光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置報(bào)告

1、光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置摘要：本系統(tǒng)使用pwm控制器ir2112驅(qū)動(dòng)四個(gè)irf630組成的h橋，再通過lc濾波器實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變。整個(gè)變換器由c8051f330型單片機(jī)作為控制核心，通過對(duì)輸出電壓和頻率的采樣實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤和最大功率點(diǎn)跟蹤功能。dc-ac變換器的效率達(dá)到72%還實(shí)現(xiàn)了輸入欠壓和輸出欠流保護(hù)功能。完成了基本部分要求。實(shí)際表明該設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、動(dòng)態(tài)性能好。關(guān)鍵詞：spwm c8051f330 ir2112 h橋abstract: this system uses the pwm controller ir2112 driver h-bridge consisting of

2、four irf630, and then had lc filter to achieve the same dc to ac inverter. the converter from the c8051f330 mcu type as the control core, by sampling the output voltage and frequency to achieve frequency tracking and maximum power point tracking. dc-ac converter efficiency 72%，also achieved due to t

3、he input voltage and output current protection. the completion of the basic part of our request. actually shows that the design of simple structure, low power consumption, good dynamic performance. key words: spwm c8051f330 ir2112 h-bridge一、系統(tǒng)方案選擇與論證1. 主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案選擇與論證方案一：推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推挽式逆變電路的拓樸結(jié)構(gòu)如圖1.1所示圖1.

4、1 推挽式逆變電路推挽式方波逆變器的電路拓樸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩個(gè)功率管可共地驅(qū)動(dòng)，但功率管承受開關(guān)電壓為2 倍的直流電壓，因此適合應(yīng)用于直流母線電壓較低的場(chǎng)合。另外，變壓器的利用率較低，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載困難。 方案二：半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)半橋式逆變電路的拓樸結(jié)構(gòu)如圖1.2 所示：圖1.2半橋式逆變電路半橋型逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于兩只串聯(lián)電容的作用，不會(huì)產(chǎn)生磁偏或直流分量，非常適合后級(jí)帶動(dòng)變壓器負(fù)載，當(dāng)該電路工作在工頻（50 或者60hz）時(shí)，電容必須選取較大的容量，使電路的成本上升，因此該電路主要用于高頻逆變場(chǎng)合。方案三：全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單相全橋逆變電路也稱“h 橋”電路，其電路拓樸結(jié)構(gòu)如圖1.3 所示：由兩個(gè)

5、半橋電路組成.功率開關(guān)元件q1 與q4 互補(bǔ)，q2 與q3 互補(bǔ)，當(dāng)q1 與q3 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓u0= +ud；當(dāng)q2 與q4 同時(shí)悼通時(shí)，負(fù)載兩端u0= -ud，q1 q3 和q2 q4 輪流導(dǎo)通，負(fù)載兩端就得到交流電能。圖1.3單相全橋式逆變電路綜合上述，本系統(tǒng)選擇方案三。2. pwm控制芯片的選擇方案一:tl494。tl494內(nèi)有兩個(gè)誤差信號(hào)比較器，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓模式和電流模式控制，但在本系統(tǒng)中不能發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)，且沒有外部強(qiáng)制封鎖端，不便于實(shí)現(xiàn)過壓過流保護(hù)。方案二:sg3524。sg3524具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等級(jí)，具有欠壓保護(hù)和外部封鎖功能，能方便地實(shí)現(xiàn)過壓過流保護(hù)，

6、能輸出兩路波形一致、相位差為180的pwm信號(hào)，有效地減少輸出電流的紋波，適合于推挽拓?fù)潆娐贰７桨溉?ir2112。ir2112是一種性能比較優(yōu)良的pwm驅(qū)動(dòng)集成芯片。具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道，無需擴(kuò)展可直接用于小功率的變換器中，其內(nèi)部高側(cè)和低側(cè)通道分別有欠壓封鎖保護(hù)功能?？紤]到系統(tǒng)已經(jīng)選用全橋式拓?fù)潆娐?，而且要求有欠壓和過流保護(hù)，我們選擇ir2112作為spwm信號(hào)控制芯片，內(nèi)部具有過流檢測(cè)端和自動(dòng)封鎖端，配合軟件不需要搭建復(fù)雜的保護(hù)電路，還可以具有自恢復(fù)功能。二、主要硬件電路設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算1. 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)使用c8051f330型單片機(jī)，其有豐富的內(nèi)部資源，包括本次設(shè)計(jì)用到的a

