1 引言

　　傳統(tǒng)化石燃料的短缺，以及使用時帶來的全球性環(huán)境污染與氣候改變，已經(jīng)危及到大多數(shù)生物物種乃至人類自身的生存，對可再生新能源、清潔能源的開發(fā)利用已經(jīng)得到世界各國的重視[1]。將新能源和可再生能源經(jīng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出電能再輸送到電網(wǎng)上，需要經(jīng)過接口裝置并網(wǎng)逆變器。因此并網(wǎng)逆變器的性能直接影響了能源的利用率和電網(wǎng)電能的清潔度。并網(wǎng)逆變器的性能關(guān)鍵在于控制技術(shù)的優(yōu)劣。采用正弦波電流波形控制技術(shù)的電壓型并網(wǎng)逆變器由于使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，可以運行于單位功率因數(shù)，并且電流波形畸變小、諧波含量低，具有優(yōu)良的動靜態(tài)控制性能，實現(xiàn)了能源的清潔變換，在單相電壓型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中使用廣泛。

　　本文介紹了一種基于限頻式滯環(huán)電流控制的雙閉環(huán)單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)滯環(huán)控制頻率不固定的問題。本文使用microchip公司出產(chǎn)的高性價比微控制器dspic30f2010作為單相電壓型并網(wǎng)逆變器的控制單元，以獲得優(yōu)良的控制性能，相對于目前應(yīng)用廣泛的微處理器控制，降低了系統(tǒng)的成本。

　　2 單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

　　單相電壓型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)主電路采用pwm調(diào)制方式控制能量流動，因此又叫做pwm逆變器，模型如圖1所示。pwm逆變器能工作于4個象限，能量能雙向流動。以交流電網(wǎng)電動勢矢量的終點為圓心，以交流側(cè)電感電壓矢量為半徑作圓，得到pwm逆變器并網(wǎng)運行的矢量關(guān)系圖，如圖2所示。當控制交流側(cè)電流矢量使其完全與電網(wǎng)電動勢反相時如圖2(b)，pwm逆變器完全工作在有源逆變狀態(tài)，成為并網(wǎng)逆變器[2]。為交流側(cè)電壓矢量，為交流側(cè)電流矢量。

　　3 系統(tǒng)控制策略

　　3.1雙閉環(huán)控制

　　并網(wǎng)逆變器的控制目標是控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的高質(zhì)量與電網(wǎng)電壓同頻反相的正弦波[3]。本文的單相電壓型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)采用典型的電壓電流雙閉環(huán)控制策略[4]。其控制框圖如圖3所示。

　　雙閉環(huán)控制具有較好的動態(tài)特性和較強的抗擾動能力的優(yōu)點。電壓外環(huán)將采集的直流側(cè)電壓與基準電壓ur比較，通過控制使直流側(cè)電壓保持在ur左右;其差值經(jīng)pi調(diào)節(jié)放大后，與電網(wǎng)同步信號相乘得到電流基準信號，電流基準信號再與網(wǎng)側(cè)采樣的電流作差，通過滯環(huán)比較生成pwm信號，控制逆變橋式電路工作，使逆變器輸出與電網(wǎng)電壓反相的正弦波電流，實現(xiàn)逆變運行。

　　3.2限頻式滯環(huán)電流控制方式

　　為實現(xiàn)高精度的電流控制，采用電流跟蹤型的單極性滯環(huán)比較電流控制方式。傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制最大的缺點是開關(guān)頻率不固定，造成電路濾波參數(shù)設(shè)計困難、功率模塊應(yīng)力及開關(guān)損耗增大等問題。文獻[5]通過對滯環(huán)電流控制算法的原理和開關(guān)頻率波動的原因進行分析，提出了基于積分法的定頻算法，在保持滯環(huán)電流控制算法優(yōu)點的同時，較好實現(xiàn)了滯環(huán)開關(guān)頻率的穩(wěn)定。文獻[6]提出一種準固定頻率的滯環(huán)電流控制方法，將滯環(huán)比較輸出頻率與給定的固定頻率比較，通過實時調(diào)整滯環(huán)的寬度來改變控制周期，以達到開關(guān)頻率基本固定的控制結(jié)果。

