長沙天恒測控技有限公司
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閱讀：112發(fā)布時(shí)間：2025-12-24
郭曉丹1,2， 盧 欣1,2，孫 哲1，周新華3
（1. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384；2. 國網(wǎng)天津節(jié)能服務(wù)有限公司，天津300384；3.長沙天恒測控技術(shù)有限公司，湖南長沙410100）
摘要： 提出了一種適用于小功率可再生能源的高頻雙 Buck 全橋逆變器。采用電壓－電流雙閉環(huán)控制器，開關(guān)頻率達(dá)到 400 kHz。電壓環(huán)采用兩極點(diǎn)兩零點(diǎn)（2P2Z） 控制器產(chǎn)生內(nèi)環(huán)電流參考值， 電流環(huán)采用三極點(diǎn)三零點(diǎn)（3P3Z）補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)電流參考值的無差跟蹤。此外， 采用反饋線性化方法簡化占空比計(jì)算， 控制速度得到提髙。采用二階廣義積分軟件鎖相環(huán)（SOGI-SPLL） 獲得相角信息， 同步逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓的位。得益于雙核微控制器單元（MCU） 的高速實(shí)時(shí)控制能力，所有控制策略均采用并行計(jì)算結(jié)構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)。最后， 基于 1 kW 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了理論分析的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞： 逆變器；高頻；軟件鎖相環(huán)
中圖分類號(hào)： TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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
隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)峻， 可再生能源發(fā)電應(yīng)用逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。并網(wǎng)逆變器可將分布式能源轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的交流電源，擴(kuò)大了可再生能源的應(yīng)用范圍， 成為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的一環(huán)。雙 Buck 半橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、易于控制， 但其直流電壓利用率低、電壓應(yīng)力高， 限制其廣泛應(yīng)用相比之下，雙 Buck 全橋逆變器結(jié)構(gòu)不僅具有半橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)， 且具有直流電壓利用率高、電壓應(yīng)力低等明顯優(yōu)勢[3-4]。此外，其一條支路上僅含一個(gè)開關(guān)管的結(jié)構(gòu)，使其在防止橋臂直通方面有顯著優(yōu)勢，且無需考慮死區(qū)時(shí)間的影響，使其可靠性顯著提高， 從而應(yīng)用場景更加廣泛。
在此基于并網(wǎng)型高頻單相雙核 MCU 全橋逆變器， 提出并設(shè)計(jì)了基于雙核 MCU 數(shù)字控制平臺(tái)的并行結(jié)構(gòu)控制算法，解決了高頻逆變器實(shí)時(shí)控制對數(shù)字控制器計(jì)算速度需求高與數(shù)字控制器計(jì)算能力不足之間的矛盾。采用電壓電流雙環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了輸入功率跟蹤并穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓的控制目標(biāo)。采用反饋線性化方法簡化占空比計(jì)算，提高了控制速度。采用 SOGI-SPLL 獲得了相角信息和同步逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓的相位。此外，逆變器可工作在 400 kHz 的高頻條件下，且其體積減小、功率密度增加。最后， 搭建了 1 kW 樣機(jī)，以驗(yàn)證理論分析的可靠性。
2. 原理與設(shè)計(jì)
2.1 工作原理
