光伏并网发电模拟装置毕业设计.docx

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光伏并网发电模拟装置毕业设计

毕业设计

光伏并网发电模拟装置

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指导教师

职称

湖南商学院

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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湖南商学院本科毕业设计（论文）诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的本科毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本科毕业设计作者签名：

年月日

摘要

本设计的光伏并网发电模拟装置系统是以MSP430F169单片机为核心，单片机输出SPWM波形经IR2110驱动H桥，实现DC-AC逆变的发电模拟装置。

最大功率点跟踪（MPPT）绝对误差小于1%，利用MSP430F160单片机软件设计实现锁相环，用参考频率作为基准频率，对MSP430F160单片机的外中断和定时器测定相位，当反馈的电压信号相位滞后（超前）于参考信号的相位时，就增大（减小）SPWM的频率；达到相位和频率同步。

包括阻性负载，以及非阻性负载，实现了频率跟踪，相位跟踪。

DC-AC转换效率达80%，采用LCD液晶显示器显示，能直观、简洁地显示输出电压、电流，具有良好的人机交互性能。

本文详细阐述了单片机MSP430F169的内部结构，系统硬件电路和软件程序的设计及调试过程以及结果测试，同时给出总体设计的流程图、原理图等。

涵盖了从需求分析、系统设计、程序编程、系统原理图、设计PCB图以及最后的试验板焊制等产品开发的基本过程。

关键词

光伏并网MSP430F169DC-AC软件锁相

ABSTRACT

ThedesignofthephotovoltaicpowergenerationsystembasedonMSP430F169microcontrollersimulatorcore,microcontrollerSPWMwaveformoutputbytheH-bridgedriverIR2110achieveDC-ACinverterpowergenerationanalogdevices.MaximumPowerPointTracking（MPPT）absoluteerrorlessthan1%,theuseofMSP430F160MCUsoftwaredesignandimplementationphase-lockedloop,thereferencefrequencyasthereferencefrequencyofMSP430F160MCUexternalinterruptandtimerdeterminationphase,whenthefeedbackvoltagesignalphaselag（aheadof）thephaseofthereferencesignal,theincrease（decrease）SPWMfrequency;achievephaseandfrequencysynchronization.Includingresistiveload,aswellasnon-resistiveload,toachieveafrequencytracking,phasetracking.DC-ACconversionefficiencyof80%,withLCDdisplay,candirectlyandsuccinctlyshowstheoutputvoltageandcurrent,withgoodinteractiveperformance.ThispaperdescribestheinternalstructureofMSP430F169MCU,thesystemhardwareandsoftwaredesignanddebuggingprocessandresultsofthetest,andgivestheoveralldesignflowchart,schematics,etc..Rangingfromrequirementsanalysis,systemdesign,programming,systemschematics,PCBdesigndiagramsandfinaltestplateweldingsystemandotherbasicprocessofproductdevelopment.

KEYWORDS

PVgridMSP430F169DC-ACsoftwarelock

光伏并网发电模拟装置

1前言

随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断的增加，世界上的化石能源总有一天会消耗殆尽。

同时，由于大量化石能源的燃烧，使得全球生态环境日益恶化，对人类的生存和发展造成了巨大威胁。

在这样的背景下，太阳能作为可持续再生能源，引起了人们的重视。

而在我国，光伏系统的应用才刚刚起步，市场状况尚不明朗。

针对这样的情况，开发太阳能，发展前景广阔的并网发电系统是当今解决自然环境的必经途径。

分析了目前光伏市场的瓶颈并预测了未来光伏发电的前景。

相信作为当今发展速度最快的高新技术之一，太阳能光伏发电技术，特别是光伏并网发电技术,它将为今后的电力工业以及能源结构带来革命性变化。

2.选题背景

2.1设计课题来源及其意义

设计题目是由指导老师下发，经过初选到最终确认的。

本设计是光伏并网发电模拟装置，光伏并网发电是一种清洁的能源利用途径，能对环境改善和资源的循环利用起到很大的促进作用。

本设计无论是对自身能力的提高和理论知识的实践运用，在此基础上最终选择了光伏并网发电模拟装置的设计。

2.2课题设计的主要内容

本设计是光伏并网发电模拟装置，由于条件的局限性和设计题目的要求，采用蓄电池模拟光伏电池，作为直流电源，设计的主要内容包括光伏阵列MTTP控制，逆变并网DC-AC转换，逆变器的设计是本设计的重点。

