2017电赛微电网模拟系统A题1

2017年全国大学生电子设计竞赛微电网模拟系统（A题）2017年8月9日 I摘要 本文由三相SPWM信号的生成，逆变回路及其驱动电路，滤波电路等部分组成。选择STC15F2K60S2单片机产生三相SPWM信号，采用双极性调制方案驱动三相半桥逆变电路，输出经LC滤波器滤波，最后得到稳定的正弦波交流电，为Y型负载供电。另外本文以无互连线控制方式中的PQ下垂控制方式实现两个逆变模块的并联，从而实现功率分配问题。关键词：SPWM，三相逆变，Y型负载，STC15F2K60S2，PQ控制【Abstract】 In this paper, the three-phase SPWM signal generated by the inverter circuit and drive circuit, filter circuit and other components. Select the STC15F2K60S2 microcontroller to generate three-phase SPWM signal, the bipolar modulation scheme for driving three-phase half bridge inverter circuit, output by the LC filter, and finally get the stable sine wave AC, Y type load power supply. In addition to each other connect PQ droop control in the implementation of two parallel inverter modules, so as to realize the power allocation problem.II目录1. 系统方案的设计与论证.1 1.1三相逆变器的选择.1 方案一：组合式的三相逆变器.1 方案二：三相半桥式逆变器.1 方案三： 四桥臂三相逆变器.1 1.2逆变电路控制方案的选择.2 方案一：主从控制方式.2 方案二：分布控制方式.2 方案三：无互连线控制方式中的PQ下垂控制方式.3 1.3三相SPWM控制信号生成方案选择.3 方案一：正弦波和三角波交点法.3 方案二：对称规则采样法.42.系统理论的分析与计算.4 2.1三相桥式逆变电路原理分析.4 2.2对称规则采样法生成双极型SPWM波开关点的分析.5 2.3交流母线总谐波畸变率THD的分析.5 2.4 PQ下垂方式控制逆变电路的分析.7 2.5功率分配问题的分析. .7 2.6提高效率方法. .9 2.7主回路和控制电路器件的选择.93.系统的电路与程序设计.9 3.1系统整体设计框图.9 3.2.1主电路子系统框图与电路原理图.9 （1）逆变模块框图 （2）逆变模块原理图 3.2.2辅助电路子系统框图与电路原理图.10 3.2.3辅助电源电路图.10 3.3系统软件的设计.10 3.3.1程序功能描述.10 3.3.2程序流程框图.11 3.3.3源程序4.系统测试 .11 4.1测试仪器.11 4.2测试条件.12 4.3测试结果分析和结论.125.总结.126.参考文献.12附录1：逆变电路原理图.13附录2：辅助电源原理图.13附录3：源程序.13附录4：作品实物图.17IV1.系统方案的设计与论证1.1三相逆变器的选择方案一：组合式的三相逆变器 三个单相全桥逆变电路组成三相逆变器，各个逆变器之间相差为120，如下图所示。该结构直流侧电压只需要三相半桥结构的一半，这样可以降低对直流侧大电容的耐压值这一参数要求，可以较容易实现大功率，且控制灵活。但此种结构仍需要工频变压器实现交流侧的隔离，造成结构复杂，体积庞大，成本高等缺点，而且采用此种结构所需开关管的数量是半桥结构的两倍，增加了系统成本。 方案二：三相半桥式逆变器 如图所示，结合在三相逆变器的拓扑中应用最为广泛的半桥式逆变器，该结构的拓扑简单，开关器件较三相全桥式逆变器少，然而其开关管所承受的电压为三相全桥式逆变器的一倍。 方案三：四桥臂三相逆变器 如下图所示，为一种具有很强的带不平衡负载能力的三相逆变器拓扑结构。