微电网模拟系统方案的设计

微电网模拟系统方案的设计

发表时间：2018-05-14T16:41:59.860Z 来源：《电力设备》2017年第34期作者：李华强杨艳慧贾卫萍原瑜点李晓光[导读] 摘要：本设计以STC15F260S2单片机为控制核心，单片机通过自然数查表法产生3路SPWM脉冲信号，采用IR2104驱动逆变电路，用IRF540MOS管组成半桥驱动电路，输出经LC低通滤波器滤波，用LM2596芯片作为辅助电源，调试时采用分模块调试的方法，经过制作与调试，该作品能够在连接负载的情况下输出三路稳定的正弦波，线电压有效值24V，电流2.18A，频率50HZ，电路效率达到92.22%，（中北大学 036000）

摘要：本设计以STC15F260S2单片机为控制核心，单片机通过自然数查表法产生3路SPWM脉冲信号，采用IR2104驱动逆变电路，用IRF540MOS管组成半桥驱动电路，输出经LC低通滤波器滤波，用LM2596芯片作为辅助电源，调试时采用分模块调试的方法，经过制作与调试，该作品能够在连接负载的情况下输出三路稳定的正弦波，线电压有效值24V，电流2.18A，频率50HZ，电路效率达到92.22%，谐波畸变率为3.5%。

关键词：三相逆变；半桥驱动；双极性调制；SPWM 0引言

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。微电网是大电网的有力补充，也是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区及偏远地区有广泛的应用前景。本设计采用STC15F2K60S2作为主控制器，通过程序控制输出三路SPWM 波，经过IR2104的驱动输入到半桥逆变电路，实现对逆变电路的控制。 1总体系统设计方案

本系统主要由学生电源、STC15F2K60S2控制模块、DC-AC逆变模块、辅助电源模块以及负载组成。 2硬件设计

2.1主控制器件的论证与选择

方案一：采用传统的STC89C51系列单片机。 STC89C51是采用8051核的ISP系统可编程芯片，使用该单片机对整个系统进行控制，编程较为简单，但本题目中需向负载提供三相对称交流电，需要单片机同时输出三路相位相差120°的波，51单片机难以实现此功能。

方案二：采用STC15F2K60S2单片机 STC15F2K60S2对于复杂电路而言运行速度较慢，但在本电路中不会对电路造成较大负面影响，且该单片机有宽电压、低功耗、抗干扰能力强的优点，对电路的适应力比较强，而且可以同时输出三路SPWM波，符合输出三项对称交流电的要求，编程难度不大，编写程序较为方便。

综合考虑采用方案二。

2.2 DC-AC逆变模块的论证与选择

方案一：采用EG8030芯片控制电路。 EG8030是一款功能完善的三相纯正弦波逆变发生器芯片。使用该芯片便于产生三相对称交流电，但使用洞洞板焊制该控制电路较为复杂，且价格较高，使用性价比较低。

方案二：采用半桥逆变电路。

半桥逆变电路是由2个MOS管轮流工作于正弦波的各个波段，适用于低压小功率输出场合，虽然开关电流相比于全桥有所减少，但是在产生三相对称交流电时只需使用6个MOS管，成本较低，而且具有极强带不平衡负载的能力，便于焊接和调试。

综合考虑采用方案二。

2.3 辅助电源模块的论证与选择

方案一：采用78系列芯片控制电路 78系列芯片与相应元器件所组成的电路属于线性电源，电路较为简单，但产生电流纹波小，功耗太大，转换效率低，散热性差。

方案二：采用LM2596控制电路 LM2596控制电路属于开关电源，效率高，抗干扰性强，输出电压稳定。

综合考虑采用方案二。

3系统理论分析与计算

3.1电路原理的分析

3.1.1逆变器的主要控制技术

逆变器采取目前已经较为成熟的单极性SPWM控制技术，此技术为调制信号正弦化的PWM控制技术。本题目需要同时输出三路SPWM波，因此我们采用STC15F2K60S2作为主控制器，通过编程产生三路SPWM波，经过IR2104的驱动输入到半桥逆变电路，实现对逆变电路的控制。

