全國大學生電子設計競賽(八)--2017年全國大學生電子設計大賽A題（微電網模擬系統）

  微電網是一種將分佈式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監控保護裝置有機整合在一起的小型發配電系統。微電網作爲分佈式電源接入電網的一種有效手段，逐步引起了廣泛關注。將分佈式電源以微電網的形式接入配電網，被普遍認爲是利用分佈式電源有效的方式之一。

一、方案論證

1.逆變器的選擇

  方案一：基於全橋結構的三相逆變器的拓撲結構，如下圖1所示。該結構由三個相互獨立的單相逆變器組合而成，各模塊相互獨立互不干擾，故系統控制簡單。但要求三個單相逆變器的輸入且彼此隔離，增加了系統複雜度。

  方案二：基於半橋結構的拓撲結構，如下圖2所示。該結構中開關器件較三相全橋式逆變器少，且僅需一路直流輸入，但是其開關管所承受的電壓爲三相全橋式三相全橋式逆變器的兩倍，故需要選擇耐高壓MOS。

  爲儘量簡化系統設計，減少硬件複雜度，系統採用方案二。

2.交流電壓電流有效值測量方案論證與選擇

  方案一：採用真有效值轉換芯片AD637直接測量。AD637可準確計算各種信號有效值，使用簡單，但計算時間較長，當電壓值快速變化時，無法對測量值實時跟蹤。
  方案二：AD採樣計算，通過取離散樣值的均方根得到有效值。該方案硬件簡單，測量實時性強，但需要複雜的算法，會佔用大量的資源。
  該系統同時測量9路信號，進行反饋調節，實時性要求高，故採用方案二。

3.逆變控制方案選擇

  方案一：用硬件產生正弦波和三角波。將正弦波作爲基波，三角波作爲載波，輸入到模擬運放比較器進行比較後輸出 SPWM 波，但是硬件調頻十分困難且不易調試。
  方案二：由帶有 PWM 產生功能的單片機利用正弦表掃描法產生 SPWM，由軟件模擬產生SPWM調頻容易且易於調試。
  方 案 三：SVPWM 調 制，SVPWM 意爲空間矢量脈衝寬度調製。SVPWM 的空間矢量是指往不是正弦波，但其線電壓是正弦波，而其繞組電流的諧波成分較 PWM 小，理想的 SPWM 調製，旨在產生空間旋轉的磁場矢量。SVPWM 從三相輸出電壓的整體效果出發，其相電壓通過電壓矢量產生的磁場矢量，磁場矢量是空間旋轉的矢量。SVPWM將電壓矢量通過脈寬變頻器，不論相電壓還是線電壓，均不包含低次諧波。其最低次的諧波發生在一倍開關頻率附近。採用SVPWM 調製比用 SPWM 調製輸出的電壓高 23% 左右。
  經過對比分析，選擇方案三更合適。

二、系統的整體框架

系統包括兩個三相逆變模塊、電壓電流採樣模塊、主控模塊及輔助電源，框圖如下圖4所示。

  圖4中，兩個三相逆變模塊分別由兩個直流電源供電，系統利用STM32產生SPWM波控制半橋驅動器IR2104實現三相逆變功能。利用互感器及AD轉換器TLC3578採集輸出線電壓/電流，根據採樣信息進行實時反饋控制。當僅有逆變器1工作時，根據採樣電壓信息利用PID算法對STM32生成的SPWM波進行反饋控制，保證輸出線電壓穩定在24V。當逆變器1和逆變器2並聯工作時，根據採樣電壓電流信息利用雙PID算法對兩路逆變器的SPWM波進行反饋控制，保證輸出線電壓穩定在24V，同時功率根據鍵盤設置自動分配。LCD屏幕上可實時顯示工作狀態。

