光伏并网发电模拟装置设计.docx
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光伏并网发电模拟装置设计
光伏并网发电模拟装置设计
【摘要】：
本系统采用单级DC-AC+工频变压器的拓扑结构，主电路为IR2111驱动的半桥式逆变电路。
控制电路以ATmega16单片机为核心，由软件生成SPWM波控制DC-AC逆变，跟踪最大功率点。
系统通过反馈信号监测频率、相位，经由A/D采样欠压、过流信号，控制频率、相位的跟踪和欠压、过流保护。
经测试，本系统的变换效率可达%。
输出正弦波形失真度小（THD=%），实现了同频同相的跟踪控制和欠压保护。
能够改变逆变电路的输入阻抗，调节工作点，但MPPT的效果未如理想。
【关键词】：
DC-AC；SPWM；MPPT；变换效率；频率相位跟踪
Thedesignofphotovoltaicgrid-connectedpowersimulator
Abstract:
Thetopologyofsingle-stageDC-AC+powerfrequencytransformerisusedinthissystem,themaincircuitishalf-bridgeinvertercircuitdrivenbyintegratedcircuitIR2111.MicrocontrollerATmega16isthecoreofthecontrolcircuit,andtheDC-ACinverteriscontrolledbytheSPWMwavewhichisgeneratedbysoftwaretotrackthemaximumpowerpoint.Throughthefrequencyandphasebeingmonitoredbythefeedbacksignal,andA/Dsamplingbeingemployedbytheunder-voltageandover-currentsignal,frequencyandphasetrackingandunder-voltageandover-currentprotectionarecontrolledbythesystem.Bytesting,theconversionefficiencyofthissystemcanreach%,andthedistortionofoutputsine-waveissmall（THD=%）,thesamefrequencyandphasecontrolcanbeachieved,aswellasthefunctionofunder-voltageprotection.Theinputimpedanceofinvertercircuitcanbechangedtoregulatetheoperatingpoint,buttheeffectofMPPTisunsatisfactory.
Keywords:
DC-AC;SPWM;MPPT；conversionefficiency;frequencyandphasetracking.
1方案论证
总体方案论证
方案一：
如图1所示，硬件电路由DC-AC变换器，滤波电路，变压器组成；系统以ATmega16单片机为控制核心，利用软件生成SPWM波，通过直接控制SPWM波的最大占空比来实现MPPT控制；系统通过反馈信号检测频率、相位，经由A/D采样欠压、过流信号，控制频率、相位的跟踪和欠压、过流保护。
方案二：
在DC-AC变换器之前增加一级DC-DC变换器，通过反馈控制确保功率匹配条件，实现MPPT。
由于系统对效率要求比较高，如果在DC-AC变换器前插入DC-DC变换器必然会降低转换效率，所以选择方案一。
DC-AC主回路方案的选择
光伏并网装置常采用H桥逆变电路，桥式电路具有一定的抗不平衡的能力，输出功率范围大。
但全桥电路较为复杂，对称性要求较高。
考虑到技术难度和时间因素，这里采用半桥式逆变电路，在本系统中，逆变电路效率是主要设计指标，要求开关管损耗较小，只需有两个开关管，电路简单，较易实现。
虽然我们也尝试了制作调试全桥电路，终因时间仓促没有完成。
SPWM的产生方案
方案一：
利用软件产生SPWM波，通过查表的方法，产生SPWM波，该方案较简单。
方案二：
利用硬件或软硬结合的方式生成SPWM波，例如利用软件生成单纯的三角波，利用硬件生成SPWM波。
该方案较为复杂。
由于本系统产生的交流是工频，完全可以由单片机实现SPWM控制，故选择方案一。
提高效率的方法
影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗和DC—AC变换器的功耗，其中主要是DC-AC变换器的效率。
变换器的损耗主要有MOSFET开关损耗,MOSFET驱动损耗等。
故在DC-AC变换器中采用驱动开关速度快的专用集成电路IR2111作为驱动电路，MOSFET选择IRF540作为开关管，IRF540导通电阻小，开关速度快，导通压降小，功耗比较低。
其次，采用低功耗单片机ATmega16。
2电路方案设计
DC-AC主回路设计与器件的选择
DC-AC主回路采用半桥式逆变电路，原理如图2所示，由单片机产生的SPWM波通过IR2111驱动两个MOSFET开关管，实现DC-AC逆变。
