基于單片機控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)

張潤濤 賴俊吉 馬睿 彭耀

摘 要：隨著光伏、風力、燃料電池等分布式微源和儲能裝置大多通過逆變器在公共連接點并聯(lián)接入微電網(wǎng)，微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)普遍存在，微電網(wǎng)是在新能源分布式發(fā)電基礎(chǔ)上新興的前沿技術(shù)，與大電網(wǎng)互為支撐，是提高分布式發(fā)電供能效益的有效方式，所以在微電網(wǎng)逆變器并網(wǎng)控制、多逆變器并聯(lián)控制和微電網(wǎng)電能質(zhì)量主動控制等方面仍存在諸多技術(shù)難題。本文重點研究了用STC15F2K60S2單片機為核心控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)，以供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；逆變器；STC15F2K60S2單片機；ICL7017；數(shù)碼管

微電網(wǎng)的提出旨在實現(xiàn)分布式電源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問題。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠充分促進分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實現(xiàn)對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效方式，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過渡。因此，本文對基于STC15F2K60S2單片機控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計具有現(xiàn)實意義。

1基于STC15F2K60S2單片機控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

1.1總體框架

本文提供一種由單片機控制可調(diào)頻率的微電網(wǎng)系統(tǒng)，包括輸入防反接電路、驅(qū)動電路、輔助電源、控制電路、三相電壓型橋式逆變電路、濾波電路、電壓檢測顯示電路，核心由STC15F2K60S2單片機為核心控制的SPWM逆變電源，單片機通過自然數(shù)查表法控制內(nèi)部硬件PWM模塊生成SPWM脈沖信號，在IR2104和IRF540構(gòu)成的驅(qū)動電路下驅(qū)動三相全橋逆變電路，輸出經(jīng)LC低通濾波器濾波，最后在負載上得到穩(wěn)定的正弦波交流電。其正弦波輸出頻率由單片機內(nèi)部程序控制調(diào)節(jié)。

1.2 模塊功能

1.2.1 輸入防反接電路

該電路的作用是為了防止在輸入接反的情況下會發(fā)生災(zāi)難性的后果，輕則燒毀保險管，重則燒毀大部分甚至整個電路。因此，在逆變器中，防反接電路占有重要的角色。

1.2.2 驅(qū)動電路

本文所采用的是半橋式驅(qū)動電路，本全橋驅(qū)動電路采用IR2104作為它的驅(qū)動芯片，該芯片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單性能可靠并且能即大的提升電路的穩(wěn)定性且降低了設(shè)計難度。該芯片采用被動式泵荷升壓原理。上電時，電源流過快恢復(fù)二極管D向電容C充電，C上的端電壓很快升至接近Vcc，這時如果下管導(dǎo)通，C負級被拉低，形成充電回路，會很快充電至接近Vcc，當PWM波形翻轉(zhuǎn)時，芯片輸出反向電平，下管截止，上管導(dǎo)通，C負極電位被抬高到接近電源電壓，水漲船高，C正極電位這時已超過Vcc電源電壓。因有D的存在，該電壓不會向電源倒流，C此時開始向芯片內(nèi)部的高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路供電，C上的端電壓被充至高于電源高壓的Vcc，只要上下管一直輪流導(dǎo)通和截止，C就會不斷向高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路供電，使上管打開的時候，高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路電壓一直大于上管的S極。采用該芯片降低了整體電路的設(shè)計難道，只要電容C選擇恰當，該電路運行穩(wěn)定。

1.2.3 輔助電源

輔助電源由變壓、整流濾波、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供±5V和±12V的電壓，確保單片機和芯片的正常穩(wěn)定工作，本文都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)。

1.2.4 控制電路

控制電路是基于STC15F2K60S2單片機產(chǎn)生的SPWM信號去驅(qū)動整個電路，使得場效應(yīng)管交替關(guān)斷導(dǎo)通，從而實現(xiàn)逆變的功能。

1.2.5 三相電壓型橋式逆變電路

電壓型三相橋式逆變電路由三個半橋電路組成，開關(guān)管可以采用全 控型電力電子器件VDl～VD6為續(xù)流二極管?；竟ぷ鞣绞綖?80°導(dǎo)電型，即每個橋臂的導(dǎo)電角為180°。同一相上下橋臂交替導(dǎo)電。各相開始導(dǎo)電的時間一次相差120°。在一個周期內(nèi)，6個開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通的次序為 V1-- V2-- V3 --V4-- V5-- V6，依次相隔 60°，任意時刻均有三個管子同時導(dǎo)通，導(dǎo)通的組合順序為V1V2V3，V2V3V4，V3V4V5，V4V5V6，V5V6V1，每種組合工作。

1.2.6 濾波電路

濾波電路的作用是把直流電壓過濾，過濾掉其中不平整的脈動，這樣的目的是確保之后的電路環(huán)節(jié)能得到優(yōu)秀質(zhì)量的電壓或電流，本電路的濾波電路部分采用的是電感電容（LC）濾波電路。

1.2.7 電壓檢測顯示電路

電壓檢測顯示電路運用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107，通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用脈沖時間間隔，進而得出相應(yīng)的數(shù)字型輸出。

2結(jié)論

總而言之，微電網(wǎng)的提出旨在實現(xiàn)分布式電源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問題。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠充分促進分布式電源與可再生能源。而通過此次基于STC15F2K60S2單片機控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，主要采用了電子技術(shù)在軟硬件方面結(jié)合的思想，通過單片機的自我調(diào)節(jié)，能夠有效的實現(xiàn)自我控制、保護和管理的功能。

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（作者單位：四川省成都市西華大學(xué)）