但是定頻式滯環(huán)電流控制需要進行復(fù)雜的矩陣運算，對運算速度有限的單片機數(shù)字控制系統(tǒng)不利。準固定頻率的滯環(huán)電流控制需要外加模擬測頻電路，增加了電路的成本。

　　本文采用了一種限頻式的滯環(huán)比較電流控制方式。限頻式滯環(huán)控制方法，就是不采用明確的滯環(huán)寬度，而是通過設(shè)置采樣頻率fc，限制開關(guān)頻率fs的最大值不超過fc的1/2 。其控制原理如圖4所示。

 

　　采用單極性同頻調(diào)制方式，圖4中給出了開關(guān)管v1和v4的驅(qū)動波形，v2的驅(qū)動波形與v1相反，v3的驅(qū)動波形與v4相反。當v1為高電平時，交流側(cè)電流波形處于正弦波正半周，當v1為低電平時，交流側(cè)電流波形處于正弦波負半周。

　　以采樣周期tc作為驅(qū)動信號的最小時基，系統(tǒng)每一次采樣將電流采樣值if與基準值ir比較。若if小于ir，則v4導(dǎo)通，使電流增大，若v4在前一時刻已經(jīng)導(dǎo)通，則此時持續(xù)導(dǎo)通，如圖中t1時刻所示;若if大于ir，則v4關(guān)斷，使電流續(xù)流減小，若v4在前一時刻已經(jīng)關(guān)斷，則此時持續(xù)導(dǎo)通，如圖中t2時刻所示。而v4驅(qū)動波形每翻轉(zhuǎn)兩次為一個開關(guān)過程，由此限制了最開關(guān)頻率不會超過采樣頻率的1/2。

　4 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　4.1硬件設(shè)計

　　所設(shè)計的單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)如圖5所示。主電路的發(fā)電源采用直流電源串聯(lián)電阻來模擬，h-橋電路功率開關(guān)使用igbt?？刂苹芈芬晕⒖刂破鱠spic30f2010為核心，使用其內(nèi)置ad轉(zhuǎn)換器來采樣直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流;使用輸入捕捉功能來檢測電網(wǎng)電壓同步信號;使用內(nèi)置pwm模塊生成驅(qū)動信號;引出i/o口搭建簡單的鍵盤控制電路和led指示電路。通過編程實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制及滯環(huán)電流控制算法。

 　　4.2軟件設(shè)計 

　　系統(tǒng)軟件包括主程序及pwm中斷和輸入捕捉中斷子程序，如圖6所示。其中輸入捕捉中斷優(yōu)先級高于pwm中斷優(yōu)先級。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、鍵盤響應(yīng)程序和顯示程序、電壓外環(huán)的pi調(diào)節(jié)及中斷等待。輸入捕捉中斷子程序用于同步網(wǎng)側(cè)電流與電壓，使pf≈1。pwm中斷子程序完成信號采樣轉(zhuǎn)換、雙閉環(huán)控制及滯環(huán)電流控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的逆變功能。

　5 實驗結(jié)果

　　在搭建的實物平臺上進行實驗，對設(shè)計的單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應(yīng)性能進行了實驗研究。實驗中直流側(cè)電壓從55v變化到70v，實驗波形如圖7所示，圖7顯示直流側(cè)電壓出現(xiàn)超調(diào)后逐漸穩(wěn)定，交流側(cè)電流幅值增大;圖8反映了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)到動態(tài)變化過程中，交流側(cè)電流相位始終嚴格跟隨電網(wǎng)電壓，功率因數(shù)pf近似為-1，系統(tǒng)處于逆變工作狀態(tài)。

  

　　6 結(jié)束語

　　本文針對單相電壓型并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)和原理、系統(tǒng)雙閉環(huán)控制方案限頻式及限頻式滯環(huán)電流控制策略進行了分析研究。并以微控制器dspic30f2010為核心搭建了單相電壓型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)實驗平臺，進行了實驗驗證。結(jié)果表明所設(shè)計的單相電壓型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能。