基于MC9S12XS128光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置設(shè)計(jì).doc

基于MC9S12XS128光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置設(shè)計(jì)摘要：太陽能作為一種高效無污染的新能源，一種未來世紀(jì)常規(guī)能源的替代品。目前，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能光伏的重要應(yīng)用之一。文中采用了一種高性能MC9S12XS128單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。正弦逆變系統(tǒng)作為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，實(shí)現(xiàn)將光伏直流電逆變成工頻交流電，送入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)目的。在分析光伏并網(wǎng)發(fā)電正弦逆變器的工作原理后，提出了基于模糊控制的自適應(yīng)PI控制策略，并采用恒定電壓跟蹤法實(shí)現(xiàn)了最大頻率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該模擬裝置能較好的滿足并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)發(fā)電；正弦逆變電路；最大頻率點(diǎn)跟蹤；模糊控制的自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)光伏并網(wǎng)發(fā)電是通過把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過蓄電池的儲(chǔ)能，而直接通過并網(wǎng)逆變器，把電能送上電網(wǎng)。據(jù)有關(guān)專家們估計(jì)，到2020年全球太陽能光伏發(fā)電將占世界發(fā)電量的1.1，2040年將占26，2050年以后將成為世界能源的支柱1。下圖1所示為一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置結(jié)構(gòu)框圖。該裝置主要包含光伏電池、正弦逆變系統(tǒng)以及主控制器等部分。其中正弦逆變系統(tǒng)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，其逆變輸出的工頻交流電的質(zhì)量直接影響電網(wǎng)質(zhì)量。DC-ACUdIdio1uouREF+-RLuFuo1濾波器控制電路n1n2n3USRS+-Tio2圖1并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖一、光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置設(shè)計(jì)方案1逆變電路方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為一小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，故選用電壓型單相逆變電路。方案一：采用電壓型單相半橋逆變電路。半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)，負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臀聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。所用器件較少，工作簡(jiǎn)單。方案二：采用電壓型單相橋式逆變電路。采用H型電路結(jié)構(gòu)，共有4個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。比較以上兩種方案，半橋逆變電路簡(jiǎn)單，使用器件少，但交流電壓幅值為直流電壓的一半，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，并要控制兩者電壓均衡，相較之下，全橋逆變電路雖所用器件多一倍，但更適合使用。2正弦逆變電路控制方案在本次設(shè)計(jì)中，正弦逆變電路的控制方案為該模擬裝置的核心部分。方案一：采用PI控制。比例（P）環(huán)節(jié)對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)之間的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)放大，一旦有誤差信號(hào)產(chǎn)生，控制立即起作用，以減少誤差。積分（I）環(huán)節(jié)，對(duì)誤差進(jìn)行連續(xù)累加，具有積累和記憶特性，主要用來消除靜態(tài)誤差。PI控制兼顧了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。方案二：采用模糊控制。模糊控制技術(shù)基于模糊數(shù)學(xué)理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、適應(yīng)性和合理性提高，模糊控制能夠在精確和簡(jiǎn)單之間取得平衡，有效地對(duì)復(fù)雜事物作出判斷和處理。方案三：采用重復(fù)控制。重復(fù)控制理論是一種基于內(nèi)模原理的控制理論，是在重復(fù)信號(hào)發(fā)生器的作用下，控制器進(jìn)行著逐周期積分控制，通過對(duì)波形誤差的逐周期補(bǔ)償，以抑制周期性的擾動(dòng)信號(hào)2。比較以上三種方案，方案一PI控制概念清晰，容易數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，并具有參數(shù)易整定等特點(diǎn)。方案二模糊控制器的設(shè)計(jì)不依賴于受控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，它有著非常強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性。方案三重復(fù)控制穩(wěn)態(tài)時(shí)可以近似實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤效果。但本身卻無法克服其固有的滯后調(diào)節(jié)特性，由理論分析可知，其動(dòng)態(tài)性能至少滯后一個(gè)基波周期。