全国大学生电子设计竞赛(八)--2017年全国大学生电子设计大赛A题（微电网模拟系统）

  微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统。微电网作为分布式电源接入电网的一种有效手段，逐步引起了广泛关注。将分布式电源以微电网的形式接入配电网，被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一。

一、方案论证

1.逆变器的选择

  方案一：基于全桥结构的三相逆变器的拓扑结构，如下图1所示。该结构由三个相互独立的单相逆变器组合而成，各模块相互独立互不干扰，故系统控制简单。但要求三个单相逆变器的输入且彼此隔离，增加了系统复杂度。

  方案二：基于半桥结构的拓扑结构，如下图2所示。该结构中开关器件较三相全桥式逆变器少，且仅需一路直流输入，但是其开关管所承受的电压为三相全桥式三相全桥式逆变器的两倍，故需要选择耐高压MOS。

  为尽量简化系统设计，减少硬件复杂度，系统采用方案二。

2.交流电压电流有效值测量方案论证与选择

  方案一：采用真有效值转换芯片AD637直接测量。AD637可准确计算各种信号有效值，使用简单，但计算时间较长，当电压值快速变化时，无法对测量值实时跟踪。
  方案二：AD采样计算，通过取离散样值的均方根得到有效值。该方案硬件简单，测量实时性强，但需要复杂的算法，会占用大量的资源。
  该系统同时测量9路信号，进行反馈调节，实时性要求高，故采用方案二。

3.逆变控制方案选择

  方案一：用硬件产生正弦波和三角波。将正弦波作为基波，三角波作为载波，输入到模拟运放比较器进行比较后输出 SPWM 波，但是硬件调频十分困难且不易调试。
  方案二：由带有 PWM 产生功能的单片机利用正弦表扫描法产生 SPWM，由软件模拟产生SPWM调频容易且易于调试。
  方 案 三：SVPWM 调 制，SVPWM 意为空间矢量脉冲宽度调制。SVPWM 的空间矢量是指往不是正弦波，但其线电压是正弦波，而其绕组电流的谐波成分较 PWM 小，理想的 SPWM 调制，旨在产生空间旋转的磁场矢量。SVPWM 从三相输出电压的整体效果出发，其相电压通过电压矢量产生的磁场矢量，磁场矢量是空间旋转的矢量。SVPWM将电压矢量通过脉宽变频器，不论相电压还是线电压，均不包含低次谐波。其最低次的谐波发生在一倍开关频率附近。采用SVPWM 调制比用 SPWM 调制输出的电压高 23% 左右。
  经过对比分析，选择方案三更合适。

二、系统的整体框架

系统包括两个三相逆变模块、电压电流采样模块、主控模块及辅助电源，框图如下图4所示。

  图4中，两个三相逆变模块分别由两个直流电源供电，系统利用STM32产生SPWM波控制半桥驱动器IR2104实现三相逆变功能。利用互感器及AD转换器TLC3578采集输出线电压/电流，根据采样信息进行实时反馈控制。当仅有逆变器1工作时，根据采样电压信息利用PID算法对STM32生成的SPWM波进行反馈控制，保证输出线电压稳定在24V。当逆变器1和逆变器2并联工作时，根据采样电压电流信息利用双PID算法对两路逆变器的SPWM波进行反馈控制，保证输出线电压稳定在24V，同时功率根据键盘设置自动分配。LCD屏幕上可实时显示工作状态。

