CN113659628A - 一种微电网模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电网模拟系统，包括一个主控制器、两个三相逆变电源单元和一个电压互感器；三相逆变电源单元包括SPWM波控制器、直流电源、驱动电路、逆变器、电流互感器和滤波器；SPWM波控制器与主控制器相连接，接收主控制器发出的SPWM波并对SPWM波进行处理后发送给驱动电路；逆变器由接收驱动电路发出的反向SPWM波并输出三相电压；滤波器对三相电压进行滤波处理后输送给交流母线；电流互感器与滤波器相连接并将采集的电流信号发送给主控制器；电压互感器与交流母线相连接并将采集的电压信号发送给主控制器。本发明的微电网模拟系统，具有结构简单、成本低、输出电压稳定性好等优点。

Description

一种微电网模拟系统

技术领域

本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种微电网模拟系统。

背景技术

逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成定频定压或调频调压交流电(一般为220V/50Hz正弦波)的转换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。

当代电源技术就是穿插在电力电子半导体器件，综合自动控制系统、微型计算机技术和电磁感应技术的一种综合技术。在如何使得电源变得更加高质量、高效、高可靠性等方面起着关键的作用，是当今世界电力电子技术的实际应用。变频技术主要是通过逆变电路实现的，是有关电力电子学领域最为重要的研究内容之一，被广泛运用。任何用电设备中，电源都是必不可少的，但是不同的用电设备所需的电能形式可能并不相同，因此，对变频逆变电源的研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低且输出电压稳定性好的微电网模拟系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案。

一种微电网模拟系统，其包括一个主控制器、两个三相逆变电源单元和一个电压互感器；

所述三相逆变电源单元包括SPWM波控制器、直流电源、驱动电路、逆变器、电流互感器和滤波器；

所述SPWM波控制器与所述主控制器相连接，接收主控制器发出的SPWM波并对SPWM波进行处理后发送给驱动电路；

直流电源与所述逆变器相连接；所述逆变器由接收驱动电路发出的反向SPWM波并输出三相电压；

所述滤波器对所述三相电压进行滤波处理后输送给交流母线；

所述电流互感器与所述滤波器相连接并将采集的电流信号发送给主控制器；

所述电压互感器与所述交流母线相连接并将采集的电压信号发送给主控制器。

所述主控制器采用STM32F103C8T6单片机。

所述驱动电路包括驱动芯片U3、电容C1～C2和二极管D10。

所述驱动芯片U3为半桥式驱动芯片IR2109。

所述二极管D1为恢复二极管FR107。

所述滤波器包括电容C11～C13和电感L11～L13。

所述逆变器包括MOS管Q1～Q6、电阻R1～R12、二极管D1～D6。

所述MOS管为功率场效应管IRF3205。

所述二极管D1～D6为肖特基二极管SS36。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种微电网模拟系统，供电电源、单片机控制电路、驱动电路、全桥逆变电路、输出滤波电路；所述供电电源为直流电源，用于提供输入的直流电；所述单片机控制电路，用于产生SPWM控制信号并将该SPWM控制信号发送给驱动电路；所述驱动电路，用于根据单片机控制电路发出的SPWM控制信号，产生反向SPWM波并发送给全桥逆变电路；所述全桥逆变电路，用于接收驱动电路发送的反向SPWM波，控制四个MOS管的通断来控制电压转换，输出电压；所述输出滤波电路，用于对全桥逆变电路输出的交流电压进行滤波处理。

本发明的微电网模拟系统，具有结构简单、成本低、输出电压稳定性好等优点。

附图说明

图1是本发明的微电网模拟系统的原理框图。

图2是本发明的微电网模拟系统的各模块连接框图。

图3是本发明的微电网模拟系统的主控制器的STM32F103C8T6引脚图。

图4是本发明的微电网模拟系统的驱动电路的电路图。

图5是本发明的微电网模拟系统的滤波器的电路图。

图6是本发明的微电网模拟系统的逆变器的电路图。

图7是本发明的微电网模拟系统的电流检测电路。

图8是本发明的微电网模拟系统的电压检测电路。

图9是本发明的微电网模拟系统的辅助电源电路。

图10是本发明的微电网模拟系统的单独输出时流程图。

图11是本发明的微电网模拟系统的并联输出时流程图。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1-11，本发明的一种微电网模拟系统，包括一个主控制器、两个三相逆变电源单元和一个电压互感器；