圖 1示出雙 Buck 全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。逆變器可視為兩個(gè)獨(dú)立的 Buck 逆變器。Buck 逆變器 1 由開關(guān)管V1，V3，二極管 VD1，和輸出電感 Li1 組成，連接到直流母線正極側(cè)。Buck 逆變器 2 由開關(guān)管 V2，V4，二極管 VD2 和輸出電感 Li2 組成，連接到直流母線負(fù)極側(cè)。Li1 和 Li2 與電容 Cf，電感 Lg1 和 Lg2 相結(jié)合構(gòu)成 LCL 濾波器。
采用單極調(diào)制驅(qū)動(dòng)逆變器， 驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖 2所示。每個(gè)周期中， 兩個(gè) Buck 逆變器單獨(dú)工作在各自的半周期。
前半周期內(nèi)，Buck 逆變器 1 工作，V3 保持導(dǎo)通，V1 以 400 kHz 的高頻進(jìn)行開關(guān)操作，進(jìn)而得到正弦并網(wǎng)電流。ig。V1 關(guān)閉時(shí)，VD1 提供續(xù)流路徑。雙 Buck 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同一橋臂僅含 1 個(gè) MOSFET，故其較傳統(tǒng)全橋結(jié)構(gòu)在防止橋臂直通方面有明顯優(yōu)勢，且該拓?fù)錈o需考慮死區(qū)時(shí)間的影響。此外，續(xù)流電流流過 VD1，而非體二極管，可大大減少逆變器的總損耗。Buck 逆變器 2 工作原理與 Buck 逆變器 1 類似，不再贅述。
2.2 控制方法
圖 3示出逆變器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。通?？稍偕茉捶植际桨l(fā)電應(yīng)用采用兩級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，后級(jí)的并網(wǎng)逆變器負(fù)責(zé)將能量傳遞到電網(wǎng)中。采用電壓-電流雙環(huán)控制，逆變器可平衡輸入、輸出功率來穩(wěn)定直流母線電壓 Ubus。Notch 濾波器可濾除 Ubus 中的紋波。經(jīng)過實(shí)時(shí)采樣的 Ubus 經(jīng) Notch 濾波器濾除開關(guān)過程在 Ubus 中的電壓紋波后， 與 Ubus 給定值Ubusref 進(jìn)行比較， 產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)；電壓誤差信號(hào)通過 2P2Z 控制器生成內(nèi)環(huán)電流的參考幅值 Irefamp。SOGI-SPLL 通過釆集網(wǎng)側(cè)電壓 Ug 的相位，為電流給定 iref 提供相位信號(hào)， 使其與電網(wǎng)電壓同步。通過采集電感 Li 的電流 iL， 與生成的 iref 比較得到電流誤差，通過 3P3Z 補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。之后，該信號(hào)進(jìn)入脈寬調(diào)制 (PWM) 環(huán)節(jié)生成開關(guān)管控制信號(hào)。同時(shí)，為保證高頻變換， 逆變器電流內(nèi)環(huán)采用了線性化環(huán)節(jié)， 簡化了電流環(huán)產(chǎn)生控制占空比的計(jì)算過程，使控制頻率可達(dá) 400 kHz。
計(jì)算速度是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字控制的挑戰(zhàn)。多數(shù)研究者在高頻工況下會(huì)采用模擬電路進(jìn)行回路控制。模擬控制具有帶寬高、分辨率高和成本低等優(yōu)勢， 但其硬件結(jié)構(gòu)缺乏靈活性， 控制能力僅局限于經(jīng)典控制理論。相比之下， 數(shù)字控制能夠控制多個(gè)回路并執(zhí)行多個(gè)高級(jí)算法， 有助于實(shí)現(xiàn)多任務(wù)和多功能控制。軟件補(bǔ)償器可輕松進(jìn)行調(diào)節(jié)和擴(kuò)展， 大大提高了靈活性。此外，對溫度漂移和電磁干擾的不敏感性，使其非常適用于高頻開關(guān)控制。MCU 是將處理器（CPU） 、內(nèi)存 A/D 轉(zhuǎn)換器以及通訊模塊等其他功能單元整合在單一芯片上的一種通用控制平臺(tái)。當(dāng)控制回路運(yùn)行在400 kHz 時(shí)， 對于 200 MHz 的 MCU， 只有約 500 個(gè) CPU 時(shí)鐘周期可用于計(jì)算。
表 1示出主要計(jì)算模塊的 CPU周期消耗。
顯然，主要計(jì)算模塊的總時(shí)間消耗近乎達(dá)到了 500 個(gè) CPU 周期的 MCU 進(jìn)程極限。因此，高精度進(jìn)行管理計(jì)算， 緊密安排每個(gè)步驟及中斷顯得尤為重要[5] 。但準(zhǔn)確測量每個(gè)模塊的計(jì)算能力消耗會(huì)大大增加編程難度，甚至導(dǎo)致程序無法修改和擴(kuò)展。即使是小幅變動(dòng)也可能會(huì)溢出運(yùn)算并導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為解決此類問題， 提出了基于雙核 MCU 的并行結(jié)構(gòu)算法。