7、d、da和豐富的i/o口資源。用來采樣輸入輸出電壓電流值，控制輸出電壓具有頻率跟蹤和最大頻率點(diǎn)跟蹤功能，同時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電路。具體硬件電路見附錄圖1.2. 輸入整流濾波穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)為濾除交流電源線上的外來干擾，同時(shí)能避免向外界發(fā)出噪聲。在電源的輸入端加了emi濾波器。采用全橋整流和濾波電路，對(duì)經(jīng)過220v16v交流變壓器的交流信號(hào)進(jìn)行處理，最后得到穩(wěn)定的+15v和+5v。分別供給ir2110和單片機(jī)使用。如圖2.2所示： 圖2.1輸入整流濾波穩(wěn)壓電路3.驅(qū)動(dòng)電路 圖2.2主拓?fù)浠芈冯娐穲D驅(qū)動(dòng)電路采用2片ir2112驅(qū)動(dòng)4片mosfet構(gòu)成h橋控制電路, ir2112是ir公司生產(chǎn)的高壓,高速的功率

8、mosfet, igbt專用驅(qū)動(dòng)芯片,具有獨(dú)立的高、低端輸出雙通道。門電壓需求在1020 v范圍,懸浮通道用于驅(qū)動(dòng)mosfet的高壓端電壓可以達(dá)到500 v. mosfet選用irf630,其最大工作電壓為100 v, 最大電流為28 a。如圖2.3所示：其中c1,d1分別為自舉電容和自舉二極管,c2為vcc的濾波電容.假定在s1關(guān)斷期間c1已經(jīng)充到足夠的電壓(vc1 vcc). 當(dāng)hin2為高電平時(shí):q1開通q2關(guān)斷,vc1加到q1的柵極和源極之間,c1通過vm1,rg1和柵極和源極形成回路放電,這時(shí)c1就相當(dāng)于一個(gè)電壓源,從而使q1導(dǎo)通.由于lin與hin是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào),所以此時(shí)lin

9、為低電平,q3關(guān)斷q4導(dǎo)通,這時(shí)聚集在q2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過rg2迅速對(duì)地放電,由于死區(qū)時(shí)間影響使q2在q1開通之前迅速關(guān)斷。當(dāng)hin2為低電平時(shí)q1關(guān)斷,q2導(dǎo)通,這時(shí)聚集在q1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過rg1迅速放電使q1關(guān)斷.經(jīng)過短暫的死區(qū)時(shí)間lin為高平,q3導(dǎo)通,q4關(guān)斷使vcc經(jīng)過rg2和q2的柵極和源極形成回路,使q2開通.在此同時(shí)vcc經(jīng)自舉二極管1n5822，c1和q2形成回路,對(duì)c1進(jìn)行充電,迅速為c1補(bǔ)充能量,如此循環(huán)反復(fù)4.輸出濾波電路的設(shè)計(jì)輸出濾波電路采用常k 型型低通濾波器，如圖所示：由于 具有阻抗平方量綱，即 式2.1式中l(wèi)f 濾波電感；cf 濾波

10、電容；r標(biāo)稱特性阻抗型濾波器的傳通條件為： , 式2.2低通濾波器的截止頻率 f c為 式2.3理論上可將c f 定在11 次諧波頻率左右，從而只需很小的lf 與cf 值。然而最低次諧波的理論計(jì)算值只能作為參考；由于變壓器繞制的偏差、功率晶體管動(dòng)態(tài)壓降或飽和壓降不一致以及各種非線性因素，實(shí)際電路中往往具有較高的二次與三次諧波電壓，故實(shí)際濾波器c f 的選取有時(shí)要低到三次或二次諧波頻率才能得到較好的正弦波形. 當(dāng)輸出電壓基波頻率為50hz 時(shí)，c f 通常選在100400hz 左右.且fc越低，諧波頻率處的衰耗將增大，可得到較好的正弦波。又因?yàn)樵谕◣?nèi)，只有當(dāng)負(fù)載電阻rl 等于特性阻抗（電阻性）

