光伏并网逆变器控制策略与仿真研究.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流光伏并网逆变器控制策略与仿真研究.精品文档.-编号： 毕业设计(论文)说明书题 目：光伏并网逆变器控制策略 与仿真研究 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 0700120214 指导教师单位： 机 电 工 程 学 院 姓 名： 范 兴 明 职 称： 副 教 授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2011年05月30日摘 要光伏并网发电能有效的利用清洁的太阳能资源，并将其高效馈网。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到100MW，并已初步建立起从原材料生产到光伏

2、系统建设等多个环节组成的完整产业链，呈现出一片繁荣景象。本设计针对光伏并网过程中的直流升压、SPWM波形产生、同步锁相、逆变并网动态过程、研究了基于电网特点的FIR数字滤波、交流采样和稳定直流母线电压的数字PID控制器等技术提出了相应的控制策略并进行Simulink动态仿真，研究工作对光伏并网逆变系统实验与设计理论上具有一定指导作用。同时采用基于模型嵌入式的设计理念，通过使用Matlab提供的Embedded Target for TI C2000 以及DSPTexas Instruments Express 工具建立Simulink模型。进一步利用CCSLink调用第三方编译软件CCS，通过

3、实时工作站（real-time workshop）和TI开发工具将Simulink模型转换为实时C代码，Embedded Target for TI C2000 DSP提供了Matlab和Simulink与Texas Instruments Express 工具、TI C2000 DSP集成在一起进行系统开发的手段。通过实时工作站（real-time workshop）和TI的开发工具将Simulink模型转换变成为实时C代码。这种基于模型的嵌入式设计技术，能够自动产生高效的程序代码。相比传统的设计方法：不需要设计者熟练掌握DSP内部复杂的寄存器的位设置，免除手写程序代码及验证的繁琐；有助于工

4、程师进行系统级设计，并解决设计中存在的问题，可显著地简化并缩短基于C2000处理器的系统设计过程，使工程师可以更专注于优化控制算法的开发。本文最终给出了低压的模拟样机，具有结构简单、价格低廉等优点。能方便的对所研究和制定的控制策略进行验证。实验表明采用代码自动生成技术极大地加快了单相桥式逆变器系统的开发进程。运行测试证实：自动生成代码的可靠性和效率完全可以得到保证。这充分地展现了一体化系统设计方法在电力电子装置中应用的光明前景。关键词：光伏逆变；Simulink代码生成；FIR数字滤波；PID控制器；SPWMAbstractPhotovoltaic power generation can e

5、ffectively using clean solar energy resources and its feed network. By the end of 2007, the total installed capacity of PV systems had reach 100MW, and established a complete industrial chain that include Production of raw materials to construction of PV systems, which presents flourishing.The dynam

6、ics process of DC boost, SPWM generator, SPLL, inverter and grid, base on the characteristics of grid to design FIR digital filter, AC sampling and DC bus voltage stability of digital PID control Etc has been designed in this research. And corresponding control strategy and the Simulink dynamic simu

7、lation are presented also, research on photovoltaic inverter system, have been used to guide for experiment and theory design. At the same time a Simulink model can be created using model-based embedded technology, with the Matlab Embedded Target for TI C2000 and DSP Texas Instruments Express tool.

8、Further CCS could be called by CCS-Link, using real-time workshop and the TI development tools, real-time C code will be turned into Simulink model, Embedded Target for TI C2000 DSP provide a way for Matlab and Simulink with Texas Instruments Express Tools, TI C2000 DSP integrated systems developmen

9、t. real time workshop and the TI development tools will be converted Simulink model into real-time C code.Efficient code can be generated automatically by using model-based embedded design technology. Compared to traditional design methods: Designers do not need to proficiency in complexity of the r

10、egister within the DSP bit settings, the process of hand-written code and verifying is reduced; which help engineers for system-level design and solving design problems, significantly simplify and shorten the C2000 processor-based system design process, which allows engineers to concentrate on the d

