基于STM32單片機(jī)的單相并網(wǎng)逆變研究

雷新穎，常振杰，鄭天良

（西安航空學(xué)院 電氣學(xué)院，陜西 西安　710077）

基于STM32單片機(jī)的單相并網(wǎng)逆變研究

雷新穎，常振杰，鄭天良

（西安航空學(xué)院 電氣學(xué)院，陜西 西安710077）

采用STM32單片機(jī)對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制。為了并網(wǎng)逆變器運(yùn)行時(shí)，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數(shù)接近1，使用滯環(huán)控制法對(duì)輸出電流進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)表明通過(guò)調(diào)整給定電流的相位，可使并網(wǎng)輸出電流與電網(wǎng)電壓準(zhǔn)確同步。并網(wǎng)輸出電流曲線在最值附近比其他地方明顯要粗。性能優(yōu)秀的STM32單片機(jī)非常適合用在逆變器中。

STM32；并網(wǎng)逆變器；滯環(huán)控制法；相位

并網(wǎng)逆變可以把直流電變換為交流電并饋送電網(wǎng)，在新能源領(lǐng)域具有非常重要的地位，是太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電等設(shè)備中的關(guān)鍵部件。

STM32單片機(jī)是32位單片機(jī)，其運(yùn)算速度快、片內(nèi)資源非常豐富，價(jià)格便宜，目前非常流行。采用STM32單片機(jī)對(duì)單相并網(wǎng)逆變進(jìn)行控制，可以提高并網(wǎng)逆變器的性價(jià)比。單相并網(wǎng)逆變常用的閉環(huán)控制方法有固定頻率的SPWM法和滯環(huán)控制法。滯環(huán)控制法簡(jiǎn)單，控制效果也比較理想，這里采用滯環(huán)控制法。

逆變并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，要求功率因數(shù)接近1，并且諧波盡可能小。功率因數(shù)接近1就要求饋送電網(wǎng)的電流與電網(wǎng)的電壓同頻同相。在滯環(huán)控制法閉環(huán)控制法中，通過(guò)IGBT的開關(guān)作用使饋送電網(wǎng)的電流跟隨電網(wǎng)電壓變化，輸出電流在設(shè)定的上下限之間來(lái)回增減。大部分諧波可以通過(guò)交流側(cè)的電感和電容濾除。

1　控制方案

單相逆變的主電路由逆變單相全橋、直流側(cè)電容、交流側(cè)電感和電網(wǎng)組成。如圖1。逆變單相全橋是H橋，4個(gè)橋臂各由一個(gè)IGBT和與其反并聯(lián)的二極管組成。通過(guò)控制單相全橋橋臂的IGBT的通斷可以將電容上的直流電變換為交流側(cè)的等效交流電，再通過(guò)電感的濾波作用濾除交流電流主要諧波。

由于需要輸出的電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，可采用負(fù)反饋使輸出電流跟隨電網(wǎng)電壓。為了控制簡(jiǎn)單，且具有較好的控制性能，本系統(tǒng)采用滯環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)。采用外部中斷的方法得到電網(wǎng)電壓的上升過(guò)零點(diǎn)，作為同步信號(hào)。根據(jù)存儲(chǔ)的正弦表和設(shè)置電流計(jì)算設(shè)定電流的上下限。將采集到的電流值與設(shè)定電流的上下限進(jìn)行滯回比較，形成控制IGBT 的4路開關(guān)量控制信號(hào)。

基于STM32單片機(jī)的單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的控制方案參考圖2。并網(wǎng)逆變器的核心是STM32單片機(jī)，所選單片機(jī)的型號(hào)為 STM32F103RBT6，該型號(hào)單片機(jī)擁有 128KB FLASH、20KB SRAM、3個(gè)串口、2個(gè)12位ADC、4個(gè)16位定時(shí)器、51個(gè)引腳等資源。ADC不僅具有16路外部通道，而且多種工作方式，非常適合需要多路模擬信號(hào)輸入的測(cè)控系統(tǒng)選用。因此由STM32單片機(jī)帶有12位的A/D轉(zhuǎn)換器的通道，將饋送電網(wǎng)的電流信號(hào)和設(shè)定電流信號(hào)輸入單片機(jī)。定時(shí)器具有PWM輸出功能，可以用于逆變器的控制中，提高控制性能。采用采用滯環(huán)控制算法時(shí)，此功能沒有用到。

IGBT選用FGA25N120型號(hào)，為了防止串接的兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通，把直流電短路，驅(qū)動(dòng)電路具有死區(qū)保護(hù)功能，當(dāng)串接的兩個(gè)IGBT的控制信號(hào)同時(shí)有效電平時(shí)，實(shí)際上兩個(gè)IGBT都不導(dǎo)通。單片機(jī)通過(guò)PC6、PC7、PC8和PC9引腳分別向4個(gè)IGBT發(fā)送控制信號(hào)。

