小編參加過三屆全國大學生電子設(shè)計競賽,做的均為電源題目，故留下此電源題提詳細的方案和設(shè)計思路步驟，供后來者學習取經(jīng)，如有不足之處歡迎留言提問。點擊此處訪問小編的個人小站:www.zhiguoxin.cn

微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)

• • 一、方案論證
  • • 1.三相逆變模塊的論證與選擇
    • 2.交流電壓電流有效值測量方案論證與選擇
    • 3.逆變控制方案選擇
  • 二、系統(tǒng)的整體框架
  • 三、 理論分析與計算
  • • 1．逆變器提高效率的方法及關(guān)鍵器件的選擇
    • 2 三相交流電電壓、電流有效值和功率的計算
    • 3 諧波失真THD的計算與測量
  • 四、電路與程序設(shè)計
  • • 1.三相逆變電路
    • 2.濾波器的設(shè)計
    • 3.電壓電流采樣電路
    • 4.控制電路與控制程序的設(shè)計
  • 五、實物圖
  • 六、獲獎證書

??微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)作為分布式電源接入電網(wǎng)的一種有效手段，逐步引起了廣泛關(guān)注。將分布式電源以微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)，被普遍認為是利用分布式電源有效的方式之一。

一、方案論證

1.三相逆變模塊的論證與選擇

??方案一：基于全橋結(jié)構(gòu)的三相逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。該結(jié)構(gòu)由三個相互獨立的單相逆變器組合而成，各模塊相互獨立互不干擾，故系統(tǒng)控制簡單。但要求三個單相逆變器的輸入且彼此隔離，增加了系統(tǒng)復雜度。

??方案二：基于半橋結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)，如下圖2所示。該結(jié)構(gòu)中開關(guān)器件較三相全橋式逆變器少，且僅需一路直流輸入，但是其開關(guān)管所承受的電壓為三相全橋式三相全橋式逆變器的兩倍，故需要選擇耐高壓MOS。

??為盡量簡化系統(tǒng)設(shè)計，減少硬件復雜度，系統(tǒng)采用方案二。

2.交流電壓電流有效值測量方案論證與選擇

??方案一：采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637直接測量。AD637可準確計算各種信號有效值，使用簡單，但計算時間較長，當電壓值快速變化時，無法對測量值實時跟蹤。
??方案二：AD采樣計算，通過取離散樣值的均方根得到有效值。該方案硬件簡單，測量實時性強，但需要復雜的算法，會占用大量的資源。
??該系統(tǒng)同時測量9路信號，進行反饋調(diào)節(jié)，實時性要求高，故采用方案二。

3.逆變控制方案選擇

??方案一：用硬件產(chǎn)生正弦波和三角波。將正弦波作為基波，三角波作為載波，輸入到模擬運放比較器進行比較后輸出 SPWM 波，由于三角波和正弦波焦點有任意性,脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距,從而增加了其計算的繁瑣性,硬件調(diào)頻十分困難且不易調(diào)試。

方案二：采用專用的 SPWM 集成模塊，但電源電壓有限制，價格昂貴。
方案三：由帶有 PWM 產(chǎn)生功能的單片機利用正弦表掃描法產(chǎn)生 SPWM，驅(qū)動逆變電路，此方案控制電路簡單，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)計方案。

??經(jīng)過對比分析，選擇方案三更合適。

二、系統(tǒng)的整體框架

系統(tǒng)包括兩個三相逆變模塊、電壓電流采樣模塊、主控模塊及輔助電源，框圖如下圖4所示。

??圖4中，兩個三相逆變模塊分別由兩個直流電源供電，系統(tǒng)利用STM32產(chǎn)生SPWM波控制半橋驅(qū)動器IR2104實現(xiàn)三相逆變功能。其中MOSFET驅(qū)動電路選用自帶死區(qū)的橋式驅(qū)動芯片IR2104驅(qū)動，采樣電路選用專用高精度電流采用芯片INA282對電流進行采樣，單片機產(chǎn)生SPWM波通過驅(qū)動芯片驅(qū)動三相逆變電路實現(xiàn)直流到交流轉(zhuǎn)換，通過對電壓電流采樣、PI算法實現(xiàn)功率分配。當僅有逆變器1工作時，根據(jù)采樣電壓信息利用PID算法對STM32生成的SPWM波進行反饋控制，保證輸出線電壓穩(wěn)定在24V。當逆變器1和逆變器2并聯(lián)工作時，根據(jù)采樣電壓電流信息利用雙PID算法對兩路逆變器的SPWM波進行反饋控制，保證輸出線電壓穩(wěn)定在24V。