圖 4示出逆變器的控制程序。對于單核 CPU 結(jié)構(gòu)，即使計(jì)算模塊相對獨(dú)立，運(yùn)算也必須依次執(zhí)行。中斷機(jī)制僅影響執(zhí)行順序， 而不影響總計(jì)算時(shí)間。與單核 CPU 中斷策略不同， 雙核 CPU 并行結(jié)構(gòu)可同時(shí)運(yùn)行相對獨(dú)立的運(yùn)算模塊， 總計(jì)算時(shí)間可大幅減小。
圖 5示出單核與雙核 MCU 間方案對比圖。計(jì)算模塊排列到兩個(gè) CPU 核心， 相互獨(dú)立的模塊在各自 CPU 內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，大大降低了 CPU1 計(jì)算量。讀寫 CPU1 和 CPU2 間共享隨機(jī)存儲(chǔ)器可互連數(shù)據(jù)，大幅縮短整體計(jì)算時(shí)間。兩個(gè) CPU 剩余計(jì)算能力可用于進(jìn)一步應(yīng)用擴(kuò)展，如數(shù)字濾波、外部設(shè)備通訊等擴(kuò)展功能模塊。因此，雙核 MCU 系統(tǒng)具有*的計(jì)算能力和靈活的擴(kuò)展能力，非常適用于高頻逆變器。
3. 實(shí)驗(yàn)
基于一臺(tái) 1 kW 樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。400 kHz 高頻逆變器體積約為 100 kHz 樣機(jī)一半，功率密度和便攜性顯著提高。選用 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 型控制平臺(tái)， 其為可運(yùn)行在 200 Hz 的高性能雙核 MCU。
圖 6a為輕載、輸出功率 P0=100 W 時(shí)輸出電流 ig 波形。可見，P0 較低時(shí) ig 仍能很好地跟蹤 ug 。SOGI-SPLL 能準(zhǔn)確鎖定電壓相位，此時(shí)功率因數(shù)為 0.99。Ubus 在雙環(huán)控制下穩(wěn)定在 400 V，其紋波電壓范圍在 ±4 V 內(nèi)，并網(wǎng)電流總諧波畸變率 (THD) 為 4.8%。圖 6b 為 P1=1 kW 時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。隨著 P0 的增加、ig 波形顯著上升，其有效值達(dá) 4.5 V。此時(shí)功率因數(shù)為 0.99，THD 降至 1.8%，逆變器效率達(dá) 96.1%。證明了控制方法的有效性和正確性。
由圖 6a，b可見上述逆變器在 400 kHz 尚頻的滿載范圍內(nèi)均可獲得輸出電流， 且功率因數(shù)近乎相同、THD 低， 滿載情況下可獲得較高效率。
圖 7為 1 kW 額定輸出時(shí)逆變器并網(wǎng)電流 ig，V1 漏源極間電壓 μdv1 和 V1，驅(qū)動(dòng)信號(hào) μgv1 。逆變器能穩(wěn)定運(yùn)行在400 kHz 開關(guān)頻率下，當(dāng)時(shí) ig>0，V1 以 400 kHz 高頻開關(guān)，V1 電壓應(yīng)力為 400 V。隨后 ig 為負(fù)時(shí),V1 ，NV3關(guān)斷，V2，V4繼續(xù)工作。圖 8 為 P0 與效率 η 和并網(wǎng)電流 THD 之間關(guān)系。當(dāng) P0 從 100 W 增加到 1000 W 時(shí)，η 從 85.2% 提高到 96.1%。額定工況下達(dá)到率 96.1%，THD 降至 1.8%。故針對小型可再生能源應(yīng)用， 逆變器達(dá)到高效率、低 THD 和高功率因數(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
4. 結(jié)論
提出一種雙核 MCU 并行結(jié)構(gòu)算法， 采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制實(shí)現(xiàn)通過平衡輸入輸出功率來穩(wěn)定直流母線電壓。對電流環(huán)、SOGI-SPLL 和電壓外環(huán)控制器設(shè)計(jì)和調(diào)校進(jìn)行深入分析。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制器設(shè)計(jì)方法的正確性及高頻數(shù)字化控制的可行性和性。成功實(shí)現(xiàn)了 400 kHz 高頻逆變器單周期實(shí)時(shí)控制，并實(shí)現(xiàn)了逆變器高功率因數(shù)、高效率和低總諧波畸變率等特性
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