二路逆变AC电源控制方法及其装置的设计与实现

苏春宝

（江南大学 江苏 无锡 214122）

0 引言

本设计实现了双路直流电源输入，双路交流电源输出的装置，并且输出二路相互独立，电压连续可调，具有变频功能。它的优点是输出波形好，失真率低，负载能力强，稳定性出色。与单路逆变器相比，其优势在于能控制两路交流电源向负载输出的电流比例。

主要设计内容包括软件和硬件设计。软件部分采用了比值控制、分时控制、反馈控制、曲线拟合、滤波算法、不灵敏区设计等，硬件部分主要由DC-AC电路、采样电路、控制电路等构成。该方案经多次调试，系统工作正常，实用性强。

1 设计概述

1.1 设计意义及目的

二路逆变技术是光伏发电系统的核心技术。因为太阳能电池两端的电压受负载大小和光照强度的影响，所以虽然蓄电池对太阳能电池起着至关重要的作用，但受到蓄电池内阻和可用容量的影响，其端电压将会随之波动，这就需要逆变器允许输入较大的直流电压，同时稳定地输出交流电压。因此并网模式逆变电源的研究对微电网的发展具有重要的意义[1]。

本文主要目的是设计一个两路直流电逆变后的并网供电系统。并网是指将一路外接的电源同步并入电网，以向电网输出电能，发电机只有并网运行时，才能发电并把电能输送出去供人们使用。

1.2 国内外发展概况

近年来，我国对双模式下逆变电源的研究和使用趋于成熟，部分企业相关的研究成果和工程运用也趋于完善。但总体而言，企业还是很难实现产品设计和性能的创新，专利设计和研发能力还有待提高。

有关新能源发电的研究在美国、德国、日本等工业发达国家备受重视，并拥有众多知名企业，比如美国的Powerone、德国的SMA等企业。这些企业在系统的成本造价、生产工作效率、安装使用难度等方面具有较强的竞争力。

到目前为止，一些外国企业已经基于双模式逆变电源提出了家用光伏发电系统的相关解决方案，由此实现了微电网的实时调控性。虽然我国在此方面没有国外发展的好，但比如华为、阳光电源等企业已经取得了较大的研究成果，提出了一些电路控制结构和理论。

1.3 设计思想

在整个系统设计过程中，运用了模块化设计理念，依据基本功能要求和相关技术标准，按照从高到低的设计思路，将软硬件划分为几个应用模块，先进行独立功能的测试，然后将各个模块联合起来对系统的所有功能进行测试。

系统主要包括DC-AC逆变电路、单片机控制电路、电压电流采样电路、滤波电路等。其中DC-AC逆变电路是核心部分，该部分采用IR2110驱动器与IRF3710场效应管来实现。单片机通过对AD采样，采用PID算法来调整电压输出，进而稳定调节实际的电压输出。同时将电流数据转变为电压数据采集，采用PID算法来调整电流输出之比。系统工作原理图见图1。

2 原理及技术介绍

2.1 SPWM基本原理

SPWM就是基于PWM改变了脉冲调制方式，使脉冲宽度按正弦波的规律来变化，输出的波形经过再经过滤波器滤波就可以得到正弦波输出。SPWM实现方法如下。

自然采样法[2]：自然采样法是用需要调制的正弦波与载波锯齿波的交点来确定最终PWM脉冲所需要输出的时间宽度，最终由此生成SPWM波；具体见图2，这里对局部①进行简单分析。

局部①的情况见图3，简单分析一下整个图形的情况。

（1）锯齿波和调制正弦波的交点为A和B。

（2）A点所需要时间为T1，B点所需时间为T2。

（3）该周期内，PWM所需要的脉冲时间宽度TON满足：TON=T1+T2。

（4）只需求出A点和B点位置，就可求出TON。

2.2 PID算法基本原理

PID算法是将来自反馈的测量值和给定值比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，去控制执行机构的动作[3]。其功能框见图4。

根据上图，我们认为在某一时刻t，输入量和输出量分别是rin（t）、rout（t），因此可以算出偏差值err（t）=rin（t）-rout（t）。所以PID控制器的运算规律可用下式表示：

上式中的是KP比例增益，T1是再调时间，TD是预调时间。

PID算法的离散化：比例的作用是对系统的偏差进行响应，只要有偏差存在，控制器的输出就会立刻与偏差成比例地变化。积分主要用来消除静差，只要存在静差，积分作用的静差就会随时间不断变化，直到静差消除，控制器的输出才稳定下来。微分作用是根据偏差变化速度进行控制的，只要出现变化趋势，就有控制作用输出。