具体设计是，用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，频率fREF为45Hz~55Hz，其峰峰值为2V，；T为工频隔离变压器，变比为n3:

n2:

n1=1:

20:

10，将uF为输出电流的反馈信号；负载RL=30Ω~36Ω范围内变化。

系统设计的主要能完成的功能为：

（1）频率跟踪功能。

（2）醉倒功率（MPPT）跟踪功能。

（3）输入欠压保护。

（4）输出过流保护。

（5）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率

≥60%。

（6）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。

其结构框图如图2.1所示：

图2.1光伏并网发电模拟装置框图

3.光伏并网发电模拟装置原理

光伏并网发电装置是利用太阳能发电的电力系统，其中光伏电池是利用光能转换层电势能的原理制成的发电装置，经过汇流再将电流送到逆变装置中。

由于题目要求整个模拟装置系统主要模拟光伏电池和并网逆变器两部分组成。

模拟烦人光伏电池经过并网逆变器将直流电转换成交流电为负载提供所需电力。

3.1最大功率点跟踪（MPPT）

不同的光照强度和环境温度光伏电池的输出电压不同，因此，输出也成非线性，光伏电池只有在某个特定的值时才能产生最大的输出功率，此时产生最大功率为最大功率点（MaximumPowerPoint，MPP）。

要提高光伏并网发电模拟装置的整体功率也就是要控制光伏电池的最大功率点，使其工作在最大点附近，这个过程就是最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）。

由于设计要求光伏电池由给定直流电源模拟代替，因此改变负载和RS的大小来调节最大功率点，使输出保持在最大功率点。

当负载RL从0到无穷大变化时，其负载V-I曲线是一条抛物线如图3.1，Rs不变，调节RL使其输出工作在最大功率点，设最大功率点为Pm,RL=Rm，曲线上任何一点为工作点，横、纵坐标分别对应此时的工作电压、电流，再调节Rs，RL保持不变，作出对应的V-I曲线，Pm对应的Vm值即为直流点所提供最大负载的电压，调节Rs到对应的电压值，得到最大功率点直流电源电压值，即最大功率点。

由于RS=30Ω~36Ω、RL=30Ω~36Ω，所以不能完全达到理想化的最大点，只能在变化范围内寻找最大点并进行控制调节。

图3.1直流电源输出负载特性曲线

最大功率点跟踪的目的是将直流电源所提供的电能尽可能的提供给负载，使得整个系统效率尽可能的提高，本设计是使当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率

≥60%，MPPT就是一个动态寻优的过程，通过对输出电流、电压的检测得到当前输出功率，再与被存储的前一时刻的功率比较，舍小取大，依次类比，得到动态工作的最大功率点，控制框图如图3.2所示。

当负载特性和输入直流电压的焦点在最大功率点电压Um的左边时，通过MPPT的调节作用使直流电压升高，反之则降低电压，控制过程如图3.3所示。

图3.2MTTP控制框图

图3.3MTTP的控制过程

3.2DC-AC逆变原理

将直流电变换成交流电的设备。

由光电池发出的是直流电，无法直接提供给负载设备，需要逆变器来实现此功能。

本设计用蓄电池代替，有于模拟装置是个小型的模拟发电装置，逆变器是整个系统的主要部件不可或缺，逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器，由于设计要求采用输出为交流正弦信号。

直流输入由蓄电池直接输入到逆变器，再由逆变器将60V直流电转换成220V的交流电供用电设备用电。

整个逆变器由逆变桥、滤波电路、控制逻辑组成。

其中逆变桥采用全桥和单桥实现。

图3.4逆变电路原理图

图3.5不同负载上的电流和电压波形

图3.4为单桥式逆变器原理图，S1，S2、S3、S4由电力电子器件以及辅助电路组成。

当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo=-Ud；S1、S4合上，S2、S3断开时，uo=Ud，当桥中各臂以频率f断开、闭合时，输出uo电压变为交变的方波电压，幅值Ud，频率为f，波形图如图3.5所示，从而将电压有直流变为交流，由于交变电的变相频率与开关闭合频率相关，通过改变开关闭合频率改变交流电频率。