11、evelopment of optimal control algorithms. The low-voltage prototype with simple structure, low cost characteristic had been given in the paper finally. It can be developed to study and verify control strategy easily. Automatic code generation technology has greatly accelerated the single-phase bridg

12、e inverter system development process was provided in this paper. And auto-generated code, reliability and efficiency can be guaranteed by confirming with the tests. It fully demonstrated the integrated system method bright future in the application of power electronic.Key Words: PV inverter; Simuli

13、nk code generation; FIR digital filter; PID controller; SPWM目 录引言11绪论21.1 逆变并网器分类与发展21.2 逆变并网器作用31.3 逆变并网器结构特点31.4 本设计结构特点41.5 本课题主要任务42逆变并网器各部分设计52.1 DC-DC变换器52.1.1隔离型DC-DC变换器52.1.2不隔离型DC-DC变换器52.2 直流母线电压PID控制器设计62.2.1 PID参数整定常用方法72.2.2利用Matlab中Simulink进行PID参数整定82.3 SPWM逆变控制技术92.4 数字滤波器的设计102.4.1电网

14、信号的特点：102.4.2 FIR滤波器设计：102.4.3 DSP中实现132.5 同频同相控制的方法分析132.6 交流采样技术分析142.6.1最大值交流采样测量方法142.6.2纯计算法142.7 逆变并网锁相环设计152.7.1指针归零法153SIMULINK动态仿真173.1 DC-DC直流升压模块仿真173.2 DC-DC直流升压PID控制设计183.3 逆变并网器并网仿真223.3.1 MPPT算法仿真223.3.2锁相环仿真244逆变并网仿真硬件部分254.1 TMS320F2812最小系统板设计254.1.1 电源管理模块254.1.2 CY7C1041CV外部RAM扩展2

15、54.1.3 JTAG接口电路设计264.2 外围信号调理电路264.2.1信号跟随电路274.2.2信号限幅电路274.2.3锁相电路285基于SIMULINK模型嵌入式控制系统设计295.1 SPWM波形发生设计295.2 交流有效值测量315.3 同步锁相设计315.3.1 SPWM和软件同频锁相Simulink建模326总结34谢 辞35参考文献36附 录37引言随着“绿色环保”概念的提出,以解决电力紧张及环境污染等问题为目的的新能源利用方案得到了迅速的推广,因而研究可再生能源回馈电网技术具有十分重要的现实意义。可再生能源若能有效地回馈到公用电网中,不仅可缓解能源短缺的压力,还可改善环

16、境 ,提高经济效益。可靠、高质量地将可再生能源产生的电能输送到电网中是研究可再生能源回馈电网技术关键。因此,起着电能变换作用的并网逆变器成为了研究的重点。逆变器就是把直流电能转变成交流电，一般为220V50Hz正弦或方波。然而这种逆变器将对公网产生严重的谐波污染，导致电能质量严重下降。特别是三次谐波会产生特别高的中线电流，甚至会超过相电流值，因此造成电器设备寿命大为减短，电网过热，甚至可能引起火灾。SPWM就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，在变频器领域被广泛的采用。SPWM主要可

17、通过硬件调制方法，以及软件生成法。硬件调制法原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形；而随着微机技术的发展，使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法。正因如此近年来，逆变及变频控制方式的数字化已经成为趋势，随着高性能DSP芯片不断涌现，更进一步促进了各种数字式控制策略的发展，极大提高逆变器的各种性能。在TI的C2000系列的DSP控制芯片中，TMS320F2812无论在内部结构还是控制接口

