《逆变电源的原理及DSP实现》以逆变器的控制应用为主线,按照电路拓扑结构分析、数学建模、控制器设计、DSP数字实现的顺序,详细介绍了主流UPS逆变器的控制策略、波形控制及测试方法。从工频机与高频机、单相输出与三相输出、逆变器并机控制策略的融合等多个角度对比分析了数字化实现方式。此外,针对UPS逆变系统复杂的通信架构,《逆变电源的原理及DSP实现》详细分析了以DSP为核心的多种MCU的通信方式在UPS系统中的应用,并给出详尽的程序分析。《逆变电源的原理及DSP实现》程序都已调试通过,而且其基本思想均已应用于目前主流电力电子产品中,具有很高的参考和实用价值。
《逆变电源的原理及DSP实现》注重电力电子的理论分析和工程应用的结合,可作为高等院校自动化、电气工程专业高年级本科生、研究生及工程技术人员的参考用书。
不间断电源( Uninterruptible Power System,UPS)是应用最广泛的、以逆变器为基本电路结构的逆变电源。不间断电源是一种含有储能装置的恒压恒频的逆变电源,包含电力电子技术及变流技术中的4大模块( DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC),广泛应用于中型数据机房、银行/证券结算中心、通信网管中心、自动化生产线及其控制系统中的复杂电力电子装置。
为克服中、大型计算机网络系统集中供电造成的供电电网环境日益恶劣的问题,全数字化工频隔离双变换在线式智能型UPS应运而生。技术上突破了尖峰、浪涌、电压瞬变、噪音等电网不稳定因素对负载正常工作的影响,于是高频化、模块化的UPS逐渐成为市场主流产品。UPS制造商主要有国际品牌施耐德、艾默生、伊顿,本土品牌科华恒盛、冠军、科士达以及中达电通。其中,伊顿、施耐德和艾默生的市场份额超过60%。尽管华为于2012年进入UPS行业,但是三大国际品牌在中国市场上的份额短期内很难被打破。
目前市场上讲述UPS控制的书籍不多,本书是作者将近10年开发经验的沉淀,希望能为广大读者系统理解逆变器控制技术的数字化应用提供帮助。
全书共分为8章,第1章对比研究了高频机与工频机的性能特点,分析了目前主流逆变器的拓扑结构及应用场合;第2章和第3章分别阐述了单相输出及三相输出逆变器数学建模方法、控制器的设计、单机控制策略、多种发波方式,给出了基于c语言设计的源代码,并介绍了基于MATLAB的真实DSP代码设计方式,详细分析了目前常见的工频输出隔离变压器的结构;第4章分析了逆变器波形控制中重复控制器的作用、改进算法、基于谐波控制的逆变器控制策略及DSP编码方法;第5章讨论了基于瞬时环流控制、下垂控制及下垂补偿控制的逆变器的并机算法和DSP实现手段;第6章为逆变锁相技术,系统地分析了三相锁相、单相锁相、工频锁相、广义二阶积分锁相的理论,并给出了算法的软件实现方式;第7章为系统的网络通信,这部分难度较大,但实用性较强,建立了基于CAN和McBSP的多核MCU通信网络,对DSP的远程升级、Ker-nel编码、多核信息交互容错处理进行了设计并进行了代码分析;第8章针对关键性能指标,分析了逆变器设计过程中的常见误区和解决方案。各章节内容紧凑,并包含最核心、最流行的元素,书中所附的程序及其思想也为读者扩展思维提供了帮助。
本书由哈尔滨理工大学马骏杰编著。王振东、白亚丽、王光、吴正浩、张媛嫒、尹艳浩、郎一凡、葛欣、王钦钰、丁一同学做了大量的图表及文字编辑工作。由衷感谢博士生导师王旭东教授在求学及工作中给予的关怀和支持!感谢各位领导及众多老师的帮助,感谢那些年陪伴我在电力电子科研道路上奋斗的小伙伴们,感谢出版社长久以来的信任,还要感谢我的父母、岳父母、妻子给我的关爱;并将此书作为两周岁礼物献给宝贝“子越”:越努力,越幸运,愿好运伴随你健康快乐地成长。
此外,本书得到国家自然科学基金( 51177031)、广东省重大科技专项项目(20158010118003、20168010135001)、山东省高等学校科技计划项目(J17KB136)、2017年国家级大学生创新创业训练计划项目( 201710214018)的资助,并受到汽车电子功率驱动与系统集成教育部工程研发中心的支持,在此对相关的老师及同学表示衷心的感谢。
第1章 概论
1.1 逆变电源的基本原理
1.1.1 UPS概述
1.1.2 基本结构
1.1.3 工作原理
1.2 常见分类
1.2.1 常见性能分析与比较
1.2.2 在线式工频机与高频机的比较分析
1.3 系统基本拓扑结构分析
1.3.1 单进单出系列电路拓扑分析
