太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)論文

1、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)摘 要本系統(tǒng)采用c8051f020為控制核心，實(shí)現(xiàn)了模擬太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)主要通過太陽能儲蓄電能，通過正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（spwm）控制全橋逆變將直流電變?yōu)榻涣麟?，再?jīng)過變壓器將電壓變?yōu)樗璧碾妷?。該系統(tǒng)具有最大功率追蹤（mppt），輸出電壓與給定參考電壓頻率、相位同步，欠壓、過流保護(hù)，欠壓保護(hù)的自動恢復(fù)等功能，且具有l(wèi)cd屏幕顯示功能。關(guān)鍵詞： c8051f020 spwm mppt 欠壓過流保護(hù) abstractthis system uses c8051f020 simulation of solar photovoltaic power generati

2、on system to control the core functions. the system is mainly electricity through the solar savings by sinusoidal pulse width modulation (spwm) control full-bridge inverter direct current into alternating current, and then through the transformer voltage into the required voltage. the system has the

3、 maximum power point tracking (mppt), output voltage with a given reference voltage frequency and phase synchronization, undervoltage, overcurrent protection, undervoltage protection, automatic recovery, and the lcd screen displaykeywords： c8051f020 spwm mppt under-voltage over-current protection目 錄

4、前 言1第1章總體設(shè)計方案31.1 dcac 逆變驅(qū)動方案31.2 顯示模塊的選擇41.3 mppt控制方案61.4 輸入電壓采集模塊61.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ad的選擇7第2章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計82.1 系統(tǒng)整體原理框圖82.2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計及參數(shù)計算82.2.1 控制器82.2.2 mppt的控制方法與參數(shù)計算102.2.3 同頻、同相的控制方法與參數(shù)計算112.2.4 提高效率的方法112.2.5 濾波參數(shù)計算122.2.6 全橋逆變電路122.2.7 開關(guān)管驅(qū)動電路132.2.8 電壓信號調(diào)理電路142.2.9 電流信號調(diào)理電路152.2.10 顯示電路16第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計193.1

5、 adc0的使用213.1.1 adc0使用出現(xiàn)的問題213.1.2 adc0使用注意事項(xiàng)213.1.3 adc0通道輸入保護(hù)223.1.4 adc0使用總結(jié)22第4章 系統(tǒng)測試234.1 測試方案與測試結(jié)果234.2 測試儀器24結(jié)束語25謝 辭26參考文獻(xiàn)27青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）前 言盡管尋找新能源的工作已經(jīng)有相當(dāng)?shù)臍v史了，但是世界性的環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)迫使人們更加努力的尋找和開發(fā)新能源。在尋找和開發(fā)新能源的過程中，人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源。光伏發(fā)電就是其中之一。雖然光伏發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用存在著種種的局限，但是隨著光伏發(fā)電成本的降低和礦物發(fā)電成本的提高以及礦物

6、能源的減少，總有一天光伏發(fā)電的成本將會與傳統(tǒng)發(fā)電成本相當(dāng)。到時侯，光伏發(fā)電將逐步進(jìn)入商業(yè)化階段。我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長。最近三年全球太陽能電池總產(chǎn)量平均年增長率高達(dá)49.8%以上。按照日本新能源計劃、歐盟可再生能源白 皮書、美國光伏計劃等推算，2010年全球光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到15gw(1500萬千瓦，屆時仍不到全球發(fā)電總裝機(jī)容量的1%)，至2030年全 球光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到300gw(屆時整個產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值有可能突破3000億美元)，至2040年光伏發(fā)電將達(dá)到全球發(fā)電總量的15%-20%。按此計 劃推算，2010-2040年，光伏行業(yè)的復(fù)合增長率將高達(dá)25%以上（參看資料

7、：15）。其中并網(wǎng)應(yīng)用會有較大的發(fā)展，從而形成并網(wǎng)發(fā)電(約46%)、 離網(wǎng)供電(約27%)和通訊機(jī)站(約21%) 3個主要應(yīng)用領(lǐng)域（參看資料：16）。太陽的能量對人類而言幾乎是無限的，但是實(shí)際上，在地球上能夠獲取太陽能資源的資源是有限的。并不象有些文章中所說的那樣巨大。例如，當(dāng)我們在 在屋頂安裝太陽能熱水器時，就失去了安裝太陽能電池的機(jī)會。除建筑物和荒漠外，在其他地點(diǎn)建設(shè)太陽能電池板群將是不現(xiàn)實(shí)和得不償失。這不僅僅是因?yàn)槌杀揪?大的原因，問題是顯而易見的，主要的問題是離開建筑物和荒漠來建設(shè)光伏發(fā)電站將破壞環(huán)境和生態(tài)，你會發(fā)現(xiàn)在太陽能電池板下面將寸草不生?？傊?，節(jié)能降耗是 人類的一個永恒話題。從

