梁育林 吳軍科 羅 奕 王巍霖 古書杰 毛秋英 梁宏濤

關(guān)于含有不間斷電源的微電網(wǎng)并網(wǎng)裝置的設(shè)計(jì)

梁育林 吳軍科 羅 奕 王巍霖 古書杰 毛秋英 梁宏濤

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

文章提出一種基于邊沿觸發(fā)控制的并網(wǎng)逆變器控制策略，應(yīng)用該控制方法設(shè)計(jì)了一套具備儲(chǔ)能功能的微電網(wǎng)并網(wǎng)裝置。該裝置能夠存儲(chǔ)光伏電池發(fā)出的電能，同時(shí)能將電池能量經(jīng)逆變器并網(wǎng)輸出。實(shí)驗(yàn)表明，與現(xiàn)有小功率并網(wǎng)逆變器相比，使用整形電路替代復(fù)雜的鎖相環(huán)，基于邊沿觸發(fā)的控制策略實(shí)現(xiàn)逆變電流與電網(wǎng)電壓鎖相，控制簡(jiǎn)便可靠，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

邊沿觸發(fā)控制；并網(wǎng)逆變器；不間斷電源；鎖相環(huán)

引言

近年來，以新能源分布式發(fā)電為特征的微電網(wǎng)技術(shù)在全球迅速發(fā)展，在節(jié)能減排和提高能源利用效率方面發(fā)揮著重要作用。新能源并網(wǎng)發(fā)電的輸出功率存在較大隨機(jī)波動(dòng)，間歇性的功率波動(dòng)將對(duì)電網(wǎng)造成不利影響[1]。本文設(shè)計(jì)了一種含有不間斷電源的微電網(wǎng)并網(wǎng)裝置，新能源發(fā)電功率較大時(shí)把一部分電能進(jìn)行存儲(chǔ)，發(fā)電功率較小時(shí)將儲(chǔ)能電池儲(chǔ)存的電能進(jìn)行釋放，從而能夠很好地解決新能源發(fā)電功率波動(dòng)給負(fù)荷造成的影響，還能夠在電網(wǎng)短時(shí)停電時(shí)，保障供電連續(xù)性和供電質(zhì)量。

目前主流的并網(wǎng)控制策略對(duì)微處理器的計(jì)算能力要求較高，而隨著計(jì)算能力的提高，芯片價(jià)格也相應(yīng)提高。為此本文提出一種新的控制策略，優(yōu)化了單片機(jī)的計(jì)算壓力，降低了外圍電路的器件，使得裝置成本降低。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)主要由升壓及逆變電路、微控制器、信號(hào)調(diào)理電路、儲(chǔ)能和充電模塊、人機(jī)交互五部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中粗箭頭為功率流的傳輸方向，細(xì)箭頭表示信號(hào)流的傳輸方向。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

充電電路將光伏電池板產(chǎn)生的電能變換后送給電池存儲(chǔ)，儲(chǔ)能電池可向逆變器提供電能，保障裝置的不間斷供電。升壓及逆變電路將低壓直流電經(jīng)推挽升壓，然后逆變?yōu)樗杞涣麟姟Ｐ盘?hào)調(diào)理電路對(duì)逆變器輸出波形和市電進(jìn)行測(cè)量，基于過零比較器將正弦交流電整形為方波信號(hào)提供給微控制器。微控制器基于邊沿觸發(fā)的并網(wǎng)控制策略調(diào)整逆變器輸出，使得并網(wǎng)裝置快速準(zhǔn)確完成鎖相。

2 邊沿觸發(fā)控制原理

為了對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，需要設(shè)計(jì)整形電路，整形電路由過零比較器組成，電網(wǎng)電壓在上升過程中經(jīng)過過零點(diǎn)，整形電路輸出高電平，當(dāng)電網(wǎng)電壓在下降過程中經(jīng)過過零點(diǎn)，整形電路輸出低電平，此時(shí)輸出的脈沖信號(hào)是一個(gè)與電網(wǎng)電壓頻率相位一致、占空比為50%的脈沖信號(hào)。

單片機(jī)通過捕捉邊沿信號(hào)，識(shí)別邊沿信號(hào)是上升沿還是下降沿來控制正弦表開關(guān)。當(dāng)邊沿信號(hào)為上升沿時(shí)，輸出上半周期的正弦表；當(dāng)邊沿信號(hào)為下降沿時(shí)，輸出下半周期的正弦表，由于邊沿信號(hào)為正弦波過零點(diǎn)，且脈沖信號(hào)頻率與電網(wǎng)電壓信號(hào)一致，因此逆變電源輸出電壓的波形與電網(wǎng)電壓波形相位頻率一致。邊沿觸發(fā)控制策略的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 邊沿觸發(fā)控制策略結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本節(jié)介紹各模塊硬件電路原理及功能，包括升壓及逆變電路、信號(hào)調(diào)理電路和充電電路。