18、上，都达到了较高水平，在其足够的硬件资源基础上，用户只需要添加少数的外围器件，便可很方便地构成逆变控制系统。在并网发电系统中，并网电流需要与电网电压实现同频、同相，电网电压的相位和频率检测至关重要，电网电压的同步锁相技术可以提高系统电网电压检测的精度、稳定性和抗干扰能力。TMS320F2812器件包含了捕获单元，利用此捕获单元可以捕获电网电压的过零点时刻，通过锁相技术，产生同步正弦基准信号。本文针对逆变并网技术点创新结合Matlab的Embedded Target for TI C2000 DSP基于模型的嵌入式设计，并由Simulink模型生成实时C代码。并设计了一套TMS320F2812最

19、小系统板，及其外围信号调理验证电路。1 绪论1.1 逆变并网器分类与发展随着微电子与信息技术的发展，应用速度快速发展。对电源品质的要求越来越苛刻。但在某种程度上全世界均面临电力供应不足或不稳定的威胁，由于公共电网无法保证提供高品质的稳定电源，而逆变并网器能够根据电网情况，动态调节有功无功，因此逆变并网器将成为电力系统不可或缺的设备1。逆变器主要分两类，一类是方波逆变器，另一类是正弦波逆变器。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的4060，不能带感性负载。如所带的负载过大，

20、方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。微电子技术的发展为逆变技

21、术的实用化创造了平台，传统的逆变技术需要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成，然而随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从8位的带有PWM口的微处理器到16位单片机，发展到今天的32位DSP器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等先进的控制算法在逆变领域得到了较好的应用。总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展，进入二十一世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展2。为此本设计方案采用DC-DC-AC结构能有效提高效率、同时由于采

22、用高频直流升压技术使逆变并网器体积更小，安全性能大大提高；并针对动态系统的试验问题提出了利用Simulink的参数估计功能，使理论模型根据实验数据进行数值参数估计，从而达到理论模型充分接近实际实验环境；同时应用SPWM技术降低对电网的谐波污染到最低；而基于模型设计的嵌入式开发理念，更为逆变并网器的开发试探了一条稳定迅速的开发方式。1.2 逆变并网器作用图1-1电网中的逆变并网器由图1-1我们可以看出相对于传统电网含有逆变并网器的电网，逆变并网器可以划归为用户组，它即可在电网电能富余时将电网能量暂时储存于蓄电池中以待用电高峰时向电网提供有功功率，也可将常见的集中绿色能源经过整流器以直流电能的形式

23、存储于蓄电池，并在电网出现故障后检测出电网故障，及时断开电网连接，避免孤岛效应，以减少人员设备损害。1.3 逆变并网器结构特点图1-2 常见逆变并网器结构逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。按逆变方式可以粗略分为两类：其一DC-AC-AC；其二DC-DC-AC。前者先将蓄电池中的12V直流能量逆变成低压12V 50Hz交流能量，在经过工频变压器，最后升压变换为220V/380V交流电能并入电网中。然而这种逆变器结构由于采用工频变压器，工频变压器由于工作频率低电磁转换效率低，如果逆变并网器功率提高工频变压器体积将非常庞大。后者则

24、是先将蓄电池中的直流能量，通过高频直流逆变装置从12V变换为直流母线中400V直流电压，再从直流母线中的400V直流电斩波形成50Hz交流电向电网中提供有功。本设计方案采用DC-DC-AC结构能有效提高效率、同时由于采用高频直流升压技术使逆变并网器体积更小，安全性能大大提高；并针对动态系统的试验问题提出了利用simulink的参数估计功能，使理论模型根据实验数据进行数值参数估计，从而达到理论模型充分接近实际实验环境；同时应用SPWM技术使对电网谐波污染降低到最低；而基于模型设计的嵌入式开发理念，更为逆变并网器的开发试探了一条稳定迅速的开发方式。1.4 本设计结构特点图1-3本设计结构框图本设计

