Ø系统组成
开放式单相并网逆变器控制实验装置综合了自动化、电力电子和电子信息等相关学科的最新技术,可以实现对于并网逆变器控制、新能源和发电系统等相关专业课程的理论和实验研究,是电气控制领域的专业实验装置和重要研究对象。该实验装置可以选择基于DSP的硬件实物控制平台或者基于MATLAB/Simulink的硬件半实物控制平台,满足研究人员不同的选择和场景需求。成熟的设计方案可以让用户专注于对于某类并网逆变器控制问题的研究而无需过多纠结于实验装置设计的可靠性,极大程度地满足了相关专业方向的老师和研究生的需求。
本系统可以作为实物平台和半实物平台使用。基于DSP的硬件实物控制平台由DSP控制板和主功率电路箱等组成;基于MATLAB/Simulink的硬件半实物控制平台由计算机、MATLAB/Simulink实时控制软件、数据采集板、信号转接板和主功率电路箱等组成。实物平台的DSP控制板和半实物平台的信号转接板通过相同接口与主功率电路箱连接,只需要更换二者便可以实现控制方式的切换。其中主功率电路箱内部包含直流稳压、信号采样、硬件保护、逆变和滤波电路等功能模块电路,并将这些部分设计为一体板,用户无需关注内部连线。开放式单相并网逆变器控制实验装置最终可以实现将直流电转化为交流电馈入电网,完成整个逆变过程。
Ø实验研究课题
1、电流型单相并网逆变器控制
(1)信号采样测试实验
(2)锁相环测试实验
(3)开环启动实验
(4)并网电流闭环实验
(5)并网电流跳变实验
(6)被控对象参数摄动实验
(7)其他电流型单相并网在环实验
2、电压型单相并网逆变器控制
(1)信号采样测量实验
(2)功率测量实验
(3)电压开环带载实验
(4)功率外环+电压内环开环带载实验
(5)功率外环+电压内环闭环带载实验
(6)功率外环+电压内环闭环并网实验
(7)其他电压型单相并网在环实验
3、可研究课题
实验装置可以进行并网逆变器电流环或者电压环控制;也可进行电网背景谐波抑制、重复控制、PID控制、状态反馈、系统建模和仿真、电网阻抗检测、弱电网稳定性、并网稳定性、阻尼方法、电网背景谐波抑制和锁相环等研究和实验。
Ø系统特点
· 采用高精度电流传感器、电压传感器完成信号采样,具有完善的过压、过流、故障、异常等硬件和软件保护措施,不用担心因操作失误导致硬件损坏,实验装置具有很高的可靠性;
· 可以选择基于DSP的实物控制平台和基于MATLAB/Simulink的半实物控制平台,二者切换简单方便。前者基于C语言完成,体积小、成本低,且由于其独立运行更为稳定;后者可以方便地调用MATLAB/ Simulink中的函数完成控制算法的设计,效率高且上手简单,非常适合高校教师和学生的科研工作。用户可以根据需求和使用场景进行切换。
· 基于DSP的硬件实物控制平台通过DAC芯片可以将波形和控制变量在示波器上实时显示;基于MATLAB/Simulink的硬件半实物控制平台的各个变量可通过Simulink示波器实时观测,也可以将波形以MATLAB的m或MAT文件形式存储下来;
· 基于MATLAB/Simulink的硬件半实物控制平台中的数据采集板具有高精度的模拟输入通道、模拟输出通道,以及PWM输出通道。
· 推荐输入端为380V直流母线电压,输出端为220V交流电压,输出功率为1.5kW。输入和输出电压可以根据推荐值等比例降低,进行其他电压等级实验。
Ø设备组成及介绍
1、实时控制软件
完全与MATLAB/Simulink兼容,可以方便地调用MATLAB/Simulink中的函数,并且可以在操作系统为Windows7/8/10的PC机上直接运行。
该实时控制软件将系统中的数据采集硬件端口做成相应的Simulink模块,通过Simulink直接对硬件端口进行读、写操作。通过将设计的控制器与相应的系统硬件端口Simulnik模块相连,编译并下载到数据采集卡中,就可以进行实时控制。

2、数据采集卡
· PCIe接口;
· 8路16位模拟输入;
· 8路16位模拟电压输出;
· 8个增量式编码器输入;
· 8路16位PWM;
· 双向56路I/0。

3、DSP控制板
选择基于DSP的硬件实物控制平台时,无需计算机、实时控制软件和数据采集板等外部设备,仅需DSP控制板即可完成控制算法的编写,实现并网逆变过程。控制芯片使用德州仪器(TI)公司的TMS320F28335芯片,主频为150MHz,支持32位的浮点数运算,开发效率高。在采样外部信号后,通过用户编写的控制算法,输出相应的PWM波形。电路硬件保护芯片(CPLD)使用Altera公司的EPM570T100C5N芯片,同样置于DSP控制板上,接收主功率电路箱返回的硬件报错信号,及时作出响应,无需担心因操作失误导致硬件损坏。

4、信号转接板
选择基于MATLAB/Simulink的硬件半实物控制平台时,信号转接板搭配数据采集卡使用。数据采集卡输出的PWM波连接到信号转接板上,经过CPLD后输出,控制功率器件的导通和关断。CPLD同样置于信号转接板上,用于硬件保护,保证并网过程的可靠性和安全性。
5、主功率电路箱

功率板包括直流稳压电路、智能功率模型IPM、LCL滤波电路、继电器电路、信号采样及保护电路和DAC电路等。其中:
(1)直流稳压电路用于稳定输入端的直流母线电压。
(2)IPM使用三菱公司生产的PM50RL60A作为逆变桥,其内部的IGBT可以承受50A、600V的电流和电压等级,且具有U、V、W三路桥臂,可以拓展为三相逆变器使用。本实验装置关闭W相上的IGBT作为单相逆变桥使用。
(3)LCL滤波电路包含逆变侧电感、滤波电容和网侧电感,默认使用3mH、6uF和2mH的参数。可以根据实验需求自行更改LCL滤波器的参数,也可以对滤波器类型进行更改,研究L型滤波器、LC型滤波器等的控制问题,灵活性强,拆装方便。
(4)继电器电路用于控制逆变过程的开启和关断,开启后即进入并网逆变过程,关断则停止。
(5)信号采样电路将电路运行的数据提供给DSP芯片或者计算机进行算法处理。电网电流和电容电流是通过电流霍尔HNC25AY采样的,而电网电压和直流电压是通过电压霍尔VSM025A采样,精度高、误差小。
(6)保护电路可以防止电网电压、直流电压、电网电流和电容电流等参数超出预设值,损坏电路。一旦任意一路实际的采样值超出预设值,则会触发CPLD的硬件保护,停止PWM波的产生,并且关闭继电器。保护电路的预设值可以通过滑动变阻器阻值的大小调整,满足用户不同的实验安全需求。
(7)DAC电路搭配DSP控制板使用,可以接到示波器上,方便用户观察实验波形。
(8)主功率电路箱使用亚克力板搭建,简洁美观,箱体提供了外部信号接口,方便用户安装和使用。
Ø实测波形
示波器保存的电网电流和电网电压波形(图中红线为电网电流波形,蓝线为电网电压波形):
