2023电赛A题国奖CW32 开源分享

题目要求

系统总体设计方案

系统总体设计

本系统由两路独立的单项逆变控制系统并联而成，组成系统如图1所示。每一路由辅助电源、单片机、包含驱动电路在内的全桥逆变电路、采集电路和LCL滤波组成。

逆变主电路的比较与选择

方案一：半桥逆变电路

该电路通过控制上下两个mos管的开关实现直流变交流，结构简单，使用器件少，但其输出的交流电压的幅值仅为直流电压的一半，直流电压利用率低，且直流侧需要两个电容器串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡。

方案二：推挽式逆变电路

该电路通过控制上下两个mos管和带中心抽头的变压器实现直流变交流，因为带中心抽头变压器的存在，导致系统的体积较大，同时增加了制作成本，而且对外产生的漏磁干扰很大。

方案三：全桥逆变电路

该电路主要由4个可控开关管组成，如图2所示。全桥逆变电路中的Q1、Q4为一组，Q2、Q3为一组。其中每个可控开关管反并联了一个二极管，为感性负载提供回路。通过控制两组开关器件的交替导通，实现把直流电DC转换成交流电AC。此电路采用谐振技术，可减小开关损耗，提高效率，且输出输出电压等于直流电压，直流电压的利用率高。

由于全桥逆变电路输出电压等于直流电压，直流电压的利用率高，符合本系统对高效率的需求，因此本系统选择方案3。

采集电路方案的比较与选择

方案一：霍尔传感器

该电路通过控制上下两个mos管的开关实现直流变交流，结构简单，使用器件少，但其输出的交流电压的幅值仅为直流电压的一半，直流电压利用率低，且直流侧需要两个电容器串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡。

方案二：互感器 利用互感原理，即当一个线圈通过交变电流时，会在另一个线圈中产生一个感应电动势，来测量高电压或大电流的变化情况。互感器只能测量工频50Hz的交流电流，不需要外接电源，输出信号一般是AC1A或AC5A。结构简单、绝缘性能好、使用寿命长。

经过对比，互感器具备隔离功能，结构较为简单，可在保证准确性的前提下提高安全性、优化电路结构，故选用方案2。

理论分析与计算

逆变器提升效率的方法

提升逆变器效率的最有效的方式是减少电路损耗，该损耗主要来自线路损耗、MOSFET开关损耗和导通损耗，本系统中采用以下方式提升逆变器效率：

（1）适当减小MOSFET的开关频率 ，过高的开关频率会加大MOSFET的导通损耗。

（2）采用导通内阻小的MOSFET

（3）合理的设置LC滤波器的截止滤波，有效滤除正弦波的载波

逆变器并联运行模式控制策略

逆变器1和逆变器2并联的控制方法为将逆变器1视为24V恒压源，逆变器2视为2A恒流源，即逆变器1保持恒压模式，逆变器2保持恒流状态。逆变器2通过dq锁相环来跟踪逆变器1的相位，始终保证逆变器2与逆变器1处于同频同相的状态，进而可以实现逆变器的并联模式。

系统硬件设计

逆变器主电路设计

本系统以全桥逆变电路作为核心部分，通过SPWM波控制上下管的交替导通，以实现直流电转化为正弦交流电。其电路如图3所示。

控制方案与电路设计

用单片机内部比较器产生所需要的SPWM波形控制IR2104，以驱动全桥逆变电路工作产生正弦波。IR2104驱动电路如图4所示。

测量电路设计

电流采样电路如图5所示，采用INA282+电流互感器，电流互感器对交流电流进行采集，然后通过INA282进行放大50倍，并且抬升1.65V。

电压采样电路如图6所示，采用INA282+电压互感器，电压互感器对交流电压进行采集，然后通过INA282进行放大50倍，并且抬升1.65V。

系统软件设计

本系统使用CW32F030C8T6作为主控芯片，对逆变器的相关参数进行ADC采集分析，实现pid闭环控制，产生SPWM波，其中逆变器1、2的程序框图分别如图7、8所示。

经历

我们在比赛过程中遇到的最大问题是材料没有准备充足，还有就是完整系统没有第一天就搭起来，导致在这个过程，要拟合很多次数据，做了重复性的工作。还有一个就是关于并网的理论储备也比较少，导致出现了很多本不应该出现的问题，比如并联的时候，不用同时两个系统都是电流源，否则就会出现不可预料的问题。比赛就是这样，总是会出现一些意想不到的问题。最后，本团队配合默契，斩获2023国家二等奖。

审核编辑 黄宇