25、针对当前电网特点，以及并网逆变器常用技术，设计出具体结构框图，如图1-3。在微处理器TMS320F2812的控制下，从电源处采用最大功率点追踪（MPPT）算法以最大功率想蓄电池充电。再从蓄电池中通过高频直流升压，使蓄电池中12V直流电升压为直流母线400V以达到并网要求中跟踪电网电压幅值要求。在采集电网电压过零信号，调节SPWM波形中的相位实现并网要求中的锁相目的。期间还穿插数字PID算法以保证直流母线电压恒定。FIR数字滤波算法减少电网中谐波对于测量的干扰。1.5 本课题主要工作本设计通过查找光伏逆变并网的相关资料，在了解其工作原理后，再加上自己的理解和设计的要求，设计基于Simulink逆

26、变并网模型控制策略，具体工作如下：1、 通过查找相关逆变并网器控制相关资料，了解逆变并网器外围硬件结构；阅读有关逆变并网原理及Matlab的技术资料，了解其控制方法。2、 从说查阅的资料中比较各种方案的特点，最终确定设计所采用的方案。3、 使用Simulink对设计逆变并网器外围硬件拓扑电路图，包括DC-DC直流升压电路，逆变桥臂进行动态仿真。4、 使用SimPowerSystems工具箱结合Matlab对设计的SPWM、MPPT、数字PID、数字滤波器FIR、RMS、SPLL等控制算法进行仿真测试。5、 使用RTW对建立好的Simulink控制策略模型进行在TMS320F2812平台上的代码

27、生成。6、 设计出模拟样机对生成代码进行半物理仿真及调试2 逆变并网器各部分设计2.1 DC-DC变换器如图1-2是常见的逆变器并网主电路拓朴结构，第一种采用了工频变压器作为逆变器主电路功率开关元件输出与负载电压的匹配和隔离，这种工频逆变技术具有功率可双向流动、可靠简单、高效率、无直流分量输出等优点，但由于工频变压器的存在，往往逆变器的功率密度小、体积大、笨重，在小功率场合往往使用很不方便，而高频环节逆变技术用高频变压器替代了工频变压器，具有体积小，重量轻、价格低廉等优点。而带有高频环节的逆变并网器中DC-DC变换器又可分为隔离性DC-DC变换器与不隔离型DC-DC变换器。2.1.1 隔离型D

28、C-DC变换器图2-1 常见逆变并网器结构 DC-DC变换器是通过半导体阀器件的开关动作将直流电压先变为交流电压，经整流后又变为极性和电压值不同的直流电压的电路，这里要阐述的是中间经过变压器耦合的直流间接变换电路。DC-DC变换器在将直流电压变换为交流电压时频率是任意可选的，因此使用高频变压器能使变压器和电感等磁性元件和平波用电容器小型轻量化。如今，随着半导体阀器件的进步，输出功率为100W以上的电源实际上采用的开关频率都在20500kHz，MHz级的变换器也在开发研究之中。而且，通过变换频率的高频化，可以使平波用电容的容量减小，从而能够使用陶瓷电容等高可靠性的元件。而且，本章在举例阐述动作原

29、理进是采用双极功率晶体管、IGBT、MOSFET等开通关断可控的器件作为直流电压变换为交流电压的半导体阀器件，使用最多的还是MOSFET。2.1.2 不隔离型DC-DC变换器不隔离型直流斩波器直流变换装置是使用半导体阀器件以很高频率将直流电反复开通关断，中间不经过交流环节而进行变换的装置，称为直流直接变换电路或直流斩波器。本节阐述直流斩波电路，这种电路不使用变压器仅靠高频的开通关断动作将某一数值的直流电压直接变换为另一不同数值的直流电压。根据输入和输出之间连接的开关器件、二极管、电抗器等位置的不同，可以构成三种斩波电路：降压斩波器，升压斩波器，升降压斩波器（反极性斩波器）。如图2-2所示为集中

