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作者： 浏览量：835 发布时间：2017-12-21
郭晓丹1,2， 卢 欣1,2，孙 哲1，周新华3
（1. 国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384；2. 国网天津节能服务有限公司，天津300384；3.长沙天恒测控技术有限公司，湖南长沙410100）
摘要： 提出了一种适用于小功率可再生能源的高频双 buck 全桥逆变器。采用电压－电流双闭环控制器，开关频率达到 400 khz。电压环采用两极点两零点（2p2z） 控制器产生内环电流参考值， 电流环采用三极点三零点（3p3z）补偿器实现电流参考值的无差跟踪。此外， 采用反馈线性化方法简化占空比计算， 控制速度得到提髙。采用二阶广义积分软件锁相环（sogi-spll） 获得相角信息， 同步逆变器输出电流与电网电压的位。得益于双核微控制器单元（mcu） 的高速实时控制能力，所有控制策略均采用并行计算结构算法实现。最后， 基于 1 kw 实验样机验证了理论分析的正确性和可行性。
关键词： 逆变器；高频；软件锁相环
中图分类号： tm464 文献标识码： a 文章编号： 1000-100x(2017)12-0033-03
high frequency dual-buck inverter based on dual-core mcu and parallel algorithm
guo xiao-dan1,2, lu xin1,2, sun zhe1, zhou xin-hua3
(1.atate grid tianjin electric power company electic power research institute，tianjin 300072，china）
abstract：a high frequency dual-buck full-bridge inverter is proposed，which is suitable for small power renewable energy application.the inverter adopts the voltage-current dual loop controller，making the switch frequently reach to 400 khz. while a current loop two-pole two-zero (2p2z) controller is employed to produce the reference of the inner ring current，while a current loop three-pole three-zero (3p3z) compensator is applied to track the current reference value in a non-error way.beside，utilizing the method of feedback linearization can simplify duty cycle calculation and increase the speed of control.through a second-order generalized integrator software phase lock loop（sogi-spll），the information of phase angle is gained，synchronizing the output current and grid voltage. a dual-core microcontroller unit（mcu）has high-speed real-time control capability，contributing to the control tactics realization based on a parallel calculation structure algorithm.finally，a 1 kw prototype is built to verify the accuracy and feasibility of the theoretical analysis.
keywords：inverter；high frequency；software phase lock loop
1. 引言
随着环境问题日益严峻， 可再生能源发电应用逐渐成为人们关注的热点。并网逆变器可将分布式能源转化为统一的交流电源，扩大了可再生能源的应用范围， 成为可再生能源发电系统不可或缺的一环。双 buck 半桥逆变器拓扑结构简单、易于控制， 但其直流电压利用率低、电压应力高， 限制其广泛应用相比之下，双 buck 全桥逆变器结构不仅具有半桥结构的优点， 且具有直流电压利用率高、电压应力低等明显优势[3-4]。此外，其一条支路上仅含一个开关管的结构，使其在防止桥臂直通方面有显著优势，且无需考虑死区时间的影响，使其可靠性显著提高， 从而应用场景更加广泛。
在此基于并网型高频单相双核 mcu 全桥逆变器， 提出并设计了基于双核 mcu 数字控制平台的并行结构控制算法，解决了高频逆变器实时控制对数字控制器计算速度需求高与数字控制器计算能力不足之间的矛盾。采用电压电流双环控制，实现了最大输入功率跟踪并稳定直流侧母线电压的控制目标。采用反馈线性化方法简化占空比计算，提高了控制速度。采用 sogi-spll 获得了相角信息和同步逆变器输出电流与电网电压的相位。此外，逆变器可工作在 400 khz 的高频条件下，且其体积减小、功率密度增加。最后， 搭建了 1 kw 样机，以验证理论分析的可靠性。
2. 原理与设计
2.1 工作原理
图 1示出双 buck 全桥逆变器的拓扑结构。逆变器可视为两个独立的 buck 逆变器。buck 逆变器 1 由开关管v1，v3，二极管 vd1，和输出电感 li1 组成，连接到直流母线正极侧。buck 逆变器 2 由开关管 v2，v4，二极管 vd2 和输出电感 li2 组成，连接到直流母线负极侧。li1 和 li2 与电容 cf，电感 lg1 和 lg2 相结合构成 lcl 滤波器。
