小編參加過三屆全國大學生電子設計競賽,做的均為電源題目，故留下此電源題提詳細的方案和設計思路步驟，供后來者學習取經，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

微電網模擬系統

• • 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、電路與程序設計
  • • 1.三相逆變電路
    • 2.濾波器的設計
    • 3.電壓電流采樣電路
    • 4.控制電路與控制程序的設計
  • 五、實物圖
  • 六、獲獎證書

??微電網是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監控保護裝置有機整合在一起的小型發配電系統。微電網作為分布式電源接入電網的一種有效手段，逐步引起了廣泛關注。將分布式電源以微電網的形式接入配電網，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：基于全橋結構的三相逆變器的拓撲結構，如下圖1所示。該結構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，增加了系統復雜度。

??方案二：基于半橋結構的拓撲結構，如下圖2所示。該結構中開關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。

??為盡量簡化系統設計，減少硬件復雜度，系統采用方案二。

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。
??該系統同時測量9路信號，進行反饋調節，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不等距,從而增加了其計算的繁瑣性,硬件調頻十分困難且不易調試。

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 產生功能的單片機利用正弦表掃描法產生 SPWM，驅動逆變電路，此方案控制電路簡單，由軟件產生的SPWM幅度頻率較容易控制，產生的SPWM波質量較好。
綜上，采用第三種方案作為本次設計方案。

??經過對比分析，選擇方案三更合適。

二、系統的整體框架

系統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，系統利用STM32產生SPWM波控制半橋驅動器IR2104實現三相逆變功能。其中MOSFET驅動電路選用自帶死區的橋式驅動芯片IR2104驅動，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，單片機產生SPWM波通過驅動芯片驅動三相逆變電路實現直流到交流轉換，通過對電壓電流采樣、PI算法實現功率分配。當僅有逆變器1工作時，根據采樣電壓信息利用PID算法對STM32生成的SPWM波進行反饋控制，保證輸出線電壓穩定在24V。當逆變器1和逆變器2并聯工作時，根據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，保證輸出線電壓穩定在24V。

三、 理論分析與計算

1．逆變器提高效率的方法及關鍵器件的選擇

??1.選擇適當的開關頻率。較高的開關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：開關管的損耗與頻率成正比，開關頻率越大，損耗也隨之升高。因此，綜合考慮下逆變器的開關頻率為20kHz。
??2.選擇柵極電容與導通電阻較小的開關管IRF3205；減小開關管的柵極串聯電阻，可改變控制脈沖上升/下降時間、防止震蕩，減小開關管的漏極的沖擊電壓；同時在開關管的柵極和源極之間并聯較大阻值電阻，減小開關管斷開時的靜態電流。
??3.合理設計濾波電感。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，減少鄰近效應和趨膚效應。

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，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、電路與程序設計

1.三相逆變電路

??微電網模擬系統由兩個三相逆變器并聯構成，作為系統的核心部分，三相逆變電路采用半橋并聯結構，完成直流電到三相交流電的轉換。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。

??微電網模擬系統由三相逆變主電路、驅動電路、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 管構成一個三相逆變橋，驅動電路采用六輸出高壓驅動器 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，驅動器IR2104在SVPWM波控制下驅動IRF3205通斷，完成逆變。逆變輸出電壓經LC低通濾波器濾除高頻載波，得到正弦交流電壓。

2.濾波器的設計

??逆變器輸出會帶有基波的奇數次諧波，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。本系統的 SPWM 調制信號為 20K。而輸出需要的波最高 100Hz，濾波容易實現。
??濾波器截止頻率：$f_{\mathrm{T}}=1/2\pi \sqrt{C_f{L}_f}$ 設置截止頻率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：采樣電路是系統實現反饋控制保證系統穩定的關鍵部分。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理后輸出給單片機采樣。

4.控制電路與控制程序的設計

??為滿足采樣、生成SVPWM波、穩壓及分流等復雜功能，系統選用STM32作為系統控制器。系統控制分為兩種模式，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并聯工作

五、實物圖

微電網模擬系統實物圖

微電網模擬系統測試圖

六、獲獎證書

往期精彩回顧

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

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總結

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）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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