三、 理論分析與計算

  1．逆變器提高效率的方法及關鍵器件的選擇
  1）選擇適當的開關頻率。較高的開關頻率可以減少變換器的體積和重量，提高輸出電壓THD，但是隨着頻率的提高開關管的損耗也會隨之增加：
          $P_{\mathrm{on}}=\frac{1}{2} U_{\mathrm{D}} I_{\mathrm{O}} t_{\mathrm{on}} f_{\mathrm{s}}$
          $P_{\mathrm{off}}=\frac{1}{2} U_{\mathrm{D}} I_{\mathrm{O}} t_{\mathrm{off}} f_{\mathrm{s}}$
由上式此可知：開關管的損耗與頻率成正比，開關頻率越大，損耗也隨之升高。因此，綜合考慮下逆變器的開關頻率爲20kHz。
  2）選擇柵極電容與導通電阻較小的開關管IRF3205；減小開關管的柵極串聯電阻，可改變控制脈衝上升/下降時間、防止震盪，減小開關管的漏極的衝擊電壓；同時在開關管的柵極和源極之間並聯較大阻值電阻，減小開關管斷開時的靜態電流。
  3）合理設計濾波電感。由於SPWM波載波頻率爲20kHz，爲濾除載波頻率及高次諧波，提高輸出THD，將濾波器截止頻率設置爲750Hz，電容選擇$C_{\mathrm{f}}$=$30_{\mathrm{uf}}$的CBB電容，由截止頻率公式：$f_{\mathrm{T}}=1 / 2 \pi \sqrt{C_{f} L_{f}}$ ，算得電感約爲1.5mH。考慮到題目對效率的要求，選擇EE55型號磁芯，繞線更加緊湊而減少漏感；適當增加電感氣隙來免因磁飽和所附加的銅損；採用多股細銅線代替單股粗線來繞制電感，從而降低銅損，減少鄰近效應和趨膚效應。

四、電路與程序設計

1.三相逆變電路

  微電網模擬系統由兩個三相逆變器並聯構成，作爲系統的核心部分，三相逆變電路採用半橋並聯結構，完成直流電到三相交流電的轉換。兩部分三相逆變器電路完全一樣，其中一個三相逆變器電路如下圖5所示。

  微電網模擬系統由三相逆變主電路、驅動電路、電壓電流採樣電路和控制電路組成，三相逆變電路由 6 個 N 溝道 MOS 管構成一個三相逆變橋，驅動電路採用六輸出高壓驅動器 IR2104。三相逆變電路由三路半橋電路和LC濾波電路組成。半橋電路中，驅動器IR2104在SVPWM波控制下驅動IRF3205通斷，完成逆變。逆變輸出電壓經LC低通濾波器濾除高頻載波，得到正弦交流電壓。

2.濾波器的設計

  逆變器輸出會帶有基波的奇數次諧波，我們需要濾除這些諧波或者抑制這些諧波輸出。
  逆變器輸出是作爲供電所用，輸出電阻要小，所以不用 RC 無源濾波器選擇用 LC 無源濾波器 ( 如圖 5)。濾波器參數計算：LC 無源低通濾波器是濾除高次諧波分量，使電壓輸出波形爲正弦波。本系統的 SVPWM 調製信號爲 20K。而輸出需要的波最高 100Hz，濾波容易實現。
  濾波器截止頻率：$f_{\mathrm{T}}=1 / 2 \pi \sqrt{C_{f} L_{f}}$ 電路中 L 取 2mH，C 取 3.3μF，計算得出截止頻率f=1.959kHz。滿足濾波器的要求。

3.電壓電流採樣電路

  方法一：電流採樣電路選用高增益高精度電流芯片 INA282 與康銅絲採樣電阻組合成採樣電路對電流進行採樣。電壓利用 Uo=UR1+UR2( 串聯分壓 ) 原理直接對電壓進行採樣，爲了使電壓採樣更精確在分壓電阻的輸出點接一個電壓跟隨器，採集跟隨器的輸出電壓。
  方法二：採樣電路是系統實現反饋控制保證系統穩定的關鍵部分。具體電路如下圖6所示。電壓互感器TV1013-1H和電流互感器TA12-200實現了強電與弱電的隔離，同時將三相逆變電路輸出的高電壓、大電流轉換爲易於採集的小電壓信號，後級3階有源低通濾波器對互感器輸出信號進一步調理後輸出給單片機採樣。

4.控制電路與控制程序的設計

  爲滿足採樣、生成SVPWM波、穩壓及分流等複雜功能，系統選用STM32作爲系統控制器。系統控制分爲兩種模式，模式1僅有逆變器1工作，模式2是逆變器1、2並聯工作。模式1、2的程序框圖如下圖所示。

模式1僅有逆變器1工作

模式2是逆變器1、2並聯工作

五、實物圖

微電網模擬系統實物圖

微電網模擬系統測試圖

六、獲獎證書

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