SPWM逆变器双环数字控制技术研究.pdf

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羔竖!

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呈Q3东南大学硕士学位论文SPWM逆变器双环数字控制技术研究研究生姓名：

筮发蛊导师姓名：

王盒查塾援金篷洼塾援申请学位级别王堂亟学科专业名称电氢王捏论文提交日期学位授予单位盔直太堂学位授予日期答辩委员会主席陵要塾援评阅人隆重越!

韭靖副塾拯2014年6月本论文获国家自然科学基金重点项目“定子永磁型风力发电系统关键基础问题”（51137001）资助。

万方数据ResearchonDual100pDigitalControlTechniqueforSPWMInvertersAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheProfessionalDegreeofMasterofEngineeringBYXUFaxiSupervisedbyProfWANGNianchunandYUHaitaoSchoolofElectricalEngineeringSoutheastUniversityJune2014万方数据东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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皇东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。

除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。

论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。

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二笔貉期：

亏摊4，I毕6万方数据摘要摘要社会的发展离不开能源，随着能源危机、环境污染等问题的日益严峻，研究清洁、高效、安全的新能源成为世界各国的共识。

逆变技术是实现各种能量转换的关键环节，逆变系统的输出波形对新能源的并网质量有很大的影响。

本文对单相全桥SPWM逆变器进行了系统建模，重点研究了数字双闭环控制技术，使得逆变系统的输出波形具有较好的动、静态性能。

本文首先介绍了逆变系统的组成，确定采用推挽式电路进行前级DCDC变换，采用单相全桥逆变电路进行后级DCAC变换，在此基础上给出了系统的总体设计方案。

介绍了SPWM控制技术的工作原理，确定采用单极性倍频方式作为逆变器开关管的驱动信号。

为提高逆变器的输出性能，本文对单相全桥逆变器建立了数学模型，得到了基于状态空间理论的数学表达式，并分析了影响其输出性能的原因。

逆变器开环空载情况下阻尼比较小，系统容易发生震荡，为此必须要对其进行闭环控制。

在分析比较了几种常用的控制策略的基础上，本文确定的双闭环控制方案中，内环采用电感电流，外环采用逆变器输出电压，同时引入负载电流作为系统的前馈量，并使内、外环均采用PI调节器。

这种控制方案能使逆变器输出波形具有高稳定性和快速性的同时，还能对逆变器进行快速的限流保护。

本文给出了逆变器进行双闭环数字控制时的系统传递函数，并介绍了利用状态空间理论求取PI参数的详细过程。

逆变器的样机平台由主电路、控制电路、驱动隔离电路、信号采样电路、以及保护电路等环节组成。

本文设计了部分硬件电路，选用STM32F103作为系统控制芯片，介绍了部分软件控制流程以及SPWM驱动波形的实现方法。

在MATLABSMULINK中搭建逆变系统仿真模型，给出了详细的仿真参数，得到了逆变系统在不同负载环境下的输出电压、电流的仿真波形。

最后在逆变器硬件平台上进行了相关实验，并给出了具体的实验波形。

通过对比输出波形的稳态精度、总谐波失真率（THD）以及动态响应速度，实验与仿真结果基本一致，进一步验证了理论分析的正确性。

关键词：

逆变器；SPWM；双环控制；数字控制；状态空间；万方数据一一些!

坚!