30、常见的斩波电路设置形式。（a）（b）（c）图2-2常用斩波电路综上所述，考虑到稳定性，若电网发生故障所产生的故障电流电压会对不隔离型DC-DC变换器造成毁灭性的影响，轻则造成逆变并网微控制器烧毁，重则带来人员和财产的损失；不隔离DC-DC变换器需要大容量电容，在现有制造工艺水平基础上，大容量电容将使成本和体积急剧增加；不隔离DC-DC变换器效率往往会低于隔离型DC-DC变换器；此外不隔离DC-DC变换器往往需要较高的开关频率，否者无法提供较为稳定的直流母线电压以及稳定的输出功率；考虑上述原因，结合稳定性、安全性、以及效率等因素采用隔离型DC-DC变换器作为本次逆变并网器设计的高频直流升压部分的

31、拓扑结构2。2.2 直流母线电压PID控制器设计作为直流母线400电压必需具有一定的稳定性，不应该随着负载的变化或电池电压的改变而产生波动。因此必然需要用到反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。图2-3 PID控制原理框图PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，甚至在数学上已经证明PID控制器对于一阶与二阶环节为最优控制算法，因而成为应用最为广泛的控制器。同时由于PID控制器可以实现无差

32、调节，其优异的动态稳态特性，以及方便灵活的参数整定方法。因此在逆变并网器中直流母线的电压控制选择PID控制算法。PID控制器分为模拟控制器和数字控制器，模拟控制器以其结构简单易于实现，在控制领域初期占据了非常重要的地位，然而由于模拟PID控制器由分立元件组成，各元件之间由于参数差别，外部温湿度的环境变换，很大程度的影响了模拟PID控制器的控制性能。随着大规模集成电路和微控制器技术的发展，因此数字PID控制器正逐步取代模拟PID控制器。看起来PID算法原理虽然简单，然而要在实际工程中设计出一个性能良好的PID控制器并不是容易的事情。首先如何确定PID参数，即如何对Kp、Ki、Kd三个参数进行整定

33、。当然也许之前的项目工程中有过类似的PID控制器的设计，你可以将其经验PID参数继承下来，只需要你在硬件基础上对PID参数进行微调就可以了，然而如果被控对象过于复杂，手动调节就变得很艰难了，可能由于在手动调节的过程中使系统处于危险的工况。甚至不好的控制算法会把硬件摧毁。2.2.1 PID参数整定常用方法2.2.1.1 凑试法 按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。先设置调节器积分时间 =，微分时间=0，在比例系数按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数。求得满意的1/4衰减度过渡过程曲线。引入积分作用（此时应将上述比例系数设置为5/6）。将由大到小进行整定。

34、若需引入微分作用时，则将Td 按经验值或按=（1/31/4）设置，并由小到大加入。2.2.1.2 临界比例法 在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期。 临界比例度法步骤： 1、将调节器的积分时间置于最大（ =），微分时间置零（=0），比例系数适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。 2、将比例系数逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例系数和临界振 荡周期值。3、根据和值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即、和的 值。按“先P再I最后D”的操作程序将

35、调节器整定参数调到计算值上。若还不够满意，可再作进一步调整。临界比例度法整定注意事项： 有的过程控制系统，临界比例系数很大，使系统接近两式控制，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利。 有的过程控制系统，当调节器比例系数Kp调到最大刻度值时，系统仍不产生等幅振荡，对此，就把最大刻度的比例度作为临界比例度Ku进行调节器参数整定。 2.2.1.3 经验法 用凑试法确定 PID参数需要经过多次反复的实验，为了减少凑试次数，提高工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的要求，事先作少量的实验，以得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数导出 PID控制参数，这就是经验法。2.2.2 利用Mat

36、lab中Simulink进行PID参数整定另外值得注意的是在PID控制器设计的过程中，必需考虑如何抗积分饱和。因为如果具有积分环节的控制器，只要被控量与设定值有偏差，他的输出就会不停的变化。如果由于某种原因，比如说系统故障，被调量偏差一时无法消除，然后控制器还是要试图校正这个偏差结果经过一段时间之后，控制器输出将进入深度饱和状态这种状态称为积分饱和，进入深度积分饱和的控制器要等被调量偏差反向以后才能慢慢从饱和状态中退出来，所以为了避免危险或者是控制品质变坏，在设计控制器的时候必须要考虑抗积分饱和的问题第二，是微分环节的近似。纯微分作用在实际中是不可能实现的，所以必须考虑到微分作用在控制器设计过