负载为阻感时io相位滞后uo，波形不同，负载为电阻时，io相位和uo相同，波形也相同。

逆变器可根据各不同性能指标来分类。

根据直流端可分为电压型和电流型，即直流侧为电流源逆变电路为电流型逆变器，只留段为电压源的则为电压型逆变器。

根据交流侧逆变器有有源和无源两种，是根据电能去向而分，如果将逆变交流侧直接送到电网，电网为负载，这样的逆变器为有源逆变器，逆变过程可归结为：

直流→逆变器→交流→交流电网，这种电路常用在直流可逆调速系统、可变速电机。

如果将逆变交流端变为可调频率交流电直接送到交流负载，这样的逆变器为无源逆变器。

根据输出波形分为正弦和非正弦逆变器，正弦开关功耗小，适合工作频率较高，非正弦开关损耗大，适合低频率。

根据相数分为单相和多相逆变器。

根据逆变电路器件可分为由无关端能力的半控器件组成的半控型逆变器和有控断能力的全控型逆变器。

由逆变电路结构又可分为全桥、半桥和推挽式逆变器。

设全控型开关器件V1、V2信号在一周期内各半周正偏、反偏，两者互补，负载为感性时，工作波形相位不一致，如图3.5所示，输出电压uo为矩形，幅值Um=Ud/2,输出电流io根据负载的变化而变化，设t2时刻，V1为通态，V1为断态，此时给V1断态信号V2通态信号，但感性负载中io不能立即改变方向，保持原来的导通方式，在t3时刻io降为零时，VD2截至，V2开通，io开始反向。

图3.6单相半桥电压型逆变电路及工作波形

在t4时刻，给V2关断信号，V1开通信号，此时VD1先导通，t5时刻V1开通。

V1或V2导通时，负载电压电流同相，由直流侧提供电能，VD1或VD2导通时，输出电流电压方向相反，负载中储存的能量向直流侧反馈并将能量暂时储存在电容中，直流侧电容就起到了缓冲反馈的无功能量的作用。

图3.7电压型全桥逆变原理图及波形

电压型全桥逆变器可看成2个半桥组合构成，其中1、4桥臂为一对，2、3为另一对，分别成对导通和断开，且两对交替各导通半个周期，其输出电压波形图8（b）的半桥相同为矩形，幅值Um=Ud，输出电流和图3.6（b）i0相同，幅值增大一倍。

VD1、V1、VD2、V2相继导通区间对应VD1和VD1、VD2和VD3、V1和V4、V2和V3的导通区间。

全桥逆变电路在单相逆变电路应用比较广泛，可对电压波形幅值U0和矩形波u0展开傅立叶级数，得

其中基波幅值U01m和基波有效值U01分别为U01m=4Ud/π=1.27Ud，U01=2√2U0/π=0.9Ud。

负载为RL时，输出电流的基波分量为

当u0正负电压各为180°脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压U0来改变。

单相全桥逆变电路中，各栅极信号180°正偏和反偏，每对力臂信号互补，V3的基信号比V1落后α，V3、V4栅极信号比V1、V2的栅极信号前移180°－α，输出电压u0的正负各位α的脉冲，调节α即可调节输出电压有效值。

综上所述，全桥逆变电路优点可归结为：

要求电压低，输出功率大；缺点为：

驱动复杂，开关器件过多。

所以全桥逆变适合在大功率器件中逆变器。

3.3正弦脉宽调制SPWM

PulseWidthModulation即PWM（脉冲宽度调制），通过调节输出方波的占空比改变输出电压。

SPWM即PWM的基础上改变调制方式，把脉冲宽度的时间占空比按正弦排列完成的。

由采样控制理论可得出，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统上时，它们的输出响应基本相同，惯性系统的输出响应取决于系统的冲量，即与窄脉冲的面积有关而与形状无关。

图3.8为例举的几种形状不同冲量相同的几种窄脉冲函数图，其中图3.8（d）为单位脉冲函数，即脉冲过渡函数图。

图3.8形状不同冲量相同的几种窄脉冲

将正弦波的正半部分波形划分为n等分，将每部分用等面积的矩形波代替，得到一组等效于正弦波等幅不等宽的矩形脉冲波，这种方法即为逆变器的正弦脉冲调制（SPWM），方法如图10所示。

