數(shù)字式模擬微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪正山 趙小涵

摘 要：針對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)中三相交流電源的各項(xiàng)參數(shù)難以控制的問題，對(duì)基于單片機(jī)的數(shù)字式微網(wǎng)控制方法進(jìn)行了研究。搭建了三相DC-AC逆變電路以及交流采樣電路，構(gòu)建了閉環(huán)反饋系統(tǒng)。采用K60單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波形信號(hào)，通過半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104驅(qū)動(dòng)功率MOS管IRF3205全橋，完成了DC-AC逆變。通過控制SPWM波中的正弦分量間接對(duì)逆變器輸出的三相交流電進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬微電網(wǎng)系統(tǒng)的交流電源的電壓、頻率、相位的在線實(shí)時(shí)控制。

關(guān)鍵詞：SPWM波；DC-AC逆變；K60單片機(jī)；閉環(huán)調(diào)制

0 、引言

近年來，隨著新型電力電子技術(shù)的不斷成熟，基于風(fēng)、光、熱、儲(chǔ)等綠色能源的分布式發(fā)電技術(shù)蓬勃發(fā)展。分布式發(fā)電有諸多好處，但也會(huì)帶來相應(yīng)的問題，由于在大電網(wǎng)看來，分布式電源可看成一個(gè)不可控源，由于其不可控性可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓的幅值和頻率造成干擾，引起偏差，影響了電能質(zhì)量，就會(huì)給大電網(wǎng)的安全性、可靠性產(chǎn)生威脅 。微電網(wǎng)的提出及應(yīng)用，無疑減小了分布式電源對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生的消積影響，而對(duì)微電網(wǎng)的控制也成為了現(xiàn)代電力電子研究的重點(diǎn)工作。

1、微電網(wǎng)簡(jiǎn)介

微電網(wǎng)是指由分布式電源、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制和管理的自治系統(tǒng)。微電網(wǎng)可以看作是小型的電力系統(tǒng)，它具備完整的發(fā)電和配電功能，可以有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的能量?jī)?yōu)化。微電網(wǎng)既可應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)或海島獨(dú)立運(yùn)行，也可接入配電網(wǎng)中并網(wǎng)運(yùn)行，在滿足自身負(fù)荷需求的同時(shí)，為配電網(wǎng)提供功率支撐與備用等輔助服務(wù)。

2、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1三相逆變主電路

微電網(wǎng)中的單機(jī)逆變主電路拓?fù)渑c常規(guī)逆變電源的主電路結(jié)構(gòu)沒有差異，本系統(tǒng)中分布式電源逆變單元的主電路均采用電壓型全橋逆變主電路，逆變橋的后級(jí)經(jīng)濾波器來濾除輸出電壓中的高次諧波，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

在逆變的部分用了6個(gè)IRF3205MOS管組成一個(gè)三相橋式逆變電路，輸出的三路SPWM波形通過LC濾波器來濾除高次諧波，通過我們的計(jì)算可知，有當(dāng)L=2mh，再加上兩個(gè)1uf的CBB電容時(shí)，構(gòu)成的低通濾波器比較好。截止頻率f=2000Hz，波形畸變比較小。最后在負(fù)載就能獲得三相的純正弦波交流電壓輸出。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用 IR2104，IR2104是功率 MOSFET 和 IGBT 專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路， 通過自舉電路工作原理，使其驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)的功率MOS管。它集成了特有的負(fù)電壓免疫電路，提高了系統(tǒng)耐用性和可靠性。該芯片可以自行控制死區(qū)，降低了軟件設(shè)計(jì)難度。同時(shí)此電路還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、并且能夠提升電路的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 SPWM波調(diào)制

本文采用面積等效法在單片機(jī)內(nèi)部調(diào)制SPWM波信號(hào)。面積等效原理是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量即窄脈沖的面積，所說的效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出波形基本相同，如圖3所示。

本文通過定時(shí)器定時(shí)改變單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波的占空比來調(diào)制SPWM波，提前將正弦波形的幅值量化成一個(gè)數(shù)組，單片機(jī)的定時(shí)依次循環(huán)讀取數(shù)組中的值作為占空比，得到脈沖等效正弦波。軟件流程如圖4所示。

程序首先進(jìn)行正弦表的定義、正弦基波頻率的設(shè)定以及各模塊的初始化，包括定時(shí)器模塊、中斷模塊、PWM模塊、GPIO的初始化等。然后開啟定時(shí)器1中斷，5us觸發(fā)一次中斷，用于定時(shí)改變輸出PWM波的占空比。其中，查表定時(shí)時(shí)間由正弦表點(diǎn)數(shù)和輸出正弦波的頻率共同決定。如此就可以得到占空比依正弦表內(nèi)數(shù)據(jù)而變化的SPWM波形，即與正弦波等效的脈沖波。

3.2 閉環(huán)穩(wěn)壓控制

本文通過整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)化直流電，通過單片機(jī)的AD采樣，獲取直流電壓，建立直流電壓與交流電的線性映射，間接獲取微網(wǎng)電壓。通過調(diào)節(jié)SPWM脈寬，從而控制微網(wǎng)電壓。

本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法進(jìn)行交流電壓控制，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)PID控制器相結(jié)合，構(gòu)成一種不依賴于被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖如下圖5所示：

控制結(jié)構(gòu)主要包括以下部分：1、經(jīng)典的PID控制器：直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制。KP，KI，KD 三個(gè)參數(shù)在線整定； 2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN：根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，以期達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化。即使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)于PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)KP，KI，KD，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、調(diào)整權(quán)系數(shù)，從而使其穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制律下的PID控制器參數(shù)。