三相逆變器的并機(jī)模擬系統(tǒng)

張勇，孟麗囡，寧武

（遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧錦州，121001）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，分布式發(fā)電系統(tǒng)所組成的系統(tǒng)有助于減少對(duì)資源的消耗，逐漸成為發(fā)電行業(yè)的主要趨勢(shì)，但仍存在一定缺點(diǎn)，由于時(shí)間的不連續(xù)、可再生能源的多樣性及不確定性，在應(yīng)用中要對(duì)電源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

三相逆變器的并機(jī)系統(tǒng)是由DC穩(wěn)壓電源[1]、兩路三相逆變電路[2-3]、組協(xié)同開關(guān)、控制核心RX23T單片機(jī)和三相Y型負(fù)載構(gòu)成，其輸出交流母線電壓THD小，效率高，負(fù)載調(diào)整率小，很好地解決了分布式系統(tǒng)的問(wèn)題，有著重要意義和較為廣闊的前景。

1 整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，DC穩(wěn)壓電源輸入，主機(jī)和從機(jī)中的單路三相逆變器既可獨(dú)立運(yùn)行[4]，又能與另一路三相逆變器同步運(yùn)行。單路逆變器獨(dú)立工作時(shí)，由EG8030產(chǎn)生三相SPWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)EG3012隔離驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變橋臂開關(guān)的控制。基于RX23T單片機(jī)[5]設(shè)計(jì)組協(xié)同開關(guān)實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的同步控制。三相逆變器并機(jī)[6]工作時(shí)，采用主從模式對(duì)兩路控制信號(hào)進(jìn)行同步，從而實(shí)現(xiàn)三相Y型負(fù)載輸出的同步。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 SPWM信號(hào)發(fā)生電路

本套系統(tǒng)由EG8030芯片產(chǎn)生三相SPWM信號(hào)，并工作在三相同步閉環(huán)穩(wěn)壓模式，具有容易實(shí)現(xiàn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。由于是采用同步穩(wěn)壓，SPWM調(diào)制深度相同，所以當(dāng)負(fù)載不平衡時(shí)，三相電壓會(huì)出現(xiàn)一定的偏移。EG8030芯片具備電壓失衡保護(hù)功能，該功能會(huì)限制每一相的最高電壓不會(huì)超過(guò)預(yù)設(shè)的10%，并且三相電壓嚴(yán)重失衡時(shí)，采取關(guān)斷保護(hù)。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，驅(qū)動(dòng)電路采用EG3012芯片對(duì)功率開關(guān)柵極進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，EG8030的三組SPWM信號(hào)輸出分別連接到U1-U3的高端HIN和低端LIN輸入引腳，經(jīng)過(guò)內(nèi)部達(dá)林頓輸出結(jié)構(gòu)提高輸入信號(hào)功率，將芯片的高端HO和低端LO的輸出引腳分別連接至三路逆變半橋的高、低邊MOSFET的柵極，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)驅(qū)動(dòng)。

圖2 功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路

EG3012的高端輸出附加自舉電路，自舉電路由快恢復(fù)二極管FR107和10μF鉭電容組成，保證能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)逆變橋中高端MOSFET的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)LO輸出高電平，即上管關(guān)斷，下管開通時(shí)，自舉電容C充電至足夠電壓；當(dāng)HO輸出高電平，即上管導(dǎo)通、下管關(guān)斷時(shí)，二極管具有反向阻斷作用，將連接至高端MOSFET源極的VS端鉗位，即抬高了高端地電位，保證了驅(qū)動(dòng)電平始終大于源極電位，實(shí)現(xiàn)了高端MOSFET的穩(wěn)定導(dǎo)通。