根據(jù)題目中的正弦逆變裝置是一個(gè)多變量、非線性、時(shí)變的系統(tǒng)，系統(tǒng)的復(fù)雜性和模型的精確性總是相互矛盾的，故提出采用基于模糊控制的PI自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制策略。3MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）實(shí)現(xiàn)方案根據(jù)題目要求，需實(shí)現(xiàn)MPPT（MaximumPowerPointTrace）即最大功率點(diǎn)2跟蹤功能。方案一：采用擾動(dòng)觀察法(Perturb&ObserveAlgorithms,P&O)。把輸出電壓值的變化量U稱之為擾動(dòng)，通過不斷施加擾動(dòng)U，并測(cè)量比較其功率的變化，使太陽能陣列的輸出功率趨于最大3。方案二：采用恒定電壓跟蹤(ConstantVoltageTrace,CVT)法。根據(jù)在不同日照強(qiáng)度時(shí)其IV曲線，可以說明其最大功率輸出點(diǎn)大致對(duì)應(yīng)于某個(gè)恒定電壓Um，則使太陽能電池陣列的輸出電壓箝位于Um的值即可，實(shí)際上是把MPPT簡(jiǎn)化成穩(wěn)壓控制，這就構(gòu)成了CVT式的MPPT控制。上述兩種方案，方案一擾動(dòng)觀察法是實(shí)現(xiàn)MPPT常用的方法之一，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，但由于始終有士U的存在，故只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致了有部分功率會(huì)損失。而且初始值及跟蹤步長(zhǎng)的給定對(duì)于跟蹤精度和速度都有較大的影響。方案二恒壓跟蹤法控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高；且系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)振蕩，具有良好的穩(wěn)定性，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便實(shí)現(xiàn)。另根據(jù)題目光伏模擬電池為實(shí)驗(yàn)室可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，故選用方案二。4主控單片機(jī)選型方案設(shè)計(jì)中，正弦逆變電路的控制電路為裝置的核心部分，而選擇性能優(yōu)良的控制器則能起到事半功倍的效果。方案一：采用51系列單片機(jī)。51系列單片機(jī)擁有基于復(fù)雜指令集（CISC）的單片機(jī)內(nèi)核，雖然其速度不快，12個(gè)振蕩周期才執(zhí)行一個(gè)單周期指令，但其端口結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)雙向并行口，可兼有外部并行總線，故使其擴(kuò)展性能非常強(qiáng)大。51的內(nèi)部硬件預(yù)設(shè)，可用特殊功能寄存器對(duì)其進(jìn)行編輯。方案二：采用LM3S系列單片機(jī)。LM3S系列單片機(jī)是基于ARMCortexTM-M3的控制器。如LM3S615具有32為RISC功能，16位定時(shí)器模塊具有捕獲和比較功能；并帶有10位ADC通道，以及PWM發(fā)生器，可以通過軟件編程進(jìn)行PWM波形輸出等特點(diǎn)。方案三：采用MC9S12系列單片機(jī)。MC9S12XS128該系列單片機(jī)采用S12XV2CPU內(nèi)核，可運(yùn)行在40MHz總線頻率上，有ECC模塊，8路16位計(jì)數(shù)器，2個(gè)SCI串行通信模塊支持LIN總線，8路PWM，8路或者16路8位、10位、12位AD轉(zhuǎn)換時(shí)間3us，80管腳LQFP貼片封裝。結(jié)合題目設(shè)計(jì)功能要求，若采用51系列單片機(jī)將需要添加大量的A/D芯片，以及PWM發(fā)生電路等，電路復(fù)雜，可靠性低。LM3S615單片機(jī)雖已集成了這些功能，但AD通道數(shù)不能滿足要求，故綜合考慮下，由于MC9S12XS128單片機(jī)集成度高，AD轉(zhuǎn)換通道多且精度高，故選用為主控制器。二、光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)組成2設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，控制方式采用MC9S12XS128單片機(jī)控制。太陽能光伏電池由一直流穩(wěn)壓可調(diào)電源模擬，經(jīng)過信號(hào)處理及放大后得到一個(gè)穩(wěn)定的直流60V的輸出。直流輸入單相橋式逆變電路單相逆變交流輸出濾波輸出負(fù)載SPWM數(shù)據(jù)表IR2103驅(qū)動(dòng)電路飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XS128A/D并行接口A/D并行接口PWM輸出電網(wǎng)參考電壓輸入信號(hào)處理電路整形頻率檢測(cè)電壓檢測(cè)相位檢測(cè)升壓變壓器降壓變壓器交流輸出信號(hào)處理電路整形電壓檢測(cè)頻率檢測(cè)相位檢測(cè)圖2光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)組成框圖逆變的輸出電壓經(jīng)過低通濾波，并經(jīng)過降壓變壓器，輸出平滑的正弦波，輸出信號(hào)分別經(jīng)電壓、頻率、相位的檢測(cè)送單片機(jī)處理控制。三、光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置電路設(shè)計(jì)1逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如下圖3所示為正弦逆變系統(tǒng)原理圖，主要包含逆變主電路和驅(qū)動(dòng)電路兩部分。2圖3正弦逆變電路及其驅(qū)動(dòng)電路原理圖（1）逆變主電路器件選型逆變主電路中，MOSFET采用型號(hào)為IRF260，其最大電壓為200V。4個(gè)橋臂在SPWM信號(hào)控制下輪流導(dǎo)通，為防止驅(qū)動(dòng)器輸出的柵極電壓過沖，在每個(gè)MOSFET的柵極串聯(lián)了一個(gè)電阻，并反并聯(lián)一個(gè)二極管。（2）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路采用了2個(gè)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)控制專用集成電路芯片IR2103。