3.1.2逆变器同时运行策略

用一个单片机同时控制两路逆变器工作，确保两路逆变器输出参数完全一样，采用主从法，使一路逆变器参数跟着另一路变化。

3.1.3逆变器提高效率方法

减少元器件含量，避免电路消耗过多热量；

直接使用学生电源供电，尽可能减少电路；

使用肖特基二极管，减少元器件在二极管上损耗；

多次实践，将电感值确定在150uh，此值为效率消耗最低的电感值。

3.2逆变电路参数的计算

3.2.1 逆变器前级输出电压计算

3.2.2 场效应管的选择

MOS管上可能加的最大电压41.586V。，IRF540N耐压值100V，故可选。

3.2.3 LC电路电感值计算

以逆变器为分析对象，上臂桥的驱动信号的占空比D可表示为：

D={（1+Vom）/（Vdc/2）sin（2×3.14f0×t）}/2；

其中，Vom为逆变器输出电压最大值，f0为输出电压频率，则输出电压V0为：

V0=（Vdc/2）（2D-1）；电感中的纹波电流为：

I={D×Ts（Vdc/（2-V0）}/Lf；

由以上各式可得：I={Vdc×（1-D）*D}/fs× Lf；

通过求解，纹波电流的最大值发生在D=0.5处，通常将滤波器电感中的纹波电流设计为负载电流幅值I1的10%，可得： Lf=Vdc/0.4I1×fs=150uh；

3.3输入滤波电容参数计算

电压峰值：Wp=220×=310V；

纹波按电压峰值的5%计算：Uripple=310×5%=15.5V

效率：i=90%；

频率f=50HZ；

输出功率P0=980W；

电容储能公式：Wc=1/2CU2；

电容释放能量：Wc1=1/2[Up2-（Up-Uripple）2]=1/2C（3102-2952）=4.5C×103；电容补充能量：Wc2=Pin×T=P0/i/2/f；Wc1=Wc2可得C=2400uf；

因此选用3300uf。

4测试方案与测试结果

说明：将负载R调至5Ω，测得各项数据如图，其中Uin为输入逆变模块电压，Iin为输入逆变模块电流，Uout逆变模块输出电压，Iout为逆变模块输出电流，f为电路频率。

4.1测试方案

4.1.1硬件测试

通入220V电压，经变压器电压变为18V，经过整流滤波电路电压变为直流电26V，经过辅助电源后，给IR2104供电，同时使用学生电源输出41V直流电给逆变模块供电。

4.1.2软件仿真测试

经过仿真，STC15F2K60S2输出三路相位相差120。的正弦波。

4.1.3硬件软件联调

STC15F2K60S2单片机将三路SPWM波输入半桥逆变电路，输出三路正弦波，线电压有效值24V。

4.2测试条件与仪器

4.2.1测试条件

经过多次认真检查，确保电路原理图无错误，硬件电路与电路原理图完全一致，并且没有虚焊，软件程序经过反复检查，编译成功才进行仿真。

4.2.2测试仪器

高精度的数字毫伏表、模拟示波器、数字示波器、数字万用表、电桥仪、三相电能质量分析仪。

4.3测试结果分析与结论

在带5Ω负载情况下，可得出以下结论：

a、输出三路稳定，纹波较少，波形相差120°的正弦波；

b、DC-AC模块输出电压稳定在24V±0.2V范围内，电流值在2.18±0.3A，频率为50Hz；

c、经过计算，总谐波畸变率为3.5%；

d、经过计算，电路工作效率92.22%。

综上所述，本设计达到预期结果。

5结束语

在本设计中，我们采用STC15F2K60S2单片机控制输出三路互补的SPWM波，进而控制整个电路实现逆变器的功能，经过测试，效果良好。整体设计稳定可靠，外围电路简单，成本低廉。利用该设计特色与创新在于使用了先进的SPWM控制技术，将效率提高到90%以上，为实际电网进行并网提供了可靠的试验结果。

参考文献：

[1]谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2012

[2]杨玉强.滤波电容选取的深入研究[N].辽宁：辽宁工学院学报，2006

作者简介：

姓名：李华强（1996-）男，山西省晋中市人，本科在读，能源与动力工程专业。