圖1　單相逆變的主電路Fig.1　Single phase inverter topology

圖2　控制系統(tǒng)框圖Fig.2　Schematic diagram of control

由于在滯回比較中，參與的比較量是電流的瞬時(shí)值，因此對(duì)輸出電流的測(cè)量，需要測(cè)量電流的瞬時(shí)值。本系統(tǒng)選用了霍爾電流模塊對(duì)輸出電流進(jìn)行測(cè)量?；魻柲K采用磁平衡原理工作，測(cè)量速度快、線性好，可以測(cè)量的瞬時(shí)值。模塊的測(cè)量結(jié)果用電流輸出，當(dāng)測(cè)量正向電流結(jié)果為正時(shí)，那么測(cè)量反向電流結(jié)果為負(fù)。由于交流電的電流可正向流動(dòng)，也可反向流動(dòng)，模塊的輸出電流可正可負(fù)，為-25～25 mA。通過(guò)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)在進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，得到單片機(jī)可以接受的0～3 V電壓信號(hào)。送入單片機(jī)ADC 第8通道對(duì)應(yīng)的PB0引腳，此通道設(shè)置為規(guī)則通道。同時(shí)霍爾模塊也具有隔離作用，解決了兩路模擬信號(hào)輸入時(shí)地電位要統(tǒng)一的問題。

電壓取樣是對(duì)直流側(cè)電容兩端的電壓進(jìn)行取樣，輸出信號(hào)送入單片機(jī)ADC第10通道對(duì)應(yīng)的PC0引腳，此通道設(shè)置為注入通道。

電網(wǎng)電壓的上升過(guò)零點(diǎn)是系統(tǒng)輸出電流相位的基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)此點(diǎn)的測(cè)量必須準(zhǔn)確、穩(wěn)定。由于系統(tǒng)實(shí)際并網(wǎng)時(shí)，是通過(guò)變壓器并網(wǎng)，所以電網(wǎng)的上升過(guò)零點(diǎn)，由相同變壓器副邊電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。為了使測(cè)量點(diǎn)穩(wěn)定，抗干擾能力高，測(cè)量電路中必須采用滯回比較器。在單片機(jī)中，對(duì)此過(guò)零點(diǎn)信號(hào)的檢查是通過(guò)中斷系統(tǒng)完成的。測(cè)量點(diǎn)由輸出方波信號(hào)的上升沿表示，輸出信號(hào)送給單片機(jī)的外部中斷0對(duì)應(yīng)的PA0引腳。

2　軟件設(shè)計(jì)

控制程序使用C語(yǔ)言編寫。由于STM32單片機(jī)內(nèi)外設(shè)很多、功能強(qiáng)大、寄存器非常多，為此ST公司提供了庫(kù)函數(shù)，供用戶編程時(shí)調(diào)用。了編程方便，本系統(tǒng)采用了庫(kù)函數(shù)方式進(jìn)行編程。主程序中，首先進(jìn)行初始化，在初始化時(shí)完成對(duì)涉及到的部件的設(shè)置，包括時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)置、所使用到的引腳的設(shè)置、中斷系統(tǒng)的設(shè)置、外部中斷0的設(shè)置、定時(shí)器的設(shè)置、ADC的設(shè)置及賦變量初始值等。這些工作都采用函數(shù)的形式進(jìn)行調(diào)用。

初始化后，在大循環(huán)中依次對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算設(shè)置電流和滯回控制。對(duì)采集的電流數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行了平均值濾波。滯回控制的誤差帶為設(shè)置電流最大值的±5%，隨著設(shè)置電流的變化而變化。為了方便編程，滯回控制分正半周和負(fù)半周分別控制。正半周時(shí)，當(dāng)饋送電網(wǎng)的電流小于該時(shí)刻電流值下限，使電流增加；當(dāng)饋送電網(wǎng)的電流大于該時(shí)刻電流值上限，使電流減小；當(dāng)饋送電網(wǎng)的電流位于上下限之間時(shí)，續(xù)流。負(fù)半周時(shí)，類似處理。這樣輸出電流圍繞設(shè)定電流曲線上下來(lái)回升降，從而輸出電流的整體走勢(shì)跟隨設(shè)定電流曲線的變化。

圖3　流程圖Fig.3　Flow diagrams

當(dāng)電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)上升過(guò)零點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行外部中斷0的服務(wù)程序，服務(wù)程序中設(shè)置IGBT交流側(cè)等效電壓的相位。這樣在每個(gè)周期都進(jìn)行相位的調(diào)整，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)輸出電流與電網(wǎng)電壓的同步。另外，中斷0的服務(wù)程序還要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定電流數(shù)據(jù)采集。單片機(jī)的T2設(shè)置為定時(shí)中斷，每相當(dāng)1°的時(shí)間中斷一次。在中斷服務(wù)程序中，從正弦表中讀取對(duì)應(yīng)角度的正弦值。使得正弦值跟隨時(shí)間而變化。