图3.9SPWM代替正弦波

由SPWM调制后的信号除频率很高的载波信号和调制信号以及载波倍频附近的信号外，基本没有其他谐波信号，所以，正弦脉冲调制的信号频率越高，谐波含量越少，载波频率越高，正弦脉冲调制的基波的谐波含量越少越接近期望值。

正弦脉冲调制受功率器件允许开关频率限制，随着频率的提高开关损耗和换流损耗加大，同时会产生电磁干扰，产生尖峰电压和冲击电流。

SPWM的产生和控制可以由微机来完成，常用的产生SPWM波形的算法：

规则采样、自然采样、跟踪型SPWM、专用集成电路、微机软件生成SPWM法等。

应用较多的SPWM芯片有SLE4520、MA818、8XC196MC、HEF4752。

通过对几种不同采样法的分析对比，看各种不同采样法的优缺点及功能。

首先是自然采样，如图3.10所示，此方法计算复杂计算时间比较长，难以实现控制中的在线计算。

而规则采样则广泛应用于工程应用中，算法比自然采样小的多，但计算方法基本相同，其中，三角载波规则采样法应用比较多。

如图3.11在三角波负峰时刻tD对正弦波采样得到D点，过D点作水平线和三角波交与A，B两点，在这两点控制过来开关器件的通断，此时得到的脉宽和自然采样很接近。

图3.10自然采样法

图3.11三角波载波规则采样法

专用集成电路产生SPWM法，可简化控制电路的软件设计，提高可靠性，降低成本。

软件成SPWM法，有实时计算法和查表法。

实时计算法，是运行过程根据变量实时计算，运算量小。

查表法是根据不同的调制度和正弦信号的角频率，计算出个开关的通断时刻，占较大的内存容量，实际生产中往往将两种方法结合使用。

跟踪型SPWM法，把所期望的输出信号作给定值与实际信号对比来决定逆变器开关通断，使实际输出信号为跟踪给定信号。

3.4单相全桥逆变中的SPWM控制

根据脉冲调制所处调制信号脉冲的正负极性，可以分为单极性和双极性。

单极性调制：

脉冲在调制信号正半周期或者负半周期内，即只有一种极性的脉冲信号称为单极性调制。

如图3.12所示，单相桥式电压逆变电路，开关管为MOS管，感性负载，Q1、Q2和Q3、Q4是2对互补的通断二极管，可以得到Ud、0、-Ud三种电平电压。

u0在正半周期时，Q1导通，Q2关闭，Q3、Q4交替通断，由于负载电流滞后于电压，电流一段区间为正一段区间为负，在正区间Q1、Q4导通，u0=Ud；当Q4关闭，由于负载是感性负载电流不能突变，Q1、D3续流，u0=0。

在负区间，Q1、Q4导通，i0能从D1、D4流过，u0=Ud；当Q4关闭，Q3导通时，i0能从D1、Q3续流，u0=0，负载电压总有两种可能。

图3.12单相全桥逆变电路

在输出负半周，Q2一直导通，Q1一直断开，Q3、Q4交替通断，当Q2、Q3导通时，u0=-Ud，当Q3关闭i时，u0=0，负载也有两种电压。

因此，控制Q3、Q4的通、断可以控制输出电压的极性，控制方法如图3.13所示。

用三角载波uc和调制信号ur，在它们的交点处控制MOS管的通断，使其按照SPWM的方式通断，从而使得正弦参考信号极性交替通断。

由于单极性SPWM只能用于全桥电路，本设计采用此方法进行控制。

ur正半周时，Q1导通Q2断开，当ur>uc,当Q3断开Q4导通，u0=Ud；当ur

ur正半周时，Q1断开Q2导通，当ur>uc,当Q3断开Q4导通，u0=0；当ur

SPWM控制波形如图3.13所示，图中的虚线u0f表示u0的基波分量。

图3.13SPWM单极性控制方式波形

双极型调制：

如图3.14所示为双极型控制方式，双极型控制中调制信号半周期内，三角载波有正负，因此输出的正弦脉冲调制波也有正负。

调制信号ur，在一个周期内只有电平±Ud，在它们的交点处控制MOS管的通断，使其按照SPWM的方式通断进行控制。

ur正负半周时，Q1导通Q2闭合，当ur>uc,当Q1、Q4导通，Q2、Q3断开，u0=Ud，若i0>0,Q1、Q4导通，若i0<0，D1、D4导通；当ur0,D2、D3导通，若i0<0，Q2、Q3导通。