这种结构以一个单独的桥臂中点作为输出中点，来提高输出不平衡负载的能力。分析表明，若在中点处加入中点电感，在改善输出波形的同时，可以减小输出电压THD. 结合题目综合分析，我们选择了方案二的三相半桥逆变器。1.2逆变电路控制方案选择方案一：主从控制方式 主从控制方式控制框图如下： 该方式选取其中一个模块作为主模块，主模块是控制单元，进行同步，功率均分的计算和信号的反馈给定。主模块为电压型逆变器，其输出电压即为并联系统电压；从模块为电流型逆变模块，根据主模块反馈值进行调节，输出均分的电流，进而实现功率的均分。该控制方式控制算法简单，能很好的实现静态均流。但是主模块和从模块电路结构不同，更换时还需考虑其区别。一旦主模块不能正常工作将影响整个系统的正常运行，且主从模块之间连线过多，易受电磁干扰等影响，可靠性差。方案二：分布控制方式 分布控制方式又叫分散逻辑控制方式，控制框图如下： 分布式控制无需专门设置控制单元，这点优于主从控制。各个模块通过并联母线互通信息，实现同步和功率均分。各模块需检测自身各个有用参数，通过母线传递给其他模块。在各个模块中通过一定的规则生成基准信号，再对自身进行控制，以实现各模块均分负载功率。该控制方式中，每个模块在系统中的地位是相同的，各模块可以不依赖其他模块独立运行于系统中，使系统真正实现冗余控制。各模块参数，控制算法完全相同，可实现模块化，但降低系统成本的同时造成干扰，影响系统的稳定运行。而且互连线过多，使扩展特性降低；随着并联模块增多，系统复杂度增加，使系统控制出现滞后。方案三：无互连线控制方式中的PQ下垂控方式 无互连线控制方式控制框图如下： 各模块之间除在功率输出侧进行连接外，无其他互连线连接。采用此并联技术，只需检测自身模块的有功功率和无功功率。利用逆变器输出的外下垂特性，各模块的有功功率，无功功率和输出电压的幅值，相位的关系，进行相关运算，进而得到参考量。在运行过程中，只需检测自身参数，模块间无互连线，可有效消除因互联线间干扰而带来的问题。而且拓扑结构简单，易操作，随时进行模块色更换，实现热插拔，但牺牲了逆变器的电压幅值，频率的精度。而下垂系数的选取对于控制极为重要，在实际参数设计过程中要综合考虑输出精度与功率均分之间的关系。 通过比较上述方案，我们选择方案三作为逆变电路的控制方案。1.3三相SPWM控制信号生成方案选择方案一：正弦波和三角波交点法（SPWM法）如下图 采用正弦波作为调制信号，三角波作为载波。经比较产生SPWM波。该电路简单，响应速度快，但参数漂移大，集成度低，波形易受外界噪声干扰，设计不灵活，且需要很复杂的硬件来控制逆变器功率器件的死区。方案二：对称规则采样法 如下图 以三角波的一个周期作为一个采样周期，在三角波负峰值处（时刻）采样正弦信号，得到采样电压，在三角载波上水平截得A.B两点，从而确定了脉宽时间：= 脉冲宽度的计算需要事先存好的幅度为1的基准正弦表，该波表的位数和要求的精度有关系.把正弦波波表及三角波波表存入存储器里，通过DDS生成相应波形，再通过数字比较器产生所需要的波形。 通过比较上述两种方案，我们采用第二种方案，方便，快捷的产生PWM信号。它没有模拟电路的温漂，干扰等问题，且可靠性高，可重复编程，响应快，精度高，控制简单。通过软件控制可以实现较高的精度，同时系统升级改造也很简单，便于扩展。2.系统理论分析与计算2.1三相桥式逆变电路原理分析 G,E极三相桥式逆变电路可看作是由三个单相桥式逆变电路组成。以A相输出为例说明：A相控制中，SPWM控制信号,互补,在控制时间内轮流导通，输出幅度为，宽度与相应，相同的SPWM波。B相，C相与A相的控制相同。另,之间的相位差为，则得到相位差为的A,B,C三相输出波。为保证,能及时随控制信号变化，相应三个开关管导通不断变化，因此G,E之间需要有跟随E极变化的供电机制，使G,E极压差保持一定。三相还需相互独立的供电机制，以免三相输出相互打扰。为防止上下桥臂同时导通使直流电源短路，控制应采用先断后通的方法，在关断信号与开通信号间留出一段死区时间。2.2对称规则采样法生成双极型SPWM波开关点的分析 如下图所示，固定在载波峰值处即时刻对正弦波采样，延长与三角波相交，从而确定开关点的时刻。