37、程中的近似。当设计好PID算法之后，为了将它应用到实际的控制系统中去需要对算法进行定点化和离散化处理，以便将算法做到真实的硬件处理器中以做到精确的控制。然而手动调节是纯粹的试凑过程，耗费时间而且不系统化。很有可能无法达到优化设计，甚至导致危险的结果。而且永远都无法确定的算法设定是不是系统的最优设计。此外基于规则的调试需要大量的工作，或者根本无法达到设计指标。这种方法无法对高阶系统以及带有延时环节的控制器系统进行有效的设计，而且设计出的算法是连续域的还需要手动切换为离散域的。Matlab的Simulink为解决此类方案提供了全新的PID调节算法和GUI模块。利用该工具可以轻易实现从PID调节器的

38、参数整定，到调节器定点化、离散化，甚至直接根据目标微处理器的嵌入式C代码生成。2.3 SPWM逆变控制技术通过以上步骤，我们能够在直流母线上得到稳定的400V直流电能，然而只有当逆变器输出与电网电压信号同频同相的正弦波才能符合并网要求。这就需要使用SPWM逆变控制技术。我们知道如果冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。而SPWM法就是以该结论作为理论基础。用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的

39、频率和幅值。图2-4控制单臂桥式的SPWM双脉冲产生原理 正弦波脉宽调制的实现分为电压正弦PWM磁通正弦PWM（即空间电压矢量SVPWM）和电流正弦PWM（通常有滞环比较控制和无差拍控制）。通常所说的SPWM技术主要指电压正弦PWM技术，它可以由模拟电路、数字电路或大规模集成电路芯片来实现，由于微处理器技术的不断发展，数字化PWM的方法发展迅速，本节所介绍的就是数字化SPWM的原理及实现。正弦波脉冲调制（SPWM）其工作原理是将正弦半波N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点。与正弦波每一等分的中点重合。根据采样控制理论的一个重要

40、的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。把输出波形进行傅里叶变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段有差异。这样，N个等幅、不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。图2-4 显示了控制单臂桥式的SPWM双脉冲产生原理，载波信号为三角波与正弦调制信号相比较当调制信号大于载波脉冲是脉冲1为高同时脉冲2为低。引入通信中的“调制”概念，将所期望的波形（正弦波）作为调制波，而受它调制的信号称为载波。载波频率（又叫开关频率）fc与调制波（正弦波）频率fr之比（N=fc/fr）称为载波比。通常用锯齿波、等腰三角形波作为载波。若以正弦波作为调制波去调制三角载波，由

41、它们的交点时刻确定逆变器的开关模式。例如，正弦波大于载波的部分，输出正弦脉冲去开通某一个主电路中功率开关器件；正弦波小于载波部分，输出负脉冲去关断该开关器件，则逆变器输出为宽度按正弦规律变化的电压脉冲3（SPWM波形）。2.4 数字滤波器的设计逆变并网器能有效地将各种形式的绿色能源向电网输送。在设计逆变并网器时，为了减少对电网的污染，就要求产生与电网同频、 同相的交流电，使并网逆变器的功率因数接近于1。数字滤波器能将采样的电网信号中的高频信号滤除，减少逆变并网器由于采样误差造成的谐波污染。数字滤波器按单位脉冲响应h（n）的长度分类可分有限脉冲响应（FIR）滤波器和无限脉冲响应（IIR）滤波器。