所述三相逆变电源单元包括SPWM波控制器、直流电源、驱动电路、逆变器、电流互感器和滤波器；

所述SPWM波控制器与所述主控制器相连接，接收主控制器发出的SPWM波并对SPWM波进行处理后发送给驱动电路；

直流电源与所述逆变器相连接；所述逆变器由接收驱动电路发出的反向SPWM波并输出三相电压；

所述滤波器对所述三相电压进行滤波处理后输送给交流母线；

所述电流互感器与所述滤波器相连接并将采集的电流信号发送给主控制器；

所述电压互感器与所述交流母线相连接并将采集的电压信号发送给主控制器。

如图1-2，两个三相逆变电源单元分别为第一三相逆变电源单元和第二三相逆变电源单元。所述第一三相逆变电源单元包括SPWM波控制器一、直流电源一、驱动电路一、逆变器一、电流互感器一和滤波器一。所述第二三相逆变电源单元包括SPWM波控制器二、直流电源二、驱动电路二、逆变器二、电流互感器二和滤波器二。所述逆变器一和逆变器二均为三相逆变器。

本发明是由两个三相逆变器组成的微电网模拟系统。系统是以STM32F103C8T6单片机为控制核心，两个三相逆变器为主体，采用外环稳压-内环稳流的双环路控制方式，实现高精度，高效率的功率自动分配功能。其中逆变器是由SPWM(Sinusoidal Pulse WidthModulation，正弦脉宽调制)波生成部分、IR2109驱动部分、三相桥式逆变器拓扑电路部分和三相对称Y型负载等部分组成。由单片机产出三路两两相位差互为120°的SPWM波，经过驱动芯片IR2109驱动MOS管三相桥式逆变器电路来组成单个逆变器。利用PID控制算法稳定线电压和线电流，经测试本发明实现了线电压有效值为24V±0.2V，频率为50Hz±0.2Hz，交流母线总线畸变率(THD，total harmonic distortion)低于3％，单个逆变器接三相负载后的效率高达90％。各项指标均达到任务要求。

所述主控制器采用STM32F103C8T6单片机。

如图3，STM32F103C8T6是一款性能较高的单片机，其工作频率可以在程序编写时进行设置，最高频率可以达到72M。该工作频率能够满足本次设计的所有要求；在定时器方面，该控制器有中四个16位通用定时器(优先级较低)和两个高级定时器(优先级较高)。而本发明正是利用了每个定时器有四个独立通道这一特点，利用一个定时器来产生3路两两相位差为120°的SPWM方法的。如此一来，在实现逆变器并联时，只需要两个通用定时器即可达到基本要求，再利用一个高级定时器来选择输出波形的频率，即可达到要求指标。

由于选用控制器SPWM信号的方案，故对控制器性能要求较高，最终测试后选用了STM32F103C8T6单片机作为本次设计的主控制器，其引脚如图3所示。STM32F103C8T6内部自带了一个8MHz的RC振荡器，经过PLL倍频后CPU最高工作频率可以达到72MHz。2.0～3.6伏供电和I/O引脚电压与绝大多数传感器信号的电压标准相符；在采集传感器信息上，其拥有3个12位的高速模拟/数字转换器(ADC)。在而在本设计中，正好需要其采集电流和电压互感器输出的电压。

所述驱动电路包括驱动芯片U3、电容C1～C2和二极管D10。

所述驱动芯片U3为半桥式驱动芯片IR2109。

所述二极管D1为恢复二极管FR107。

如图4，驱动芯片U3为IR2109。IR2109是采用8脚PDIP封装的半桥式驱动芯片。它的工作电压可达600V，逻辑电源电压供电范围为5～15V。C2为自举电容主要用于抬升8脚VB处的电压。应用电路图中快恢复二极管D10为FR107，主要目的是避免电压倒灌发生。通过该C2与FR107即可构成自举电路，能够使输出的电压高于供电电压。SD为芯片输出控制端，控制器能够通过控制这个引脚来达到控制输出的目的。

所述滤波器包括电容C11～C13和电感L11～L13。

如图5，三相逆变器中的MOS管以高频PWM方式工作，其对于两个桥臂产生一相信号的电路来说，输出的信号中掺杂着我们并不需要的高次谐波信号，它的存在会导致电压波形不规整，无法成功实现并网。根据以上分析我们选择的是LC滤波，具体应用电路如图5所示。滤波的电感如果过大，那么系统的响应速度就会变慢，但纹波系数会相应的变小。而如果滤波的电感选择过小，电感充放电特性减弱，系统的响应速度就会变快，但相应的杂波信号会变多。因此在设计时，选取的电感大小必须合适。本发明选择电感为1mH。