根据相似三角形可得： 2.3 交流母线总谐波畸变率THD的分析 在交流电网中，由于许多非线性电气设备的投入运行，其电压，电流波形实际上已不是完整的正弦波形，而是不同程度的畸变的非线性正弦波。非正弦波通常是周期性电气分量，根据傅里叶级数分析，可分解成基波分量和具有基波分量整数倍的谐波分量。非正弦波的电压或电流有效值等于基波和各次谐波电压或电流有效值的方均根（平方和的平方根）值。基波频率为电网频率（工频50Hz),谐波次数（n)是谐波频率的整数比。总谐波畸变率（THD)是周期性交流量中的谐波含量的方均根值与基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。 电压总畸变率用表示，且,上式中，为谐波电压含量，为基波电压（方均根值）。 谐波电流的大小与设备工作时加于其上的电压幅值有关，系统电压越高，空载励磁电流的波形畸变越大，谐波含量也越高。例如夜间系统负荷减小，电压升高，设备产生的谐波电流也增大。 对谐波治理除采取无源滤波外，在中低压系统还可采用有源滤波装置。 本次设计采用正弦脉宽（SPWM)的逆变电路的输出电压为一系列等幅不等宽的矩形脉冲，并非理想的正弦波。分析这种逆变电路的谐波特性，经推导SPWM波形的傅里叶级数展开式得到输出电压的基波幅值： 可见输出基波电压幅值与脉宽有着直接的关系，它说明改变各个脉冲宽度可调节逆变器输出电压基波幅值。根据脉宽调制原理计算出K次谐波电压的含有率和电压总谐波畸变率： 实际电路中，通常采用三角波作为载波与正弦波进行调制。在逆变电路中，载波频率与调制信号频率（本文取=50Hz)之比，称载波比，将正弦波幅值与三角波峰值之比定义为调制度M(也称调制比或调制系数）。通过MATLAB仿真来观察改变调制度和载波比对于逆变电路输出电压总谐波畸变率的影响。通过仿真可知，基于SPWM控制的逆变电路输出电压中含有一定的高次谐波，且主要集中在载波频率的2倍，4倍，6倍附近，谐波含有率增高而衰减。因此，SPWM波形与理想的正弦波不可能完全等效。在给定载波比时，电压总谐波畸变率与调制度成反比；而在给定调制度时，改变载波比，电压总谐波畸变率基本上保持不变。2.4 PQ下垂方式控制逆变电路的分析 PQ下垂方式是一种无互连线控制逆变电路方式。根据题目要求及本文所采用的结构，并联模型可采用单相逆变器并联系统进行分析。在分析时，我们等效地认为逆变器为一个交流电压源和一个等效的输出阻抗相连，逆变器并联等效电路如下图： （i=1,2)分别为两台逆变器输出电压值。（i=1,2)分别为两台逆变器输出相位值。（i=1,2)和（i=1,2)分别为逆变器并联时的连线阻抗和等效输出阻抗。故可得到逆变器输出阻抗之和+j（i=1,2)。并联供电负载为,输出母线电压为,相位=0.（i=1,2)分别为逆变器输出交流电流值。则可得到逆变器i(i=1,2)输出电流为：。2.5功率分配问题的分析 由PQ下垂方式控制逆变电路的分析可知，输出功率表达式为，其中，分别为逆变器i的的有功功率和无功功率输出。 其中（i=1,2)为逆变器输出阻抗与连线阻抗所组成等效阻抗的相位角。在分析时，由于并联的连线阻抗与逆变器的电感值相较来说较小。可等效为一个感性负载，此时可知则上面的式子可表示为： 并且在并联运行时，两台逆变器间的相角差异是非常小的。故可认近似认为：化简得： 对有功功率公式进行微分处理得：又由于（i=1,2)很小，故有： 简化得由式子得出，有功功率受到电压相位角度变化的影响，而与逆变器的输出电压值无关。而在实际控制过程中，相位的检测往往是不容易做到的。故在控制过程中多采用对电压频率的控制，通过调频来间接进行调相，以达到控制有功功率的目的。同理对式取微分可得：由上式可知，逆变器输出无功功率受到输出电压幅值变化的影响，而与电压的相位差异无关。 利用有功功率和无功功率进行控制的一般规律：并联逆变器中输出电压幅值较大的，其输出的无功功率值大。并联逆变器中输出电压相位超前的，其输出的无功率值大。所以在进行控制过程中，可以对输出有功功率较大的模块进行相位调节；对输出无功功率较大的模块进行输出幅值的调节，以实现对并联模块的功率的均分。 针对交流发电机在输出功率增大时，在本身惯性影响下，其输出频率会自动下垂的特性。可以将P-w和Q-U下垂特性曲线应用到逆变器并联的功率均分上。其控制方程如下： 其中和分别表示空载输出频率值和输出电压幅值；和分别对应为频率下垂系数和电压下垂系数。