微电网三相逆变电路设计思路与电路图分析

ID:552139 · 发表于 2019-9-5 10:50

使用两个单片机分别控制连个三相逆变系统

本系统分为两个三相逆变系统，逆变器1采用软件生成三相spwm波，通过IR2110驱动MOS管，最后通过LC滤波产生三相正弦波，通过电压传感器反馈输出交流的有效值给单片机，软件通过采样得到的有效值进行PID控制算法，来控制SPWM波，达到稳压的目的。逆变器2电路主拓扑与逆变器一样，控制方法采用了硬件三相滞环比较型电流跟踪法。可以输出恒定的交流电流，通过采集逆变器1的电流波形，送入逆变器2控制系统的调制波输入，逆变器2输出电流就会跟踪调制波的波形，达到同频同相的目的，通过控制调制波的的放大系数，可以改变两个逆变器的电流比，让两个逆变的电流比值恒定。

1系统方案

对竞赛题目进行分析，由于题目要求逆变器输出线电压的负载调整率低于0.3%，可见逆变器并联供电的时候必须保证输出线电压恒定。另一方面，题目要求两个逆变器在输出时能够做到功率分配的控制，也就说明逆变器必须也能够有效地控制各自的输出电流。需要同时实现并联系统三相输出的恒压和各逆变器的恒流控制，是本次竞赛题目的难点所在。下面则针对于本题的要求，对控制方法的方案设计进行讨论。

1.1 控制方法的论证与选择

为了解决题目要求的对输出线电压的恒压控制，并做到对各个逆变器的恒流控制，可以考虑对两个逆变器采用不同的控制策略。对逆变器1做恒定线电压的闭环控制，在负载不变的情况下，并联系统输出的总电流是恒定的。在此基础上，对逆变器2做恒流并网控制，将逆变器1的输出视为主电网，控制逆变器2的输出并网电流恒定。那么只要使得逆变器2的给定电流与总电流之间保持一定的比例关系，就可以保证逆变器1和逆变器2的输出电流能够按照设定的比例分配。

但是对于两个逆变器的控制方案，也有多种选择，下面分开进行讨论：

方案一：采用单片机控制两个逆变器，在输出进行反馈两路电压电流信号进入单片机，采用PID算法控制定时器输出占空比，从而控制输出电流和电压，方法简单，容易实现。但是由于此题是属于并联供电系统，而单片机输出PWM占空比精度有限，可能导致两个逆变器之间压差过高，导致电流过大，或者导致输出电流不精准不稳定的现象。

方案二：采用硬件控制方法，利用dac产生3路相差互为120度的正弦调制波，逆变控制采用硬件反馈控制，输入需要调制波形，逆变输出就会跟随调制波形成比例输出。但是这样需要采集两路的电流有效值，通过控制DAC调制波的幅值，来控制逆变输出电流，通过两路测得的逆变输出电流有效值，来调整逆变输出电流比例。由于是硬件控制，所以控制速度够快，控制精度也能很高。

方案三：在两个逆变器的控制中，对逆变器1的恒压控制，通过采样并联系统输出线电压作为反馈，而采用数字PID对逆变器输出的线电压有效值进行闭环控制。而对于逆变器2的恒流并网控制，采用三相电流跟踪控制，而各相跟踪的参考信号，则通过采样逆变器1对应相输出的线电流输出获得。这样通过设置采样回路上的放大系数，就可以控制逆变器2的输出线电流保持与逆变器1相应线电流的比例关系。同时，由于逆变器1采用的是有效值闭环控制，所以其惯性系数大，更接近于电网惯性大的特点。而逆变器2采用瞬时值跟踪控制，惯性系数小，能够快速的对负载变化做出响应，提高了系统的动态响应特性。

方案二与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，现有的单片机中内置DAC通道不够，需要另外外加DAC，需要采集电流有效值，需要软件进行数据处理与控制。但是相比于方案二，方案三只需要三个电流互感器和三个放大器，就可以完成电流逆变输出的同频、同相、同比例。

综合以上分析，选择方案三。

2系统理论分析与计算
2.1 元器件选型分析
题目要求输出线电压24V，由于采用桥式三相逆变器，折算输入电压需要高于40V

所以输入电容可以选择的耐压值。

MOS管选择低导通电阻的IRF4310，其耐压值为100V 导通电阻=5.6mΩ

逆变器1

开关频率设定为36kHz，通过LC滤波，设计截止频率为1kHz。

由于需要输出为50Hz的交流信号，输出电容阻抗为,如果C取得很大，那么阻抗就很小，那么就会导致输出电压低，空载电流大，效率低等现象。所以取得47uf。根据公式：

得到输出电感为539mH，因为是输出需要的是并联供电，为了使我的逆变器有较好的控流能力，可以考虑加大一点电感，所以选取1mH的环型电感。

逆变器2

由于此逆变打算作为交流恒流源，所以输出电感打算在逆变器1的基础上增加一倍，所以选择2mH电感。

2.2 控制方法分析

逆变器1主要采用软件PID控制方式。通过采集输出电压的有效值，反馈回单片机，由单片机控制SPWM占空比来实现闭环控制。

逆变器2主要采用滞环比较型电流跟踪法。如图1通过检测输出电流，把输出电流与参考信号进行误差放大，将误差放大信号送入滞回比较器，再将滞回比较器输出通过一个反相器形成一路互补的PWM波形，来控制mos管的开关，从而控制该相输出电流增大或者减小，通过电感对电流的扼制作用，电流不会变化的太快。而电感越小开关频率也会越高。此电路可以根据输入的参考信号，做到输出电流实时跟踪参考信号，硬件结构简单，控流能力强。

图1

此系统中可以将逆变器1输出三相的线电流波形，通过电流互感器转换成信号作为图1中的、、，以U相来讨论：

设逆变器1的U相电流波形、逆变器2的U相电流波形，通过电流互感器，检测逆变器1的电流波形作为：

（1）

而滞环比较电流跟踪逆变电路输出电流是可以跟踪波形，即

（2）

又因为输出电压为正弦波且负载为阻性，所以输出的总电流为正弦波，所以

由公式（1）(2)化简为：

所以输出总电流A为多少，输出电流比都为k*m 。k为逆变器1互感器电流采集系数，m为逆变器2滞环比较控制器电流反馈的系数.

3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图

系统总体框图如图1所示，主要包括两个三相桥式逆变，逆变器1控制器、逆变器2控制器。其中逆变器1控制器由单片机最小系统，电压电流有效值采集电路，辅助电源组成。逆变器2控制器则由三个滞环比较控制电路与交流电流采集模块组成。逆变器1在并联的时候主要起到交流恒压的作用，使三相输出线电压恒定在24V。逆变器2在并联的时候起到了控流作用，逆变器2实际上属于一个交流恒流源，输出线电流的大小与输入的参考信号成比例关系，通过参考信号可以控制逆变器2输出线电流的大小。而在此系统中，以逆变器1的三相输出线电流作为参考信号，既可以保证逆变器2的输出能保持与逆变器1同频同相，还能够保证逆变器1和2输出电流比恒定。