并网三相逆变-变频稳压电源供电技术方案

黄庆旺 王新明 周玉芳 胡安正

(湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

1 系统结构框图

图1 系统总体框图

2 系统总体方案

微电网模拟系统由三相逆变主电路、MOSFET驱动电路、采样电路以及单片机控制电路等组成，其中MOSFET驱动电路选用自带死区的桥式驱动芯片IR2104驱动，采样电路选用专用高精度电流芯片INA282对电流进行采样，以低功耗MK60FX512单片机作为核心控制模块；系统可以实现线电压有效值为24.06V，频率为 50.05 Hz，交流母线电压总谐波畸变率THD为0.647%，逆变器1供电时的效率η为 93%，负载线电流有效值在0～2 A间变化时，负载调整率为 0.17%，还可实现逆变器1和逆变器2输出功率可按设定在指定范围(比值K为1∶2～2∶1)内自动分配，两个逆变器输出线电流折算值的差值绝对值为0.04 A．

3 SPWM控制波方案的论证和选择

方案一：如图2用硬件电路产生正弦波和三角波，其中正弦波作为调制信号，三角波作为载波，两路信号经模拟比较器比较后输出SPWM波形；由于三角波和正弦波焦点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而增加了其计算的繁琐性,且调试困难．

图2 SPWM产生电路

方案二：采用专用的 SPWM 集成模块，但电源电压有限制，价格昂贵．

方案三：由带有SPWM产生功能的单片机产生SPWM波，驱动逆变电路，此方案控制电路简单，由软件产生的SPWM幅度频率较容易控制，产生的SPWM波质量较好．

综上，采用第三种方案作为本次设计方案．

4 三相逆变模块的论证与选择

方案一：电压型逆变．电压型三相逆变电路如图3所示．直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源．直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗．电压型逆变器适合向多机供电，在可逆转动或稳速系统，以及对快速性要求不高的场合．

图3 电压型三相逆变电路

方案二：电流型逆变．电流型三相逆变电路如图4所示．直流侧串联有大电感，相当于电流源．直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗．电流型逆变器适合单机传动，加、减速频繁运行或需要经常反向的场合．

图4 电流型三相逆变电路

比较两种方案，电压型三相逆变电路更加成熟，且符合系统要求，故采用方案一．

5 低通滤波器的设计

5.1 滤波器电路

如图5所示为滤波模块电路图，滤波模块采用LC低通滤波电路．SPWM波形中所含的谐波主要是载波角频率ω及其奇次谐波，LC滤波抑制 SPWM 中的谐波分量，提高三相逆变电源谐波的纯度．

图5 滤波电路

5.2 滤波器参数计算

输出滤波器的作用是滤出高次谐波分量，使输出波形接近与正弦波，滤波器的设计应使输出电压谐波少，阻频特性好，滤波功耗小．我们选用常见的LC滤波电路．本系统采用载波频率为10 kHz，远大于调制信号角频率，滤波较易实现．LC滤波器截止频率

电路中取L=2 mH，C=2.2 μF，计算截止频率为2.399 kHz，满足设计要求．

6 软件及主电路设计

6.1 软件设计

图6为系统软件流程图．

图6 软件设计图

模式选择由SPWM设置、载波频率模块、三相电频率模块，功率采样校准模块组成．K60通过内部ADC模块采集反馈电压数据，单片机再通过滤波算法处理．然后根据所选的测量模式，根据偏差量与修正量进行PI算法运算，输出控制量，最后在OLED显示屏上显示当前的测量结果．

6.2 主电路图

如图7所示为三相逆变器模块电路图．根据要求把输入的直流电压逆变成交流电压，MK60单片机输出是高频的SPWM波，IR2104驱动由6个MOSFET管组成的三相逆变桥．

图7 主电路图

7 结束语

微电网模拟系统采用MK60为核心实现了两个三相全桥逆变电路的协同工作，可输出线电压为24.06 V，频率为50.05 Hz的正弦交流电，电源效率为92.8%，并且交流母线电压总谐波畸变率THD为0.647%．两个逆变器的输出功率可按设定在指定范围(比值K为1∶2～2∶1)内自动分配，且输出线电流折算值的差值绝对值为0.04 A．同时可以利用蓝牙上位机实时监测从微电网模拟系统发送过来的各项参数，并可通过上位机调参来控制系统的运行状况．基本达到模拟光伏并网发电的效果．