其特性曲线如图：由图可以得出频率下垂系数和电压下垂系数的计算公式为： 为系数所能容纳的最大的频率和电压幅值的变化范围。在这种控制方案中这两个系数的选取对并联系统的均流效果起到重要作用。大的下垂系数的选取，可以在均流方面取得良好的效果。但是对于大的下垂系数，可以造成较大的频率和电压幅值的偏差。对系统在应对波动方面造成不利影响，损失了系统的动态性能。2.6提高效率的方法 在电路的设计过程中，找到了影响系统效率的主要因素有：功率变换器开关器件的开关损耗；感性元件的铁损和铜损；控制电路的损耗。所以提高系统效率方法可以有：（1）.开关器件的损耗不可避免，但是可以采用低功耗的开关管和二极管。采用MOS管作为开关管，IRF540型MOS管开关损耗小，其只在导通期间有开关损耗。采用低压差的肖特基二极管，耐压高，损耗小。如此选择器件可以降低开关器件的损耗，提高系统效率。（2）. 通过理论和实践验证，电感越大，电感损耗越大，所以在满足要求的条件下减小电感，并且严格按照要求绕制电感，减小磁隙，线圈紧凑等。（3）在合适地方添加吸收网络，减少阻尼振荡。2.7主回路及控制电路器件的选择 主电路三相逆变桥式电路中的MOS管选用IRF540，是一个大电流（33A),较高耐压（100V),低导通电阻（0.077欧）的N沟道场效应管，可作为快速开关管，用半桥驱动器IR2104来驱动，其输出两路互补的驱动信号用于驱动上下臂，互补可以防止两个MOS管同时导通，从而避免因上下臂同时导通而造成短路，而损坏电路及元器件。 控制电路主要采用STC15F2K60S2单片机，其产生SPWM，从而控制IR2104驱动电路，进而驱动逆变电路。3.系统的电路与程序设计3.1系统整体设计框图 3.2.1主电路子系统框图与电路原理图（1） 逆变模块框图 （2） 逆变模块原理图 见附录13.2.2辅助电路子系统框图与电路原理图（1）驱动电路 （2） 滤波电路 （3）控制电路3.2.3辅助电源电路图：见附录23.3系统软件的设计 3.3.1程序功能描述和设计思路 程序功能描述：通过STC15单片机输出三相SPWM波和控制驱动2104使能端，从而使得三相逆变桥完成直流电到三相电交流电的转换。 设计思路：将载波周期数值赋给 PCA 模块 l 的 16 位捕获比较模块寄存器 CCAPlH(高 8 位)和 CCAPlL(低 8 位)， 定时器的值 CH(高八位)、 PCA CL(低八位)与模块捕获寄存器的值相比较，当两者相等时，产生 PCA 中断。在中断中，调用 模块 0 的 PWM 脉宽调节模式，将下一个 SPWM 波的脉宽通过 CCAP0H 装载到 CCAPOL 中，这样 就可以实现无干扰的更新SPWM。3.3.2程序流程框图 3.3.3源程序：见附录34. 系统测试4.1测试仪器 60MHz数字示波器：GWINSTEK GDS-1062A 直流稳定电源：SUING SS1792C 功率分析仪 万用表：VC890D4.2测试条件 检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。4.3测试结果分析与结论4.3.1.线电压测试：接入Y型平衡负载（水泥电阻），线电流有效值为2A时，线电压有效值应为24V，频率应取50Hz.测量结果如下：输出线电流值为2A时，线电压值为23.9V,频率为49.8Hz,符合题目要求。4.3.2. 交流母线线电压总谐波畸变率THD约为1.5% 4.3.3.用功率分析仪直接测量逆变器效率为88.07%(公式计算：输出线电压有效值23.9V,线电流有效值2A;直流电源输出电压47V,输出电流2.02A;公式计算的效率为87.2%） 4.3.4逆变器1给负载供电，负载线电流有效值在0-2A间变化时，测得输出端线电压为：（三相输出只有相位不同，因此只需测量一相即可）线电流/A 0 2线电压/V 23.95 23.9由表中数据及公式可求得负载调整率为0.208%.5. 总结 通过参加本次全国大学生电子竞赛，经历四天三夜的奋斗，我们小组深刻体会到了理论联系实践的重要性，体会到了调试电路的复杂性，过程中遇到了许多没有接触过的困难，我们不断的尝试，努力，认真分析，从细节入手，从小模块电路入手，一个一个地取得了突破，本组方案的软硬件设计符合常用标准，设计程序化，模块化，符合题目要求。