2.3 三相逆變器主電路結(jié)構(gòu)及原理

如圖3所示，三相逆變電路的主回路由DC輸入、全橋逆變、濾波和負(fù)載四部分構(gòu)成。40V電壓輸入到逆變器直流母線，經(jīng)過(guò)三相逆變橋進(jìn)行逆變操作，LC濾波器濾除高頻開關(guān)信號(hào)，輸出到三相Y型負(fù)載。其中逆變橋臂功率開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由EG8030產(chǎn)生所需的SPWM信號(hào)，并輸入到三路半橋隔離驅(qū)動(dòng)芯片EG3012的HIN、LIN兩個(gè)邏輯輸入控制信號(hào)接收端口，其輸出端口HO、LO接到功率開關(guān)的柵極，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)狀態(tài)的控制及切換。

圖3 三相逆變器主電路圖

其中，MOSFET的柵極前端1N4148二極管是為了防止其關(guān)斷時(shí)對(duì)前端驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生電壓沖擊。由于功率開關(guān)的柵源間存在極間電容，在提供柵極高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)極間電容充電，如不加適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電阻就會(huì)在柵極產(chǎn)生較高的電壓變化率，因此本設(shè)計(jì)外加了一個(gè)4.7Ω電阻，從而保護(hù)MOSFET不被損壞。MOSFET的10kΩ對(duì)地電阻目的是為了加快MOSFET的關(guān)斷，進(jìn)而提高開關(guān)速度。

2.4 三相對(duì)稱Y接負(fù)載電阻計(jì)算

負(fù)載電阻連接方式如圖4所示，IA、IB、IC為線電流，對(duì)于對(duì)稱星型電源，線電壓為UAB、UBC、UCA，相電壓為UA、UB、UC，根據(jù)公式(1)有：

圖4 負(fù)載電阻連接圖

因?yàn)閁AB+UBC+UCA=0，當(dāng)線電壓對(duì)稱時(shí)，相電壓也依序?qū)ΨQ，它是相電壓的1.732倍，且依次超前其30°。因此根據(jù)公式(2)計(jì)算，可以得出本系統(tǒng)的負(fù)載線電壓和負(fù)載相電壓為：

因此，調(diào)整負(fù)載來(lái)觀察輸出電流的變化。當(dāng)負(fù)載線電流為1A，負(fù)載電阻應(yīng)為13.86Ω；負(fù)載線電流為2A，負(fù)載電阻應(yīng)為6.93Ω；負(fù)載線電流為3A，負(fù)載電阻應(yīng)為4.62Ω，系統(tǒng)中的負(fù)載電阻功率均采用100W。

2.5 主控單片機(jī)電路

RX23T單片機(jī)可以隨時(shí)響應(yīng)按鍵、通信等外部中斷信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理，且響應(yīng)速度比一般處理器快。RX23T單片機(jī)為32位CPU，最大工作主頻40MHz，片上調(diào)試功能，采用極低的功耗架構(gòu)，多達(dá)12個(gè)擴(kuò)展功能的定時(shí)器，具有重要寄存器寫保護(hù)功能及內(nèi)存保護(hù)單元。

如圖5所示，主控單片機(jī)電路由RX23T單片機(jī)、按鍵電路、濾波電路、LCD液晶顯示電路、外部通信接口等五部分構(gòu)成。單片機(jī)通過(guò)采樣輸出數(shù)據(jù)，外部中斷處理和內(nèi)部數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而采集兩路逆變器輸出的SPWM信號(hào)。按鍵電路控制逆變器同步輸出的運(yùn)行模式，濾波電路為濾除高次的諧波，實(shí)現(xiàn)兩路三相逆變器并機(jī)。單片機(jī)的A/D模塊采集輸出電壓、電流和頻率，并在LCD液晶顯示。

圖5 主控單片機(jī)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 并機(jī)模擬系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

