基于DSP的双向AC_DC变换器的设计与实现_杨明.docx
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1、硕 士 学 位 论 文 基于 DSP的双向 AC/DC变换器的设计与实现 专业名称: 电力电子与电力传动 作者姓名: 杨明 _ 指导老师: 张刚;刘树林 论文题目:基于 DSP的双向 AC/DC变换器的设计与实现 专 业:电力电子与电力传动 硕士生:杨明 (签名 ) _ 指 导 教 师 : 张 刚 刘 树 林 (签名 ) _ 摘要 在实际的电力系统中,随着电力电子装置的应用口益广泛及电机、变压器等非线性 负载的影响,电网谐波和无功问题口益严重,给电力输配电系统及附近的其它电气设备 带来许多问题。而 PWM双向 AC/DC变换器可获得高功率因数,低谐波污染以及能量的 双向流动等优点,因而具有广泛
2、的应用前景。 本文首先分析了 PWM双向 AC/DC变换器的发展及其研究概况,并对不同拓扑结构 及其控制策略的优缺点进行了分析和比较。在此基础上对单相电压型 PWM双向 AC/DC 变换器进行了详细分析。分析了单相电压型 PWM双向 AC/DC变换器的工作原理、数 学等效模型及其控制策略。同时在引入开关函数的基础上对双向 AC/DC变换器在单极 性 PWM调制下的波形进行了分析。其次,本文给出了系统整体设计方案和详细的设计 过程,硬件电路设计主要探讨了变换器主电路、控制电路、驱动电路、采样调理电路的 详细设计过程,及其主要参数的计算及其器件选型。软件设计基于 TMS320F28035作为 控制
3、器,详细编写了软件设计 流程,同时也讨论了双向 AC/DC变换器的控制策略,对 间接电流控制和直接电流控制进行了比较,详细分析了直接电流控制下的电压外环及电 流内环 PI控制器的设计及数字实现。 在理论研究的基础上,搭建了以 TMS320F28035为控制核心的 800W单相双向 AC/DC变换器的实验样机,通过对样机的调试得到了变换器开关管的驱动波形及其工作 在整流、逆变模式下的网侧电压、电流波形。进过对这些波形的分析,验证了本文设计 的合理可行性。 关键词:双向 AC/DC变换器,功率因数控制,直接电流控制, PWM调制 研究类型:应用研究 Subject : Design and Imp
4、lement of Bi-directional AC/DC converter Based on DSP Specialty : Power electronic&Power drives Name : Yang Ming (Signature) _ Instructor : Zhang Gang Liu Shulin (Signature) _ ABSTRACT In the real electrical power system, with the impact of the application of power electronics devices increasingly w
5、idespread and motors, transformers and other non-linear loads, harmonic and reactive are become more and more serious. It brings many questions for the electrie power transmission and distribution system and the other neighbor electrical equipment. However, the PWM bi-directional AC/DC converter has
6、 the advantages of high power factor, low harmonic pollution and a two-way flow of energy, so it has has a broad application prospects. Firstly, the development and research situation of the PWM bi-directional AC/DC converter are analyzed in this paper. The advantages and disadvantages of different
7、topological structure and control strategy are also analyzed and compared. On this basis, the single-phase voltage source PWM bi-directional AC/DC converter is analyzed in detail, including the working principle, the mathematical equivalent model and control strategy. At the same time, on the basis
8、of the introduction of the switching function, the waveform of the bi-directional AC/DC converter under the single polarity PWM modulation is analyzed. In addition, the system overall design and detailed design process are given in this paper. The hardware design focuses on the detailed design proce
9、ss of the converter main circuit, control circuity sample conditioning circuit, including the main parameters calculation and selection of main device. The software design is based on TMS320F28035 as controller, writing the software design process in detail The control strategy of the bi-directional
