并網(wǎng)三相逆變-變頻穩(wěn)壓電源供電技術(shù)方案

黃慶旺 王新明 周玉芳 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽(yáng) 441053)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)總體方案

微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)由三相逆變主電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路以及單片機(jī)控制電路等組成，其中MOSFET驅(qū)動(dòng)電路選用自帶死區(qū)的橋式驅(qū)動(dòng)芯片IR2104驅(qū)動(dòng)，采樣電路選用專(zhuān)用高精度電流芯片INA282對(duì)電流進(jìn)行采樣，以低功耗MK60FX512單片機(jī)作為核心控制模塊；系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)線電壓有效值為24.06V，頻率為 50.05 Hz，交流母線電壓總諧波畸變率THD為0.647%，逆變器1供電時(shí)的效率η為 93%，負(fù)載線電流有效值在0～2 A間變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率為 0.17%，還可實(shí)現(xiàn)逆變器1和逆變器2輸出功率可按設(shè)定在指定范圍(比值K為1∶2～2∶1)內(nèi)自動(dòng)分配，兩個(gè)逆變器輸出線電流折算值的差值絕對(duì)值為0.04 A．

3 SPWM控制波方案的論證和選擇

方案一：如圖2用硬件電路產(chǎn)生正弦波和三角波，其中正弦波作為調(diào)制信號(hào)，三角波作為載波，兩路信號(hào)經(jīng)模擬比較器比較后輸出SPWM波形；由于三角波和正弦波焦點(diǎn)有任意性,脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距,從而增加了其計(jì)算的繁瑣性,且調(diào)試?yán)щy．

圖2 SPWM產(chǎn)生電路

方案二：采用專(zhuān)用的 SPWM 集成模塊，但電源電壓有限制，價(jià)格昂貴．

方案三：由帶有SPWM產(chǎn)生功能的單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波，驅(qū)動(dòng)逆變電路，此方案控制電路簡(jiǎn)單，由軟件產(chǎn)生的SPWM幅度頻率較容易控制，產(chǎn)生的SPWM波質(zhì)量較好．

綜上，采用第三種方案作為本次設(shè)計(jì)方案．

4 三相逆變模塊的論證與選擇

方案一：電壓型逆變．電壓型三相逆變電路如圖3所示．直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源．直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗．電壓型逆變器適合向多機(jī)供電，在可逆轉(zhuǎn)動(dòng)或穩(wěn)速系統(tǒng)，以及對(duì)快速性要求不高的場(chǎng)合．

圖3 電壓型三相逆變電路

方案二：電流型逆變．電流型三相逆變電路如圖4所示．直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源．直流側(cè)電流基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗．電流型逆變器適合單機(jī)傳動(dòng)，加、減速頻繁運(yùn)行或需要經(jīng)常反向的場(chǎng)合．

圖4 電流型三相逆變電路

比較兩種方案，電壓型三相逆變電路更加成熟，且符合系統(tǒng)要求，故采用方案一．

5 低通濾波器的設(shè)計(jì)

5.1 濾波器電路

如圖5所示為濾波模塊電路圖，濾波模塊采用LC低通濾波電路．SPWM波形中所含的諧波主要是載波角頻率ω及其奇次諧波，LC濾波抑制 SPWM 中的諧波分量，提高三相逆變電源諧波的純度．

圖5 濾波電路

5.2 濾波器參數(shù)計(jì)算

輸出濾波器的作用是濾出高次諧波分量，使輸出波形接近與正弦波，濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)使輸出電壓諧波少，阻頻特性好，濾波功耗小．我們選用常見(jiàn)的LC濾波電路．本系統(tǒng)采用載波頻率為10 kHz，遠(yuǎn)大于調(diào)制信號(hào)角頻率，濾波較易實(shí)現(xiàn)．LC濾波器截止頻率

電路中取L=2 mH，C=2.2 μF，計(jì)算截止頻率為2.399 kHz，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求．

6 軟件及主電路設(shè)計(jì)

6.1 軟件設(shè)計(jì)

圖6為系統(tǒng)軟件流程圖．

圖6 軟件設(shè)計(jì)圖

模式選擇由SPWM設(shè)置、載波頻率模塊、三相電頻率模塊，功率采樣校準(zhǔn)模塊組成．K60通過(guò)內(nèi)部ADC模塊采集反饋電壓數(shù)據(jù)，單片機(jī)再通過(guò)濾波算法處理．然后根據(jù)所選的測(cè)量模式，根據(jù)偏差量與修正量進(jìn)行PI算法運(yùn)算，輸出控制量，最后在OLED顯示屏上顯示當(dāng)前的測(cè)量結(jié)果．

6.2 主電路圖

如圖7所示為三相逆變器模塊電路圖．根據(jù)要求把輸入的直流電壓逆變成交流電壓，MK60單片機(jī)輸出是高頻的SPWM波，IR2104驅(qū)動(dòng)由6個(gè)MOSFET管組成的三相逆變橋．

圖7 主電路圖

7 結(jié)束語(yǔ)

微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)采用MK60為核心實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)三相全橋逆變電路的協(xié)同工作，可輸出線電壓為24.06 V，頻率為50.05 Hz的正弦交流電，電源效率為92.8%，并且交流母線電壓總諧波畸變率THD為0.647%．兩個(gè)逆變器的輸出功率可按設(shè)定在指定范圍(比值K為1∶2～2∶1)內(nèi)自動(dòng)分配，且輸出線電流折算值的差值絕對(duì)值為0.04 A．同時(shí)可以利用藍(lán)牙上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的各項(xiàng)參數(shù)，并可通過(guò)上位機(jī)調(diào)參來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況．基本達(dá)到模擬光伏并網(wǎng)發(fā)電的效果．