微電網三相逆變電路設計思路與電路圖分析

ID:552139 · 發表于 2019-9-5 10:50

使用兩個單片機分別控制連個三相逆變系統

本系統分為兩個三相逆變系統，逆變器1采用軟件生成三相spwm波，通過IR2110驅動MOS管，最后通過LC濾波產生三相正弦波，通過電壓傳感器反饋輸出交流的有效值給單片機，軟件通過采樣得到的有效值進行PID控制算法，來控制SPWM波，達到穩壓的目的。逆變器2電路主拓撲與逆變器一樣，控制方法采用了硬件三相滯環比較型電流跟蹤法。可以輸出恒定的交流電流，通過采集逆變器1的電流波形，送入逆變器2控制系統的調制波輸入，逆變器2輸出電流就會跟蹤調制波的波形，達到同頻同相的目的，通過控制調制波的的放大系數，可以改變兩個逆變器的電流比，讓兩個逆變的電流比值恒定。

1系統方案

對競賽題目進行分析，由于題目要求逆變器輸出線電壓的負載調整率低于0.3%，可見逆變器并聯供電的時候必須保證輸出線電壓恒定。另一方面，題目要求兩個逆變器在輸出時能夠做到功率分配的控制，也就說明逆變器必須也能夠有效地控制各自的輸出電流。需要同時實現并聯系統三相輸出的恒壓和各逆變器的恒流控制，是本次競賽題目的難點所在。下面則針對于本題的要求，對控制方法的方案設計進行討論。

1.1 控制方法的論證與選擇

為了解決題目要求的對輸出線電壓的恒壓控制，并做到對各個逆變器的恒流控制，可以考慮對兩個逆變器采用不同的控制策略。對逆變器1做恒定線電壓的閉環控制，在負載不變的情況下，并聯系統輸出的總電流是恒定的。在此基礎上，對逆變器2做恒流并網控制，將逆變器1的輸出視為主電網，控制逆變器2的輸出并網電流恒定。那么只要使得逆變器2的給定電流與總電流之間保持一定的比例關系，就可以保證逆變器1和逆變器2的輸出電流能夠按照設定的比例分配。

但是對于兩個逆變器的控制方案，也有多種選擇，下面分開進行討論：

方案一：采用單片機控制兩個逆變器，在輸出進行反饋兩路電壓電流信號進入單片機，采用PID算法控制定時器輸出占空比，從而控制輸出電流和電壓，方法簡單，容易實現。但是由于此題是屬于并聯供電系統，而單片機輸出PWM占空比精度有限，可能導致兩個逆變器之間壓差過高，導致電流過大，或者導致輸出電流不精準不穩定的現象。

方案二：采用硬件控制方法，利用dac產生3路相差互為120度的正弦調制波，逆變控制采用硬件反饋控制，輸入需要調制波形，逆變輸出就會跟隨調制波形成比例輸出。但是這樣需要采集兩路的電流有效值，通過控制DAC調制波的幅值，來控制逆變輸出電流，通過兩路測得的逆變輸出電流有效值，來調整逆變輸出電流比例。由于是硬件控制，所以控制速度夠快，控制精度也能很高。

方案三：在兩個逆變器的控制中，對逆變器1的恒壓控制，通過采樣并聯系統輸出線電壓作為反饋，而采用數字PID對逆變器輸出的線電壓有效值進行閉環控制。而對于逆變器2的恒流并網控制，采用三相電流跟蹤控制，而各相跟蹤的參考信號，則通過采樣逆變器1對應相輸出的線電流輸出獲得。這樣通過設置采樣回路上的放大系數，就可以控制逆變器2的輸出線電流保持與逆變器1相應線電流的比例關系。同時，由于逆變器1采用的是有效值閉環控制，所以其慣性系數大，更接近于電網慣性大的特點。而逆變器2采用瞬時值跟蹤控制，慣性系數小，能夠快速的對負載變化做出響應，提高了系統的動態響應特性。

方案二與方案三都是采用了硬件控制，理想效果也差不多，方案二需要3路DAC，現有的單片機中內置DAC通道不夠，需要另外外加DAC，需要采集電流有效值，需要軟件進行數據處理與控制。但是相比于方案二，方案三只需要三個電流互感器和三個放大器，就可以完成電流逆變輸出的同頻、同相、同比例。

綜合以上分析，選擇方案三。

2系統理論分析與計算
2.1 元器件選型分析
題目要求輸出線電壓24V，由于采用橋式三相逆變器，折算輸入電壓需要高于40V

所以輸入電容可以選擇的耐壓值。

MOS管選擇低導通電阻的IRF4310，其耐壓值為100V 導通電阻=5.6mΩ

逆變器1

開關頻率設定為36kHz，通過LC濾波，設計截止頻率為1kHz。

由于需要輸出為50Hz的交流信號，輸出電容阻抗為,如果C取得很大，那么阻抗就很小，那么就會導致輸出電壓低，空載電流大，效率低等現象。所以取得47uf。根據公式：

得到輸出電感為539mH，因為是輸出需要的是并聯供電，為了使我的逆變器有較好的控流能力，可以考慮加大一點電感，所以選取1mH的環型電感。

逆變器2

由于此逆變打算作為交流恒流源，所以輸出電感打算在逆變器1的基礎上增加一倍，所以選擇2mH電感。

2.2 控制方法分析

逆變器1主要采用軟件PID控制方式。通過采集輸出電壓的有效值，反饋回單片機，由單片機控制SPWM占空比來實現閉環控制。

逆變器2主要采用滯環比較型電流跟蹤法。如圖1通過檢測輸出電流，把輸出電流與參考信號進行誤差放大，將誤差放大信號送入滯回比較器，再將滯回比較器輸出通過一個反相器形成一路互補的PWM波形，來控制mos管的開關，從而控制該相輸出電流增大或者減小，通過電感對電流的扼制作用，電流不會變化的太快。而電感越小開關頻率也會越高。此電路可以根據輸入的參考信號，做到輸出電流實時跟蹤參考信號，硬件結構簡單，控流能力強。

圖1

此系統中可以將逆變器1輸出三相的線電流波形，通過電流互感器轉換成信號作為圖1中的、、，以U相來討論：

設逆變器1的U相電流波形、逆變器2的U相電流波形，通過電流互感器，檢測逆變器1的電流波形作為：

（1）

而滯環比較電流跟蹤逆變電路輸出電流是可以跟蹤波形，即

（2）

又因為輸出電壓為正弦波且負載為阻性，所以輸出的總電流為正弦波，所以

由公式（1）(2)化簡為：

所以輸出總電流A為多少，輸出電流比都為k*m 。k為逆變器1互感器電流采集系數，m為逆變器2滯環比較控制器電流反饋的系數.

3電路與程序設計
3.1電路的設計
3.1.1系統總體框圖

系統總體框圖如圖1所示，主要包括兩個三相橋式逆變，逆變器1控制器、逆變器2控制器。其中逆變器1控制器由單片機最小系統，電壓電流有效值采集電路，輔助電源組成。逆變器2控制器則由三個滯環比較控制電路與交流電流采集模塊組成。逆變器1在并聯的時候主要起到交流恒壓的作用，使三相輸出線電壓恒定在24V。逆變器2在并聯的時候起到了控流作用，逆變器2實際上屬于一個交流恒流源，輸出線電流的大小與輸入的參考信號成比例關系，通過參考信號可以控制逆變器2輸出線電流的大小。而在此系統中，以逆變器1的三相輸出線電流作為參考信號，既可以保證逆變器2的輸出能保持與逆變器1同頻同相，還能夠保證逆變器1和2輸出電流比恒定。