所述逆变器包括MOS管Q1～Q6、电阻R1～R12、二极管D1～D6。

如图6，三相电路中一共有六个桥臂，可以看成是用三个采用双极性的SPWM调制的单相逆变电路组合而成。Q1～Q6采用MOS管(IRF3205)作为开关器件，并与一个反并联二极管组成一个桥臂。HO1桥臂和LO1桥臂能够生成A相信号，HO2桥臂和LO2桥臂能够生成B相信号，HO3桥臂和LO3桥臂能够生成C相信号。由控制器产生的SPWM信号经过IR2109驱动电路后就会变成上半波和下半波两部分，再接到某一相逆变电路的MOS管控制引脚上，此时输入该相逆变电路的SPWM信号为双极性的，及对于同一相上的两个桥臂，如上图中的HO1桥臂和LO1桥臂是交替导通的。为了时输出为三相必须保证各相的桥臂开始导通时相角两两相差120°。如此该逆变器输出的线电压的相角也将相应的两两相差120°，进而可接在Y型负载上。IRF3205是一种性能优异的MOS管，其具有极低的导通阻抗，内阻只8毫欧。对于较大电压和电流的电路也依然适用，其耐压为能达到55v，而过电流则高达110A。

所述MOS管为功率场效应管IRF3205。

所述二极管D1～D6为肖特基二极管SS36。

本发明的微电网模拟系统采取输出40V的开关电源给予供电，由STM32F103C8T6单片机产生SPWM波，经过驱动芯片IR2110的输出互补的两路SPWM波驱动逆变器发生逆变，逆变输出的信号再经过LC滤波器得到正弦波线电压提供给负载。主控部分包括主控制器(STM32F103C8T6单片机)和电压采样(电压互感器)、电流采样(电流互感器)。STM32F103C8T6单片机作为主控制器进行SPWM波信号的生成，使输出的3路SPWM信号两两相位相差120°，频率始终保持为50HZ左右。电压、电流的采集是为了实现逆变器并联工作，内环稳流-外环稳压的双环路控制方式要求控制器必须实时采集逆变器输出的电压和电流。显示器LCD12864的主要功能接受控制器的指令并实时显示系统状态。辅助电源给本发明中的各个模块供电，使各个模块能够在稳定的电压下运行。

如图7是本发明的电流采样电路，包括电流互感器ZHT、电阻R13和R14、电容C14、二极管D9。本发明要求输出的线电流必须达到3A。查看STM32F103C8T6单片机的使用手册我们可以知道，其自带的12位ADC能够采集的最大电压信号不能超过其供电电源(一般为3.3V)，因此在此电路中我们必须使用一种器件，能达到降低电流大小的目的，因此我们选用了电流互感器。其主要功能是将一次侧输入的大电流经过交变磁通转变为二次侧上的小电流。再经过整流桥整流并并联一个采样电阻，即可得到相应的直流电流大小，利用其中直流电流时交流电流的0.707倍的关系，即可算出线电流的大小。

如图8是本发明的电压采样电路，包括电压互感器CT、电阻R15～R18、电容C16和电桥Bridge1。该设计电路中的输出交流线电压比较大，电压有效值能达到24V左右。由于ADC采样最大不能超过其供电电压(供电电压通常为5V)，所以ADC无法直接采样，这就要求我们将线电压先经过降压后才能测量，于是选择了电压互感器作为本设计的电压采样的主要器件之一。将三相逆变器输出的线电压作为输入送入电压互感器，经过整流变成直流信号，再用ADC采集，即可得到输出电压的大小。本设计中将选用了互感比例可调的电压互感器模块，将互感比例调节至12：1，即当输入电压为24V时，互感得到的电压2V，经过整流后得到的直流电压为2.83V，此时ADC可以直接采集故能用这样的方式进行对电压的实时采集。

由32位控制器STM32F103C8T6单片机直接产生SPWM信号来驱动逆变器。传统的SPWM产生方案一般是硬件产生，即通过EG系列的数字芯片和其外围电路来输出SPWM信号，这种方法不仅需要对数字芯片外围电路进行设计，还得需要控制器输入信号去控制，显得较为繁琐，实际操作起来也容易出错。由控制器直接产生3路三路两两相位差是120°SPWM波并不是所有的控制器都可以满足，它需要有定时器功能，同时对其的运行速度有较高的要求，传统的8位或者16位控制器不能满足其要求，必须采用32位或者更高位的控制器才能实现设计。