3.1 升壓及逆變電路

3.1.1 升壓電路

升壓電路用于將光伏電池板和蓄電池的低壓直流電變換為高壓直流電，以便為逆變器并網(wǎng)提供支持。推挽變換器是開關(guān)電源所有變換器中電壓利用率最高的變換器[2]。本文升壓電路采用推挽變換器。推挽變換器采用SG3525作為主控芯片。該芯片是一種單片集成PWM控制芯片，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。升壓部分的主電路及控制電路如圖2所示，其中隔離變壓器匝比為3∶90，用于將12 V直流電壓升高至360 V。下面將對(duì)部分電路進(jìn)行詳細(xì)分析說明。

SG3525主控外圍電路：

（1）內(nèi)部比較器：本設(shè)計(jì)中由于調(diào)節(jié)器輸入的比較電壓大于5 V，而SG3525比較器輸入電壓需小于5 V，因此將比較器采用了電壓跟隨器接法，調(diào)節(jié)器采用外部運(yùn)放搭建，調(diào)節(jié)器具體內(nèi)容將在后續(xù)做詳細(xì)敘述。

（2）軟啟動(dòng)電路：在SG3525的8腳外接一個(gè)較小電容，啟動(dòng)瞬間電容短路，芯片8腳相當(dāng)于接地，此時(shí)SG3525關(guān)斷輸出，隨著電容緩慢充電，芯片輸出脈寬逐漸變大。電容未充滿電時(shí)，脈沖寬度由比較器輸出、死區(qū)時(shí)間以及8腳電壓三個(gè)條件控制。電容充滿電時(shí)脈沖寬度變?yōu)橛杀容^器和死區(qū)時(shí)間兩個(gè)條件控制。

（3）振蕩發(fā)生器與死區(qū)控制電路：振蕩發(fā)生器的頻率由5腳和6腳外接電阻和電容所決定，本次設(shè)計(jì)中變壓器工作頻率為38 kHz，因?yàn)檎袷幇l(fā)生器頻率為其二倍，所以外部電阻R15電容C7取值分別為18 k和1000 pF。

圖3 升壓電路圖

振蕩發(fā)生器頻率為

5腳和7腳接100歐放電電阻R13，死區(qū)時(shí)間為

（4）驅(qū)動(dòng)輸出電路：由于芯片內(nèi)部輸出級(jí)為圖騰柱輸出，其輸出電流為0.5 A，能夠直接驅(qū)動(dòng)MOS管。由于MOS管GS之間存在結(jié)電容，MOS管Q5和Q6的G極分別接電阻R12、R16到地充當(dāng)放泄電阻。

3.1.2 逆變電路

本系統(tǒng)中逆變電路用于將升壓電路輸出的高壓直流電逆變?yōu)樗杞涣麟?，本文采用全橋逆變方案。逆變器主電路參?shù)如表1所示。其中濾波參數(shù)L和C計(jì)算得到的結(jié)果。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

高壓直流母線輸入端并聯(lián)電容C8用于濾除升壓電路輸出的高次諧波。實(shí)際運(yùn)行中由于電路板上寄生電容與線路電感可能會(huì)引起諧振，在開關(guān)管D極和S極之間產(chǎn)生較高的諧振尖峰，當(dāng)尖峰過高時(shí)，開關(guān)管耐壓無法承受，將引起開關(guān)管擊穿。因此需要在開關(guān)管D極和S極之間并聯(lián)一個(gè)二極管，用以吸收產(chǎn)生尖峰的能量。

表1 電壓測(cè)量數(shù)據(jù)表

圖4 逆變電路圖

逆變器采用LC型濾波器。LC型濾波器由電感電容構(gòu)成，又稱無源濾波器，可濾除某一次或多次諧波[3]。對(duì)于主要奇數(shù)次諧波構(gòu)成低阻抗旁路。

本次設(shè)計(jì)中載波頻率功率為100 W，輸出電壓為220 V。電容和電感計(jì)算公式分別如下：

MOS管采用半橋驅(qū)動(dòng)電路，半橋管理芯片使用IRF2184，輸出最大電流為2.3 A，能使MOS管快速開通。MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 MOS管驅(qū)動(dòng)電路圖

3.1.3 調(diào)節(jié)器電路

調(diào)節(jié)器電路用于調(diào)節(jié)和穩(wěn)定逆變器輸出電壓。由于本文采用電壓型逆變器，主要針對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用電壓雙閉環(huán)控制策略：外環(huán)為逆變器輸出電壓反饋，采用PID調(diào)節(jié)器；內(nèi)環(huán)為直流母線電壓反饋，由于內(nèi)環(huán)控制不存在慣性環(huán)節(jié)，因此內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器能快速做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)直流母線電壓。