42、两者各有优缺点：IIR滤波器能以较低的阶次获得相同幅度滤波性能，但一般为非线性相位；FIR滤波器单位脉冲响应是有限长的，系统必定稳定，且可以做成严格的线性相位。而MATLAB为数字滤波的研究和应用提供了一个直观、高效的实验环境，其信号处理工具箱，以及各种数字滤波器的函数更是为高阶的数字滤波的设计提供了可能。2.4.1 电网信号的特点：电网基频为501Hz，故有用信号频率为501Hz，电网信号中除了基频信号外还有谐波。产生谐波的根本原因是由于给非线性阻抗特性的电气设备供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。其中五次、七次、十一次及十

43、三次谐波影响较大，因此这些信号应被滤除。2.4.2 FIR滤波器设计：根据电网信号的特点，设计电网通带频率=55Hz，其中谐波量最低频率为250Hz，故阻带频率=245Hz。为了精确得到电网信号有效值要求通带波动=3dB、阻带衰减=40dB。参数意义见图2-5。图2-5低通滤波器参数意义示意图逆变并网器需要检测电网过零信号，要求严格的线性相位，故设计为FIR滤波器。采样频率设为3.2K，本文采用窗函数法设计。表2-1为六种窗函数的特性表。表2-1 六种窗函数的特性表窗函数旁瓣峰值/dB近似过渡带宽精确过渡带宽阻带最小衰减/dBRetangular-134/N1.8/N21Triangular-

44、258/N6.1/N25Hann-318/N6.2/N44Hamming-418/N6.6/N53Blackman-5712/N11/N74Kaiser（=7.865）-57 10/N80 由于设计要求阻带衰减40dB，考虑到阶数最小原则选择Hann函数设计，根据通带频率与阻带频率确定过渡带宽deltaw，将这些频率转化为归一化频率（01），再根据表1中精确过渡带宽“6.2/N”确定滤波器阶数，根据之前的理想滤波器的参数使用MATLAB的hann（）进行函数逼近即可生成一个滤波器模型。具体对应MATLAB代码： Fpass = 55; % 通带频率 Fstop = 245; % 阻带频率 Wp

45、 = Fpass*2*pi/Fs; Ws = Fstop*2*pi/Fs; deltaw= Ws - Wp;% 过渡带宽的计算 Normal_N = ceil(6.2*pi/ deltaw) + 1; %按Hann窗计算所需的滤波器阶数N N_wdham = (hann(Normal_N+1); % Hann窗计算 Wc=(Fpass+Fstop)/Fs; % 计算截止频率 Normal_hann=fir1(Normal_N,Wc,N_wdham); af_Normal=filter(Normal_hann,1,y); figure(2);subplot(2,1,1);plot(x,s);gr

46、id on;title(原电压信号); figure(2);subplot(2,1,2);plot(x,af_Normal,r);grid on;title(Hann滤波后的波形);（a） （b）图2-6滤波器仿真结果 图2-6（a），滤波前信号发生畸变，严重影响对电网的过零检测以及对齐有效值的测量；滤波后信号，可以发现信号的畸变明显减少。然而仅从时域难以确定信号的频率成分。利用快速傅立叶变换（FFT）将原始信号与所得的滤波信号转换到频域从而得到信号的功频谱，MATLAB程序如下：%以下为绘制各个信号的功频图NFFT = 2nextpow2(Length);Y=fft(y,NFFT)/Leng

47、th;AF_NORMAL = fft(af_Normal,NFFT)/Length;f = Fs/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);figure(3);subplot(2,1,1);plot(f,2*abs(Y(1:NFFT/2+1);grid on;title(滤波前信号的频谱图);figure(3);subplot(2,1,2);plot(f,2*abs(AF_NORMAL(1:NFFT/2+1),r);grid on;title(Hann滤波后的频谱图);由图2-6可发现经过数字滤波器后原始信号中的高次谐波被剔除掉了，这不仅提高信号的过零检测的检测精度，而且同时也提高信号能量的检测而且同时也提高信号能量的检测图2-7 FIR幅频与相频特性利用