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采用双闭环PI和重复控制方案实现三相逆变器设计

三相逆变器作为现在一种常用的电力电子设备,对输出电压节制系统需同时实现两个目标:高动态相应和高稳态波形精度。诸如PID、双闭环PID、状态反馈等节制规划,虽然能实现高动态特点,然则不能满意高质量的稳态波形。

本文利采纳双闭环PI和重复节制相结合的节制规划,首先用双闭环PI节制算法,获得高动态特点的三订交流电,不过不能满意高质量的稳态波形,由于用电压质量要求对照高的非线性负载———镇流器是电感式的钠灯作为三相逆变器的负载时,钠灯不能稳定的事情(会高频率地闪烁),针对这一问题,在双闭环PI的根基上加重复节制补偿,建立MATLAB 仿真,并在双DSP+FPGA 硬件架构中高效正确的实现。实验结果注解,加上重复节制补偿后,钠灯能够稳定的事情,三相逆变器的稳态机能获得了很大年夜的改良。

1 、三相逆变器数学模型的建立

三相LC逆变器的主电路拓扑如图1,组成部分主要有三相逆变桥、三相滤波电感L、三相滤波电容C 。

图1 LC 三相逆变器的主电路拓扑

定义三相逆变器负载侧输出电压为uoA、uoB、uoC,输出电流为ioA、ioB、ioC,三相逆变器电感L 侧输入电压为uA、uB、uC,输出电压为uoA、uoB、uoC,流过电感的电流为iaL、ibL、icL。

以电感电流和输出电压为状态变量,建立在三相静止坐标系中的状态空间表达式如下。

状态方程为:

输出方程为:

dk-调节器输出的调制旌旗灯号。

以上为三相逆变器的静止坐标系中的数学模型,下面评论争论其解耦模型。

引入如下三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换关系式:

将式(3)代入式(1),即可获得在两相静止坐标系下节制工具的通报函数表达式如下:

从上面的节制工具的通报函数表达式可知,α轴和β轴已经完全解耦,各自等效为单相半桥逆变器。

从上面的阐发可以看到:①在两相静止坐标系下,三相逆变器是完全解耦的,可等效为两个单相半桥逆变器。②三相解耦后的模型与单相逆变器模型相同,以是三相逆变器的节制的阐发与设计措施可以借鉴单相逆变器。

2 双闭环PI节制器的设计

2.1 电流环节制器的设计

节制系统的内环的节制工具是滤波电感,特征是频带宽、相应速率快,比例调节P即可以满意要求。别的,为了抵消布局电压负反馈的影加上输出电压正反馈:

(1)电流环比例调节器的设计步骤1)看开环通报函数的波特图是否满意要求;2)看闭环通报函数的波特图是否满意要求。

(2)设计电流环截止频率时,有2条履行准则1)从节制系统内外环分工考量,为了加快动态相应,电流环闭环截止频率要比外环的截止频率高且尽可能的高,并采纳没有延时的比例调节;2)从节制系统的履行机构考量,电流内环闭环截止频率要比电力电子器件的开关频率低。三相逆变器的电感L=0.19mH,代入(8)式获得开环的幅频特点函数:

2.2 电压环节制器的设计

三相逆变器的外环电路采纳电压负反馈,为了抵消布局电流负反馈的影响,加上输出电流负反馈。可得:

3 基于重复节制补偿的高精度PID节制

3.1 重复节制道理

重复节制这天本的lnoue 于1981 年首先提出来的,其道理滥觞于内模道理,加到被控工具的输入旌旗灯号除误差旌旗灯号外,还叠加了一个“以前的节制误差”,该误差时上一周期该时候的节制误差。把上一次运行时的误差反应到现在,和“现在的误差”一路加到被控工具进行节制,这种节制要领,误差重复被应用,称为重复节制。颠末几个周期的重复节制之后可以大年夜大年夜前进系统的跟踪精度,改良系统品德。

重复节制中,一样平常期望重复节制感化在高频段的增益减小。为此,在重复节制中常常加入低通滤波器Q(s)。本节制措施取:

3.3 重复节制补偿的PID节制仿真及其结果

阐发重复节制+双闭环PI在Simulink仿真中重复节制用的是Transport Delay模块,比例系数K取10,低通滤波器截至频率取1500Hz 即

如图6,加上重复节制后从第3个周期开始输出旌旗灯号yout跟能正确地跟踪输入旌旗灯号rin,如图7,位置跟踪偏差越来越小,在第4个周期偏差不再减小。

4 双DSP+FPGA三相逆变器的硬件设计

双DSP+FPGA 节制系统功能如图8。

图8 为三相光伏逆变器的节制布局框图,逆变器的主控电路采纳“双DSP+FPGA”布局,DSP 即数字旌旗灯号处置惩罚器,采纳Tl公司的TMS320F2812 芯片。FPGA 即现场可编程逻辑门阵列,采纳XlLlNX公司的芯片。本设计采纳的DSP芯片是一款定点型DSP,具有强大年夜的数据运算能力,主频最高达150MHz,广泛利用于节制领域。FPGA具有强大年夜的逻辑运算能力,能并行快速进行多组逻辑判断,根据DSP 和FPGA 的功能特征,作以下功能分配,两片DSP芯片分手为DSPA、DSPB。

FPGA主要有四方面功能:一是节制AD 转换芯片,对外部CT/PT及疗养电路后的电压电流旌旗灯号进行模数转换并读取结果,同时把结果传送给DSPA 和DSPB; 二是作为DSPA和DSPB之间的数据互换通道;三是PWM 旌旗灯号输出;四是进行故障检测及IO输出。DSPA主要认真与人机界面通讯及数据治理。DSPA读取FPGA 中的电压电流数据和故障状态等信息在人机界面中显示,以及传送人机界面中的敕令。DSPB主要认真重复补偿节制+双闭环节制算法的实现,节制输出电压电流的稳定。

5 实验结果及其阐发

THD是查验逆变器机能的一个紧张指标,本文用THD和带电感式镇流器的钠灯能否正常事情来验证三相逆变器的机能。5.1 THD 实验结果

如图9 为双闭环PI节制算法带钠灯的电压电流波形,图10 为双闭环PI 节制算法的电压THD。用双闭环PI节制带钠灯,电压的THD对照大年夜,为3.57%,而且负载电流畸变对照严重。

如图11 为在双闭环PI 根基上加上重复节制带钠灯的电压电流波形,如图12 为在双闭环PI根基上加上重复节制的电压THD。由图11、图12 可得结论:使用双闭环PI节制+重复节制带钠灯, 电压的THD比纯真用双闭环PI节制要小得多,为1.30%,而且负载电流畸变对照小。

5.2 钠灯实验结果

采纳双闭环PI节制算法实现的三相逆变器,带钠灯时会不绝地闪,钠灯不能稳定事情,当加上重复节制后,钠灯不会闪烁,能够稳定地事情。

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