对竞赛题目进行分析,由于题目要求逆变器输出线电压的负载调整率低于0.3%,可见逆变器并联供电的时候必须保证输出线电压恒定。另一方面,题目要求两个逆变器在输出时能够做到功率分配的控制,也就说明逆变器必须也能够有效地控制各自的输出电流。需要同时实现并联系统三相输出的恒压和各逆变器的恒流控制,是本次竞赛题目的难点所在。下面则针对于本题的要求,对控制方法的方案设计进行讨论。
为了解决题目要求的对输出线电压的恒压控制,并做到对各个逆变器的恒流控制,可以考虑对两个逆变器采用不同的控制策略。对逆变器1做恒定线电压的闭环控制,在负载不变的情况下,并联系统输出的总电流是恒定的。在此基础上,对逆变器2做恒流并网控制,将逆变器1的输出视为主电网,控制逆变器2的输出并网电流恒定。那么只要使得逆变器2的给定电流与总电流之间保持一定的比例关系,就可以保证逆变器1和逆变器2的输出电流能够按照设定的比例分配。
但是对于两个逆变器的控制方案,也有多种选择,下面分开进行讨论:
方案一:采用单片机控制两个逆变器,在输出进行反馈两路电压电流信号进入单片机,采用PID算法控制定时器输出占空比,从而控制输出电流和电压,方法简单,容易实现。但是由于此题是属于并联供电系统,而单片机输出PWM占空比精度有限,可能导致两个逆变器之间压差过高,导致电流过大,或者导致输出电流不精准不稳定的现象。
方案二:采用硬件控制方法,利用dac产生3路相差互为120度的正弦调制波,逆变控制采用硬件反馈控制,输入需要调制波形,逆变输出就会跟随调制波形成比例输出。但是这样需要采集两路的电流有效值,通过控制DAC调制波的幅值,来控制逆变输出电流,通过两路测得的逆变输出电流有效值,来调整逆变输出电流比例。由于是硬件控制,所以控制速度够快,控制精度也能很高。
方案三:在两个逆变器的控制中,对逆变器1的恒压控制,通过采样并联系统输出线电压作为反馈,而采用数字PID对逆变器输出的线电压有效值进行闭环控制。而对于逆变器2的恒流并网控制,采用三相电流跟踪控制,而各相跟踪的参考信号,则通过采样逆变器1对应相输出的线电流输出获得。这样通过设置采样回路上的放大系数,就可以控制逆变器2的输出线电流保持与逆变器1相应线电流的比例关系。同时,由于逆变器1采用的是有效值闭环控制,所以其惯性系数大,更接近于电网惯性大的特点。而逆变器2采用瞬时值跟踪控制,惯性系数小,能够快速的对负载变化做出响应,提高了系统的动态响应特性。
方案二与方案三都是采用了硬件控制,理想效果也差不多,方案二需要3路DAC,现有的单片机中内置DAC通道不够,需要另外外加DAC,需要采集电流有效值,需要软件进行数据处理与控制。但是相比于方案二,方案三只需要三个电流互感器和三个放大器,就可以完成电流逆变输出的同频、同相、同比例。
综合以上分析,选择方案三。
2系统理论分析与计算所以输入电容可以选择的耐压值。
MOS管选择低导通电阻的IRF4310,其耐压值为100V 导通电阻=5.6mΩ
开关频率设定为36kHz,通过LC滤波,设计截止频率为1kHz。
由于需要输出为50Hz的交流信号,输出电容阻抗为,如果C取得很大,那么阻抗就很小,那么就会导致输出电压低,空载电流大,效率低等现象。所以取得47uf。根据公式:
得到输出电感为539mH,因为是输出需要的是并联供电,为了使我的逆变器有较好的控流能力,可以考虑加大一点电感,所以选取1mH的环型电感。
由于此逆变打算作为交流恒流源,所以输出电感打算在逆变器1的基础上增加一倍,所以选择2mH电感。
2.2 控制方法分析逆变器1主要采用软件PID控制方式。通过采集输出电压的有效值,反馈回单片机,由单片机控制SPWM占空比来实现闭环控制。
逆变器2主要采用滞环比较型电流跟踪法。如图1通过检测输出电流,把输出电流与参考信号进行误差放大,将误差放大信号送入滞回比较器,再将滞回比较器输出通过一个反相器形成一路互补的PWM波形,来控制mos管的开关,从而控制该相输出电流增大或者减小,通过电感对电流的扼制作用,电流不会变化的太快。而电感越小开关频率也会越高。此电路可以根据输入的参考信号,做到输出电流实时跟踪参考信号,硬件结构简单,控流能力强。
此系统中可以将逆变器1输出三相的线电流波形,通过电流互感器转换成信号作为图1中的、
、
,以U相来讨论:
设逆变器1的U相电流波形 、逆变器2的U相电流波形
,通过电流互感器,检测逆变器1的电流波形作为
:
(1)
而滞环比较电流跟踪逆变电路输出电流是可以跟踪波形,即
(2)
又因为输出电压为正弦波且负载为阻性,所以输出的总电流为正弦波,所以
由公式(1)(2)化简为:
所以输出总电流A为多少,输出电流比都为k*m 。k为逆变器1互感器电流采集系数,m为逆变器2滞环比较控制器电流反馈的系数.
3电路与程序设计系统总体框图如图1所示,主要包括两个三相桥式逆变,逆变器1控制器、逆变器2控制器。其中逆变器1控制器由单片机最小系统,电压电流有效值采集电路,辅助电源组成。逆变器2控制器则由三个滞环比较控制电路与交流电流采集模块组成。逆变器1在并联的时候主要起到交流恒压的作用,使三相输出线电压恒定在24V。逆变器2在并联的时候起到了控流作用,逆变器2实际上属于一个交流恒流源,输出线电流的大小与输入的参考信号成比例关系,通过参考信号可以控制逆变器2输出线电流的大小。而在此系统中,以逆变器1的三相输出线电流作为参考信号,既可以保证逆变器2的输出能保持与逆变器1同频同相,还能够保证逆变器1和2输出电流比恒定。
1A时 | 逆变器1 | 逆变器2 |
1:1 | 0.537A | 0.499A |
1:2 | 0.700A | 0.337 |
3A时 | 逆变器1 | 逆变器2 |
1:1 | 1.550A | 1.525 |
1:2 | 2.042A | 1.016A |
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