根据芯片的说明书，我们了解到STM32F103C8T6是一款性能较高的单片机，其工作频率可以在程序编写时进行设置，最高频率可以达到72M。该工作频率能够满足本次设计的所有要求；在定时器方面，该控制器有中四个16位通用定时器(优先级较低)和两个高级定时器(优先级较高)。而本发明正是利用了每个定时器有四个独立通道这一特点，利用一个定时器来产生3路两两相位差为120°的SPWM方法的。如此一来，在实现逆变器并联时，只需要两个通用定时器即可达到基本要求，再利用一个高级定时器来选择输出波形的频率，即可达到要求指标。

STM32F103C8T6单片机为了在运行程序时不发生冲突，内部自己定义了优先级，优先级高的程序部分先运行，优先级低的部分后运行，因此更具优先级概念，单片机内部分为高级定时器、普通定时器和基本定时器，三者优先级顺序依次递减，表1是它们的相关功能对比。

表1定时器功能比较

如图6所示，采用电压型三相逆变电路作为系统的逆变主电路。它的主要特点为：直流供电侧侧为电压源或并联电解大电容，电压调整率较小。此外为了安全起见，必须在在每个桥壁上并联一个反馈二极管。在纯电阻负载情况下，任何时刻桥中各臂只有可控元件导通，改变SPWM波占空比控制开关管生成三相交流电，电压型三相逆变电路效率更高，操作简单。

本发明采取电压型全桥逆变的结构，实现将直流电转换为三相交流电的功能。采用STM32F103C8T6单片机产生SPWM波，同时将SPWM波输入驱动芯片IR2109，IR2109输出两路反相的SPWM波来控制两个MOS管的通断，进而实现全桥逆变的功能。MCU主要采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，并使用其内部自带的12位ADC来进行对互感器输出的电流电压的采集，采集到的数据经过分析处理后送入控制器，控制器发出相应的指令使OLED显示屏进行实时显示。辅助电源直接使用直流开关电源通过LM2596稳压芯片产生+12V和+5V电压提供给各个电路模块。

如图9是本发明的辅助电源电路，本发明各模块电路有+12V与+5V供电要求，故需要自己制作辅助电源。此外，虽然STM32F103C8T6单片机上需要3.3V电压供电，但只要在+5V输出端串入一个3.3V的稳压芯片即可满足要求。本发明采用LM2596稳压芯片，将直流开关电源输出的40V分别降到+12V和+5V，完全能够满足各模块的供电要求。图9中，+12V输出的辅助电压电路包括稳压芯片U1、电阻R21和R22、电容C21和C22、电感L21和二极管D21。+5V输出的辅助电压电路包括稳压芯片U2、电阻R31和R32、电容C31和C32、电感L31和二极管D31。

图10是本发明的微电网模拟系统的单独输出时流程图。图11是本发明的微电网模拟系统的并联输出时流程图。系统启动后先进行初始化，然后进行检测是否有启动键按下。首先系统需要开启定时器，使得定时器对应控制的某三个I/O口输出三路两两相位差为120°的SPWM波信号，并送入三相逆变器的主电路中，然后再开启单片机内部的12位ADC对输出的电压和电流进行采集，得到的电压与设定值比较，如果不等于设定值，再利用PID算法进行调节，直至输出的线电压等于设定值。在此过程中，采集的电压电流信号会经过单片机指令送入OLED上实时显示。

完成本发明的设计后，发明人团队对设计电路进行了一系列测试工作。

1、测试仪器

因为题目要求测电压、电流、负载调整率等数据，所以我们选用如表2测试仪器。

表2测试仪器清单

序号	仪器名称、规格	个数
			1	五位半万用表	4
2	功率分析仪	1
			3	直流稳压电源	2
4	示波器	1

2、基本要求测试

1)测试单个逆变器电参数：按下按键K1，此时系统工作在单个逆变器的模式下，即用单个逆变器向负载提供三相交流电时，测得如表3数据：(负载线有效电流II₀，线电压有效值U₀和,频率f)。

表3逆变器1参数

次数	I<sub>0</sub>(A)	U<sub>0</sub>(V)	f(Hz)
				1	2.01	24.02	50.01Hz
2	2.00	24.10	50.12Hz
				3	2.02	24.08	50.09Hz

测试结果：根据表3可知当I₀为2A时，满足线性电压有效值U₀为24V±0.2V，频率f为50Hz±0.2Hz的要求。

2)测试THD：按键K1按下后，在单个逆变器向负载提供三相交流电的情况下，交流母线的电压总谐波畸变率(THD)。

表4电压总谐波畸变率

次数	THD
		1	0.621％
2	0.810％

测试结果：根据表4可知，交流母线的电压总谐波畸变率(THD)小于3％，完全满足要求。

3)测试方法：按键K1按下后，在单个逆变器向负载提供三相交流电的情况下，逆变器1的效率η。如表5(其中输入电压U_i,输入电流I_i,负载线有效电流I₀，线电压有效值)。