外環(huán)PID電路由偏移電壓部分、比例積分器部分、限幅部分3個(gè)部分組成，如圖6所示。偏移電壓主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器輸送功率，限幅電路限制PID調(diào)節(jié)器輸出最大電壓為10 V，最低電壓-0.7 V。輸入部分由于整流電路輸出電壓為正電壓，反饋電壓與給定電壓需要極性相反，因此在輸入部分加入反向放大電路，將輸入電壓極性反向。

圖6 外環(huán)PID電路圖

圖7 內(nèi)環(huán)PI電路圖

內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)與外環(huán)PID調(diào)節(jié)器相似，如圖7所示。內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器無偏移電壓部分。限幅部分，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器最大輸出電壓為2.7 V，最低輸出電壓為-0.7 V。兩者間最大輸出電壓不同的原因是SG3525內(nèi)部壓控脈寬調(diào)制電路其最大輸入電壓為5 V。因此內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器最大輸出電壓應(yīng)小于5 V。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

3.2.1 過零比較電路

過零比較電路由NE5532組成的電壓跟隨器和過零比較器LM393構(gòu)成，如圖8所示。過零比較器前級(jí)為電壓跟隨器，用于保障信號(hào)的波形和幅值不變。LM393輸出為集電極輸出，加上拉電阻時(shí)輸出變?yōu)榇_定值。由于LM393輸出的脈沖信號(hào)有正負(fù)脈沖信號(hào)，對(duì)于邏輯門電路輸入端負(fù)電壓不允許超過-0.7 V，因此LM393輸出接二極管D5和D6使負(fù)脈沖無法通過。

圖8 過零比較電路圖

FV1為電網(wǎng)電壓信號(hào)，F(xiàn)V2為逆變器輸出電壓信號(hào)，上下兩個(gè)過零比較器將正弦電壓信號(hào)整形為方波信號(hào)，兩路方波信號(hào)輸入到異或邏輯門電路，異或邏輯門輸出經(jīng)反相器作為微控制器的外部中斷信號(hào)。在電網(wǎng)電壓與逆變器輸出同步時(shí)，過零比較器LM393(A)和LM393(B)的輸出電平保持一致，異或邏輯門輸出低電平。當(dāng)電網(wǎng)正弦交流電由負(fù)半周過零點(diǎn)的瞬間，過零比較器LM393(A)輸出高電平，而此時(shí)逆變器因微控制器尚未發(fā)送觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)致無輸出，過零比較器LM393(B)輸出低電平，異或邏輯門輸出變高電平，產(chǎn)生上升沿信號(hào)，微控制器收到反相后的信號(hào)觸發(fā)外部中斷，逆變器產(chǎn)生輸出，完成鎖相。

圖9 過零比較器輸出波形圖

過零比較器實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。經(jīng)示波器實(shí)測(cè)，過零比較器能準(zhǔn)確識(shí)別電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)，且經(jīng)過測(cè)量得出比較器上升時(shí)間為280 ns，能快速準(zhǔn)確鎖相。

3.2.2 測(cè)量電路

測(cè)量電路用于將電網(wǎng)電壓和逆變器輸出轉(zhuǎn)換為低壓信號(hào)提供給過零比較器電路和微控制器，測(cè)量電路使用電流型精密電壓互感器和電流型精密電流互感器，通過運(yùn)放構(gòu)成I-V轉(zhuǎn)換電路使被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)低壓信號(hào)。

3.3 充電電路

蓄電池充電采用Buck變換器恒流源輸出，輸入電壓為24 V直流，輸出電流恒定為1.2 A，采用TL494作為控制器，TL494的控制電路如圖10所示。通過外圍電路配置，將芯片內(nèi)部?jī)蓚€(gè)誤差放大器分別配置為PI調(diào)節(jié)器和過壓保護(hù)電路控制芯片內(nèi)部脈寬調(diào)制器，進(jìn)而調(diào)節(jié)10腳PWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出的控制。對(duì)蓄電池采取恒壓限流的充電策略，使用電阻分壓電路對(duì)Buck變換器輸出采樣。通過1腳電壓采樣信號(hào)與2腳參考電壓比較實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，16腳電流采樣信號(hào)與15腳參考電壓比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器輸出限流。

圖10 TL494控制電路圖

3.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成逆變器輸出與電網(wǎng)電壓準(zhǔn)確鎖相，主程序主要處理要求計(jì)算能力不高的部分，如各種設(shè)定值、人機(jī)交互界面以及輸出電壓電流模擬量的測(cè)量，以及對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。程序流程圖如圖11所示。