一AbstractSocialdevelopmentisinseparablefromtheenergyWiththeincreasingly鲥mproblemsofenergycrisisandenvironmentalpollution，theresearchofclean，efficientandsafeenergysourceshasbecometheconsensusofthewholeworldInvertertechnologyplaysanimportantroleintherealizationofavarietyofenergyconversions，andtheoutputwaveformoftheinvertersystemhasagreatimpactonthe班dqualityofthenewenergyThesystemmodelisestablishedonthesinglephasefullbridgeSPWMinverterinthisthesis，andthedoubleloopdigitalcontroltechnologyisresearched，whichcanmaketheoutputwaveformoftheinvertersystemhavebeaerdynamicandstaticperformancesThecompositionoftheinvertersystemiSfirstlydescribedinthisthesis，thenitisdeterminedthatapushpullconvertercircuitisadoptedintheformerDCDCpartandasingle-phasefull-bridgeinvertercircuitisadoptedinthelaterDCDCpart，onthebasisofwhichtheoveralldesignschemeofthesystemisgivenTheworkingprincipleoftheSPWMcontroltechnologyareintroduced，anditisdeterminedthattheunipolar行equencydoublingmodelisadoptedasthedrivesignaloftheinverterswitchingtubeInordertoimprovetheoutputperformanceoftheinverter，themathematicalmodelsofthesingle-phasefullbridgeinverterareestablished，themathematicalexpressionsbasedOilthestatespacetheoryaregivenandthefactorsaffectingtheoutputperformanceareanalyzedTheinverterdampingratioisrelativelysmallunderopen-loopno-loadconditionandthesystemispronetoshocks，forwhichtheclosedloopcontrolmustbeadoptedBasedontheanalysisandcomparisonoftheseveralcommoncontrolstrategy,thedoubleclosed-loopcontrolschemeisadoptedwithforwardfeedbackofloadcurrentandinner-loopinductorcurrentouter-loopoutputvoltage，andthePIregulatorsareadoptedintheinnerandouterloop，whichcanmaketheinverteroutputwaveformhavehighandfaststabilityperformanceswiththequickcurrentlimitingprotectionoftheinverterThesystemtransferfunctionisgiveninthedoubleclosedloopdigitalcontroloftheinverter,andthedetailedprocesstOobtainPIparametersisintroducedwithstatespacetheoryTheprototypeplatformoftheinverteriscomposedofsomesectorssuchasmaincircuit，controlcircuit，driveisolationcircuit，andsignalsamplingcircuit，protectioncircuitandSOonSomehardwarecircuitisintroducedinthisthesis，STM32F103isselectedasthesystemcontrollerchipandsomesoftwarecontrolprocessesandtherealizationmethodofSPWMdrivewaveformaredescribedThesimulationmodelofinvertersystemisestablishedinMatlabSimulink，thedetailedsimulationparametersarcgivenandthesimulationwaveformsoftheoutputvoltageandcurrentoftheinvertersystemareobtainedundervariousloadingconditionsFinallytherelativeexperimentisrealizedintheinverterhardwareplatform，andthespecificexperimentalwaveformsaregivenBycomparingthesteadyprecisionoftheoutputwaveform，totalharmonicdistortion（THD）andthelT万方数据东南大学硕士学位论文dynamicresponsespeed，theexperimentalresultsarebasicallyconsistentwiththesimulationresults，whichCallfurtherverifythevalidityofthetheoreticalanalysisKeywords：

inverter；SPWM；doubleloopcontrol；digitalcontrol；statespace；III万方数据目录目录摘要IAbstract。

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II目录IV第一章绪论l1I课题研究背景112电力电子技术的发展213逆变器的种类及应用范围314逆变器数字控制技术的发展现状515本文主要研究内容8第二章逆变系统总体结构设计921逆变系统的组成922直流升压电路结构设计923逆变电路结构设计1124逆变系统总体设计方案12241逆变系统总体设计框图12242逆变系统控制目标1325本章小结14第三章逆变器数学模型分析1531S硎的工作原理。

1532SPWM的实现方法。

15321SPWM模拟化产生方法15322SPWM数字化产生方法1833单相全桥SPWM逆变器数学模型分析2l34影响单相全桥SPWM逆变器性能的因素2335本章小结26第四章逆变器双闭环控制器设计2741逆变器开环空载系统分析2742PID控制基本工作原理2743逆变器闭环控制策略分析30431输出电压单环PID控制方案30432电感电流内环输出电压外环控制方案31433电容电流内环输出电压外环控制方案32434带负载电流前馈的双闭环控制方案3344双闭环数字控制器设计一33441双闭环数字控制器传递函数的求取33442双闭环数字控制器PI参数的求取一3745本章小结一39第五章单相全桥SPWM逆变器DCAC环节设计4l51DCAC硬件电路设计4l511逆变系统控制芯片选择41512功率开关管选型及驱动电路设计4l5。

13信号采样电路设计4252逆变系统软件设计45521系统控制芯片功能介绍及端口配置45IV万方数据东南大学硕士学位论文522系统软件结构总体设计46523系统AD采样程序设计46524SPWM驱动波的软件设计47525逆变系统稳压程序设计5053本章小结。

5l第六章仿真与实验结果一5261逆变系统仿真模型一5262仿真结果5363实验结果5764本章小结59第七章总结与展望6171全文总结一6172研究展望一62至5【谢。

63参考文献64攻读硕士学位期间已发表或录用的论文68攻读硕士学位期间参与的项目69V万方数据第一章绪论11课题研究背景第一章绪论人类社会的生存和发展离不开能源，能源安全深刻影响着国计民生，更成为世界各国战略部署的重要依据。

