2017国赛优秀作品——A题 微电网模拟系统 南华大学

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摘要

本设计以STN32F-407作为逆变器控制芯片，逆变器以三逻辑方式工作。采用电流内环一电压外环的双环路控制方式，实现了两路输出功率比在规定范围内可任意设定的微电网模拟系统。该系统主要由电路、单片机模块、采样调理电路、驱动电路等组成。单片机工作且输出功率按比例分配时，变率不大于0.8%，效率达到95。6%，负载调整率不大于0.12%。
并联工作且输出线电压微21V/2A时，负载调整率不大于0.10%，并具有过流保护、软启动保护及输入欠压保护的功能。
关键词：主从控制：双环路控制；三逻辑方式；微电网

一、方案论证
1.总体方案
本设计主要由主电路（逆变电路）、单片机模块、采样调理电路、驱动电路等构成，如图1所示。


2.主电路拓扑的论证与选择
方案一：电压源型控制逆变器。直流侧并接大电容
可以提供对功率半导体器件的过压保护，使其免受输出侧降态过压冲击、采用SPWM方式时，控制灵活，响应速度快。
方案二：电流源型控制逆变器

3.电流源型控制逆变器。直流侧串接有电感，可以很好地限制输出短路电流，控制简单，响应速度开，正弦性好，单电压谐波及直流侧出的电抗器将造成开关器件过压综合以上两种方案，选择方案一。
4.并联控制技术方案的论证与选择
方案一：主从控制法。以一路逆变器为主模块，另一路逆变器为从模块。主逆变器作为电压源支撑交流母线电压和频率，从逆变器通过控制自身输出电流以实现规定范围内功率任意比分配。此方案控制精度高、控制相对简单，系统效果较好，但系统工作时存在主从模块之分。
方案二：功率分配中心控制法。通过功率分配控制中心检测总输出电流，并为从模块提供对应的电流参考信号的方法来实现各模块输出电流均分。该方案总体性能好，但增加了一个功率分配控制中心，加大了系统构建的复杂性。
综合以上两种方案，选择方案一。

二、理论分析与计算
1.主电路逆变器的工作原理与参数计算
本设计所用主电路拓扑三相桥式逆变器原理如图2所示，并以三逻辑方式工作，在任何时刻有且只有分属两相的不同侧的两个开关导通，各开关器件按照VT1→VT6→VT3→VT2→VT5→VT4既定顺序轮流工作，因此不存在同一相上两个器件进行换流的过程，因此无须设置死区时间。

逆变器输出的三路双极性SPWM波，经过LC滤波后输出三路相位差为120°的正弦波。本设计要求2TU，输出线电压为24V，故至少输入电压Uoe=2页4=53.2V。由于本设计输出电压频率为f。=50Hz，故令LC滤波器的截止频率为f=1.5kHz。但滤波电感L取得过大将引起过大的基波输出电压降，取得

逆变器输出的三路双极性SPWM波，经过LC滤波后输出三路相位差为120°的正弦波。本设计要求2TU，输出线电压为24V，故至少输入电压 。由于本设计输出电压频率为f0=50Hz，故令LC滤波器的截止频率为f=1.5kHz。但滤波电感L取得过大将引起过大的基波输出电压降，取得太小则流过滤波器电感的最大谐彼电流也就越大，故取滤波电感L=1mH。由此可计算滤彼电容 ，故使用一个10μF与一个4.7μF的Cbb电容并联。

2.逆变器同步控制工作原理
根据国家标准规范，主从逆变器之间使用串口通信。主逆变器向从逆变器定时发送同步指令，当从逆变器接收到指令时，主从逆变器同时输出SPWM波，从而实现输出同步。
主逆变器采用双闭环控制结构，如图3所示。电压控制环控制电压输出为恒定值，在此基础上，电流环使用模糊Pl控制进行设定比例的电流分配计算，使其达到要求。在本设计中，电压外环P=0.1，I=0.15；电流内环P=0.2，I=0.1。通过MAT.AB建模与伤真，环路稳定。


三、电路与程序设计
1.主电路设计
本设计的主电路采用由SPWM波控制的两路结构完全相同的三相桥式逆变带，如图4所示。由于每个模块的电流可高达2A，为了降低电路损耗，本系统选用导通电阻较小的开关管IRFB4510（额定电流为62A，耐压值为100V，导通电阻为10.7mΩ）。

根据经验，在栅极驱动电阻（200）处反并联一个栅极关断电阻（15Q）和一个二极管1N418.用于调节开关管的开通与关断速度。为了防止功率管因电压过高造成雪崩击穿，在MOS 管的漏极与源极处反并联一个快速恢复二极管FR207

2.控制程序设计
系统的程序主要由两部分构成，即主函数循环、定时器中断服务程序，如图5所示。

四、测试方案与测试结果
测试仪器
（1）直流开关电源：FT3005-3。
（2）数字万用表：FLUKE 289C。
（3）单相电测试仪：Tektronix PA1000。
（4）功率计：FLUKE4313。



专家点评
设计完整、合理，三逻辑方式工作有特色。