1.3.2 三进单出系列电路拓扑分析
1.3.3 三进三出系列电路拓扑分析
1.4 逆变电源的发展趋势
第2章 单相逆变器数字控制技术
2.1 单相半桥逆变器数学模型
2.2 单相半桥逆变器控制系统的设计
2.2.1 基于滤波电感电流的输出电压交叉反馈解耦控制
2.2.2 线性控制器设计
2.2.3 非线性控制器设计
2.2.4 实验结果分析
2.3 单桥臂发送波原理及DSP应用
2.3.1 单极性发送波DSP应用
2.3.2 双极性发送波DSP应用
第3章 三相逆变器数字控制技术
3.1 工频变压器数学模型对比研究
3.2 逆变器数学建模及控制器设计
3.2.1 逆变器数学模型分析
3.2.2 逆变器直流分量控制
3.2.3 双闭环程序代码示例
3.2.4 实验波形
3.3 三相四桥臂逆变器设计
3.3.1 概述
3.3.2 三相四桥臂逆变器的调制方法
3.3.3 逆变控制系统设计
3.4 三相逆变器的发波数字化实现
3.4.1 SPWM算法及DSP编码
3.4.2 SVPwM的传统算法及DSP编码
3.4.3 SVPWM的快速算法及DSP编码
3.4.4 SVPWM的简易算法及DSP编码
3.4.5 3D-SVPWM算法及DSP编码
3.5 基于MATLAB的DSP真实代码仿真
3.5.1 传统的CCSLink功能
3.5.2 真实代码仿真的基本思路
3.5.3 真实代码仿真器的使用
3.s.4 DSP代码规范及示例
第4章 逆变器输出电压谐波的抑制方法
4.1 基于重复控制的逆变器控制系统设计
4.1.1 重复控制器的基本原理
4.1.2 稳定性分析
4.1.3 一种改进的重复控制计算方法
4.1.4 重复控制算法的程序代码示例
4.2 基于谐波控制的逆变器控制探讨
4.2.1 谐波控制的数学建模
4.2.2 复合控制器设计
第5章 逆变器的并联控制技术
5.1 逆变器并联运行控制方式
5.1.1 集中控制方式
5.1.2 主从控制方式
5.1.3 分布式控制方式
5.1.4 无互连线控制方式
5.2 逆变器并联运行原理
5.2.1 “1+1”并机冗余系统方案
5.2.2 双母线系统方案
5.3 单相逆变器并联控制方案
5.3.1 负载平均电流前馈的瞬时值双闭环逆变器输出阻抗特性
5.3.2 并联控制方案设计
5.3.3 系统实验分析
5.4 三相逆变器并联控制方案
5.4.1 并联系统的环流分析
5.4.2 并联系统的功率分析
5.4.3 PQ下垂法及补偿器设计
5.4.4 平均电流及直流分量控制方案
5.4.5 控制系统仿真及试验波形
5.5 并联算法的程序代码示例
第6章 逆变器的同步跟踪锁相技术
6.1 数字锁相环概述
6.1.1 锁相环的工作原理
6.1.2 锁相环的数学建模
6.1.3 锁相环模型优化仿真分析
6.2 软件数字锁相环设计
6.2.1 软件数字锁相环设计目标
6.2.2 基于分散逻辑控制的工频同步锁相技术
6.3 锁相环的DSP代码示例
6.3.1 基于旋转坐标系的三相锁相环的算法分析
6.3.2 基于同步信号的单相锁相的算法分析
6.3.3 基于自适应陷波滤波器的算法分析
第7章 控制系统的网络通信
7.1 DSP与FPGA之间的数据通信
7.1.1 DSP与FPGA的大数据通信
7.1.2 DSP对基于RAM的FPGA配置
7.2 DSP与DSP之间的数据通信
7.2.1 McBsp驱动层逻辑结构
7.2.2 通道的应用层设计
7.2.3 传输通道设计
7.2.4 程序代码示例
7.3 自定义DSP升级方案
7.3.1 FLASHAPI的应用解析
7.3.2 基于SCI总线的远程FLASH加载方案
7.3.3 程序代码示例
7.4 逆变电源中的CAN通信
7.4.1 CAN总线
7.4.2 CAN方案及数字化实现
7.4.3 cAN通信程序示例
第8章 性能指标测试及常见问题解析
8.1 示波器和探头使用常识
8.2 额定输出功率
8.2.1 额定输出视在功率和额定输出有功功率
8.2.2 输出降额及降额系数
8.2.3 输出功率的DSP计算方法
8.2.4 额定输出功率测试方法及常见问题
8.3 浅谈功率因数及负载性质
8.3.1 功率因数
8.3.2 负载性质
8.4 三相电压不平衡度的计算方法
8.5 逆变器输出性能指标
8.5.1 常见测试指标
8.5.2 测试内容及行标
8.6 典型测试案例
8.6.1 输出动态响应测试及波形分析
8.6.2 IGBT故障模拟及分析
8.6.3 逆变IGBT驱动波形分析
参考文献