感性负载时，当Q1、Q4导通状态突然加以关闭信号，Q2、Q3不能立即导通，D2、D3续流，i0较大时，直到Q1、Q4再次导通其方向不变，i0较小时，到i0减小到零之前，Q2、Q3始终未导通，i0反向，D2、D3或Q2、Q3导通，始终有u0=-Ud，与此相反则有u0=Ud，由此可以看出，同一半桥的上下两个桥臂MOS管驱动信号极性相反，为互补式。

图3.14双极型SPWM控制方式波形

4.光伏并网发电模拟装置的总体设计

4.1系统总体方案设计

根据设计任务要求，本设计的光伏并网发电模拟装置光伏电池由直流电源代替，经过逆变将直流变为交流电，频率为50Hz左右，即频率、电压和模拟电网一致，通过调节RS、RL,使得输出功率达到最大值，在给定要求的情况下能尽可能的提高效率，通过MPPT和SPWM的调节，使输出功率最大化和波形正弦化。

整个系统以DC-AC逆变器为核心，以模拟电网信号为基准信号，有单片机控制，通过调制、逆变、整流、滤波、变压完成设计任务要求，在允许的范围内上下波动，满足整个设计任务。

总体设计如图4.1所示。

图4.1系统设计的总体框图

4.2系统总体方案实现手段

本设计的整个系统包括三大部分，即功率转换部分、信号采集、控制部分。

功率转换部分：

直流输入端，即模拟光伏电池，由Ud、Rs组成的直流模块，DC-AC逆变电路、LC低通滤波、隔离变压器、负载构成。

信号采集：

逆变部分输入电流、电压，交流输出电压、电流，模拟电网正弦参考信号频率相位，隔离变压器反馈输出端频率和相位。

控制部分：

有单片MSP430F169，包含产生SPWM,同频同相控制，MPPT跟踪，参数测量和显示，人机交互等。

系统供电采用强弱隔离方式，减小窜扰提高系统的安全性。

为了实现其他附加功能，系统中的逆变控制采用模拟控制实现,MPPT用数字控制实现，所以，系统控制采用单片机MSP430F169实现。

4.3正弦逆变器控的制电路设计

一个开环的正弦逆变器无法满足设计要求，为了达到输出电压畸形小、响应快、精度高等要求，对逆变器的控制采用电流内环加电压外环的控制结构。

电流内环检测输出滤波器电容电力作反馈，与电压环的输出进行综合，误差信号进过调制器SPWM的调制信号。

电流的内环作用是对对逆变器的自然特性进行有源校正，使其具有高阻尼的稳定性，电压外环为瞬时值环，检测逆变器输出电压瞬时值作为反馈，与给定型号进行综合，误差信号进过调制器后控制逆变器，从而达到系统要求，减小稳态误差。

4.4逆变电路设计

可采用的逆变主电路有推挽式、单相半桥式、单相全桥式，其中，推挽式需要变压器对系统效率产生很大影响，半桥式效率高但难遇控制中点电位漂移影响输出波形从而影响MPPT功能，而全桥式不会产生这些问题，若在控制驱动上采用单极倍频等方法则会减小波形失真，达到高效要求，为提高逆变效率，逆变输出滤波采用非晶态磁芯电感，降低电涡流损耗，或采用金属化高频无感电容。

4.5MTTP功能设计

为实现系统正常工作时输出功率最大化，则需要对系统进行功率跟踪，即MPPT功能。

其中，控制方法有：

恒定电压法、扰动观测、导纳增量法。

恒定电流法，控制精度低。

扰动观测法，控制思路简单，但在稳态时在最大功率点波动，稳定性差。

导纳增量法，稳定度搞，控制算法复杂，改变速度缓慢。

在本设计中，只要保证逆变器直流环节电压为理想电压一半就可以，所以本设计采用扰动法。

5.方案选择与论证

5.1DC-AC逆变方案选择论证

由于DC-AC为电压输出，故采用电压型逆变电路。

方案一：

电压型半桥逆变电路。

其原理图5.1如图，当T1或T2导通时，I0、UO同相，直流侧像负载提供能量。

当D1