IR2111.兼有电隔离与体积小、速度快的优点，具有低端和高端输入通道，可驱动同桥臂的两个MOSFET，内含自举电路，高端工作电压可达500V，工作频率高，可达500kHz，开通和关断的延迟时间小。
整机性能好，体积小。
IR2111应用电路中自举二极管采用HER208，其反向漏电流极低，浪涌承受能力较强，稳定性高。
能够满足电路的需要。
对于自举电容，工程中常用计算公式如下：
C1>2Qg/。
式中，Qg为IGBT门极提供的栅电荷。
本电路选择IRF540作为开关管，由于IRF540导通电阻小，开关速度快，导通压降小，所以功耗比较低。
效应管IRF540栅极电荷为72nC，根据上述自举电容的计算公式可以算出，自举电容的容量C>2*72/，故选择耐压值高，容量为的电容。
检测电路的设计
从本系统的框图中可知检测电路有电压、电流监测电路及频率相位监测电路。
控制功能主要由单片机完成。
实现MPPT控制、频相跟踪控制以及欠压、过流保护功能，需要监测输入电压Ud、负载电流Io、交流反馈信号和参考信号。
输入电压检测
在DC-AC主回路的输入端接入如图3所示的电路，单片机通过对输入电压进行A/D采样检测，当输入电压Ud正常时，电路正常工作；当检测到输入电压低于25V时，故障指示灯亮，蜂鸣器报警，单片机停止产生SPWM，电路停止工作。
当欠压故障排除后，电路自动恢复为正常状态。
负载电流检测
在负载端通过电流互感器将负载电流耦合到如图4所示电路，采样电阻将电流信号转变为电压信号，通过A/D送单片机处理，当单片机检测到负载电流小于时，电路正常工作；当检测到负载电流Io>时，蜂鸣器报警，电路停止工作；过流故障排除后，电路自动恢复为正常状态。
频率相位的检测
利用过零比较器把参考信号和反馈信号变换为同频率的方波信号，通过外部中断和计数器来检测频率和相位差。
滤波参数计算
要得到50Hz的输出正弦交流信号，DC-AC逆变电路后要接一个滤波电路，把高频滤掉，电路如图6所示。
由公式
，取
，L=12mH，
求得C=，故取C=。
3理论分析与计算
MPPT的控制方法与参数设计
SPWM波实际上是占空比按正弦规律变化的脉冲序列，通过驱动芯片控制开关管的电流通断，经过滤波就得到正弦交流信号，
A×Sin（i×α）A为振幅；α为对应SPWM波周期的相角；i=0，1，2，…，n。
单片机由正弦脉宽数表产生SPWM波，数表中的最大脉宽值τMAX就对应A×Sin（i×α）的幅值A。
因此可以通过控制τMAX控制正弦波的振幅，也就是控制逆变电路的工作电流。
这样，逆变电路的输入电流也会改变，从而改变Ud。
通过实验证实，当τMAX增大，Ud会下降。
但是降到接近到1/2Us的时候，输出正弦波形底部出现失真。
如果采用全桥电路，效果可能要好些，由于时间仓促，全桥电路还没有完成调试，我们尚未找到解决的方法。
因此MPPT控制的效果不理想。
同频、同相的控制方法与参数计算
反馈信号与参考信号经过过零比较器得到45~55Hz的方波，输入到单片机的外中断引脚，利用两个中断就可以测定两路方波的周期与相位差。
周期检测的算法见图5a），在前一个周期的上升沿（触发中断）启动计时，后一个周期的上升沿停止计时，计数值就是待测的周期。
相位检测的算法稍复杂，由两路脉冲先到者的上升沿启动计时，后到者的上升沿停止计时，计数值就是待测的相位差，或者是π-相位差。
当两路脉冲的周期差大于某个指定值时，启动周期调整程序，具体方法是更换正弦脉宽数表，程序可以在44Hz到56Hz的范围内跟踪参考信号的频率。
当两路脉冲的相位差大于某个指定值时，启动相位跟踪程序，通过相位补偿的方法达到同相控制。
因对时间控制的要求高，所以采用内联汇编的方式实现。
部分汇编代码如下：
.DEFFLAG=R23;第0位为定时器2启动标志；第1位为先后标志
EXT_INT0:
LDIR22,0x01
CPFLAG,R22；判断定时器2是否已经启动
BREQK0;；若定时器2已经启动，转跳
ORIFLAG,0x01；若定时器2未启动，先置位启动标记
LDIR17,1；
OUTTCCR2,R17;开定时器2
RETI
K0:
LDIR17,0;
OUTTCCR2,R17；关定时器2
ANDIFLAG,0xFE；定时器2启动标记复位
ANDIFLAG,0xFD；根据条件标记是参考信号超前于反馈信号
INR16,TCNT2；读取计数值，通过R16返回
RETI
EXT_INT1:
…………
如代码所示，当FLAG标记寄存器中位1为0时，中断程序返回的R16为参考信号超前于反馈信号的计数值；当FLAG中位1为1时，R16为参考信号滞后于反馈信号的计数值。
4系统参数的测试
在本系统中，我们对DC-AC变换器效率、输出波形失真度、过压、过流保护功能，频率相位跟踪功能，MPPT功能进行了测试。
测试结果如下：
DC-AC变换器效率的测量
如图8所示，当US=60V，RS=RL=30Ω时，用数字万用表直流电压、电流档测量Ud和Id，用万用表交流电压、电流档测量Io1和Uo1，则DC-AC变换器效率为
。
其中
，
。
图7DC-AC变换器效率的测量框图
调试结果与分析：
Ud=30V，Id=，Io1=，Uo1=
图8失真度的测量方法
故
=
=
=%。
可见DC-AC变换器效率较高，最高可达到%。
满足
≥60%的要求。
（详细测试数据见附件2，表2.）
输出电压失真度的测量
利用失真度仪测量输出电压失真度，如图9接线。
测试条件为RS=RL=30Ω。
经测试：
