关于含有不间断电源的微电网并网装置的设计

梁育林 吴军科 罗 奕 王巍霖 古书杰 毛秋英 梁宏涛

关于含有不间断电源的微电网并网装置的设计

梁育林 吴军科 罗 奕 王巍霖 古书杰 毛秋英 梁宏涛

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

文章提出一种基于边沿触发控制的并网逆变器控制策略，应用该控制方法设计了一套具备储能功能的微电网并网装置。该装置能够存储光伏电池发出的电能，同时能将电池能量经逆变器并网输出。实验表明，与现有小功率并网逆变器相比，使用整形电路替代复杂的锁相环，基于边沿触发的控制策略实现逆变电流与电网电压锁相，控制简便可靠，提高了系统稳定性。

边沿触发控制；并网逆变器；不间断电源；锁相环

引言

近年来，以新能源分布式发电为特征的微电网技术在全球迅速发展，在节能减排和提高能源利用效率方面发挥着重要作用。新能源并网发电的输出功率存在较大随机波动，间歇性的功率波动将对电网造成不利影响[1]。本文设计了一种含有不间断电源的微电网并网装置，新能源发电功率较大时把一部分电能进行存储，发电功率较小时将储能电池储存的电能进行释放，从而能够很好地解决新能源发电功率波动给负荷造成的影响，还能够在电网短时停电时，保障供电连续性和供电质量。

目前主流的并网控制策略对微处理器的计算能力要求较高，而随着计算能力的提高，芯片价格也相应提高。为此本文提出一种新的控制策略，优化了单片机的计算压力，降低了外围电路的器件，使得装置成本降低。

1 系统结构

本设计主要由升压及逆变电路、微控制器、信号调理电路、储能和充电模块、人机交互五部分构成，系统结构框图如图1所示。图中粗箭头为功率流的传输方向，细箭头表示信号流的传输方向。

图1 系统结构框图

充电电路将光伏电池板产生的电能变换后送给电池存储，储能电池可向逆变器提供电能，保障装置的不间断供电。升压及逆变电路将低压直流电经推挽升压，然后逆变为所需交流电。信号调理电路对逆变器输出波形和市电进行测量，基于过零比较器将正弦交流电整形为方波信号提供给微控制器。微控制器基于边沿触发的并网控制策略调整逆变器输出，使得并网装置快速准确完成锁相。

2 边沿触发控制原理

为了对电网电压信号进行采集，需要设计整形电路，整形电路由过零比较器组成，电网电压在上升过程中经过过零点，整形电路输出高电平，当电网电压在下降过程中经过过零点，整形电路输出低电平，此时输出的脉冲信号是一个与电网电压频率相位一致、占空比为50%的脉冲信号。

单片机通过捕捉边沿信号，识别边沿信号是上升沿还是下降沿来控制正弦表开关。当边沿信号为上升沿时，输出上半周期的正弦表；当边沿信号为下降沿时，输出下半周期的正弦表，由于边沿信号为正弦波过零点，且脉冲信号频率与电网电压信号一致，因此逆变电源输出电压的波形与电网电压波形相位频率一致。边沿触发控制策略的结构框图如图2所示。

图2 边沿触发控制策略结构框图

3 系统设计

根据图1所示的系统结构框图，本节介绍各模块硬件电路原理及功能，包括升压及逆变电路、信号调理电路和充电电路。

3.1 升压及逆变电路

3.1.1 升压电路

升压电路用于将光伏电池板和蓄电池的低压直流电变换为高压直流电，以便为逆变器并网提供支持。推挽变换器是开关电源所有变换器中电压利用率最高的变换器[2]。本文升压电路采用推挽变换器。推挽变换器采用SG3525作为主控芯片。该芯片是一种单片集成PWM控制芯片，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。升压部分的主电路及控制电路如图2所示，其中隔离变压器匝比为3∶90，用于将12 V直流电压升高至360 V。下面将对部分电路进行详细分析说明。

SG3525主控外围电路：

（1）内部比较器：本设计中由于调节器输入的比较电压大于5 V，而SG3525比较器输入电压需小于5 V，因此将比较器采用了电压跟随器接法，调节器采用外部运放搭建，调节器具体内容将在后续做详细叙述。

（2）软启动电路：在SG3525的8脚外接一个较小电容，启动瞬间电容短路，芯片8脚相当于接地，此时SG3525关断输出，随着电容缓慢充电，芯片输出脉宽逐渐变大。电容未充满电时，脉冲宽度由比较器输出、死区时间以及8脚电压三个条件控制。电容充满电时脉冲宽度变为由比较器和死区时间两个条件控制。

