大數(shù)據(jù)下的微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)的安全性探究

【摘要】本次設(shè)計(jì)以正弦波逆變發(fā)生器芯片EG8030、控制芯片STM32F103C8T6、驅(qū)動(dòng)芯片EG3012和三相電壓橋式PWM逆變電路為核心，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)。以EG8030和STM32F103C8T6為控制核心，利用驅(qū)動(dòng)芯片EG3012驅(qū)動(dòng)逆變電路中的開關(guān)管。逆變電路由6個(gè)場相應(yīng)管組成的H橋電路和LC低通濾波器構(gòu)成，并且采用主從控制的策略實(shí)現(xiàn)兩個(gè)逆變模塊的并聯(lián)系統(tǒng)。兩臺逆變電源均采用電壓外環(huán)法控制，實(shí)現(xiàn)了對輸出電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】EG8030;EG3012;三相逆變器;STM32F103C8T6;主從控制

1. 引言

近年來，全球范圍內(nèi)，大規(guī)模停電事故頻頻發(fā)生，超大規(guī)模電網(wǎng)的脆弱性、局限性暴露無疑。開發(fā)和拓展微電網(wǎng)是促進(jìn)分布式電源與二次能源大規(guī)模接入的重要方式，可實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效方式，可有效彌補(bǔ)大電網(wǎng)的弊端，是智能電網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電網(wǎng)邁出的重要一步。

2. 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案描述

系統(tǒng)主要以一個(gè)三相電壓模式橋式SPWM逆變模塊、一個(gè)三相電流模式橋式SPWM逆變模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊和主控核心模塊組成，加以其它輔助電路實(shí)現(xiàn)了以主從方式控制的三相橋式逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)。

2.2 逆變電源并聯(lián)控制方式

主模塊控制整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓幅值和頻率，從模塊輸出的電流跟隨參考電流的變化來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分。主模塊檢測負(fù)載電流，并且分配每個(gè)從模塊的參考電流。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路的方案

EG3012 是一款高性價(jià)比的大功率MOS管、IGBT管柵極驅(qū)動(dòng)專用芯片，內(nèi)部集成了邏輯信號輸入處理電路、死區(qū)時(shí)控制電路、欠壓關(guān)斷電路、閉鎖電路、電平位移電路、脈沖濾波電路及輸出驅(qū)動(dòng)電路。

3. 理論分析與計(jì)算

3.1 三相電壓橋式PWM逆變電路分析

三相逆變器采用三相電壓橋式PWM逆變電路，基本工作方式是180°導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120°，在任一瞬間將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。

對于U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，uUN'=Ud/2，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，uUN'=-Ud/2。因此uUN'的波形是幅值為Ud/2的矩形波。V、W兩相的情況與U相似，波形形狀相同，只有相位依次差120°。

負(fù)載線電壓uUV、uVW、uWU為：

設(shè)負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假想中點(diǎn)N’之間的電壓為uNN'，則負(fù)載各相的相電壓分別為：

設(shè)負(fù)載為三相對稱負(fù)載，并將上式相加并整理得：則有：

在把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)得以及根據(jù)以上公式可得負(fù)載相電壓有效值可得：

由系統(tǒng)可知由兩臺逆變器向同一負(fù)載供電。其中逆變器1提供給負(fù)載的復(fù)功率為：

其中UO為并聯(lián)電網(wǎng)電壓，由以上公式可得：

則逆變器1的有功功率和無功功率分別為：

逆變器2的有功功率和無功功率同理可得。

由以上分析可得通過改變逆變電源的輸出電壓幅值控制無功功率，改變相位差來控制有功功率。

3.3 三相逆變電源并聯(lián)控制策略

3.3.1 逆變電源的主從并聯(lián)控制方式

系統(tǒng)采用主從并聯(lián)控制方式。通常情況下，如果從機(jī)不能調(diào)節(jié)其輸出電壓與主機(jī)同步，則環(huán)流將會在主機(jī)和從機(jī)之間產(chǎn)生，但當(dāng)從機(jī)僅提供均流控制，并且跟隨負(fù)載電流時(shí)，主機(jī)和從機(jī)分別相當(dāng)于一個(gè)電壓源和電流源。此時(shí)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的均分，很好的控制環(huán)流，實(shí)現(xiàn)電源之間的安全并聯(lián)。

