SPWM逆变器双环数字控制技术研究

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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DC-DC变换,采用单相全桥逆变电路进行后级DC-AC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MATLAB/SIMULINK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。
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