三、 理論分析與計算

1．逆變器提高效率的方法及關(guān)鍵器件的選擇

??1.選擇適當?shù)拈_關(guān)頻率。較高的開關(guān)頻率可以減少變換器的體積和重量，提高輸出電壓THD，但是隨著頻率的提高開關(guān)管的損耗也會隨之增加：
??$P_{\mathrm{o}\mathrm{n}}=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{D}}{I}_{\mathrm{O}}{t}_{\mathrm{o}\mathrm{n}}{f}_{\mathrm{s}}$
??$P_{\mathrm{o}\mathrm{f}\mathrm{f}}=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{D}}{I}_{\mathrm{O}}{t}_{\mathrm{o}\mathrm{f}\mathrm{f}}{f}_{\mathrm{s}}$
由上式此可知：開關(guān)管的損耗與頻率成正比，開關(guān)頻率越大，損耗也隨之升高。因此，綜合考慮下逆變器的開關(guān)頻率為20kHz。
??2.選擇柵極電容與導通電阻較小的開關(guān)管IRF3205；減小開關(guān)管的柵極串聯(lián)電阻，可改變控制脈沖上升/下降時間、防止震蕩，減小開關(guān)管的漏極的沖擊電壓；同時在開關(guān)管的柵極和源極之間并聯(lián)較大阻值電阻，減小開關(guān)管斷開時的靜態(tài)電流。
??3.合理設(shè)計濾波電感。由于SPWM波載波頻率為20kHz，為濾除載波頻率及高次諧波，提高輸出THD，將濾波器截止頻率設(shè)置為$f_{\mathrm{T}}$=750Hz，電容選擇$C_{\mathrm{f}}$=$30_{\mathrm{u}\mathrm{f}}$的CBB電容，由截止頻率公式：$f_{\mathrm{T}}=1/2\pi \sqrt{C_f{L}_f}$ ，算得電感約為1.5mH。考慮到題目對效率的要求，選擇EE55型號磁芯，繞線更加緊湊而減少漏感；適當增加電感氣隙來免因磁飽和所附加的銅損；采用多股細銅線代替單股粗線來繞制電感，從而降低銅損，減少鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)。

2 三相交流電電壓、電流有效值和功率的計算

??每相交變電壓信號輸入端相對于Y形連接公共點的電壓稱為相電壓$U_{\mathrm{P}}$ ,各相電壓信號間的相位差為120°，線之間的電壓稱為線電壓 $U_1$ ，則 $U_1=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{P}}$
??當Y形負載為純阻性負載時，每相中電流和電壓都是同相的，所以當為Y形純阻性負載時，三相的總功率為 $U_1=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{P}}{I}_{\mathrm{P}}$

3 諧波失真THD的計算與測量

??THD有兩個常用的定義。在IEC 61000-4-7中，THD定義為指定次全部諧波分量均方根值與基波分量均方根值之比。下列公式用來計算電壓和電流THD：

??這一THD定義更常見于能源計量系統(tǒng)，如果基波的貢獻小于其他諧波的總貢獻，得到的THD值可能會超過100%。
??THD的另外一個定義是指定次（N）全部諧波分量均方根值與總均方根值之比。總RMS值包括基波和其他諧波的作用。下列公式分別用來計算電壓和電流THD：

??在THD的這一定義中，由于總均方根被用作分母，而不僅僅是基波均方根值。因此，得到的值總小于100%。
??在上面的公式中，Vh,rms 和 Ih,rms分別表示電壓、電流的h次諧波有效值。
??在測試THD精度時，需注意所使用的THD定義，因為這兩個不同的定義會得出兩個不同的值。
??由于THD計算比較麻煩，故我們直接用專門的電子儀器來測量THD的值。