3.3.2 輸出濾波參數(shù)設(shè)計(jì)

為了得到題目要求的50Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓，濾出電壓中的高次諧波，在逆變器的輸出端增加了二階LC低通濾波器。

由理論知識可得出濾波器輸出電壓相對于濾波器輸入電壓的傳遞函數(shù)為：

上式中的，為無阻尼自然振蕩角頻率;，為阻尼比。

由以上分析可知影響濾波效果的主要參數(shù)是轉(zhuǎn)折角頻率ωn和阻尼比ζ。轉(zhuǎn)折頻率fn確定后，由可進(jìn)一步確定L與C的乘積。在此如果L取值過大將引起過大的基波輸出電壓降，如果取得太小，則流過電感的最大諧波電流也會變大。綜合考慮我們最終選擇L=1.4mH，電容C=4.7μF 。

4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6型微處理器為系統(tǒng)控制核心，通過鍵盤控制，采用OLED顯示器作為系統(tǒng)的模式和數(shù)據(jù)顯示屏，采樣電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到微控制器中，通過處理器的一系列算法對采集到的信號處理后，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，將電壓基準(zhǔn)輸入到EG8030中檢測被測電源設(shè)備。

微控制器根據(jù)編碼器送來的脈沖促發(fā)相應(yīng)的外部中斷，并在中斷中修改設(shè)定的參考電壓。微控制器一方面將數(shù)值通過OLED顯示屏顯示出來，另一方面通過D/A轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)成相應(yīng)的模擬量輸出，將信號輸入給EG8030作為參考信號，EG8030根據(jù)其內(nèi)部特性對SPWM深度調(diào)制。同時(shí)單片機(jī)通過24位A/D對數(shù)字電位器的電壓信號進(jìn)行采樣，經(jīng)采樣的數(shù)值在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，測量電壓電流值后送入液晶顯示屏將該信號以數(shù)字形式顯示。

5. 系統(tǒng)測試

5.1 測試儀器

電路測試中使用的主要儀器為：數(shù)字萬用表（UT39A）、數(shù)字示波器（TDS1002）、直流穩(wěn)壓電源（MS155D）、三聯(lián)大功率繞線負(fù)載（90Ω150W）、功率分析儀（IT9121）。

5.2 測試方法

5.2.1 負(fù)載調(diào)整率測試

在IO從滿載變到輕載時(shí)，測量負(fù)載調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率公式為：

其中UO1為IO=1A時(shí)的輸出端線電壓，UO2為IO=3A時(shí)的輸出端線電壓。當(dāng)IO（A）值為0、1、2、3時(shí)，UO1（V）分別為23.95、23.97、23.95、23.95，UO1（V）分別為24.01、24.03、24.02、24.02。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計(jì)算得S11=0.27%，S12=0.28%。

5.2.2 效率測試

各逆變器模塊的效率計(jì)算公式為：

其中POUT為單個(gè)逆變器模塊的輸出功率，PPOWER為單個(gè)直流電源模塊的輸出功率。當(dāng)POUT為82.8，PPOWER為89.11，逆變器1效率測試為為93%左右。

5.2.3 總諧波畸變率（THD）測試

經(jīng)過計(jì)算可得：UTHD=0.8%。

5.2.4 均流測試

負(fù)載線電流在1～3A間變化，逆變器1和逆變器2輸出功率可按設(shè)定在指定范圍內(nèi)自動(dòng)分配。當(dāng)輸出電流為1A、2A、3A，根據(jù)公式5.4可得相對誤差分別為0.010mA、0.017mA、0.016mA、0.022mA、0.020mA、0.018mA。經(jīng)測試可得，逆變器1和逆變器2的電流相對誤差小于0.1V。

6. 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)以正弦波逆變發(fā)生器芯片EG8030、控制芯片STM32F103C8T6、驅(qū)動(dòng)芯片EG3012和三相電壓橋式PWM逆變電路為核心，設(shè)計(jì)并制作了微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)。由以上測試結(jié)果可知，本次設(shè)計(jì)較好的完成了各項(xiàng)基本指標(biāo)。

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作者簡介：古毅（1975.6-）方向：信息系統(tǒng)桌面運(yùn)維管理，信息系統(tǒng)機(jī)房運(yùn)維管理。