三、 理论分析与计算

  1．逆变器提高效率的方法及关键器件的选择
  1）选择适当的开关频率。较高的开关频率可以减少变换器的体积和重量，提高输出电压THD，但是随着频率的提高开关管的损耗也会随之增加：
           $P_{\mathrm{on}}=\frac{1}{2} U_{\mathrm{D}} I_{\mathrm{O}} t_{\mathrm{on}} f_{\mathrm{s}}$Pon​=21​UD​IO​ton​fs​
           $P_{\mathrm{off}}=\frac{1}{2} U_{\mathrm{D}} I_{\mathrm{O}} t_{\mathrm{off}} f_{\mathrm{s}}$Poff​=21​UD​IO​toff​fs​
由上式此可知：开关管的损耗与频率成正比，开关频率越大，损耗也随之升高。因此，综合考虑下逆变器的开关频率为20kHz。
  2）选择栅极电容与导通电阻较小的开关管IRF3205；减小开关管的栅极串联电阻，可改变控制脉冲上升/下降时间、防止震荡，减小开关管的漏极的冲击电压；同时在开关管的栅极和源极之间并联较大阻值电阻，减小开关管断开时的静态电流。
  3）合理设计滤波电感。由于SPWM波载波频率为20kHz，为滤除载波频率及高次谐波，提高输出THD，将滤波器截止频率设置为750Hz，电容选择 $C_{\mathrm{f}}$Cf​= $30_{\mathrm{uf}}$30uf​的CBB电容，由截止频率公式： $f_{\mathrm{T}}=1 / 2 \pi \sqrt{C_{f} L_{f}}$fT​=1/2πCf​Lf​ ​ ，算得电感约为1.5mH。考虑到题目对效率的要求，选择EE55型号磁芯，绕线更加紧凑而减少漏感；适当增加电感气隙来免因磁饱和所附加的铜损；采用多股细铜线代替单股粗线来绕制电感，从而降低铜损，减少邻近效应和趋肤效应。

四、电路与程序设计

1.三相逆变电路

  微电网模拟系统由两个三相逆变器并联构成，作为系统的核心部分，三相逆变电路采用半桥并联结构，完成直流电到三相交流电的转换。两部分三相逆变器电路完全一样，其中一个三相逆变器电路如下图5所示。

  微电网模拟系统由三相逆变主电路、驱动电路、电压电流采样电路和控制电路组成，三相逆变电路由 6 个 N 沟道 MOS 管构成一个三相逆变桥，驱动电路采用六输出高压驱动器 IR2104。三相逆变电路由三路半桥电路和LC滤波电路组成。半桥电路中，驱动器IR2104在SVPWM波控制下驱动IRF3205通断，完成逆变。逆变输出电压经LC低通滤波器滤除高频载波，得到正弦交流电压。

2.滤波器的设计

  逆变器输出会带有基波的奇数次谐波，我们需要滤除这些谐波或者抑制这些谐波输出。
  逆变器输出是作为供电所用，输出电阻要小，所以不用 RC 无源滤波器选择用 LC 无源滤波器 ( 如图 5)。滤波器参数计算：LC 无源低通滤波器是滤除高次谐波分量，使电压输出波形为正弦波。本系统的 SVPWM 调制信号为 20K。而输出需要的波最高 100Hz，滤波容易实现。
  滤波器截止频率： $f_{\mathrm{T}}=1 / 2 \pi \sqrt{C_{f} L_{f}}$fT​=1/2πCf​Lf​ ​ 电路中 L 取 2mH，C 取 3.3μF，计算得出截止频率f=1.959kHz。满足滤波器的要求。

3.电压电流采样电路

  方法一：电流采样电路选用高增益高精度电流芯片 INA282 与康铜丝采样电阻组合成采样电路对电流进行采样。电压利用 Uo=UR1+UR2( 串联分压 ) 原理直接对电压进行采样，为了使电压采样更精确在分压电阻的输出点接一个电压跟随器，采集跟随器的输出电压。
  方法二：采样电路是系统实现反馈控制保证系统稳定的关键部分。具体电路如下图6所示。电压互感器TV1013-1H和电流互感器TA12-200实现了强电与弱电的隔离，同时将三相逆变电路输出的高电压、大电流转换为易于采集的小电压信号，后级3阶有源低通滤波器对互感器输出信号进一步调理后输出给单片机采样。

4.控制电路与控制程序的设计

  为满足采样、生成SVPWM波、稳压及分流等复杂功能，系统选用STM32作为系统控制器。系统控制分为两种模式，模式1仅有逆变器1工作，模式2是逆变器1、2并联工作。模式1、2的程序框图如下图所示。

模式1仅有逆变器1工作

模式2是逆变器1、2并联工作

五、实物图

微电网模拟系统实物图

微电网模拟系统测试图

六、获奖证书

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