系統(tǒng)開始時(shí)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊或寄存器進(jìn)行初始化操作，主要包括對(duì)PWM發(fā)生器進(jìn)行配置，設(shè)定載波頻率為24 kHz，將正弦表指針指向正弦表初始點(diǎn)，外部中斷服務(wù)初始化配置，顯示函數(shù)初始化。

系統(tǒng)主控采用STC15W4K58S4單片機(jī)，設(shè)計(jì)兩路增強(qiáng)型PWM輸出通道，用于輸出SPWM。單片機(jī)外部中斷觸發(fā)有邊沿觸發(fā)和僅下降沿觸發(fā)兩種模式，為保證鎖相的準(zhǔn)確性，選擇僅下降沿觸發(fā)模式。單片機(jī)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，配置與增強(qiáng)型PWM相關(guān)的寄存器和加載正弦表。然后接著設(shè)置外部中斷寄存器，設(shè)置邊沿觸發(fā)模塊為下降沿觸發(fā)。開啟PWM計(jì)數(shù)器后等待邊沿信號(hào)的到來，檢測(cè)到下降沿信號(hào)時(shí)，單片機(jī)調(diào)用外部中斷函數(shù)，從正弦表第一位開始進(jìn)行查表輸出，輸出SPWM觸發(fā)逆變器。

圖11 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用上述軟硬件設(shè)計(jì)和所提控制策略搭建平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到逆變器輸出電壓波形結(jié)果如圖12所示。通過WT1806E電能分析儀測(cè)量電壓THD為1.2%。符合低壓電網(wǎng)電壓總諧波畸變率低于5%的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

圖12 逆變器輸出電壓波形圖

圖13 并網(wǎng)波形對(duì)比圖

并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試在隔離試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，通過示波器觀測(cè)信號(hào)調(diào)理電路中測(cè)試并輸出來觀察并網(wǎng)波形，如圖13所示。從圖可以看出從逆變器輸出的電壓波形能夠在相位和頻率上與電網(wǎng)電壓保持一致，基于邊沿觸發(fā)的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器輸出與電網(wǎng)電壓準(zhǔn)確鎖相。通過WT1806E電能分析儀對(duì)并網(wǎng)后輸出電壓和輸出電流諧波分量進(jìn)行測(cè)量，在并網(wǎng)輸出功率為25 W時(shí)，電壓諧波總分量為0.7%，電流總諧波分量為1.7%，符合光伏并網(wǎng)技術(shù)要求[5]。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于邊沿觸發(fā)控制的并網(wǎng)逆變器控制方案?；谠摽刂撇呗?，設(shè)計(jì)了一種含有不間斷電源的微電網(wǎng)并網(wǎng)裝置，介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理，給出了軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)過多次帶負(fù)載測(cè)試，系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，具備將光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能進(jìn)行存儲(chǔ)、以及向電網(wǎng)輸送功率的功能。在并網(wǎng)控制中采用基于邊沿觸發(fā)的并網(wǎng)策略，無需復(fù)雜的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，降低了對(duì)微控制器的要求，并減少了裝置成本。

[1] 呂志盛，閆立偉，羅艾青，等. 新能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究[J]. 華東電力，2012，40(2): 251-256.

[2] 李瑞芳. 推挽式DC-DC開關(guān)電源設(shè)計(jì)[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué)，2014.

[3] 湯紫霖. 變電站工頻電磁環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué)，2014.

[4] 張璐，朱永強(qiáng). 第五講分布式電源并網(wǎng)的諧波問題分析[J]. 電器與能效管理技術(shù)，2018(1): 84-88.

[5] GB/T 19939－2005. 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

Microgrid Grid-Connected Device with Uninterrupted Power Supply

This paper presents a control strategy of grid-connected inverter based on edge trigger control, and uses this control method to design a set of microgrid grid-connected device with energy storage function. The device can store the electric energy emitted by the photovoltaic cell and output the battery energy through the grid-connected inverter. Experiments show that compared with the existing low-power grid-connected inverter, using the shaping circuit to replace the complex phase-locked loop and the control strategy based on edge trigger to realize the phase-locked between the inverter current and the grid voltage, the control is simple and reliable, and the system stability is improved.

edge trigger control; grid-connected inverter; uninterrupted power supply; phase-locked loop

TM72

A

1008-1151(2022)06-0067-05

2022-03-08

廣西壯族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（S202110595116）。

梁育林（1999－），男，廣西北流人，桂林電子科技大學(xué)學(xué)生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

吳軍科（1986－），男，湖北荊州人，桂林電子科技大學(xué)教師，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。