該芯片為8引腳封裝，由兩個(gè)獨(dú)立的高端和低端輸出通道，可驅(qū)動(dòng)同橋臂的兩個(gè)MOSFET，內(nèi)部自舉工作，允許在600V電壓下直接工作，柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍寬（1020V），施密特邏輯輸入，輸入電平與TTL及CMOS電容兼容，死區(qū)時(shí)間內(nèi)置，輸出、輸入同相，低邊輸出死區(qū)時(shí)間調(diào)整后與輸入反向，最高工作頻率可達(dá)40kHz。當(dāng)逆變主電路工作時(shí)，2個(gè)IR2103芯片的HIN、LIN引腳的輸入由單片機(jī)產(chǎn)生互補(bǔ)的邏輯信號(hào)。2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)逆變器的效率公式3濾波電路設(shè)計(jì)逆變器的效率公式4保護(hù)電路設(shè)計(jì)逆變器的效率公式四、光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置軟件設(shè)計(jì)軟件程序設(shè)計(jì)是逆變控制電路設(shè)計(jì)的核心，它決定著逆變電路輸出電壓的大小、相位差范圍、頻率的穩(wěn)定以及系統(tǒng)的保護(hù)功能和可靠性等。程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是由MC9S12XS128單片機(jī)控制產(chǎn)生SPWM波。1模擬裝置主流程如下圖3所示為模擬裝置主流程圖。2控制程序設(shè)計(jì)（1）SPWM波的實(shí)現(xiàn)由于單極性SPWM調(diào)制方式和雙極性SPWM調(diào)制方式相比，具有開關(guān)頻率的倍頻作用、直流側(cè)電壓脈動(dòng)小、di/dt小、能夠提高最低次諧波次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，故將選用單極性SPWM波。（2）等幅同頻鎖相設(shè)計(jì)通過對(duì)電網(wǎng)參考電壓和逆變輸出電壓的采樣處理，經(jīng)MC9S12XS128單片機(jī)的12位的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，處理后控制PWM的占空比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電路輸出電壓的調(diào)整。通過測(cè)量電網(wǎng)參考電壓和逆變輸出電壓的的過零電位，來計(jì)算它們的周期時(shí)間，從而得到電網(wǎng)參考電壓和逆變輸出電壓的頻率。通過測(cè)量電網(wǎng)參考電壓和逆變輸出電壓兩者過零電位的時(shí)間差，來判斷兩者之間的超前滯后關(guān)系，計(jì)算得到兩者的相位差。頻率的跟蹤和相位差的調(diào)整，都是通過MC9S12XS128單片機(jī)軟件控制實(shí)現(xiàn)的。（3）保護(hù)電路的設(shè)計(jì)過壓保護(hù)：利用主控制器采集經(jīng)過轉(zhuǎn)換的電網(wǎng)上的電壓信號(hào)，設(shè)置上下閥值電壓，通過改變控制器控制信號(hào)的占空比對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。過流保護(hù)：采集電流傳感器的模擬信號(hào)，控制方法與過電壓保護(hù)相近。五、模擬裝置測(cè)試實(shí)驗(yàn)1測(cè)試實(shí)驗(yàn)（1）測(cè)試儀器YB4360（60MHz）示波器；（2）測(cè)試數(shù)據(jù)電網(wǎng)參考電壓輸入電壓和逆變輸出電壓幅值、頻率以及相位差測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。表1輸入和輸出電壓幅值、頻率以及相位差測(cè)試數(shù)據(jù)表序幅值頻率相位號(hào)輸入電壓（V)輸出電壓（V)失真度（%）輸入電壓（HZ)輸出電壓（HZ)頻率差（%）輸入電壓（)輸出電壓（)相位差（%）11.82721.932.042.2（3）逆變效率測(cè)試表2逆變器效率測(cè)試數(shù)據(jù)表序號(hào)電網(wǎng)參考輸入逆變輸出效率（%)電壓（V)電流（A)功率（W）電壓（V)電流（A)功率（W）12342系統(tǒng)對(duì)題目的完成情況表3系統(tǒng)對(duì)題目的完成情況對(duì)照表基本部分要求實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于1%頻率跟蹤功能，相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于1%逆變器的效率60%輸出uo的失真度THD5%輸入欠壓保護(hù)，動(dòng)作電壓Ud（th）=（250.5）V輸出過流保護(hù)，動(dòng)作電流Io（th）=（1.50.2）A發(fā)揮部分變換器的效率80%（RS=RL=30時(shí)）THD1%（RS=RL=30時(shí)）相位跟蹤功能，相位偏差的絕對(duì)值5過流、欠壓故障排除后，裝置能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)3結(jié)果分析各項(xiàng)結(jié)果都符合系統(tǒng)指標(biāo)，六、總結(jié)各項(xiàng)結(jié)果都符合系統(tǒng)指標(biāo)，參考文獻(xiàn)1羅雪蓮太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用J貴州電力技術(shù)2009年第2期。2鄭詩城光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制的研究D:博士學(xué)位論文合肥:合肥工業(yè)大學(xué)2004.12。3王暉輝三相光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)與仿真D:碩士學(xué)位論文鄭州:鄭州大學(xué)2005.5。4趙爭(zhēng)鳴，劉建政等太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用M北京：科學(xué)出版社2005年l0月第1版5王兆安電力電子技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社2008年4月第4版6袁曉，趙敏榮，胡希杰，呂玉龍?zhí)柲芄夥l(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用J上海電力2006年第4期。7劉茂榮，郭佐，