通过这次比赛我们终身难忘，受益匪浅，同时提高了我们的团队协作能力。6. 参考文献：（1）基于全桥结构的三相逆变器并联技术研究与设计李子瑜（2）三相并网逆变器滤波及锁相技术研究邱燕（3）基于单片机的三相SPWM逆变电源设计（4）现代开关电源控制电路设计与应用周志敏，周纪海（5）全国大学生电子设计竞赛基本技能指导宁武，唐晓宇（6）基于SPWM控制的三相逆变器电路设计吴海东附录1. 附录2. 附录3. #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define CCP_S0 0x10 /P_SW1.4#define CCP_S1 0x20 /P_SW1.5Uchar code pwm= 127,124,122,119,116,114,111,108,106,103,100,98,95,93,90,87,85,82,80,77,75,73,70,68,65,63,61,58,56,54,52,50,47,45,43,41,39,37,36,34,32,30,28,27,25,23,22,20,19,18,16,15,14,12,11,10,9,8,7,6,5,4,4,3,2,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,2,2,3,4,4,5,4,7,8,9,10,11,12,14,15,16,18,19,20,22,23,25,27,28,30,32,34,36,37,39,41,43,45,47,50,52,54,56,58,61,63,65,68,70,73,75,77,80,82,85,87,90,93,95,98,100,103,106,108,111,114,116,119,122,124,127,130,132,135,138,140,143,146,148,151,154,156,159,161,164,167,169,172,174,177,179,181,184,186,189,191,193,196,198,200,202,204,207,209,211,213,215,217,218,220,222,224,226,227,229,231,232,234,235,236,238,239,240,242,243,244,245,246,247,248,249,250,250,251,252,252,253,253,254,254,254,255,255,255,255,255,255,255,255,255,254,254,254,253,253,252,252,251,250,250,249,248,247,246,245,244,243,242,240,239,238,236,235,234,232,231,229,227,226,224,222,220,218,217,215,213,211,209,207,204,202,200,198,196,193,191,189,186,184,181,179,177,174,172,169,167,164,161,159,156,154,151,148,146,143,140,138,135,132,130,127; / 反正弦变化 sbit SD_A=P32; /A相位的使能端口sbit SD_B=P33; /B相位的使能端口sbit SD_C=P34; /C相位的使能端口sbit JDQ=P20; /模块2并网的继电器。需要并网的时候打开。sbit SD_2A=P23; /模块2的A相位的使能端口sbit SD_2B=P25; /模块2的B相位的使能端口sbit SD_2C=P27; /模块2的C相位的使能端口sbit LED1=P01; /LED指示模块1工作sbit LED2=P02; /LED指示模块2工作uchar PWM_temp_A=254;uchar PWM_temp_B=254;uchar PWM_temp_C=254;uchar Program_step=0;/程序步uint index_1=0;/A相位查表数值uint index_2=100;/B相位查