表5逆变器1的效率

次数	U<sub>i</sub>(v)	I<sub>i</sub>(A)	I<sub>0</sub>(A)	U<sub>0</sub>(V)	η(％)
						1	44.81	2.23	2.20	24.02	91.5
2	44.79	2.05	2.21	24.02	90.9
						3	44.81	2.03	2.19	24.03	91.7

测试结果：根据表5可知，逆变器1的效率η不低于90％，完全满足要求。

4)测试负载调整率：单个逆变器向负载供电，负载线电流有效值I₀在0～2A间变化时，负载调整率S_I1,如下表(其中，U_O1是I₀＝0A时的输出端线电压，U_O2是I₀＝2A，时的输出线电压)。

表6负载调整率

次数	U<sub>01</sub>(V)	U<sub>02</sub>(V)	S<sub>I1</sub>(％)
				1	24.03	24.01	0.08
2	24.01	23.99	0.08
				3	24.01	23.97	0.16

测试结果：根据表6可知，负载调整率S_I1小于0.2％，完全满足要求。

5)测试并联时的电参数：逆变器1和逆变器2同时向负载输出功率时，负载线电流有效值I₀，频率f₀。

表7两个逆变器并联

测试次数	I<sub>0</sub>(A)	f(Hz)
			1	3.01	50.14
2	3.00	50.07

测试结果：根据表7知，完全满足题目要求I₀＝3A,频率f为50Hz±0.2Hz。

3、测试结果分析

由上部分测试列表及分析可知，单个逆变器接负载时，满足设计要求。当两个逆变器同时向负载输出功率时，频率和电流基本上满足要求。

本发明的微电网模拟系统，设计两个三相逆变器并联，其原理框图如图1所示。其中三相负载为Y型连接方式，在负载上三相负载线电流额定输出电流不小于3A，且频率稳定在50±0.2Hz。技术指标为：

(1)仅用1个逆变器向三相负载提供三相交流电时，负载上的线电流有效值为2A,输出的线电压U0＝24±0.2V，输出频率f＝50±0.2Hz，

(2)仅用1个逆变器向负载提供三相对称交流电时，输出波形无明显失真，并且保证交流母线总线畸变率(THD)≤3％，效率η≥87％；

(3)2个逆变器能同时向负载输出功率，输出电流I0＝3A，输出频率f＝50±0.2Hz且波形无明显失真。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种微电网模拟系统，其特征在于，包括一个主控制器、两个三相逆变电源单元和一个电压互感器；

所述三相逆变电源单元包括SPWM波控制器、直流电源、驱动电路、逆变器、电流互感器和滤波器；

所述SPWM波控制器与所述主控制器相连接，接收主控制器发出的SPWM波并对SPWM波进行处理后发送给驱动电路；

直流电源与所述逆变器相连接；所述逆变器由接收驱动电路发出的反向SPWM波并输出三相电压；

所述滤波器对所述三相电压进行滤波处理后输送给交流母线；

所述电流互感器与所述滤波器相连接并将采集的电流信号发送给主控制器；

所述电压互感器与所述交流母线相连接并将采集的电压信号发送给主控制器。

2.根据权利要求1所述的一种微电网模拟系统，其特征在于，所述主控制器采用STM32F103C8T6单片机。

3.根据权利要求1所述的一种微电网模拟系统，其特征在于，所述驱动电路包括驱动芯片U3、电容C1～C2和二极管D10。

4.根据权利要求3所述的一种微电网模拟系统，其特征在于，所述驱动芯片U3为半桥式驱动芯片IR2109。

5.根据权利要求3所述的一种微电网模拟系统，其特征在于，所述二极管D1为恢复二极管FR107。

6.根据权利要求1所述的一种微电网模拟系统，其特征在于，所述滤波器包括电容C11～C13和电感L11～L13。

7.根据权利要求1所述的一种微电网模拟系统，其特征在于，所述逆变器包括MOS管Q1～Q6、电阻R1～R12、二极管D1～D6。

8.根据权利要求7所述的一种微电网模拟系统，其特征在于，所述MOS管为功率场效应管IRF3205。

9.根据权利要求7所述的一种微电网模拟系统，其特征在于，所述二极管D1～D6为肖特基二极管SS36。

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