2017国赛优秀作品——A题 微电网模拟系统 华中科技大学

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作者：林俊宏 鄢义洋 罗徐佳

摘要

系统采用三相半桥拓扑，以STM32单片机为主从控制器，实现了三相逆变器并联均流模拟微电网系统。主控制器在dq坐标系下进行控制，实现三相稳压输出；从控制器采用主从均流控制，实现两台三相逆变器的电流分配。采用三相同步锁相环（SRF-PLL）实现了两台逆变器的同步。逆变器单独工作时，输出交流母线电压有效值为24.01V，频率为50.00Hz，总谐波畸变率为0.63%，系统整体效率为92.33%，负载调整率为0.12%。逆变器并联工作时，系统实现了两台逆变器输出功率比可调的功能，电流折算值误差最大值为0.069A，并联工作负载调整率为0.21%。此外，系统具有友好的人机交互界面及输入欠压、过压保护功能。
关键词：三相逆变器；主从均流；三相同步锁相环；dq坐标变换

一、系统方案论证
1.比较与选择
l）主拓扑方案选择
方案一：三相半桥拓扑。由3个半桥电路组成，半桥桥臂输出经LC滤波可实现三相逆变，输出交流电压幅值仅为母线电压的一半，对直流电压利用率不高，但控制策略与电路结构均较简单。
方案二：三相全桥拓扑。由3个全桥电路组成，在输入相同电压条件下，输出交流电压幅值较半桥电路高。但电路结构与控制策略均较复杂。
综上所述，为了尽可能减小系统的复杂度，选择方案一。

2）均流控制方案选择
方案一：主从控制。主逆变器实现稳压输出，从逆变器实现恒流输出，实现整体输出均流，无法实现独立控制且可靠性差，但控制策略简单，控制精度高，负载调整率好。
“方案一：双环控制。系统通过调节外电压环获得各逆变器电流基准值，据此进行Pl调节实现均流输出，系统可靠性高，但控制相对复杂。

综上所述，为了实现较好的负载调整率，选择方案一。


损耗，经折中考虑，选择导通电阻与栅极电容适中的开关管；选择等消除阿年电阻较小的C BB 电容并联在输入电容中，且多个并联，可降低输入电容的等效串联电阻；选择铁氧体材料次新，材料电阻率较高，可有效降低电感涡流损耗。

2.同时运行模式的控制策略
1）dq旋转坐标系下的稳压策略
当三相逆变器输出电压幅值为Um的对称三相电压时，通过转换矩阵可将输出电压从三相abc静止坐标变换到两极性同步旋转坐标系下的变量，此时可得


其中，三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换矩阵为



在三相对称稳态时，dq坐标系下的d轴分量数值与输出电压幅值相等，而q轴分量为0。因此，主控制器在dq坐标系下进行电压单环控制实现输出稳压。

2）基于主从控制的均流策略
系统采用主从控制策略实现两逆变器并联均流。主逆变器工作于稳压模式，从逆变器工作于电流源模式，实现主从逆变器的输出均流功能。
从控制器通过PI调节调整两相旋转坐标系下的角频率w，使输出电压q轴分量为0，实现PIL锁框环功能。PLL锁相环实现两台逆变器输出电压同步，并依据主逆变器输出电流，给定从逆变器的电流箱标，采用PI调节控制从逆变器的输出电流，实现电流分配。主、从控制器控制框图分别如图2和图3所示。




三、电路与程序设计
1.主电路与器件选择
1）开关管选型
系统额定输出线电压U。=24V，系统主电路采用三相半桥逆变电路，最大输出交流幅值为直流母线电压的一半，故直流母线电压至少为39V，留取一定的裕量，开关管的耐压须大于50V。单逆变器运行时，最大输出电流为2A。故开关管选择Fairchild公司生产的NTD3055，最大漏源电压Uns=60V，最大漏极电流In=9A，可满足电压、电流应力需求。

2.控制电路与控制程序
控制电路分为主、从控制器两部分。主控制器工作于稳压控制模式，通过互感器测量输出线电压信号传输至控制器，经dq坐标变换与PI调节算法实现输出幅值稳定的对称三相电压。从控制器工作于稳流控制模式，在SRF-PLL锁相环获取交流母线电压相位后，通过PI调节算法调节输出电流同频同相并实现两逆变器的均流（输出电流信号由霍尔传感器测量）。

四、测试方案与测试结果
1.测试方案及测试条件
1）测试方案
（1）启动逆变器1，调节输入电压为50V，调节负载，使负载线电流。为2A，使用钳形功率计测量各级电压有效值、频率与交流母线电压谐畸变率。用万用表测量输入电压、电流以及三相输出点压与相电流，并计算系统效率。
（2）调节负载，使负载线电流在0~2A范围内变化，计算负载调整率。
（3）启动逆变器2，调节负载线电流.在0~2A范围内，测量逆变器1与逆变器2的线电流，并测量负载线电压频率。
（4）调节负载使负载线电流。在1~3A范围内变化，测量逆变器1与逆变器2的线电流，计算a对误差与负载调整率。
（5）设定两台逆变器的功率比，测量逆变器1与逆变器2的线电流，计算绝对误差。

2）测试仪器
数字存储示波器Tektronix TDS1002、数字万用表U3402A、钳形功率计Hioki3169-21。

2.测试结果及其完整性
1）输出线电压与THD测试
1.测试条件：启动逆变器1，调节输入电压为50V，调节负载使负载线电流I0为2A，使用钳形功率测量电压有效值、频率变率。
2）逆变器效率测试
测试条件：调节负载使负载线电流I0为2A，使用万用表测量输入电压、电流并测量三相线电压、电流，计算逆变器1的效率。
3）负载调整率测试
测试条件：调节负载电流在0~2A内变化，测量输出电压计算负载调整率。
4）并联输出测试
测试条件。启动逆变器2，调整负载电流电流I0为3A，使用万用表测量逆变器1与逆变器2的电流，并测量负载电流与输出电压的频率。
5）并联负载调整率测试
测试条件：调整负截电流在1-3A内变化，使用万用表测量两台逆变器的输出电流与负裁电流，并计算误差，测量输出电压，计算负截调整率。
6）分流比设定测试
测试条件：设定逆变器1与逆变器2的分流比K，调整负载电流在1-3A范围内变化，使用万用表测量两台道变器的输出电流与负载电流，并计算误差。

五、总结
系统采用三相半桥拓扑，主控制器采用do坐标变换实现三相稳压输出，从控制器采用主从控制法将两台三相逆变器并联均流实现了微电网模拟。逆变器1工作时，输出交流母线电压有效值为24.01V频率为50.00Hz，总谐波畸变率仅为0.63%，系统整体效率可达92.33%，负载调整率为0.12%。逆变器并联工作时，系统实现了两台逆变器输出功率比可调，最大绝对误差仅为0.069A，负载调整率仅为0.21%。

春风十里

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mc996882160

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叶添福

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路绪伟

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