基于STM32單片機的單相并網逆變研究

雷新穎，常振杰，鄭天良

（西安航空學院 電氣學院，陜西 西安　710077）

基于STM32單片機的單相并網逆變研究

雷新穎，常振杰，鄭天良

（西安航空學院 電氣學院，陜西 西安710077）

采用STM32單片機對并網逆變器進行控制。為了并網逆變器運行時，輸出電流與電網電壓同頻同相，功率因數接近1，使用滯環控制法對輸出電流進行控制。實驗表明通過調整給定電流的相位，可使并網輸出電流與電網電壓準確同步。并網輸出電流曲線在最值附近比其他地方明顯要粗。性能優秀的STM32單片機非常適合用在逆變器中。

STM32；并網逆變器；滯環控制法；相位

并網逆變可以把直流電變換為交流電并饋送電網，在新能源領域具有非常重要的地位，是太陽能發電、風電等設備中的關鍵部件。

STM32單片機是32位單片機，其運算速度快、片內資源非常豐富，價格便宜，目前非常流行。采用STM32單片機對單相并網逆變進行控制，可以提高并網逆變器的性價比。單相并網逆變常用的閉環控制方法有固定頻率的SPWM法和滯環控制法。滯環控制法簡單，控制效果也比較理想，這里采用滯環控制法。

逆變并網運行時，要求功率因數接近1，并且諧波盡可能小。功率因數接近1就要求饋送電網的電流與電網的電壓同頻同相。在滯環控制法閉環控制法中，通過IGBT的開關作用使饋送電網的電流跟隨電網電壓變化，輸出電流在設定的上下限之間來回增減。大部分諧波可以通過交流側的電感和電容濾除。

1　控制方案

單相逆變的主電路由逆變單相全橋、直流側電容、交流側電感和電網組成。如圖1。逆變單相全橋是H橋，4個橋臂各由一個IGBT和與其反并聯的二極管組成。通過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的等效交流電，再通過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電壓同頻同相，可采用負反饋使輸出電流跟隨電網電壓。為了控制簡單，且具有較好的控制性能，本系統采用滯環控制算法的實現。采用外部中斷的方法得到電網電壓的上升過零點，作為同步信號。根據存儲的正弦表和設置電流計算設定電流的上下限。將采集到的電流值與設定電流的上下限進行滯回比較，形成控制IGBT 的4路開關量控制信號。

基于STM32單片機的單相并網逆變器系統的控制方案參考圖2。并網逆變器的核心是STM32單片機，所選單片機的型號為 STM32F103RBT6，該型號單片機擁有 128KB FLASH、20KB SRAM、3個串口、2個12位ADC、4個16位定時器、51個引腳等資源。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輸入的測控系統選用。因此由STM32單片機帶有12位的A/D轉換器的通道，將饋送電網的電流信號和設定電流信號輸入單片機。定時器具有PWM輸出功能，可以用于逆變器的控制中，提高控制性能。采用采用滯環控制算法時，此功能沒有用到。

IGBT選用FGA25N120型號，為了防止串接的兩個IGBT同時導通，把直流電短路，驅動電路具有死區保護功能，當串接的兩個IGBT的控制信號同時有效電平時，實際上兩個IGBT都不導通。單片機通過PC6、PC7、PC8和PC9引腳分別向4個IGBT發送控制信號。

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

圖2　控制系統框圖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值，因此對輸出電流的測量，需要測量電流的瞬時值。本系統選用了霍爾電流模塊對輸出電流進行測量?；魻柲K采用磁平衡原理工作，測量速度快、線性好，可以測量的瞬時值。模塊的測量結果用電流輸出，當測量正向電流結果為正時，那么測量反向電流結果為負。由于交流電的電流可正向流動，也可反向流動，模塊的輸出電流可正可負，為-25～25 mA。通過電阻將電流信號轉換為電壓信號，電壓信號在進行零點調整，得到單片機可以接受的0～3 V電壓信號。送入單片機ADC 第8通道對應的PB0引腳，此通道設置為規則通道。同時霍爾模塊也具有隔離作用，解決了兩路模擬信號輸入時地電位要統一的問題。

