑结构
这里主要介绍了一种基于BUCK调压的小功率高压电源。该电源能实现零电流软开关（ZCS），并能方便的调节输出电压，因为利用了高频变压器的寄生参数，从而避免了尖峰电压和电流。该电源的另一个特点是利用倍压电路代替了传统的二极管整流电路，减小了高频变压器的变比和寄生参数；尤其是主电路的控制采用了Buck电路和逆变电路的联合策略，可十分方便、灵活地进行电压调节；采用定频定宽的逆变电路可利用高频变压器的寄生参数实现谐振软开关。
1.2 BUCK电路工作原理
半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为1/2且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥逆变电路常用于几KW以下的小功率逆变电源。
2 控制电路分析及总结
通过该文高压电源的设计过程，可以得到以下结论：
1）针对系统要求输出电压为0-15KV，且输出功率为15W的情况，选用BUCK调压电路与桥式逆变电路相组合得到高频脉冲电压，后经过高频变压器和倍压电路完成升压和整流作用。
2）BUCK闭环环节使用光电耦合器HCNR201进行电压采样隔离，MOSFET的隔离驱动使用HCPL4504和UCC27321共同完成，保证驱动电路工作的有效性和安全性。
3）逆变电路的控制电路由芯片SG3535和IR2110共同完成。SG3525控制器集成了过压保护、过流保护、软启动、欠电压锁定、击穿短路保护等功能保证控制信号的准确性。SG3525输出的PWM信号通过两片IR2110后驱动逆变电路的两个桥臂，这保证了驱动信号间的死去时间，防止桥臂的直通现象。
4）电路设计中摈弃传统工频变压器升压模式，而采用高频变压器和倍压电路共同完成升压作用，在减小系统体积上有突出作用。
3 调试结果
4 结束语
本文介绍的一种基于BUCK调压的小功率高压电源，其特点是：1）采用了倍压电路，减小了变压器的变比，使其在工艺和制造上成为可能，并且能够在一定条件下实现零电流软开关，从而大大减小了开关损耗；2）该电源可以工作在110V、220V不同电压下，因为开拓了国内外市场；3）该拓扑结构简单，易于实现；4）该电源利用了DSP，实现了数字PI的实时控制，因而能良好的工作且实现远程通信。
参考文献：
[1] 王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2] 郑颖楠.开关电源技术[Z].燕山大学自编教材
[3] 王昌.创新型的基于软开关X射线电源系统[J].电力电子技术，2007，41（4）：58-60.