空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的三相儲(chǔ)能逆變器的研制

岑國(guó)英，張 志，吳育寧，鐘詠鍇，范乾烜，張森磊

（東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523808）

1 三相儲(chǔ)能逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理

近年來(lái)，分布式發(fā)電逐漸占領(lǐng)集中式發(fā)電的部分市場(chǎng)份額。與傳統(tǒng)集中式發(fā)電相比，分布式發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)為發(fā)電效率高、利用的能源種類多、經(jīng)濟(jì)性高、環(huán)保性好。而限制分布式發(fā)電快速占領(lǐng)市場(chǎng)的最大難題在于其間歇性發(fā)電特性，儲(chǔ)能逆變器是確保持續(xù)供電的首選解決方案。

綜合考慮各種影響因素，本設(shè)計(jì)的主電路拓?fù)溥x用三相兩電平逆變電路拓?fù)?。由圖1可知，三相兩電平逆變電路有3個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由2個(gè)開關(guān)管組成，同一橋臂的2個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)導(dǎo)致直流電源短路。理想情況下，同一橋臂的2個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)是互補(bǔ)的，即當(dāng)1個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，另1個(gè)開關(guān)管也同時(shí)關(guān)斷。當(dāng)同一橋臂開關(guān)管為互補(bǔ)前提條件時(shí)，6個(gè)開關(guān)管可以組成8種排列組合，即三相橋式電路的開關(guān)狀態(tài)共有8種，公式為

式中：Sx為單極二值邏輯函數(shù)。開關(guān)管的8種工作模式如表1所示。

表1 三相儲(chǔ)能逆變器開關(guān)管工作狀態(tài)

通過不同開關(guān)狀態(tài)的排列組合，即可使三相儲(chǔ)能逆變器輸出三相對(duì)稱正弦波形。如圖1所示，以直流側(cè)電源電壓的1/2為參考電平，逆變電路導(dǎo)通順序?yàn)?VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。由電路可以推出線電壓均為矩形波，相位差120°，幅值為Ud。相電壓均為6階梯形波，幅值為。

圖1 三相兩電平逆變電路拓?fù)?/p>

輸出線電壓的傅里葉表達(dá)式為

輸出相電壓的傅里葉表達(dá)式為

輸出線電壓有效值為

輸出相電壓有效值為

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)如圖2所示，主拓?fù)涫褂萌鄡?chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體逆變橋由6個(gè)功率開關(guān)管構(gòu)成，交流側(cè)三相電感選用5 mH電感，直流側(cè)并聯(lián)穩(wěn)壓電容。負(fù)載使用水泥電阻，該電阻在工作的同時(shí)迅速散熱，對(duì)于高溫具有較高的抗性。輔助電源輸入電壓為直流24 V，可產(chǎn)生控制系統(tǒng)所需的各種電壓，為主控電路、顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路和采樣電路供電。主控電路的芯片為TMS320F28035，該芯片通過采樣電路采集所需的電壓電流數(shù)據(jù)，然后對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算。算出各個(gè)橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間后，輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路放大后控制開關(guān)管，從而完成硬件電路的控制。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 DSP主控電路的設(shè)計(jì)

主控電路包含LM1117-3.3 V電壓轉(zhuǎn)換電路，可將輔助電源的5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，進(jìn)而為芯片供電。10 MHz晶振構(gòu)成的振蕩電路與芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)電路進(jìn)行倍頻和分頻后為芯片工作提供60 MHz的主時(shí)鐘。芯片內(nèi)部產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)帶負(fù)載能力較差。為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度，在主控電路和驅(qū)動(dòng)電路之間增加了非門芯片ULN2003。該芯片還可以起到隔離作用，為主控芯片額外提供一層保護(hù)。

2.2 輔助電源的設(shè)計(jì)

在三相儲(chǔ)能逆變器系統(tǒng)中，不同的電路模塊需要不同的電源電壓。例如，采樣電路需要正負(fù)12 V電源電壓，驅(qū)動(dòng)電路需要具有一定幅度的高頻方波信號(hào)。若是分別用獨(dú)立電源為每個(gè)電路供電，會(huì)使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，實(shí)用性大大降低。為了解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)將各個(gè)電源電壓轉(zhuǎn)換電路集中到一起，統(tǒng)一為系統(tǒng)各個(gè)模塊供電。輔助電源板輸入24 V直流電壓，輸出正負(fù)12 V和正5 V電壓以及高頻方波信號(hào)。