输出电压Uo的失真度为THD=%，满足题目THD≤5%的要求。
频率跟踪功能的测试
电路正常工作时，用信号发生器输入fREF为45Hz~55Hz的参考信号，用数字示波器观察反馈信号的频率
。
与此同时，液晶显示器同时显示fREF、
。
经测试：
当用信号发生器输入fREF为45Hz~55Hz的参考信号时，示波器观察到反馈信号的频率跟随信号发生器显示的频率变化，液晶显示器同时显示fREF、
值一样。
故本系统实现了频率跟踪的功能。
如图12所示，为液晶显示器显示频率跟踪实拍图。
Fre=为参考信号的频率，Fout=为反馈信号跟踪频率。
相位跟踪功能的测试
调试时，当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，能够保证uF与uREF同相，故本系统实现了相位跟踪功能。
如图10所示为示波器显示的相位跟踪实拍图，图中上一个波形为参考信号波形，下一个波形为反馈信号波形。
欠压保护功能的测试
测试条件和方法：
输入电压Ud从30V调到低于25V，观察现象。
当单片机检测到输入电压低于25V时，欠压指示灯亮，蜂鸣器报警，电路停止工作。
当输入电压高于25V时，即故障排除外，系统恢复工作。
过流保护功能的测试
测试条件和方法：
用数字万用表交流测量输出电流，同时减小负载电阻，当万用表显示Io>时，观察现象。
当单片机检测到输出电流大于时，过流指示灯亮，蜂鸣器报警，电路停止工作。
显示功能
本系统具有显示功能，液晶显示器能够显示电压值和频率值。
实现了题目的发挥部分的要求。
5结论
经过四天三夜的努力，我们实现了题目大部分的要求。
所设计的系统变换效率可达%。
输出正弦波形失真度小（THD=%），实现了同频同相的跟踪控制和欠压保护。
由于时间仓促，系统有些功能未能完善，很遗憾。
6参考文献
[1]黄智伟主编，王彦，陈文光，朱卫华等编著.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：
电子工业出版社，2005年第1版
[2]郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用[M].北京：
清华大学出版社1995年第2版
[3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2001年第3版
[4]王水平，史俊杰，田庆安编著.开关稳压电源-----原理、设计及实用电路[M].西安：
西安电子科技大学出版社，
附件
附件1硬件电路主要原理图如图11所示。
图11硬件电路主要原理图
附件2表1其中电压单位为V，电流单位为A。
表1效率的测量数据
次数
Ud
Id
Uo1
Io1
Uo2
1
30
2
30
3
30
附件3重要源程序
#include
#include
#include
#include
#include""
#defineSetLED（）
#defineClrLED（）
unionADCtype
{
unsignedintADCWord;
unsignedcharADCByte[2];
};
……..
/外部中断初始化
voidInt0Init（void）
{
DDRD&=~（1<PORTD|=（1<MCUCR|=（1<DDRD&=~（1<PORTD|=（1<//GICR|=（1<sei（）;
}
//PWM初始化
voidPWMInit（void）
{
DDRD|=（1<ICR1=1024;//初始要输出50Hz的频率
TCCR1A|=（1<TCCR1B|=（1<TIMSK|=（1<}
//测量参考电压频率
unsignedlongintCheckFreqCount（void）
{
GICR|=（1<while（!
CheckFreqIsOk）;//等待测量参考频率完成
CheckFreqIsOk=0;//清除完成标记
returnFreqCount;
}
//频率比较
voidFreqCom（void）
{
TenFre=CheckFreqCount（）;
TenFout=CheckFreqCount（）;
TenFre=/1024/TenFre;//频率的10倍,方便整数比较
TenFout=/1024/TenFout;
if（TenFre!
=TenFout）
{
PhaseNotEqual=1;
SetFout（TenFre/10）;//设置输出频率
GICR|=（1<}
}
//显示频率
voidfDisplay（void）
{
unsignedchari;
fdis[6]=TenFre/100+'0';
fdis[7]=TenFre%100/10+'0';
fdis[9]=TenFre%100%10+'0';
fdis[22]=TenFout/100+'0';
fdis[23]=TenFout%100/10+'0';
fdis[25]=TenFout%100%10+'0';
LCD1602Input（CODE,0x80）;
for（i=0;i<16;i++）
{
LCD1602Input（DATA,fdis[i]）;
}
LCD1602Input（CODE,0xc0）;
for（i=16;i<32;i++）
{
LCD1602Input（DATA,fdis[i]）;
}}
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