數字式模擬微電網系統的設計與實現

汪正山 趙小涵

摘 要：針對微電網系統中三相交流電源的各項參數難以控制的問題，對基于單片機的數字式微網控制方法進行了研究。搭建了三相DC-AC逆變電路以及交流采樣電路，構建了閉環反饋系統。采用K60單片機產生SPWM波形信號，通過半橋驅動芯片IR2104驅動功率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逆變器輸出的三相交流電進行控制。實現對模擬微電網系統的交流電源的電壓、頻率、相位的在線實時控制。

關鍵詞：SPWM波；DC-AC逆變；K60單片機；閉環調制

0 、引言

近年來，隨著新型電力電子技術的不斷成熟，基于風、光、熱、儲等綠色能源的分布式發電技術蓬勃發展。分布式發電有諸多好處，但也會帶來相應的問題，由于在大電網看來，分布式電源可看成一個不可控源，由于其不可控性可能會對電網電壓的幅值和頻率造成干擾，引起偏差，影響了電能質量，就會給大電網的安全性、可靠性產生威脅 。微電網的提出及應用，無疑減小了分布式電源對大電網產生的消積影響，而對微電網的控制也成為了現代電力電子研究的重點工作。

1、微電網簡介

微電網是指由分布式電源、能量轉換裝置、負荷、監控和保護裝置等匯集而成的小型發配電系統，是一個能夠實現自我控制和管理的自治系統。微電網可以看作是小型的電力系統，它具備完整的發電和配電功能，可以有效實現網內的能量優化。微電網既可應用于偏遠地區或海島獨立運行，也可接入配電網中并網運行，在滿足自身負荷需求的同時，為配電網提供功率支撐與備用等輔助服務。

2、硬件系統設計與實現

2.1三相逆變主電路

微電網中的單機逆變主電路拓撲與常規逆變電源的主電路結構沒有差異，本系統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，逆變橋的后級經濾波器來濾除輸出電壓中的高次諧波，其拓撲結構如圖1所示。

在逆變的部分用了6個IRF3205MOS管組成一個三相橋式逆變電路，輸出的三路SPWM波形通過LC濾波器來濾除高次諧波，通過我們的計算可知，有當L=2mh，再加上兩個1uf的CBB電容時，構成的低通濾波器比較好。截止頻率f=2000Hz，波形畸變比較小。最后在負載就能獲得三相的純正弦波交流電壓輸出。

2.2 驅動電路

驅動電路采用 IR2104，IR2104是功率 MOSFET 和 IGBT 專用柵極驅動集成電路， 通過自舉電路工作原理，使其驅動橋式電路中低壓側的功率MOS管。它集成了特有的負電壓免疫電路，提高了系統耐用性和可靠性。該芯片可以自行控制死區，降低了軟件設計難度。同時此電路還具有結構簡單、性能可靠、并且能夠提升電路的穩定性等優點。

3、系統軟件設計與實現

3.1 SPWM波調制

本文采用面積等效法在單片機內部調制SPWM波信號。面積等效原理是PWM控制技術的重要理論基礎：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上，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節的輸出波形基本相同，如圖3所示。

本文通過定時器定時改變單片機產生的PWM波的占空比來調制SPWM波，提前將正弦波形的幅值量化成一個數組，單片機的定時依次循環讀取數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。

程序首先進行正弦表的定義、正弦基波頻率的設定以及各模塊的初始化，包括定時器模塊、中斷模塊、PWM模塊、GPIO的初始化等。然后開啟定時器1中斷，5us觸發一次中斷，用于定時改變輸出PWM波的占空比。其中，查表定時時間由正弦表點數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數據而變化的SPWM波形，即與正弦波等效的脈沖波。

3.2 閉環穩壓控制

本文通過整流橋將交流電轉化直流電，通過單片機的AD采樣，獲取直流電壓，建立直流電壓與交流電的線性映射，間接獲取微網電壓。通過調節SPWM脈寬，從而控制微網電壓。

本文采用神經網絡PID算法進行交流電壓控制，將人工神經網絡與傳統PID控制器相結合，構成一種不依賴于被控對象精確數學模型的神經網絡PID控制器。控制器結構圖如下圖5所示：

控制結構主要包括以下部分：1、經典的PID控制器：直接對被控對象進行閉環控制。KP，KI，KD 三個參數在線整定； 2、神經網絡NN：根據系統的運行狀態，調節PID控制器的參數，以期達到某種性能指標的最優化。即使輸出層神經元的輸出狀態對應于PID控制器的三個可調參數KP，KI，KD，通過神經網絡的自學習、調整權系數，從而使其穩定狀態對應于某種最優控制律下的PID控制器參數。