該輔助電源采用的是帶變壓器隔離的反激電路拓?fù)?，分為原邊電路、副邊電路、主控電路和反饋電路。原邊和副邊電路如圖3所示，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，一次側(cè)電路電動(dòng)勢(shì)上正下負(fù)，二次側(cè)電路電動(dòng)勢(shì)上負(fù)下正，二極管關(guān)斷，輸出電壓由電容C提供，變壓器儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，一次側(cè)電路電動(dòng)勢(shì)上負(fù)下正，二次側(cè)電路電動(dòng)勢(shì)上正下負(fù)，二極管導(dǎo)通，反激電路同時(shí)為負(fù)載和電容C供電。

圖3 反激拓?fù)?/p>

在反饋電路中，采集變壓器副邊的輸出電壓作為反饋輸入，將其與給定的12 V作比較，當(dāng)副邊的輸出電壓變化時(shí)，TL2845輸出的PWM波也會(huì)改變，從而穩(wěn)定輸出電壓。

3 三相儲(chǔ)能逆變器的雙閉環(huán)控制策略

本文采用的調(diào)制方式為空間矢量脈沖寬度調(diào)制（Space Vector Pules Width Modlation，SVPWM），SVPWM 調(diào)制方式運(yùn)用了平均值等效的原理，也就是在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)將各個(gè)基本電壓矢量結(jié)合起來(lái)，用這個(gè)平均值來(lái)等效給定參考電壓矢量。在某一時(shí)刻，理論電壓矢量會(huì)旋轉(zhuǎn)到一個(gè)可知的位置，這時(shí)可以利用其所在區(qū)域的2個(gè)相鄰非零矢量和1個(gè)零矢量在時(shí)間上的不同組合得到。每個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間可以在同一時(shí)刻作用，也可以在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分多次作用。這樣通過對(duì)相關(guān)矢量的選擇和對(duì)它們作用時(shí)間的控制，就可以精確地跟蹤到參考電壓矢量，在空間形成準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而獲得標(biāo)準(zhǔn)的正弦輸出波形。該控制方法開關(guān)損耗較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且電壓利用率可高達(dá)100%。

本研究的電壓電流雙閉環(huán)控制策略如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)先是采集AB相和BC相的線電壓，然后計(jì)算求得空間電壓矢量在三相靜止坐標(biāo)系下投影到實(shí)軸和虛軸的數(shù)值，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓矢量。電壓外環(huán)將給定的電壓矢量與輸出電壓的電壓矢量進(jìn)行比較，并通過PI控制器將輸出電壓矢量調(diào)整至給定的電壓矢量。電壓環(huán)的PI控制器輸出值又再次作為電流環(huán)的給定值，與電感電流矢量作比較，通過電流環(huán)的PI控制器后輸出電壓矢量，作為SVPWM模塊的輸入空間電壓矢量，計(jì)算得到各個(gè)開關(guān)管的占空比并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)三相儲(chǔ)能電路的開關(guān)管，從而得到正弦輸出電壓。

圖4 系統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略

4 三相電壓型逆變器的MATLAB仿真與實(shí)驗(yàn)波形分析

本研究的三相儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示，具體元器件參數(shù)為：直流側(cè)電壓源電壓為24 V，交流側(cè)輸出線電壓有效值為18 V，3個(gè)電感均為5 mH，三角形連接的3個(gè)電容均為100 μF，星型連接的負(fù)載電阻均為10 Ω。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

圖6 交流側(cè)輸出線電壓波形

改變負(fù)載可以改變輸出電流的大小，圖7為當(dāng)帶1 A負(fù)載時(shí)，輸出電流有效值的波形圖。故可推出仿真的三相儲(chǔ)能逆變器可以帶0～1 A負(fù)載。

圖7 逆變器帶1A負(fù)載時(shí)電流有效值波形

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果為三相儲(chǔ)能逆變器成功將24 V直流電壓逆變成線電壓有效值為18 V的正弦波電壓，可以帶0～1 A負(fù)載。通過仿真和實(shí)驗(yàn)輸出波形的分析，驗(yàn)證了本方案的正確性和可行性。

5 結(jié) 論

本文以TMS320F28035作為系統(tǒng)的主控制芯片，展開了一個(gè)采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的三相儲(chǔ)能逆變器的研制，以下為本文主要研究?jī)?nèi)容：（1）分析三相儲(chǔ)能逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理；（2）介紹系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)；（3）分析基于電壓電流雙閉環(huán)控制的控制策略；（4）通過MATLAB仿真驗(yàn)證本方案的正確性與可行性。