数字式模拟微电网系统的设计与实现

汪正山 赵小涵

摘 要：针对微电网系统中三相交流电源的各项参数难以控制的问题，对基于单片机的数字式微网控制方法进行了研究。搭建了三相DC-AC逆变电路以及交流采样电路，构建了闭环反馈系统。采用K60单片机产生SPWM波形信号，通过半桥驱动芯片IR2104驱动功率MOS管IRF3205全桥，完成了DC-AC逆变。通过控制SPWM波中的正弦分量间接对逆变器输出的三相交流电进行控制。实现对模拟微电网系统的交流电源的电压、频率、相位的在线实时控制。

关键词：SPWM波；DC-AC逆变；K60单片机；闭环调制

0 、引言

近年来，随着新型电力电子技术的不断成熟，基于风、光、热、储等绿色能源的分布式发电技术蓬勃发展。分布式发电有诸多好处，但也会带来相应的问题，由于在大电网看来，分布式电源可看成一个不可控源，由于其不可控性可能会对电网电压的幅值和频率造成干扰，引起偏差，影响了电能质量，就会给大电网的安全性、可靠性产生威胁 。微电网的提出及应用，无疑减小了分布式电源对大电网产生的消积影响，而对微电网的控制也成为了现代电力电子研究的重点工作。

1、微电网简介

微电网是指由分布式电源、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制和管理的自治系统。微电网可以看作是小型的电力系统，它具备完整的发电和配电功能，可以有效实现网内的能量优化。微电网既可应用于偏远地区或海岛独立运行，也可接入配电网中并网运行，在满足自身负荷需求的同时，为配电网提供功率支撑与备用等辅助服务。

2、硬件系统设计与实现

2.1三相逆变主电路

微电网中的单机逆变主电路拓扑与常规逆变电源的主电路结构没有差异，本系统中分布式电源逆变单元的主电路均采用电压型全桥逆变主电路，逆变桥的后级经滤波器来滤除输出电压中的高次谐波，其拓扑结构如图1所示。

在逆变的部分用了6个IRF3205MOS管组成一个三相桥式逆变电路，输出的三路SPWM波形通过LC滤波器来滤除高次谐波，通过我们的计算可知，有当L=2mh，再加上两个1uf的CBB电容时，构成的低通滤波器比较好。截止频率f=2000Hz，波形畸变比较小。最后在负载就能获得三相的纯正弦波交流电压输出。

2.2 驱动电路

驱动电路采用 IR2104，IR2104是功率 MOSFET 和 IGBT 专用栅极驱动集成电路， 通过自举电路工作原理，使其驱动桥式电路中低压侧的功率MOS管。它集成了特有的负电压免疫电路，提高了系统耐用性和可靠性。该芯片可以自行控制死区，降低了软件设计难度。同时此电路还具有结构简单、性能可靠、并且能够提升电路的稳定性等优点。

3、系统软件设计与实现

3.1 SPWM波调制

本文采用面积等效法在单片机内部调制SPWM波信号。面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积，所说的效果基本相同是指环节的输出波形基本相同，如图3所示。

本文通过定时器定时改变单片机产生的PWM波的占空比来调制SPWM波，提前将正弦波形的幅值量化成一个数组，单片机的定时依次循环读取数组中的值作为占空比，得到脉冲等效正弦波。软件流程如图4所示。

程序首先进行正弦表的定义、正弦基波频率的设定以及各模块的初始化，包括定时器模块、中断模块、PWM模块、GPIO的初始化等。然后開启定时器1中断，5us触发一次中断，用于定时改变输出PWM波的占空比。其中，查表定时时间由正弦表点数和输出正弦波的频率共同决定。如此就可以得到占空比依正弦表内数据而变化的SPWM波形，即与正弦波等效的脉冲波。

3.2 闭环稳压控制

本文通过整流桥将交流电转化直流电，通过单片机的AD采样，获取直流电压，建立直流电压与交流电的线性映射，间接获取微网电压。通过调节SPWM脉宽，从而控制微网电压。

本文采用神经网络PID算法进行交流电压控制，将人工神经网络与传统PID控制器相结合，构成一种不依赖于被控对象精确数学模型的神经网络PID控制器。控制器结构图如下图5所示：

控制结构主要包括以下部分：1、经典的PID控制器：直接对被控对象进行闭环控制。KP，KI，KD 三个参数在线整定； 2、神经网络NN：根据系统的运行状态，调节PID控制器的参数，以期达到某种性能指标的最优化。即使输出层神经元的输出状态对应于PID控制器的三个可调参数KP，KI，KD，通过神经网络的自学习、调整权系数，从而使其稳定状态对应于某种最优控制律下的PID控制器参数。