微电网模拟系统
2018-10-30林俊宏鄢义洋杨光
林俊宏 鄢义洋 杨光
摘要：系统采用三相半桥拓扑，以STM32F407ZET6单片机为主从控制器，主控制器在dq坐标下进行控制实现三相稳压输出，从控制器采用主从均流控制实现两台三相逆变器的电流分配，采用三相同步锁相环（SRP-PLL）。逆变器单独工作时，输出交流母线电压为24.01 V，频率为49.99 Hz，总谐波畸变率为1.63%，系统整体效率为92.33%，负载调整率为0.12%。逆变器并联工作时，系统实现了两台逆变器输出功率比可调，輸出线电流折算值误差最大值为0.06 A，并联工作负载调整率为0.21%。此外，系统具有友好的人机交互界面、输入欠压及过压保护功能。
关键词：三相逆变器；主从均流；SPF-PLL
DOI：
10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.010
1 系统方案论证
1.1 比较与选择
1.1.1 主拓扑方案选择
方案一：三相半桥拓扑。由三个半桥组成，半桥桥臂输出经LC滤波可实现三相逆变，输出交流电压幅值仅为母线电压的一半，对直流电压利用率不高，但控制策略与电路结构均较简单。
方案二：三相全桥拓扑。由三个全桥组成，在相同输入电压条件下，输出交流电压幅值较半桥电路较高。但电路结构与控制策略均较复杂。
综上所述，为了尽可能地减小系统的复杂度，选择方案一。
1.1.2 均流控制方案选择
方案一：主从控制。主逆变器实现稳压输出，从逆变器实现恒流输出，整体输出实现均流，无法实现独立控制，主逆变器崩溃则整个系统崩溃，但控制策略简单，控制精度高，负载调整率好。
方案二：双环控制。系统通过调节外电压环获得各逆变器电流基准值，据此进行Pl调节实现均流输出，系统可靠性高，但控制相对复杂。
综上所述，为了实现较好的负载调整率，选择方案—。
1.2 系统方案描述
系统由主电路、驱动电路、测量电路、辅助电源电路、控制电路与显示电路组成。主电路采用三相半桥电路，实现三相DC/AC变换，测量电路实现了三相电压电流的测量。系统总体方案如图1所示。
2 理论分析与计算
2.1 提高效率的方法
系统主要的效率损耗包括开关管的开关损耗与导通损耗，电容等效串联电阻的损耗以及电感的铜损与铁损等。据此，可选择合适的开关频率，当开关频率增大，可减小滤波器体积，但增加了开关管的开关损耗，折衷考虑，选择开关频率为50 kHz；选择开关管时，低导通电阻可减少导通损耗，栅极电容较小可减少驱动损耗，折衷考虑，选择导通电阻与栅极电容适中的开关管；选择等效串联电阻较小的CBB电容作为输出电容，且多个并联，可降低输出电容的等效串联电阻；选择铁氧体材料磁芯，铁氧体材料电阻率较高，可有效降低电感涡流损耗。
2.2 同时运行模式控制策略
2.2.1 dq旋转坐标系下的稳压策略
当三相逆变器输出电压幅值为UM的对称三相电压时，通过转换矩阵可将输出电压从三相abc静止坐标系变换到两极性同步旋转坐标系下的变量，此时可得： 在三相对称稳态时，dq坐标系下的d轴分量数值与输出电压幅值相等，而q轴分量为0。据此，主控制器在dq坐标系下进行电压单环控制实现输出稳压。
2.2.2 基于主从控制的均流策略
系统采用主从控制策略实现两逆变器并联均流。系统控制主逆变器使其工作于稳压模式，控制从逆变器工作于恒电流模式，实现主从逆变器的输出均流。 从控制器通过P J调节调整两相旋转坐标系下的角频率ω，实现输出电压q轴分量为0，实现PLL锁相环。PLL锁相环实现两台逆变器输出电压同步，并依据主逆变器输出电流，给定从逆变器的电流指令，采用Pl调节控制从逆变器的输出电流，实现电流分配。主、从控制器控制框图分别如图2和3所示。
3 电路与程序设计
3.1 主电路与器件选择
3.1.1 开关管选型
系统额定输出线电压Uo=24 V，系统主电路采用三相半桥逆变，最大输出交流幅值为直流母线电压的一半，故直流母线电压至少为38.2 V，留取一定的裕量，开关管耐压须大于50V。单逆变器运行时，最大输出电流为2A。故开关管选择Fairchild公司生产的NTD3055，最大漏源电压VDS=60 V，最大漏极电流/D=9 A，可满足电压电流应力需求。
3.1.2 滤波器参数设计
（1）滤波电感设计。取电感电流纹波为平均电感电流的0.2，为保证电感电流不断流，由伏秒平衡：
式中，VS是系统稳定时的最大输入电压，其值选择为50 V，VO为额定输出线电压24 V，T为开关周期，取10μS。代人参数计算，L=650μH。由于系统主电路为三相半桥逆变结构，故每线电压滤波电感为两个半桥桥臂电感感值之和，故实际选择的三个电感感值为350μ H。
（2）滤波电容设计。设计LC滤波器截止频率为开关频率fs的10%，可获得较好的滤波效果，根据公式：
代入参数计算C≥1.5μF，由于三相半桥逆变结构，每相滤波电容实际选取容值为4.7μF，等效串联电阻小，且高频特性好的CBB电容。
3.2 控制电路与控制程序
控制电路分为主从控制器两部分。主控制器工作在稳压控制模式，系统使用互感器测量两相线电压，经dq坐标变换与Pl调节算法实现输出幅值稳定的对称三相电压。从控制器工作于稳流控制模式，在PLL锁相环获取交流母线电压相位后，通过Pl调节算法调节输出电流同频同相并实现两逆变器的均流。主、从控制器的程序流程图分别如图4与图5所示。