在完成离散之前，设定系统的采样周期为T。倘若检查第K个采样周期，即系统进行第K次采样。偏差表达式是err（k）=rin（k）-rout（k），积分表达式是：err（k）+err（k+1）+……，微分表达式是：（err（k）-err（k-1））/T。所以第K次采样时，PID算法的离线形式表达式为：

这就是位置型PID算法的离散描述公式。第k-1个采样周期表示为：

那么第K个采样周期的增量就是U(k)-U(k-1)。第k个采样周期公式减去第k-1个采样周期的公式，就可推导出增量型PID算法的表示公式：

3 硬件设计

硬件系统由两路全桥逆变电路模块电路、两路电流采样电路及一路电压采样电路、两个MOS驱动模块电路、滤波电路、MCU主控电路等构成。

3.1 硬件滤波电路

输出交流电压滤波见图5。设UO=24 V，IO=24 V，f=50 Hz，XL=2πfL=314 L求得L=2.29 mH，因为滤波电路有两个电感串联组成，故取每一个电感值为1 mH。由=50 Hz，求得电容C=4.1 uF，留有一定裕量，选取4.3 uF的CBB电容。

3.2 采样滤波电路

经过AD637将交流电转变为直流电后经过示波器观察后仍然有少量的波动出现，经过对比选择用RC滤波器进行进一步滤波。

3.3 IR2110电路设计

IR2110电路的主要功能是实现DC-AC逆变，输出电压要求稳定，具体体现在对正弦波波参数的要求上[4]。在此基础上我们采用了软硬件工作相结合的方式进行调节。具体参数的计算在下一部分给出，相应的硬件电路图见图6。

4 软件设计

4.1 逆变电路控制两相电源相位一致

通过上述定时器TIM1，每50 us进入一次中断，在中断服务函数中通过TIM_SetCompare1()和TIM_SetCompare2()来修改两路SPWM的幅值大小，进而通过四路SPWM控制开关管，进而将直流电转化为可调的交流电。

4.2 软件滤波

由于系统精度要求，通过软件对采样值进行进一步滤波，滤波方法为去头去尾取平均，其算法流程见图7[5]。

4.3 分时调节

系统对电压电流都有调节，但是根据欧姆定律，负载不变的情况下两者又会有一定的关联情况，所以以50 ms为间隔，第一个50 ms调整电压，下一个50 ms调整电流，依次循环下去。

4.4 不灵敏区设计（迟滞量）

由于电压电流关联关系，在达到电流按比例输出的要求里会出现大幅度的震荡情况，只有在电压不变的情况下电流调节才能按照比例稳定输出，但是由于外接干扰及电压控制的调整，并不会稳定在一个固定值，因此在系统设计的过程中加入了不灵敏区，当电压精度调到一定的高范围时就不再进行电压调节，并且为其设置一个更宽泛的区域（此区域在精度要求范围内），只要不出这个区域就不进行电压调节，其实现见图8[6]。

4.5 曲线拟合

ADC采样得到的值和实际电压电流会有一定偏差，把采样得到的数值和实际数值进行对比，发现并不是明显的线性关系，所以通过MATLAB拟合得出U(x)，I1(x)，I2(x)的曲线，用拟合到的曲线来计算出实际的电压电流，显示数值和万用表测得的数据近似一致，最后用求得的电压电流经行运算和显示[7]。

4.6 电流比值控制

系统要求输出电流按一定比例输出，所以加入比值控制，分别利用两路ADC进行采样，并将两路的采样得到的电流作比，得到的比值和设定的比值对比，若不相同则通过反馈控制进行调整，见图9。

5 结论与展望

5.1 结论

本文介绍了SPWM法和PID算法的基本原理，分析了SPWM自然采样法和规则采样法的可行性及PID算法离散化的过程。在基于STM32开发板的采样，滤波和输出SPWM波的基础上，以及对比值控制、分时控制、反馈控制等算法和控制方法的应用，再结合并网逆变电路的设计，实现了二路逆变电源装置。该双路逆变电源可实现输出二路电压和频率精确可调，且能控制两路交流电源向负载输出的电流比例。它的输出波形好，失真率低，负载能力强，稳定性出色。

5.2 不足及未来展望

以上设计方法经过实践满足了所有的设计要求，但是在系统调整快速性上还有提高空间，同时目前系统还局限于满足功能的硬件和软件调整上，一些功能的切换只能用按键实现，但是现市供配电及发电系统涉及强电，同时某些数据需要记录。因此，后期可以应用5G模块进行命令数据的收发，将5G模块连接在主控MCU上，通过移动终端发送指令进行控制，同时把系统的实时数据发送给终端，以便进行相应的记录存储。