11、時(shí)才能使衰耗真正為零.經(jīng)計(jì)算知r=（0.50.8）rl，rl為變壓器原邊的輸入阻抗。 rl=4 式四已知負(fù)載電阻為3036。聯(lián)立式一、二、三、四，得cf4.1uf,故選取cf=6.8uf/250v， lf=27.2mh.5.工頻變壓器的設(shè)計(jì) 輸入電壓uinm為18v，輸出電壓uoutm 為36v，輸出電流要求能夠達(dá)到3a，具體設(shè)計(jì)過程為:(1)由pq磁芯的最大傳輸功率關(guān)系可知，至少需要pq2620型的磁芯。由于題目中并沒有體積要求，為了使最大傳輸效率達(dá)到最佳效果，選用了pq4040型磁芯。繞線窗口面積,其中p=50w，得p=10.6，其每伏輸入電壓對(duì)應(yīng)的線圈匝數(shù)，其中，算得t=5.35.5,取

12、每伏輸入電壓對(duì)應(yīng)的5.5匝線圈.(2)原邊線圈的匝數(shù) a1=5.5*18=99匝(3)副邊線圈的匝數(shù)a2=5.5*36=199匝經(jīng)過反復(fù)調(diào)試我們最終設(shè)計(jì)的工頻變壓器初級(jí)線圈用1.2mm的銅線繞了99匝，次級(jí)線圈用0.8mm的銅線繞了199匝.反饋線圈采樣0.2mm的銅線繞了9匝.6. 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)t1r730/30wr81/1wds11n5822c70.01r91mp0.6 圖2.3過流保護(hù)電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了過流保護(hù)，而且有自恢復(fù)功能。過流保護(hù)是采用在rs上采樣電壓，通過ds1和r9、c7把電壓的峰值送給單片機(jī).當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到輸出電流超過1.5a時(shí)，向ir2112發(fā)出過流信號(hào)，送至電流檢測(cè)端，

13、然后ir2112停止工作，使輸出回路斷開，達(dá)到過流保護(hù)。欠壓保護(hù)：輸入欠壓保護(hù)功能通過采集輸入電壓 ud，通過 單片機(jī)c8051f330芯片處理后，控制 mosfet 狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。如圖 39 所示，posetive 和 com 分別為輸入直流電壓 ud 的正負(fù)極端，經(jīng)測(cè)量電阻 r19和 r20 分壓和低通濾波器濾波后送入 中段口。7.頻率跟蹤電路t1r101kd21n4007d31n400732184u3alm393+5v+5vr1110kp0.1圖2.4 頻率跟蹤電路當(dāng)參考信號(hào)uref在給定范圍內(nèi)變化時(shí),若uf的頻率不等于uref，uf通過d2,d3和電壓比較器lm393將電平的翻轉(zhuǎn)情況通過

14、p0.1送給單片機(jī)，進(jìn)而調(diào)整輸出spwm脈寬，使得uf=uref。三、軟件設(shè)計(jì)1 程序算法：采用單片機(jī)c8051f330的i/ o 端口p 0.2 輸出spwm信號(hào)，p0.3輸出控制信號(hào),加上與非門74ls00和反向器74ls04,輸出如同所示的四路spwm波形，通過ir2112驅(qū)動(dòng)有四個(gè)irf630組成的h橋。圖3.1 輸出pwm波形圖采用不斷改變定時(shí)器值來實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷來臨時(shí)間的調(diào)整,從而調(diào)整高低電平的輸出時(shí)間,實(shí)現(xiàn)占空比的變化通過控制芯片計(jì)算每個(gè)開關(guān)周期下的pwm 脈寬,使每一載波周期內(nèi)逆變器輸出脈沖的面積和在同一載波周期內(nèi)希望得到的正弦波的面積相等。如圖3.2所示。 圖3.2用spwm代替