3.3 电压电流测量电路
交流电压测量电路使用TVA1421-01型互感器测量AB、BC交流相电压，由于控制器仅能采集0—3.3 V的电压，故需要对互感器输出信号增加直流偏置，实际电路如图6所示，使用TL431基准电源产生2.5 V基准电源，经电阻分压获得1.6 V基准电压接在+VREF。根据互感器的应用手册，互感器原边输入电流需要小于6 mA，根据互感器原边输入电压24 V，故设计电阻Ri=4.7 kΩ，设计输出电阻RL=150 Ω。
交流电流测量电路如图7所示，使用ACS712-05B霍尔传感器芯片，最大可测量电流5A，由于本题最大线电流为2A，电流峰值为2.83 A，可满足题设要求，且抗干扰能力强，测量精度高，VIOUT引脚信号为一直流偏置为0.5倍VCC的交流信号，将该信号传输至ADC引脚。由于电压电流存在相位问题，在实际制作电路时需注意电压电流相位关系。FILTER引脚接入1 nF（数据手册推荐取值）瓷片电容与芯片内部集成电阻形成RC低通滤波器，减小高频噪声对信号的影响，但若该电容取值过大，虽然提高了抗干扰能力，但引入了额外的相移，且该传感器芯片在实际交流测量时也会存在相移问题，故对相位有一定要求的场合如功率因数测量时，不推荐该方案。
3.4 驱动电路设计
由于系统主电路采用三相半桥拓扑，故使用半桥驱动电路即可，驱动电路使用了IR2110半桥驱动电路，实际电路如图8所示。图中电容为半桥自举电容，其取值与MOSFET的输入电容有关，耐压需要超过VCC引脚上的电压，一般选择MLCC，其高频性能较好，二极管为USIM，反向耐压值为1000 V的肖特基二极管，由于自举电路的工作特点，其反向耐压值一般需要超过半桥直流母线电压+V_DC，且为快恢复二极管。
4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案及测试条件
4.1.1 测试方案
（1）启动逆变器1，调节输入电压为50V，调节负载，使负载线电流，。为2A，使用钳形功率计测量各线电压有效值、频率与交流母线电压谐波畸变率。万用表测量输入电压电流以及三相输出线电压与相电流，并计算系统效率。
（2）调节负载，使负载线电流在O～2 A范围内变化，计算负载调整率。
（3）启动逆变器2，调节负载使负载线电流，o为3A，测量逆变器1与逆变器2的线电流，并测量负载线电压频率。
（4）调节负载使负载线电流/o在1—3 A范围内变化，测量逆变器1与逆变器2的线电流，计算绝对误差与负载调整率。
（5）设定两台逆变器的功率比，测量逆变器1与逆变器2的线电流，计算绝对误差。
4.1.2 测试仪器
数字存储示波器Tektronix TDS1002：数字万用表U3402A；钳形功率计Hioki31 69-21。
4.2 测试结果及其完整性
4.2.1 输出线电压与THD测试
测试条件：启动逆变器1，调节输入电压为50V，调节负载使负载线电流，。为2A，使用钳形功率计测量输出线电压有效值、频率与谐波畸变率。
4.2.2 逆变器效率测试
测试条件：调节负载使负载线电流/o为2A，使用万用表测量输入电压电流并测量三相线电压电流，计算逆变器1效率。
4.2.3 负载调整率测试
测试条件：调节负载电流在0～2 A内变化，测量输出电压，计算负载调整率。
4.2.4 并联输出测试
测试条件：启动逆变器2，调整负载电流/o为3A，使用万用表测量逆变器1与逆变器2的三相输出电流，并测量负载电流与输出电压频率。
逆变器1和逆变器2能同时向负载输出功率，输出电压频率满足题设要求。
4.2.5 并联负载调整率测试
测试条件：调整负载电流在1—3 A内变化，使用万用表测量两台逆变器的输出电流与负载电流，并计算误差，测量输出电压，计算负载调整率。
4.2.6 分流比设定测试
测试条件：设定逆变器1与逆变器2分流比为K，调整负载电流在1—3 A范围内变化，使用万用表测量两台逆变器的输出电流与负载电流，并计算误差。
经过测试，当负載电流在1—3 A范围内变化时，逆变器1与逆变器2分流比可在1：2—2：1间可调，最大误差电流为0.069 A，达到题设要求。
4.3 测试结果分析
据以上测试结果，本系统很好的完成了题设要求，逆变器1工作时，输出线电压24 V，频率49.99 Hz，负载电流为2A时，系统效率可达92.33%，交流母线畸变率仅为1.63%，负载调整率为0.12%。逆变器1与逆变器2并联时，负载调整率仅为0.21%，负载电流在1—3A范围内变化时，均流比可调且最大绝对误差仅为0.08A。
5 结论
系统采用三相半桥拓扑，主控制器采用dq坐标变换实现三相稳压输出，从控制器采用主从控制法实现两台三相逆变器的并联均流，实现了微电网模拟。逆变器1工作时，输出交流母线电压频率为50.00 Hz，总谐波畸变率仅为1.63%，系统整体效率可达92.33%，负载调整率为0.12%。逆变器并联工作时，系统实现了两台逆变器输出功率比可调，最大绝对误差仅为0.06 A，负载调整率仅为0.21%。
参考文献：
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