（3）振荡发生器与死区控制电路：振荡发生器的频率由5脚和6脚外接电阻和电容所决定，本次设计中变压器工作频率为38 kHz，因为振荡发生器频率为其二倍，所以外部电阻R15电容C7取值分别为18 k和1000 pF。

图3 升压电路图

振荡发生器频率为

5脚和7脚接100欧放电电阻R13，死区时间为

（4）驱动输出电路：由于芯片内部输出级为图腾柱输出，其输出电流为0.5 A，能够直接驱动MOS管。由于MOS管GS之间存在结电容，MOS管Q5和Q6的G极分别接电阻R12、R16到地充当放泄电阻。

3.1.2 逆变电路

本系统中逆变电路用于将升压电路输出的高压直流电逆变为所需交流电，本文采用全桥逆变方案。逆变器主电路参数如表1所示。其中滤波参数L和C计算得到的结果。电路设计如图4所示。

高压直流母线输入端并联电容C8用于滤除升压电路输出的高次谐波。实际运行中由于电路板上寄生电容与线路电感可能会引起谐振，在开关管D极和S极之间产生较高的谐振尖峰，当尖峰过高时，开关管耐压无法承受，将引起开关管击穿。因此需要在开关管D极和S极之间并联一个二极管，用以吸收产生尖峰的能量。

表1 电压测量数据表

图4 逆变电路图

逆变器采用LC型滤波器。LC型滤波器由电感电容构成，又称无源滤波器，可滤除某一次或多次谐波[3]。对于主要奇数次谐波构成低阻抗旁路。

本次设计中载波频率功率为100 W，输出电压为220 V。电容和电感计算公式分别如下：

MOS管采用半桥驱动电路，半桥管理芯片使用IRF2184，输出最大电流为2.3 A，能使MOS管快速开通。MOS管驱动电路设计如图5所示。

图5 MOS管驱动电路图

3.1.3 调节器电路

调节器电路用于调节和稳定逆变器输出电压。由于本文采用电压型逆变器，主要针对输出电压进行调节，采用电压双闭环控制策略：外环为逆变器输出电压反馈，采用PID调节器；内环为直流母线电压反馈，由于内环控制不存在惯性环节，因此内环调节器能快速做出反应，调节直流母线电压。

外环PID电路由偏移电压部分、比例积分器部分、限幅部分3个部分组成，如图6所示。偏移电压主要负责调节并网逆变器输送功率，限幅电路限制PID调节器输出最大电压为10 V，最低电压-0.7 V。输入部分由于整流电路输出电压为正电压，反馈电压与给定电压需要极性相反，因此在输入部分加入反向放大电路，将输入电压极性反向。

图6 外环PID电路图

图7 内环PI电路图

内环PI调节器结构与外环PID调节器相似，如图7所示。内环PI调节器无偏移电压部分。限幅部分，内环调节器最大输出电压为2.7 V，最低输出电压为-0.7 V。两者间最大输出电压不同的原因是SG3525内部压控脉宽调制电路其最大输入电压为5 V。因此内环调节器最大输出电压应小于5 V。

3.2 信号调理电路

3.2.1 过零比较电路

过零比较电路由NE5532组成的电压跟随器和过零比较器LM393构成，如图8所示。过零比较器前级为电压跟随器，用于保障信号的波形和幅值不变。LM393输出为集电极输出，加上拉电阻时输出变为确定值。由于LM393输出的脉冲信号有正负脉冲信号，对于逻辑门电路输入端负电压不允许超过-0.7 V，因此LM393输出接二极管D5和D6使负脉冲无法通过。

图8 过零比较电路图

FV1为电网电压信号，FV2为逆变器输出电压信号，上下两个过零比较器将正弦电压信号整形为方波信号，两路方波信号输入到异或逻辑门电路，异或逻辑门输出经反相器作为微控制器的外部中断信号。在电网电压与逆变器输出同步时，过零比较器LM393(A)和LM393(B)的输出电平保持一致，异或逻辑门输出低电平。当电网正弦交流电由负半周过零点的瞬间，过零比较器LM393(A)输出高电平，而此时逆变器因微控制器尚未发送触发信号导致无输出，过零比较器LM393(B)输出低电平，异或逻辑门输出变高电平，产生上升沿信号，微控制器收到反相后的信号触发外部中断，逆变器产生输出，完成锁相。

