本帖最后由 secret 于 2019-7-15 17:31 编辑
A题 微电网模拟系统 作者：范松 石晓航 赵颖 摘要
系统以STM32单片机作为核心控制芯片，利用其内部的PCA模块产生SPWM信号，再通过脉冲分配电路、逆变功率驱动电路和LC串联滤被电路获得三相逆变器50Hz正弦波功率信号的输出。并入微电网时采取电压反馈环、电流反馈环、相位反馈环三闭环的控制方法，电压，电流双环控制，以电感电流瞬时反馈控制作为内环，以母线电压瞬时反馈控制作为外环，通过总线通信及母线上的相位采集进行相位同步跟踪，实现逆变器与微电网的相位同步，减小环流对微电网的影响并联的逆变器在总线上实时监测系统状态，进行主从机互换，避免了主从控制的缺点，当母线失效时，可自动判断母线状态退出微电网，避免了集中控制方式的缺点 关键词：STM32单片机；SPWM；三相逆变器；电压反馈环：电流反馈环
一、方案论证
1.三相逆变器方案选择
方案一：由SPWM专用芯片SA828系列配微处理器直接生成SPWM信号，再驱动逆变器的6个开关器件。因SA828是由规则采样法产生SPWM（正弦被脉冲宽度调制）信号的，故不易实现闭环控制，软件控制不灵活。
方案二：采用单片机内部自带的PWM（脉冲宽度调制）模块产生SPWM信号并驱动逆变器的6个开关器件。该方案外围电路简单，利用软件产生SPWM信号，硬件简单，成本低，软件控制灵活，调试工作量小，易实现。
为便于实现设计要求，本系统选择方案二
2.微电网组网模拟方案选择
方案一：采用集中控制方式，并联控制模块同时还检测负载电流，将其除以参与并联逆变器的台数，把所得结果作为每台逆变器的电流参考指令。同时，每台逆变器检测自身的输出电流，与平均电流相减求误差，用以补偿参考电压，消除环流。其优点是结构简单，均流效果好。缺点是一旦公共电路失效，整个并联系统就无法工作，因此可靠性不高。
方案二：采用主从控制方式，主模块控制整个并联系统的输出电压幅值和频率，从模块输出的电流跟随参考电流的变化来实现负载均分。主模块检测负载电流，并且将其分配给每个从模块作为参考电流。因为参考电流跟随负载电流，因此从模块的输出电流按输出电压频率眼随负载电流，响应速度很快。其优点是系统稳定性好，易于扩展。缺点是主模块一旦失效，从模块将无法工作。
综合这两种方案的优、缺点，本系统采用主从控制方式，完成微电网组网模拟系统的设计。 二、理论分析与计算
1.提高效率的方法
（1）采用SPWM开关逆变方式。
（2）选用导通电阻低至90mQ的IRF530型功率MOSFET，降低开关管的导通压降。MOSFET的驱动电流很小，能降低驱动电路的损耗。
通过上述两种方法可使得系统效率达到88%以上。 2.输出滤波参数的设计
逆变器的输出电压中不仅包含了基波分量，还包含了开关频率分量及其倍数谐波。为了得到标准正弦波电压，需要在逆变器的输出端加低通滤波器，滤掉高次谐波以得到纯正的正弦波电压。 滤波器输出电压相对于滤波器输入电压的传递函数为
式中，
为无阻尼自然振荡角频率；
为阻尼比。 由上式可以看出，影响滤波效果的参数主要是自然振荡角频率和阻尼比。
综合考虑，选择L=1.5mH，则电容为
三、电路与程序设计
系统由两路逆变器构成，每路逆变器以单片机为控制核心，SPWM经脉冲分配电路、逆变驱动电路、LC滤波电路连接至电网母线，通过开关S手动接入电网星形负载，总体框图如图1所示。
DC/AC逆变驱动电路由两片半桥驱动芯片IR2111组成，如图2所示。
过零比较电路以STM32内部的两个比较器为核心，外接二被管、电容、电阻等构成，如图3所示。
过零比较器对输人的Uref一和Uf。信号整形，再使用STM32内部的T4；和T1定时器分别对整形后的信号计家、获取Uref的频率及与Uref的相位偏差，进而通过调节PWM控制器实现频率和相位跟踪
四、测试方案与测试结果
利用sS3325型跟踪直流稳压电源串联产生+48V的，通过VC890D型数字万用表测量直流侧电压电流值，计算输人功率。由BX7-24滑线变阻器构成星形负载，由LMC670功率分析仪采用三线两表制接法完成测量。系统测试方案如图4所示，测试结果见表1-表3。
测量次数 | 输入功率 | 输出功率 | 效率 | 总谐波畸变率 | 1
2
3
平均值
| 91.570
91.570
91.584
91.575
| 81.540
81.400
81.350
81.430
| 89.04
88.90
88.80
88.91
| 0.680
0.680
0.700
0.686
|
表1 微电网系统在逆变器1供电下的测试数据
测量次数 | 线电流 | 线电压 | 负载调整率 | 1
|
0
2
| 23.94
23.89
| 0.2 | 2 | 0
2
| 23.94
23.89
| 0.2 | 3 | 0
2
| 23.94
23.89
| 0.2 |
| 输出功率比 | 负载线电流 | 负载线电压 | 逆变器1
线电流 | 逆变器2
线电流 | 电流差绝对值 | 负载调整率 | 1:1 | 1
2
3
| 24.00
23.98
23.96
| 0.54
1.00
1.45
| 0.54
1.00
1.45
| 0
0
0
| 0.10 | 1:2 | 1
2
3
| 24.02
24.01
23.96
| 0.35
0.69
1.03
| 0.71
1.38
2.08
| 0.01
0
0.02
| 0.24 | 2:1 | 1
2
3
| 23.95
23.98
23.95
| 0.74
1.38
2.08
| 0.35
0.70
1.05
| 0.04
0.02
0.02
| 0 |
表3 微电网在两逆变器同时输出时的数据
由测试结果分析，当双路逆变器并入电网后，通过相位跟随以及通信的同步，可以实现降低电网环的作用，各项测试指标也能满足题目的要求。
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