8、某種意義上講，淘汰舊技術(shù)和產(chǎn)品的同時，也就浪費(fèi)掉了當(dāng)初生產(chǎn)這些技術(shù)和產(chǎn)品的能源。出國考察的人往往會發(fā)現(xiàn)，西方發(fā)達(dá)國家有些場合還在使用20-30年代的產(chǎn)品和設(shè)備，他們并非要保護(hù)“古跡”，某種意義上講是在節(jié)約能源。新舊產(chǎn)品和技術(shù)的換代是要以耗費(fèi)能源為代價的，過快的產(chǎn)品更新?lián)Q代，將加快能源的消耗。當(dāng)然，這里需要有一個總體的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來判斷能耗。任何事物總是具有兩面性。目前有太多的文章介紹光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，這里有必要指出光伏發(fā)電的一些局限性。太陽能具有能量密度低,穩(wěn)定性差的弱點(diǎn),并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響。光伏發(fā)電的局限性包括以下幾個方面：1. 時間周期局限。由于光伏發(fā)電的條件是出太陽

9、時，光伏發(fā)電設(shè)備才能正常工作發(fā)電。因此，白晝黑夜，一年當(dāng)中春夏秋冬各個季節(jié)對光伏發(fā)電的負(fù)荷影響巨大。為了應(yīng)付這個情況，電網(wǎng)不得不配備相應(yīng)容量的發(fā)電機(jī)處于旋轉(zhuǎn)備用狀態(tài)。2. 地理位置局限。光伏發(fā)電設(shè)備基本上只能依附建筑物安裝建設(shè)，也就是所謂的光伏屋頂就地供電。如果離開建筑物來建設(shè)光伏發(fā)電，將會大大增加成本或者破壞環(huán)境和生態(tài)。3. 氣象條件局限。氣候?qū)夥l(fā)電影響。采用光伏并網(wǎng)發(fā)電無蓄電池方案時，如果一個城市上空的氣候大幅變化，將造成電力負(fù)荷的大幅波動；當(dāng)一個城市上空的空氣質(zhì)量比如空氣污染，或能見度變差比如霧天，陰天等都將使光伏發(fā)電在線或?qū)崟r出力下降。4. 容量傳輸局限。在解決了光伏發(fā)電的成本問題

10、后，大功率，高電壓，遠(yuǎn)距離從荒漠面積輸送電力到負(fù)荷中心，由于光伏發(fā)電沒有傳統(tǒng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣量，調(diào)速器及勵磁 系統(tǒng)，將給交流電網(wǎng)帶來新的經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定問題。不論采用交流或是直流高電壓大功率遠(yuǎn)距離從荒漠地區(qū)輸送電力，由于上述1，2，3的局限性將大大增加單位千瓦 的輸送成本。下面將會討論這個問題。5. 光能轉(zhuǎn)換效率偏低。和傳統(tǒng)能源（礦物能源，石油，水能，原子能，等）的轉(zhuǎn)換效率相比，光伏能量的轉(zhuǎn)換效率不能令人滿意。進(jìn)入70年代后，由于2次石油危機(jī)的影響，光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度重視，發(fā)展非常迅速。從遠(yuǎn)期看，光伏發(fā)電將以分散式電源進(jìn)入電力市場，并部分取代常規(guī)能源。不論從近期和從近期看，光伏發(fā)電可以作為常規(guī)

11、能源的補(bǔ)充，在解決特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如通信、信號電源，和邊遠(yuǎn)無電地區(qū)民用生活用電需求方面，從環(huán)境保護(hù)及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)在以下幾個方面：1. 充分的清潔性。 （如果采用蓄電池方案，要考慮對廢舊蓄電池的處理）2. 絕對的安全性。 （并網(wǎng)電壓一般在220v以下）3. 相對的廣泛性。4. 確實(shí)的長壽命和免維護(hù)性。5. 初步的實(shí)用性。6. 資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等。第1章 總體設(shè)計方案系統(tǒng)包括模擬光伏電池、dc-ac變換電路、驅(qū)動電路、欠壓過流保護(hù)、電壓電流采樣電路、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等幾個主要部分。全橋式逆變電路是核心部分，控制部分利用閉環(huán)反饋法實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，采用增量

