二路逆變AC電源控制方法及其裝置的設計與實現

蘇春寶

（江南大學 江蘇 無錫 214122）

0 引言

本設計實現了雙路直流電源輸入，雙路交流電源輸出的裝置，并且輸出二路相互獨立，電壓連續可調，具有變頻功能。它的優點是輸出波形好，失真率低，負載能力強，穩定性出色。與單路逆變器相比，其優勢在于能控制兩路交流電源向負載輸出的電流比例。

主要設計內容包括軟件和硬件設計。軟件部分采用了比值控制、分時控制、反饋控制、曲線擬合、濾波算法、不靈敏區設計等，硬件部分主要由DC-AC電路、采樣電路、控制電路等構成。該方案經多次調試，系統工作正常，實用性強。

1 設計概述

1.1 設計意義及目的

二路逆變技術是光伏發電系統的核心技術。因為太陽能電池兩端的電壓受負載大小和光照強度的影響，所以雖然蓄電池對太陽能電池起著至關重要的作用，但受到蓄電池內阻和可用容量的影響，其端電壓將會隨之波動，這就需要逆變器允許輸入較大的直流電壓，同時穩定地輸出交流電壓。因此并網模式逆變電源的研究對微電網的發展具有重要的意義[1]。

本文主要目的是設計一個兩路直流電逆變后的并網供電系統。并網是指將一路外接的電源同步并入電網，以向電網輸出電能，發電機只有并網運行時，才能發電并把電能輸送出去供人們使用。

1.2 國內外發展概況

近年來，我國對雙模式下逆變電源的研究和使用趨于成熟，部分企業相關的研究成果和工程運用也趨于完善。但總體而言，企業還是很難實現產品設計和性能的創新，專利設計和研發能力還有待提高。

有關新能源發電的研究在美國、德國、日本等工業發達國家備受重視，并擁有眾多知名企業，比如美國的Powerone、德國的SMA等企業。這些企業在系統的成本造價、生產工作效率、安裝使用難度等方面具有較強的競爭力。

到目前為止，一些外國企業已經基于雙模式逆變電源提出了家用光伏發電系統的相關解決方案，由此實現了微電網的實時調控性。雖然我國在此方面沒有國外發展的好，但比如華為、陽光電源等企業已經取得了較大的研究成果，提出了一些電路控制結構和理論。

1.3 設計思想

在整個系統設計過程中，運用了模塊化設計理念，依據基本功能要求和相關技術標準，按照從高到低的設計思路，將軟硬件劃分為幾個應用模塊，先進行獨立功能的測試，然后將各個模塊聯合起來對系統的所有功能進行測試。

系統主要包括DC-AC逆變電路、單片機控制電路、電壓電流采樣電路、濾波電路等。其中DC-AC逆變電路是核心部分，該部分采用IR2110驅動器與IRF3710場效應管來實現。單片機通過對AD采樣，采用PID算法來調整電壓輸出，進而穩定調節實際的電壓輸出。同時將電流數據轉變為電壓數據采集，采用PID算法來調整電流輸出之比。系統工作原理圖見圖1。

2 原理及技術介紹

2.1 SPWM基本原理

SPWM就是基于PWM改變了脈沖調制方式，使脈沖寬度按正弦波的規律來變化，輸出的波形經過再經過濾波器濾波就可以得到正弦波輸出。SPWM實現方法如下。

自然采樣法[2]：自然采樣法是用需要調制的正弦波與載波鋸齒波的交點來確定最終PWM脈沖所需要輸出的時間寬度，最終由此生成SPWM波；具體見圖2，這里對局部①進行簡單分析。

局部①的情況見圖3，簡單分析一下整個圖形的情況。

（1）鋸齒波和調制正弦波的交點為A和B。

（2）A點所需要時間為T1，B點所需時間為T2。

（3）該周期內，PWM所需要的脈沖時間寬度TON滿足：TON=T1+T2。

（4）只需求出A點和B點位置，就可求出TON。

2.2 PID算法基本原理

PID算法是將來自反饋的測量值和給定值比較后產生的偏差進行比例、積分、微分運算，去控制執行機構的動作[3]。其功能框見圖4。

根據上圖，我們認為在某一時刻t，輸入量和輸出量分別是rin（t）、rout（t），因此可以算出偏差值err（t）=rin（t）-rout（t）。所以PID控制器的運算規律可用下式表示：

上式中的是KP比例增益，T1是再調時間，TD是預調時間。

PID算法的離散化：比例的作用是對系統的偏差進行響應，只要有偏差存在，控制器的輸出就會立刻與偏差成比例地變化。積分主要用來消除靜差，只要存在靜差，積分作用的靜差就會隨時間不斷變化，直到靜差消除，控制器的輸出才穩定下來。微分作用是根據偏差變化速度進行控制的，只要出現變化趨勢，就有控制作用輸出。