15、正弦半波假設(shè)希望得到的輸出正弦電壓為 式3.1式中um 為正弦波幅值, 從ta 到t b 區(qū)間的正弦波面積為 式3.2逆變器直流環(huán)節(jié)的電壓為ud , ta 到t b 區(qū)間的脈沖寬度為w ,則有 式3.3所以每個(gè)區(qū)間里的脈沖寬度為 式3.42 軟件流程圖程序初始化開 始啟動(dòng)ad轉(zhuǎn)換欠壓、過流關(guān)總中斷跟蹤頻率改變pwm脈寬圖3.3軟件流程圖四、 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析1. 測(cè)試儀器tpr3003-3c穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 ads1602c數(shù)字示波器三位半數(shù)字萬用表 交流調(diào)壓器2. 測(cè)試步驟(1) 最大功率點(diǎn)跟蹤:rs和rl在給定范圍內(nèi)變化是，用單片機(jī)采樣dc-ac變換器的輸入電壓ud，若ud不等與1/2us，

16、則調(diào)整spwm的脈寬。使.(2) 頻率跟蹤：當(dāng)fref在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，用單片機(jī)采樣正弦參考信號(hào)uref，若ff=furef，調(diào)整單片機(jī)輸出的pwm的脈寬，使uf的頻率ff=furef.(3)測(cè)試dc-ac效率：=72%(4)保護(hù)電路測(cè)試。 將輸出電壓調(diào)節(jié)到36v，將萬用表的直流電流擋串入輸出回路和負(fù)載之間，然后調(diào)整負(fù)載值，看顯示值達(dá)到1.6 a時(shí)系統(tǒng)能否恢復(fù)正常工作.然后將將萬用表的直流電壓擋接到uin的地方，看顯示值減小到24v時(shí)系統(tǒng)是否正常。結(jié)果表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過流、欠壓保護(hù)，而且具有自恢復(fù)功能。3. 結(jié)果分析 由于ir2112驅(qū)動(dòng)電路的充電電容參數(shù)的選取不完全合適，致使ho端不能夠很

17、快的釋放足夠的電荷驅(qū)動(dòng)cmos管充分導(dǎo)通，從而導(dǎo)致輸出波形有很大的諧波。五總結(jié)本系統(tǒng)以c8051f330為控制核心，控制pwm波形和輸入輸出電壓、電壓測(cè)量，最大頻率點(diǎn)跟蹤、最大頻率跟蹤等各個(gè)部分。ir2112設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)顯著,調(diào)速性能好,調(diào)速頻帶寬,所要求的控制信號(hào)簡(jiǎn)單。驅(qū)動(dòng)電路性能良好,安全性高.最大輸出電流可以達(dá)到1.5a，效率可以達(dá)到72%,而且具有過流保護(hù)和欠壓功能。 附錄一 參考文獻(xiàn)1正弦波逆變器/劉風(fēng)君編 . 科學(xué)出版社,20022電力電子變流技術(shù)/黃俊 王兆安編。 機(jī)械工業(yè)出版社 2009.13 dc-ac 逆變技術(shù)及其應(yīng)用/陳道煉編. 機(jī)械工業(yè)出版社,2003.114 ir

18、2110 功率驅(qū)動(dòng)集成芯片應(yīng)用 電子工程師第30 卷第10期 2004 年10月5基于ir2110 的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用和設(shè)計(jì)技巧 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2008年第35期附錄二 硬件原理圖附錄三 重要程序段#include c8051f330.hvoid init_device(void);unsigned int t=6800;xdata unsigned int tab30;unsigned char m=0,a,b;bit flag=0,flag1=0;sbit pwm=p02;sbit en=p03;void sx(void);unsigned char code tab130=8,92,25,7

19、5,40,60,53,47,65,35,73,27,78,22,80,20, 78,22,73,27,65,35,53,47,40,60,25,75,8,92;void main()init_device();sx();pwm=0;th1=0;tl1=0;tr1=1;while(1)void sx(void)unsigned char i;for(i=0;i30;i+)tabi=tab1i*(t/100);time1()interrupt 3 /th1=(65536-tabm)/256;tl1=(65536-tabm)%256; pwm=pwm;m+;if(m=30)m=0;en=en;voi

20、d pca_init() pca0md &= 0x40; pca0md = 0x00;void timer_init() tmod = 0x10;/tcon = 0x01;void port_io_init() / p0.0 - unassigned, open-drain, digital / p0.1 - unassigned, open-drain, digital / p0.2 - unassigned, open-drain, digital / p0.3 - unassigned, open-drain, digital / p0.4 - unassigned, open-drain, digital / p0.5 - unassigned, open-drain, digital / p0.6 - unassigned, o