并機(jī)模擬系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示，兩個(gè)RX23T單片機(jī)作為主機(jī)和從機(jī)的控制核心，若并行工作，則主機(jī)發(fā)送同步信號(hào)給從機(jī)，檢測(cè)SPWM信號(hào)，當(dāng)從機(jī)接收到同步信號(hào)后，也立即檢測(cè)SPWM信號(hào)，在檢測(cè)完成后，從機(jī)向主機(jī)反饋就緒信號(hào)，主機(jī)收到就緒信號(hào)后，給自身和從機(jī)發(fā)送下降沿信號(hào)，使主機(jī)和從機(jī)同時(shí)觸發(fā)外部中斷，使兩路SPWM信號(hào)同步，三相逆變器并機(jī)模擬運(yùn)行。此時(shí)，從機(jī)的單片機(jī)啟用數(shù)字PLL算法，對(duì)兩路輸出電壓的相位差進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)數(shù)字PLL算法計(jì)算，并調(diào)整自身輸出電壓的相位，使其與主機(jī)輸出相位完全同步，保護(hù)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行，提高并機(jī)輸出效率。

3.2 A/D數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用RX23T內(nèi)部的兩個(gè)ADC，分別為ADC1檢測(cè)電壓，ADC2檢測(cè)電壓后轉(zhuǎn)換成電流。

ADC檢測(cè)程序流程圖如圖7所示，初始化ADC，設(shè)置ADC的規(guī)則組通道、序列和采樣時(shí)間，使能啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，獲取ADC值為ADC1，轉(zhuǎn)換次數(shù)為times，根據(jù)公式(3)，多次運(yùn)算，得到ADC平均值

圖7 A/D數(shù)據(jù)采集程序流程圖

在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，采集平均值，經(jīng)公式(4)運(yùn)算，則得到ADC1電壓值U1。

同理，ADC2經(jīng)運(yùn)算可得到電壓值U2，采樣電阻為R，經(jīng)公式(5)運(yùn)算，則得到ADC2電流值I。

其數(shù)值均在LCD液晶屏幕顯示。

3.3 輸入捕獲程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用輸入捕獲實(shí)驗(yàn)，采集三相逆變器并網(wǎng)的頻率值。主控單片機(jī)對(duì)定時(shí)器輸入捕獲，通過(guò)兩次波形的下降沿來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而得到對(duì)應(yīng)輸出的頻率值。

輸入捕獲程序流程圖如圖8所示，初始化配置定時(shí)器和PF5端口的相關(guān)參數(shù)。對(duì)于輸入捕獲模式的中斷服務(wù)函數(shù)，在記錄定時(shí)器捕獲到值時(shí)，直接將TIM2的CCR2寄存器里面的值賦值給相應(yīng)變量。第二次檢測(cè)到上升沿捕獲到的值Rise和第一次捕獲到的值Fall，兩者之差為定時(shí)器計(jì)數(shù)的數(shù)值差，根據(jù)TIM_Prescaler=0，主頻率為72MHz，根據(jù)公式(6)計(jì)算得到逆變器的頻率為：

圖8 輸入捕獲程序流程圖

其頻率在LCD液晶屏幕顯示。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

三相逆變器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，工作狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 逆變器1或2獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)

在功率分析儀測(cè)試狀態(tài)下，逆變器電路在負(fù)載線電流有效值為2A時(shí)，穩(wěn)定輸出線電壓24V，交流母線電壓總諧波畸變率為2.8%，頻率為50Hz，效率為91.8%。負(fù)載線電流有效值Io從0A到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率低至0.2%。

兩路三相逆變器并機(jī)運(yùn)行時(shí)，工作狀態(tài)參數(shù)如表2所示。

表2 逆變器1、2并機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)

經(jīng)萬(wàn)用表測(cè)試驗(yàn)證，兩路逆變器共同供電，線電壓有效值為23.99V，負(fù)載線電流有效值為3A，線電流差值絕對(duì)值為0.02A。

5 結(jié)論

單路三相逆變器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，輸出交流母線電壓THD小于3%，效率高達(dá)92%，負(fù)載調(diào)整率小于0.3%。兩路三相逆變器并聯(lián)模擬運(yùn)行時(shí)，線電壓有效值24V，負(fù)載線電流有效值可達(dá)3A，線電流差值絕對(duì)值不大于0.05A，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩路三相逆變器完全同步運(yùn)行。