由于把滯回控制控制放在了主程序的循環(huán)中，加快了滯回控制的速度。而每相當(dāng)1°時(shí)間對(duì)正弦值進(jìn)行一次更新，使得正弦值的誤差很小，這兩點(diǎn)不但對(duì)提高滯回控制性能有益，而且使程序簡(jiǎn)單，可靠性提高。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，逆變器交流側(cè)電感取2 mH比較合適。為了方便，通過(guò)變壓器將濾波后的交流電饋送電網(wǎng)。變壓器原邊輸入220 V交流電時(shí)，副邊輸出12 V交流電，功率15 W以上。單相逆變器的輸出接變壓器的副邊，變壓器的原邊接220 V交流電網(wǎng)。逆變器的直流側(cè)，直接接實(shí)驗(yàn)用直流30 V穩(wěn)壓電源。實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要注意電網(wǎng)上升過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)電路變壓器接到電網(wǎng)時(shí)，方向要與并網(wǎng)變壓器相一致。

圖4（a）中波形分別為橋端輸出電壓波形和并網(wǎng)輸出電流波形。可以看出橋端輸出電壓波形與PWM控制輸出波形很相似。圖4（b）中波形為并網(wǎng)輸出電流波形和電網(wǎng)電壓波形，由圖可見兩種波形同頻同相，本設(shè)計(jì)的方案可以順利實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變。

輸出電流波形在正弦過(guò)零點(diǎn)附近，沒有出現(xiàn)上下來(lái)回變化，可以看出這時(shí)橋端也沒有輸出，這正是死區(qū)控制起到了作用。

對(duì)主電路，只考慮50 Hz基波，電感L兩端的電壓相位超前回路中電流相位，所以逆變橋輸出的等效交流電的電壓相位需超前電流相位，否則輸出電流相位將滯后電網(wǎng)電壓的相位?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整給定電流的相位，對(duì)并網(wǎng)輸出電流的相位進(jìn)行調(diào)整，使并網(wǎng)輸出電流與電網(wǎng)電壓準(zhǔn)確同步，功率因數(shù)接近1。

由圖可見并網(wǎng)輸出電流波形曲線在波形的最大值附近比其他地方明顯要粗。這是由于主回路可以等效為RL串聯(lián)電路。RL串聯(lián)電路的暫態(tài)過(guò)程中，電流越大，電流的變?cè)娇?；電流越小，電流的變?cè)铰?。在波形的最大值處，電流大，電流變化很快，快速?lái)回升降，升降間隔很小，擠在一起，使得此處曲線比其他地方明顯要粗很多。

圖4　輸出電流波形（4 ms/格）Fig.4　Waveforms of output current（4 ms/grid）

4　結(jié)　論

通過(guò)調(diào)整給定電流的相位，可使并網(wǎng)輸出電流與電網(wǎng)電壓準(zhǔn)確同步，功率因數(shù)接近1；輸出電流曲線在最值附近比其他地方明顯要粗；性能優(yōu)秀的STM32單片機(jī)非常適合用在逆變器中。

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]韓曉冬.電力電子技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.

[4]任國(guó)海.電力電子技術(shù)[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，2009.

[5]劉軍.例說(shuō)STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[6]彭剛，秦志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[7]趙玲霞，李娟霞，王興貴.基于PIC單片機(jī)的單相SPWM逆變器研究[J].變流技術(shù)，2012，34（6）:9-10.

[8]劉全偉，鄧焰，胡義華，等.基于電流預(yù)測(cè)和虛擬過(guò)采樣的數(shù)字滯環(huán)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（10）:127-133.

Research of single phase grid-connected inverter based on STM32 SCM

LEI Xin-ying，CHANG Zhen-jie，ZHENG Tian-liang
（College of Electrical Engineering，Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710077，China）

Single phase grid-connected inverter is controlled by STM32 SCM.When the inverter is connected with the Grid，in order to the frequency and the phase of the output current is as will as the Grid voltages'and the power factor is nearly 1，the output current is controlled used the hysteresis control.The result show that the accurate synchronism of the output current phase between the Grid voltage phase will appear by means of changing the phase of the set up current.The curve of the output current wave is wider obviously in the nearby maximum or minimum position than others position.It is very fit that the perfect STM32 SCM is used in the inverter.

STM32；grid-connected inverter；hysteresis control；phase

TN710

A

1674－6236（2016）01-0141-03

2015-02-10稿件編號(hào)：201502087

陜西省教育廳2014年科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（14JK1364）

雷新穎（1974—），男，陜西岐山人，碩士，講師。研究方向：測(cè)控技術(shù)。