采用单极调制驱动逆变器， 驱动信号波形如图 2所示。每个周期中， 两个 buck 逆变器单独工作在各自的半周期。
前半周期内，buck 逆变器 1 工作，v3 保持导通，v1 以 400 khz 的高频进行开关操作，进而得到正弦并网电流。ig。v1 关闭时，vd1 提供续流路径。双 buck 拓扑结构同一桥臂仅含 1 个 mosfet，故其较传统全桥结构在防止桥臂直通方面有明显优势，且该拓扑无需考虑死区时间的影响。此外，续流电流流过 vd1，而非体二极管，可大大减少逆变器的总损耗。buck 逆变器 2 工作原理与 buck 逆变器 1 类似，不再赘述。
2.2 控制方法
图 3示出逆变器控制系统的结构。通常可再生能源分布式发电应用采用两级系统结构，后级的并网逆变器负责将能量传递到电网中。采用电压-电流双环控制，逆变器可平衡输入、输出功率来稳定直流母线电压 ubus。notch 滤波器可滤除 ubus 中的纹波。经过实时采样的 ubus 经 notch 滤波器滤除开关过程在 ubus 中的电压纹波后， 与 ubus 给定值ubusref 进行比较， 产生电压误差信号；电压误差信号通过 2p2z 控制器生成内环电流的参考幅值 irefamp。sogi-spll 通过釆集网侧电压 ug 的相位，为电流给定 iref 提供相位信号， 使其与电网电压同步。通过采集电感 li 的电流 il， 与生成的 iref 比较得到电流误差，通过 3p3z 补偿器进行补偿。之后，该信号进入脉宽调制 (pwm) 环节生成开关管控制信号。同时，为保证高频变换， 逆变器电流内环采用了线性化环节， 简化了电流环产生控制占空比的计算过程，使控制频率可达 400 khz。
计算速度是实现实时数字控制最大的挑战。多数研究者在高频工况下会采用模拟电路进行回路控制。模拟控制具有带宽高、分辨率高和成本低等优势， 但其硬件结构缺乏灵活性， 控制能力仅局限于经典控制理论。相比之下， 数字控制能够控制多个回路并执行多个高级算法， 有助于实现多任务和多功能控制。软件补偿器可轻松进行调节和扩展， 大大提高了灵活性。此外，对温度漂移和电磁干扰的不敏感性，使其非常适用于高频开关控制。mcu 是将中央处理器（cpu） 、内存 a/d 转换器以及通讯模块等其他功能单元整合在单一芯片上的一种通用控制平台。当控制回路运行在400 khz 时， 对于 200 mhz 的 mcu， 只有约 500 个 cpu 时钟周期可用于计算。
表 1示出主要计算模块的 cpu周期消耗。
显然，主要计算模块的总时间消耗近乎达到了 500 个 cpu 周期的 mcu 进程极限。因此，高精度进行管理计算， 紧密安排每个步骤及中断显得尤为重要[5] 。但准确测量每个模块的计算能力消耗会大大增加编程难度，甚至导致程序无法修改和扩展。即使是小幅变动也可能会溢出运算并导致系统崩溃。为解决此类问题， 提出了基于双核 mcu 的并行结构算法。
图 4示出逆变器的控制程序。对于单核 cpu 结构，即使计算模块相对独立，运算也必须依次执行。中断机制仅影响执行顺序， 而不影响总计算时间。与单核 cpu 中断策略不同， 双核 cpu 并行结构可同时运行相对独立的运算模块， 总计算时间可大幅减小。
图 5示出单核与双核 mcu 间方案对比图。计算模块排列到两个 cpu 核心， 相互独立的模块在各自 cpu 内同时进行，大大降低了 cpu1 计算量。读写 cpu1 和 cpu2 间共享随机存储器可互连数据，大幅缩短整体计算时间。两个 cpu 剩余计算能力可用于进一步应用扩展，如数字滤波、外部设备通讯等扩展功能模块。因此，双核 mcu 系统具有强大的计算能力和灵活的扩展能力，非常适用于高频逆变器。
3. 实验
基于一台 1 kw 样机进行实验。400 khz 高频逆变器体积约为 100 khz 样机一半，功率密度和便携性显著提高。选用 c2m0280120d 型 v1-v4，cvfd20065a 型 vd1，vd2 ，77439a7 型 li1，li2 ，li1=li2 =800 μh， 77439a7型，lg1 ，lg2，lg1=lg2=215 μh，mkp10 型 cf，cf ＝0.15 μf；tms320f28377d 型控制平台， 其为可运行在 200 hz 的高性能双核 mcu。
图 6a为轻载、输出功率 p0=100 w 时输出电流 ig 波形。可见，p0 较低时 ig 仍能很好地跟踪 ug 。sogi-spll 能准确锁定电压相位，此时功率因数为 0.99。ubus 在双环控制下稳定在 400 v，其纹波电压范围在 ±4 v 内，并网电流总谐波畸变率 (thd) 为 4.8%。图 6b 为 p1=1 kw 时的实验波形。随着 p0 的增加、ig 波形显著上升，其有效值达 4.5 v。此时功率因数为 0.99，thd 降至 1.8%，逆变器效率达 96.1%。证明了控制方法的有效性和正确性。
由图 6a，b可见上述逆变器在 400 khz 尚频的满载范围内均可获得输出电流， 且功率因数近乎相同、thd 低， 满载情况下可获得较高效率。
图 7为 1 kw 额定输出时逆变器并网电流 ig，v1 漏源极间电压 μdv1 和 v1，驱动信号 μgv1 。逆变器能稳定运行在400 khz 开关频率下，当时 ig>0，v1 以 400 khz 高频开关，v1 电压应力为 400 v。随后 ig 为负时,v1 ，nv3关断，v2，v4继续工作。图 8 为 p0 与效率 η和并网电流 thd 之间关系。当 p0 从 100 w 增加到 1000 w 时，η 从 85.2% 提高到 96.1%。额定工况下达到最高效率 96.1%，thd 降至 1.8%。故针对小型可再生能源应用， 逆变器达到高效率、低 thd 和高功率因数的设计目标。
4. 结论
提出一种双核 mcu 并行结构算法， 采用电压外环、电流内环双环控制实现通过平衡输入输出功率来稳定直流母线电压。对电流环、sogi-spll 和电压外环控制器设计和调校进行深入分析。实验验证了控制器设计方法的正确性及高频数字化控制的可行性和优越性。成功实现了 400 khz 高频逆变器单周期实时控制，并实现了逆变器高功率因数、高效率和低总谐波畸变率等特性