四、電路與程序設(shè)計

1.三相逆變電路

??微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)由兩個三相逆變器并聯(lián)構(gòu)成，作為系統(tǒng)的核心部分，三相逆變電路采用半橋并聯(lián)結(jié)構(gòu)，完成直流電到三相交流電的轉(zhuǎn)換。兩部分三相逆變器電路完全一樣，其中一個三相逆變器電路如下圖5所示。

??微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)由三相逆變主電路、驅(qū)動電路、電壓電流采樣電路和控制電路組成，三相逆變電路由 6 個 N 溝道 MOS 管構(gòu)成一個三相逆變橋，驅(qū)動電路采用六輸出高壓驅(qū)動器 IR2104。三相逆變電路由三路半橋電路和LC濾波電路組成。半橋電路中，驅(qū)動器IR2104在SVPWM波控制下驅(qū)動IRF3205通斷，完成逆變。逆變輸出電壓經(jīng)LC低通濾波器濾除高頻載波，得到正弦交流電壓。

2.濾波器的設(shè)計

??逆變器輸出會帶有基波的奇數(shù)次諧波，我們需要濾除這些諧波或者抑制這些諧波輸出。
??逆變器輸出是作為供電所用，輸出電阻要小，所以不用 RC 無源濾波器選擇用 LC 無源濾波器 ( 如圖 5)。濾波器參數(shù)計算：LC 無源低通濾波器是濾除高次諧波分量，使電壓輸出波形為正弦波。本系統(tǒng)的 SPWM 調(diào)制信號為 20K。而輸出需要的波最高 100Hz，濾波容易實現(xiàn)。
??濾波器截止頻率：$f_{\mathrm{T}}=1/2\pi \sqrt{C_f{L}_f}$ 設(shè)置截止頻率f=750Hz ，CCB電容 取 30μF。得電路中 L= 1.5mH，滿足濾波器的要求。

3.電壓電流采樣電路

??方法一：電流采樣電路選用高增益高精度電流芯片 INA282 與康銅絲采樣電阻組合成采樣電路對電流進行采樣。電壓利用 Uo=UR1+UR2( 串聯(lián)分壓 ) 原理直接對電壓進行采樣，為了使電壓采樣更精確在分壓電阻的輸出點接一個電壓跟隨器，采集跟隨器的輸出電壓。
??方法二：采樣電路是系統(tǒng)實現(xiàn)反饋控制保證系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵部分。具體電路如下圖6所示。電壓互感器TV1013-1H和電流互感器TA12-200實現(xiàn)了強電與弱電的隔離，同時將三相逆變電路輸出的高電壓、大電流轉(zhuǎn)換為易于采集的小電壓信號，后級3階有源低通濾波器對互感器輸出信號進一步調(diào)理后輸出給單片機采樣。

4.控制電路與控制程序的設(shè)計

??為滿足采樣、生成SVPWM波、穩(wěn)壓及分流等復雜功能，系統(tǒng)選用STM32作為系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制分為兩種模式，模式1僅有逆變器1工作，模式2是逆變器1、2并聯(lián)工作。模式1、2的程序框圖如下圖所示。

模式1僅有逆變器1工作

模式2是逆變器1、2并聯(lián)工作

五、實物圖

微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)實物圖

微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)測試圖

六、獲獎證書

往期精彩回顧

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全國大學生電子設(shè)計競賽(一)–電源簡介
全國大學生電子設(shè)計競賽(二)–電源常用技術(shù)與算法
全國大學生電子設(shè)計競賽(三)–線性電源設(shè)計
全國大學生電子設(shè)計競賽(四)–雙極性可調(diào)精密直流電源的設(shè)計
全國大學生電子設(shè)計競賽(五)–開關(guān)電源的設(shè)計
全國大學生電子設(shè)計競賽(六)–常用整流技術(shù)
全國大學生電子設(shè)計競賽(七)–逆變電源設(shè)計
2017年全國大學生電子設(shè)計大賽A題–微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)
2018年全國大學生電子設(shè)計大賽E題–變流器負載試驗中的能量回饋裝置

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的2017年全国大学生电子设计大赛A题（微电网模拟系统）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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