10、 AC/DC converter is also discussed. Meanwile, the indirect current control and direct current control are compared. In addition, the voltage loop and current inner loop PI controller are design and digital implemented in detail under the direct current control. On the basis of theoretical research,
11、a 800W single-phase bi-directional AC/DC converter is designed in this paper. Waveforms of switch, the network side of voltage and current working on the rectifier mode and inverter mode can be obtained according to the prototype test. It proves that the theoretical research and design method in thi
12、s paper are reasonable and feasible. Key words: Bi-directional AC/DC converter, Power factor control, Direct current control, PWM Modulation Thesis : Application Research 1雜 . 1 1.1选题的背景及研究的意义 . 1 1.2本课题的国内外研究动态及发展趋势 . 5 1.2.1双向 AC/DC变换器国内外研究动态 .5 1.2.2双向 AC/DC变换器发展趋势 .7 1.3本论文的主要工作 . 8 2 PWM双向 AC/D
13、C变换器的组成、原理及数学模型 .10 2.1 PWM双向 AC/DC变换器基本原理概述 .10 2.2PWM双向 AC/DC变换器的工作原理 . 13 2.3 PWM双向 AC/DC变换器的运行过程分析 .15 2.4PWM双向 AC/DC变换器的数学模型分析 . 19 2.5SPWM调制技术 . 22 2.5.1 SPWM控制基本原理 .22 2.5.2单极性调制及波形分析 .24 2.5.3 SPWM 的 DSP 实现 .27 2.5.4全桥驱动死区时间的 DSP实现 .30 2.5.5 PID 控制 .33 2.6本章小结 . 34 3 PWM双向 AC/DC变换器的设计 . 35 3
14、.1 PWM双向 AC/DC变换器主电路的设计 .35 3丄 1交流侧电感 Ls的设计 .36 3丄 2直流侧电容 C的设计 .40 3丄 3功率开关管的选取 .40 3.2全桥 MOSFET驱动电路设计 . 41 3.3检测与调理电路设计 . 43 3.3.1交流电压检测与调理电路设计 .43 3.3.2直流输出电压检测与调理电路设计 .43 3.3.3交流电流检测与调理电路设计 .44 3.4PWM双向 AC/DC变换器系统软件设计 . 45 3.4.1 TMS320F28035数字处理器简介 .45 3.4.2主程序设计 .48 目录 3.4.3中断程序设计 . 49 3.4.4直流电压
15、检测模块软件设计 . 50 3.4.5交流侧电流检测模块软件设计 . 51 3.5本章小结 . 51 4 PWM双向 AC/DC变换器的控制策略 . 52 4.1间接电流控制 . 53 4.2直接电流控制 . 53 4.3直接电流 PI控制器的设计 . 54 4.3.1电流内环的设计 . 54 4.3.2电压外环的设计 . 56 4.4本章小结 . 57 5实验及分析 . 58 5.1实验结果分析 . 58 5.2本章小结 . 61 6结论及展望 . 63 6.1 会吉 . 63 6.2 MM . 63 gst m . 65 . 66 附录 A攻读硕士学位期间参与的科研项目 . 69 附录 B
16、双向 AC/DC变换器电路设计图 . 70 1 绪论 1 绪论 n选题的背景及研究的意义 随着世界经济的快速发展、人口的快速增加及生活水平的不断提高,使得世界能源 消耗一直持续增长,随之而带来是化石能源等一次性能源的消耗殆尽。许多国家已投入 了大量的人力、物力倡导清洁可再生能源的开发利用,寻求构筑多元能源供应体系,提 高能源的开发利用效率。 对于可再生能源的利用,基于能量转换系统的储能技术是现阶段的研究热点。通过 能量转换系统中的双向 AC/DC变换器可以实现电池储能系统直流电池与交流电网之间 的双向能量传递,通过适 a的控制策略可以实现对电池储能系统的充放电管理、对网侧 负荷功率的跟踪、对电
17、池储能系统充放电功率的控制、对正常及孤岛运行方式下网侧电 压的控制 1等。 基于双向 AC/DC变换器的能量转换系统在很大程度上可以解决新能源并网发电、 储能 电池充电的波动性、随机性问题 2,可以实现新能源发电的平滑输出,能有效调节 新能源发电和储能电池充电而引起的电网电压、相位及频率的变化,使得大规模可再生 能源的发电可靠方便地并入电网,并减小大规模储能电池无序充电对电网的影响。专家 预测,基于能量转换系统的储能是发电、输电、变电、配电四大电力环节之外生长出来 的一个新产业,将在未来的电能使用中发挥不可替代的作用。 同时由于基于 PWM调制的双向 AC/DC变换器不仅可以实现能量的双向传输
18、,且可 实现网侧电流的正弦化,可运行于单位功率因数,因而可以克服传统二极管 不可控整流 或晶闸管相控整流给电网和用电设备带来的影响。在实际应用中,对于一些如电力机车、 交流变频调速、可再生能源并网发电等需要实现能量双向流动的变换装置,如果装置本 身不能实现能量的双向传递,那么在实际的再生能源不能回馈给电网时,这部分能量必 须通过一定的途径消耗掉 3。所以需要一种新型的可将能量回馈给电网的双向变换器, 它可根据实际不同应用要求工作在不同能量传递模式,即整流运行模态和逆变运行模态。 系统运行在整流模态时,电能通过变换器将电网能量传到直流侧;同样,系统运行在逆 变模态时,变换器将电能回 馈给电网。同
19、时,通过适当的控制策略,可以控制变换器交 流侧电流和功率因数,不仅可以使系统工作在单位功率因数的整流和逆变还可实现变换 器的四象限运行 4。 基于 PWM调制的双向 AC/DC变换器不仅可以实现能量的双向传输,且可实现网侧 电流的正弦化,可运行于单位功率因数,因而在民用、工业、智能电网上都得到了广泛 的应用,如电池储能、静止无功补偿 ( SVG: Static Var Generator)、 有源电力滤波 ( APF: 西安科技大学硕士学位论文 Active Power Filter)、 统一潮流控制 ( UPFC: Unified Power Flow Controller)、 超导储能 (
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