图9 过零比较器输出波形图

过零比较器实验波形如图9所示。经示波器实测，过零比较器能准确识别电网电压过零点，且经过测量得出比较器上升时间为280 ns，能快速准确锁相。

3.2.2 测量电路

测量电路用于将电网电压和逆变器输出转换为低压信号提供给过零比较器电路和微控制器，测量电路使用电流型精密电压互感器和电流型精密电流互感器，通过运放构成I-V转换电路使被测电压转换为一个低压信号。

3.3 充电电路

蓄电池充电采用Buck变换器恒流源输出，输入电压为24 V直流，输出电流恒定为1.2 A，采用TL494作为控制器，TL494的控制电路如图10所示。通过外围电路配置，将芯片内部两个误差放大器分别配置为PI调节器和过压保护电路控制芯片内部脉宽调制器，进而调节10脚PWM波的占空比，实现输出的控制。对蓄电池采取恒压限流的充电策略，使用电阻分压电路对Buck变换器输出采样。通过1脚电压采样信号与2脚参考电压比较实现恒压输出，16脚电流采样信号与15脚参考电压比较，实现对变换器输出限流。

图10 TL494控制电路图

3.4 软件设计

系统软件主要完成逆变器输出与电网电压准确锁相，主程序主要处理要求计算能力不高的部分，如各种设定值、人机交互界面以及输出电压电流模拟量的测量，以及对各个模块进行初始化。程序流程图如图11所示。

系统开始时，对系统各个模块或寄存器进行初始化操作，主要包括对PWM发生器进行配置，设定载波频率为24 kHz，将正弦表指针指向正弦表初始点，外部中断服务初始化配置，显示函数初始化。

系统主控采用STC15W4K58S4单片机，设计两路增强型PWM输出通道，用于输出SPWM。单片机外部中断触发有边沿触发和仅下降沿触发两种模式，为保证锁相的准确性，选择仅下降沿触发模式。单片机上电后首先进行系统初始化，配置与增强型PWM相关的寄存器和加载正弦表。然后接着设置外部中断寄存器，设置边沿触发模块为下降沿触发。开启PWM计数器后等待边沿信号的到来，检测到下降沿信号时，单片机调用外部中断函数，从正弦表第一位开始进行查表输出，输出SPWM触发逆变器。

图11 系统软件流程图

4 实验验证

采用上述软硬件设计和所提控制策略搭建平台进行实验验证，得到逆变器输出电压波形结果如图12所示。通过WT1806E电能分析仪测量电压THD为1.2%。符合低压电网电压总谐波畸变率低于5%的标准[4]。

图12 逆变器输出电压波形图

图13 并网波形对比图

并网实验测试在隔离试验台进行，通过示波器观测信号调理电路中测试并输出来观察并网波形，如图13所示。从图可以看出从逆变器输出的电压波形能够在相位和频率上与电网电压保持一致，基于边沿触发的控制策略能够实现逆变器输出与电网电压准确锁相。通过WT1806E电能分析仪对并网后输出电压和输出电流谐波分量进行测量，在并网输出功率为25 W时，电压谐波总分量为0.7%，电流总谐波分量为1.7%，符合光伏并网技术要求[5]。

5 结论

本文提出了一种基于边沿触发控制的并网逆变器控制方案。基于该控制策略，设计了一种含有不间断电源的微电网并网装置，介绍了系统结构和控制原理，给出了软硬件实现方案。经过多次带负载测试，系统能稳定可靠运行，具备将光伏发电产生的电能进行存储、以及向电网输送功率的功能。在并网控制中采用基于边沿触发的并网策略，无需复杂的锁相环设计，降低了对微控制器的要求，并减少了装置成本。

[1] 吕志盛，闫立伟，罗艾青，等. 新能源发电并网对电网电能质量的影响研究[J]. 华东电力，2012，40(2): 251-256.

[2] 李瑞芳. 推挽式DC-DC开关电源设计[D]. 西安: 西安电子科技大学，2014.

[3] 汤紫霖. 变电站工频电磁环境信息监测系统设计[D]. 武汉: 武汉理工大学，2014.

[4] 张璐，朱永强. 第五讲分布式电源并网的谐波问题分析[J]. 电器与能效管理技术，2018(1): 84-88.

[5] GB/T 19939－2005. 光伏系统并网技术要求[S]. 北京: 中国标准出版社，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

广西壮族自治区大学生创新创业训练计划项目资助（S202110595116）。

梁育林（1999－），男，广西北流人，桂林电子科技大学学生，研究方向为电力电子技术。

吴军科（1986－），男，湖北荆州人，桂林电子科技大学教师，博士，研究方向为电力电子技术。