“十一五”期间，我国能源领域技术不断革新，对能源的利用率快速提高，能源产业不断完善，能源利用情况如表1所示，2010年电力装机容量世界第二，一次能源生产总量更是连续五年处于世界第一的水平，能源的安全、高效利用为经济社会的可持续发展做出了巨大贡献。

表1“十一五”国家能源发展成就随着社会的不断发展和进步，人类对于能源的需求也在快速增长。

一方面一些发达国家对能源资源的高消耗模式短期内难以改变；另一方面随着发展中国家工业化和现代化步伐加快，对能源的利用明显快速增加。

全球在以煤炭、石油等化石燃料为代表的传统能源储量有限的情况下，能源资源的紧张局面将不可避免，储量有限与总体需求高速增长的矛盾会长期存在且日益突出。

当前，我国已进入工业化、城镇化快速发展的关键阶段，传统能源在为人类社会的发展和进步不断注入活力的同时，也加剧了环境的恶化，影响着人类赖以生存的地球，温室效应愈演愈烈，全球气温反复无常，国内出现的多个雾霾天气也是人们感受最深的案例。

气候变化问题涉及全球各国核心利益，已成为国际社会诸多博弈中的重要一环，围绕排放权和发展权的谈判日益激烈。

发达国家在经历了低利用率和高污染的历史时期后，不仅利用自身技术和资本优势，加快发展新能源、低碳等环保产业，严控碳排放，强化其竞争优势地位，还通过设置多种环境标准，不断挤压发展中国家的发展空间。

作为世界上最大的发展中国家，我国在全面深化改革产业结构的同时，也面l临着沉重的低碳、减排压力。

由于我国是世界上人口最多的国家，能源资源的可用量严重不足，人均油气剩余量还不到世界平均水平的十分之一。

在常规能源中，新增天然气的产量与持续高位的需求相比，只万方数据东南大学硕士学位论文能满足其三分之一；我国石油的年产量大约为2亿吨，更是远远达不到社会的需求量。

对能源资源的超强度开采、无序管理、以及粗放式发展导致我国能源安全形势日益严峻。

国际形势日新月异、复杂多变，地缘政治、金融危机、军事变革、恐怖威胁、海洋领土争端、全球气候变化等对国际能源形势影响突出，全球能源分配的不确定性进一步加深。

面对国内外的双重压力，探索具有清洁、高效、安全的新能源成为我国的急迫任务。

当前，太阳能、风能等可再生能源以其绿色、环保、分布广泛、使用方便等诸多优点成为新能源发展的重点2】。

在传统能源持续紧缺以及环境污染日益加剧的今天，大力发展可持续利用的新能源，对于缓解能源危机、保护环境、促进世界和谐发展等方面具有深远意义，可以预见，可再生新能源必将成为一个新的推动社会发展和进步的强大力量。

12电力电子技术的发展电力电子器件的不断更新和成熟为电力电子技术的快速发展奠定了坚实的基础。

大约在上个世纪的三十和四十年代，人们就已经开始使用接触器、电抗器、闸流管、汞弧整流器等装置对电能进行变换和控制，五十年代初期，汞弧整流器己经开始被普通整流器SR取代并随后得到广泛应用【31。

由于很多以晶闸管为核心的装置都是应用在强电电路中，第一个反向阻断型可控硅SCR在五十年代末期的成功问世，不仅突破了当时的功率变换能力，还开启了以弱电控制强电进行功率变换的先河，电力电子技术由此进入了功率变换领域，在世界范围内引起了一场广泛、深刻的技术变革，随后开启了电力电子技术的真正大范围应用和快速发展。

之后的二十多年中，由于科学家们不断提高晶闸管的功率等级、改善其各方面的性能，晶闸管的应用范围不断扩大，已经出现了诸多成熟、可靠的系列产品，其性能遍及从高电压大电流到低电压小电流的各个需求层次。

应用于电动机的传动系统以及其他各种功率型号的能量转换装置在此期间得到了快速的发展。

到七十年代的后期，电力电子器件呈现出高速、大电流、全控以及集成化的特点，这些单极型、双极型以及混合型的多功能器件的问世，标志着电力电子进入了新的现代化集成阶段。

电力电子器件的不断发展会对各种传统电路结构的改进产生深刻的推动作用，新的结构紧凑的变流电路也在此时不断涌现出来，这些新型电路一般都具有便于控制、动静态性能好、功率增益较高的优势，从而大大提