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微电网模拟系统是什么你知道吗?

1比较与选择

主拓扑方案选择

方案一:三相半桥拓扑。由三个半桥组成,半桥桥臂输出经LC滤波可实现三相逆变,输出交流电压幅值仅为母线电压的一半,对直流电压利用率不高,但控制策略与电路结构均较简单。

方案二:三相全桥拓扑。由三个全桥组成,在相同输入电压条件下,输出交流电压幅值较半桥电路较高。但电路结构与控制策略均较复杂。

综上所述,为了尽可能地减小系统的复杂度,选择方案一。


均流控制方案选择

方案一:主从控制。主逆变器实现稳压输出,从逆变器实现恒流输出,整体输出实现均流,无法实现独立控制,主逆变器崩溃则整个系统崩溃,但控制策略简单,控制精度高,负载调整率好。

方案二:双环控制。系统通过调节外电压环获得各逆变器电流基准值,据此进行PI调节实现均流输出,系统可靠性高,但控制相对复杂。

综上所述,为了实现较好的负载调整率,选择方案一。


2系统方案描述

系统由主电路、驱动电路、测量电路、辅助电源电路、控制电路与显示电路组成。主电路采用三相半桥电路,实现三相DC/AC变换,测量电路实现了三相电压电流的测量。系统总体方案如图1所示。


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理论分析与计算


1提高效率的方法

系统主要的效率损耗包括开关管的开关损耗与导通损耗,电容等效串联电阻的损耗以及电感的铜损与铁损等。据此,可选择合适的开关频率,当开关频率增大,可减小滤波器体积,但增加了开关管的开关损耗,折衷考虑,选择开关频率为50 kHz;选择开关管时,低导通电阻可减少导通损耗,栅极电容较小可减少驱动损耗,折衷考虑,选择导通电阻与栅极电容适中的开关管;选择等效串联电阻较小的CBB电容作为输出电容,且多个并联,可降低输出电容的等效串联电阻;选择铁氧体材料磁芯,铁氧体材料电阻率较高,可有效降低电感涡流损耗。

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2同时运行模式控制策略


dq旋转坐标系下的稳压策略

当三相逆变器输出电压幅值为UM的对称三相电压时,通过转换矩阵可将输出电压从三相abc静止坐标系变换到两极性同步旋转坐标系下的变量,此时可得:

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其中,三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换矩阵为:

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在三相对称稳态时,dq坐标系下的d轴分量数值与输出电压幅值相等,而q轴分量为0。据此,主控制器在dq坐标系下进行电压单环控制实现输出稳压。


基于主从控制的均流策略

系统采用主从控制策略实现两逆变器并联均流。系统控制主逆变器使其工作于稳压模式,控制从逆变器工作于恒电流模式,实现主从逆变器的输出均流。

从控制器通过PI调节调整两相旋转坐标系下的角频率ω,实现输出电压q轴分量为0,实现PLL锁相环。PLL锁相环实现两台逆变器输出电压同步,并依据主逆变器输出电流,给定从逆变器的电流指令,采用PI调节控制从逆变器的输出电流,实现电流分配。主、从控制器控制框图分别如图2和3所示。


电路与程序设计


1主电路与器件选择


开关管选型

系统额定输出线电压UO=24 V,系统主电路采用三相半桥逆变,最大输出交流幅值为直流母线电压的一半,故直流母线电压至少为38.2 V,留取一定的裕量,开关管耐压须大于50 V。单逆变器运行时,最大输出电流为2 A。故开关管选择Fairchild公司生产的NTD3055,最大漏源电压VDS=60 V,最大漏极电流ID=9 A,可满足电压电流应力需求。

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滤波器参数设计


(1)滤波电感设计。取电感电流纹波为平均电感电流的0.2,为保证电感电流不断流,由伏秒平衡:

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式中,VS是系统稳定时的最大输入电压,其值选择为50V,VO为额定输出线电压24V,T为开关周期,取10μs。代入参数计算,L=650μH。由于系统主电路为三相半桥逆变结构,故每线电压滤波电感为两个半桥桥臂电感感值之和,故实际选择的三个电感感值为350μH。


(2)滤波电容设计。设计LC滤波器截止频率为开关频率fs的10%,可获得较好的滤波效果,根据公式:

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代入参数计算C≥1.5μF,由于三相半桥逆变结构,每相滤波电容实际选取容值为4.7μF,等效串联电阻小,且高频特性好的CBB电容。


2控制电路与控制程序


控制电路分为主从控制器两部分。主控制器工作在稳压控制模式,系统使用互感器测量两相线电压,经dq坐标变换与PI调节算法实现输出幅值稳定的对称三相电压。从控制器工作于稳流控制模式,在PLL锁相环获取交流母线电压相位后,通过PI调节算法调节输出电流同频同相并实现两逆变器的均流。主、从控制器的程序流程图分别如图4与图5所示。

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3电压电流测量电路


交流电压测量电路使用TVA1421-01型互感器测量AB、BC交流相电压,由于控制器仅能采集0~3.3V的电压,故需要对互感器输出信号增加直流偏置,实际电路如图6所示,使用TL431基准电源产生2.5V基准电源,经电阻分压获得1.6V基准电压接在+VREF。根据互感器的应用手册,互感器原边输入电流需要小于6mA,根据互感器原边输入电压24V,故设计电阻R1=4.7kΩ,设计输出电阻RL=150Ω。

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交流电流测量电路如图7所示,使用ACS712-05B霍尔传感器芯片,最大可测量电流5A,由于本题最大线电流为2A,电流峰值为2.83A,可满足题设要求,且抗干扰能力强,测量精度高,VIOUT引脚信号为一直流偏置为0.5倍VCC的交流信号,将该信号传输至ADC引脚。由于电压电流存在相位问题,在实际制作电路时需注意电压电流相位关系。


FILTER引脚接入1nF(数据手册推荐取值)瓷片电容与芯片内部集成电阻形成RC低通滤波器,减小高频噪声对信号的影响,但若该电容取值过大,虽然提高了抗干扰能力,但引入了额外的相移,且该传感器芯片在实际交流测量时也会存在相移问题,故对相位有一定要求的场合如功率因数测量时,不推荐该方案。

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4驱动电路设计

由于系统主电路采用三相半桥拓扑,故使用半桥驱动电路即可,驱动电路使用了IR2110半桥驱动电路,实际电路如图8所示。图中电容为半桥自举电容,其取值与MOSFET的输入电容有关,耐压需要超过VCC引脚上的电压,一般选择MLCC,其高频性能较好,二极管为US1M,反向耐压值为1000 V的肖特基二极管,由于自举电路的工作特点,其反向耐压值一般需要超过半桥直流母线电压+V_DC,且为快恢复二极管。

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