在完成離散之前，設定系統的采樣周期為T。倘若檢查第K個采樣周期，即系統進行第K次采樣。偏差表達式是err（k）=rin（k）-rout（k），積分表達式是：err（k）+err（k+1）+……，微分表達式是：（err（k）-err（k-1））/T。所以第K次采樣時，PID算法的離線形式表達式為：

這就是位置型PID算法的離散描述公式。第k-1個采樣周期表示為：

那么第K個采樣周期的增量就是U(k)-U(k-1)。第k個采樣周期公式減去第k-1個采樣周期的公式，就可推導出增量型PID算法的表示公式：

3 硬件設計

硬件系統由兩路全橋逆變電路模塊電路、兩路電流采樣電路及一路電壓采樣電路、兩個MOS驅動模塊電路、濾波電路、MCU主控電路等構成。

3.1 硬件濾波電路

輸出交流電壓濾波見圖5。設UO=24 V，IO=24 V，f=50 Hz，XL=2πfL=314 L求得L=2.29 mH，因為濾波電路有兩個電感串聯組成，故取每一個電感值為1 mH。由=50 Hz，求得電容C=4.1 uF，留有一定裕量，選取4.3 uF的CBB電容。

3.2 采樣濾波電路

經過AD637將交流電轉變為直流電后經過示波器觀察后仍然有少量的波動出現，經過對比選擇用RC濾波器進行進一步濾波。

3.3 IR2110電路設計

IR2110電路的主要功能是實現DC-AC逆變，輸出電壓要求穩定，具體體現在對正弦波波參數的要求上[4]。在此基礎上我們采用了軟硬件工作相結合的方式進行調節。具體參數的計算在下一部分給出，相應的硬件電路圖見圖6。

4 軟件設計

4.1 逆變電路控制兩相電源相位一致

通過上述定時器TIM1，每50 us進入一次中斷，在中斷服務函數中通過TIM_SetCompare1()和TIM_SetCompare2()來修改兩路SPWM的幅值大小，進而通過四路SPWM控制開關管，進而將直流電轉化為可調的交流電。

4.2 軟件濾波

由于系統精度要求，通過軟件對采樣值進行進一步濾波，濾波方法為去頭去尾取平均，其算法流程見圖7[5]。

4.3 分時調節

系統對電壓電流都有調節，但是根據歐姆定律，負載不變的情況下兩者又會有一定的關聯情況，所以以50 ms為間隔，第一個50 ms調整電壓，下一個50 ms調整電流，依次循環下去。

4.4 不靈敏區設計（遲滯量）

由于電壓電流關聯關系，在達到電流按比例輸出的要求里會出現大幅度的震蕩情況，只有在電壓不變的情況下電流調節才能按照比例穩定輸出，但是由于外接干擾及電壓控制的調整，并不會穩定在一個固定值，因此在系統設計的過程中加入了不靈敏區，當電壓精度調到一定的高范圍時就不再進行電壓調節，并且為其設置一個更寬泛的區域（此區域在精度要求范圍內），只要不出這個區域就不進行電壓調節，其實現見圖8[6]。

4.5 曲線擬合

ADC采樣得到的值和實際電壓電流會有一定偏差，把采樣得到的數值和實際數值進行對比，發現并不是明顯的線性關系，所以通過MATLAB擬合得出U(x)，I1(x)，I2(x)的曲線，用擬合到的曲線來計算出實際的電壓電流，顯示數值和萬用表測得的數據近似一致，最后用求得的電壓電流經行運算和顯示[7]。

4.6 電流比值控制

系統要求輸出電流按一定比例輸出，所以加入比值控制，分別利用兩路ADC進行采樣，并將兩路的采樣得到的電流作比，得到的比值和設定的比值對比，若不相同則通過反饋控制進行調整，見圖9。

5 結論與展望

5.1 結論

本文介紹了SPWM法和PID算法的基本原理，分析了SPWM自然采樣法和規則采樣法的可行性及PID算法離散化的過程。在基于STM32開發板的采樣，濾波和輸出SPWM波的基礎上，以及對比值控制、分時控制、反饋控制等算法和控制方法的應用，再結合并網逆變電路的設計，實現了二路逆變電源裝置。該雙路逆變電源可實現輸出二路電壓和頻率精確可調，且能控制兩路交流電源向負載輸出的電流比例。它的輸出波形好，失真率低，負載能力強，穩定性出色。

5.2 不足及未來展望

以上設計方法經過實踐滿足了所有的設計要求，但是在系統調整快速性上還有提高空間，同時目前系統還局限于滿足功能的硬件和軟件調整上，一些功能的切換只能用按鍵實現，但是現市供配電及發電系統涉及強電，同時某些數據需要記錄。因此，后期可以應用5G模塊進行命令數據的收發，將5G模塊連接在主控MCU上，通過移動終端發送指令進行控制，同時把系統的實時數據發送給終端，以便進行相應的記錄存儲。