電壓取樣是對直流側電容兩端的電壓進行取樣，輸出信號送入單片機ADC第10通道對應的PC0引腳，此通道設置為注入通道。

電網電壓的上升過零點是系統輸出電流相位的基準點，對此點的測量必須準確、穩定。由于系統實際并網時，是通過變壓器并網，所以電網的上升過零點，由相同變壓器副邊電壓信號進行測量。為了使測量點穩定，抗干擾能力高，測量電路中必須采用滯回比較器。在單片機中，對此過零點信號的檢查是通過中斷系統完成的。測量點由輸出方波信號的上升沿表示，輸出信號送給單片機的外部中斷0對應的PA0引腳。

2　軟件設計

控制程序使用C語言編寫。由于STM32單片機內外設很多、功能強大、寄存器非常多，為此ST公司提供了庫函數，供用戶編程時調用。了編程方便，本系統采用了庫函數方式進行編程。主程序中，首先進行初始化，在初始化時完成對涉及到的部件的設置，包括時鐘系統的設置、所使用到的引腳的設置、中斷系統的設置、外部中斷0的設置、定時器的設置、ADC的設置及賦變量初始值等。這些工作都采用函數的形式進行調用。

初始化后，在大循環中依次對電流信號進行數據采集、計算設置電流和滯回控制。對采集的電流數據時，進行了平均值濾波。滯回控制的誤差帶為設置電流最大值的±5%，隨著設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半周分別控制。正半周時，當饋送電網的電流小于該時刻電流值下限，使電流增加；當饋送電網的電流大于該時刻電流值上限，使電流減小；當饋送電網的電流位于上下限之間時，續流。負半周時，類似處理。這樣輸出電流圍繞設定電流曲線上下來回升降，從而輸出電流的整體走勢跟隨設定電流曲線的變化。

圖3　流程圖Fig.3　Flow diagrams

當電網電壓經過上升過零點時，執行外部中斷0的服務程序，服務程序中設置IGBT交流側等效電壓的相位。這樣在每個周期都進行相位的調整，準確實現并網輸出電流與電網電壓的同步。另外，中斷0的服務程序還要實現對設定電流數據采集。單片機的T2設置為定時中斷，每相當1°的時間中斷一次。在中斷服務程序中，從正弦表中讀取對應角度的正弦值。使得正弦值跟隨時間而變化。

由于把滯回控制控制放在了主程序的循環中，加快了滯回控制的速度。而每相當1°時間對正弦值進行一次更新，使得正弦值的誤差很小，這兩點不但對提高滯回控制性能有益，而且使程序簡單，可靠性提高。

3　實驗結果與分析

經過實驗驗證，逆變器交流側電感取2 mH比較合適。為了方便，通過變壓器將濾波后的交流電饋送電網。變壓器原邊輸入220 V交流電時，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。逆變器的直流側，直接接實驗用直流30 V穩壓電源。實驗時，需要注意電網上升過零點的檢測電路變壓器接到電網時，方向要與并網變壓器相一致。

圖4（a）中波形分別為橋端輸出電壓波形和并網輸出電流波形?？梢钥闯鰳蚨溯敵鲭妷翰ㄐ闻cPWM控制輸出波形很相似。圖4（b）中波形為并網輸出電流波形和電網電壓波形，由圖可見兩種波形同頻同相，本設計的方案可以順利實現并網逆變。

輸出電流波形在正弦過零點附近，沒有出現上下來回變化，可以看出這時橋端也沒有輸出，這正是死區控制起到了作用。

對主電路，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電壓的相位?？梢酝ㄟ^調整給定電流的相位，對并網輸出電流的相位進行調整，使并網輸出電流與電網電壓準確同步，功率因數接近1。

由圖可見并網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串聯電路。RL串聯電路的暫態過程中，電流越大，電流的變越快；電流越小，電流的變越慢。在波形的最大值處，電流大，電流變化很快，快速來回升降，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　論

通過調整給定電流的相位，可使并網輸出電流與電網電壓準確同步，功率因數接近1；輸出電流曲線在最值附近比其他地方明顯要粗；性能優秀的STM32單片機非常適合用在逆變器中。

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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：201502087

陜西省教育廳2014年科學研究計劃資助項目（14JK1364）

雷新穎（1974—），男，陜西岐山人，碩士，講師。研究方向：測控技術。