12、導(dǎo)納法逐步調(diào)節(jié)spwm波的調(diào)制比實(shí)現(xiàn)mppt控制，采用頻率跟蹤法和沿觸發(fā)同步跟蹤法實(shí)現(xiàn)頻率和相位的跟蹤功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測到輸入欠壓或輸出過流動作時，通過控制繼電器切斷光伏電池輸出，當(dāng)故障解除后，系統(tǒng)利用試觸法實(shí)自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)的功能。模擬并網(wǎng)輸出模擬光伏電池dc-ac逆變器輸出電壓電感電流采樣spwm波驅(qū)動信號輸入電壓采樣欠壓過流保護(hù) uref頻率相位采樣前處理系統(tǒng)狀態(tài)顯示c80051f020控制單元 圖1 光伏并網(wǎng)模擬裝置結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)主要涉及以下幾部分器件的選擇：（1）dcac 逆變驅(qū)動方案（2）顯示模塊的選擇（3）mppt控制方案比較（4）輸入電壓采集模塊（5） 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ad的選擇1

13、.1 dcac 逆變驅(qū)動方案 方案一：用dsp或fpga產(chǎn)生spwm信號驅(qū)動半橋或全橋式dc-ac變換器，經(jīng)輸出lc濾波后得到逆變信號。此方案的缺點(diǎn)在于spwm控制為開環(huán)，在功率電源和負(fù)載變化時難以保重波形的失真度滿足題目要求。 方案二：采用硬件技術(shù)，分別產(chǎn)生三角波和正弦波，用以產(chǎn)生spwm波形。此方案設(shè)計思路簡單，實(shí)現(xiàn)的spwm波形占空比從0到100%可調(diào)，但是該方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。方案三：使用8位單片機(jī)c8051f020它是silicon laboratories生產(chǎn)得一種完全集成的混合信號系統(tǒng)級mcu芯片，具有64個數(shù)字i/o引腳，（c8051f020）是一種增強(qiáng)型得51單片機(jī)系列。它具有高速

14、、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的cip-51內(nèi)核（可達(dá)25mips），高速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)），真正12 位（c8051f020）100ksps的8通道adc，并且片內(nèi)的adc可以實(shí)現(xiàn)單端輸入或者是差分方式，這樣就可以很方便的采集到電壓差。帶pga和模擬多路開關(guān)，真正8位500ksps的adc，帶pga和8通道模擬多路開關(guān)，兩個12 位dac，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式，64k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的flash 存儲器，4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)ram，可尋址64k字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口，硬件實(shí)現(xiàn)的spi、smbus/ i2c和兩個uart 串行接口，5個通用的16位定時

15、器，具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列，片內(nèi)看門狗定時器、vdd 監(jiān)視器和溫度傳感器，具有片內(nèi)vdd 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的c8051f020/1/2/3 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。綜上所述：c8051f020能產(chǎn)生所需的spwm波形驅(qū)動所需的電路而且本系統(tǒng)就是利用c8051f020作為控制器，故選用方案三。 1.2 顯示模塊的選擇圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊具有信息豐富(可顯示漢字、字符、曲線、圖形) 、功耗低、體積小、質(zhì)量輕、壽命長、不產(chǎn)生電磁輻射污染等優(yōu)點(diǎn)，因而是單片機(jī)系統(tǒng)理想的顯示器件。而我們采用的ocm4x8c是12864點(diǎn)陣的中文圖文液晶顯示器模塊。該模塊的內(nèi)部

16、由于含有國標(biāo)一級簡體字庫，使得漢字的顯示異常方便；同時，該模塊的硬件接口與單片機(jī)的硬件接口電路教為簡單。ocm4x8c主要特點(diǎn)及引腳定義如下。ocm4x8c是具有串/并接口，具內(nèi)部含有中文字庫的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊。該模塊的控制/驅(qū)動器采用臺灣矽創(chuàng)電子公司的st7920，因而具有較強(qiáng)的控制顯示功能。ocm4x8c的液晶顯示屏為12864點(diǎn)陣，可顯示4行、每行8個漢字。為了便于簡單、方便地顯示漢字，該模塊具2mb的中文字型cgrom，該字型rom中含有8192個1616點(diǎn)陣中文字庫；同時，為便于英文和其它常用字符的顯示，具有16kb的168點(diǎn)陣的ascii字符庫；為便于構(gòu)造用戶圖形，提供了一個6

17、4256點(diǎn)陣的gdram繪圖區(qū)域，且為了便于構(gòu)造用戶所需字型，提供了4組1616點(diǎn)陣的造字空間。利用上述功能，ocm4x8c可實(shí)現(xiàn)漢字、ascii碼、點(diǎn)陣圖形、自造字體的同屏顯示。為便了和多種微處理器、單片機(jī)接口，模塊提供4位并行、8位并行、2線串行、3線串行多種接口方式。該模塊具有2.75.5v的寬工作電壓范圍，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可滿足系統(tǒng)各種工作電壓及便攜式儀器低功耗的要求。液晶模塊顯示負(fù)電壓，也由模塊提供，從而簡化了系統(tǒng)電源設(shè)計。模塊同時還提供led背光顯示功能。除此之外，模塊還提供了畫面清除、游標(biāo)顯示/隱藏、游標(biāo)歸位、顯示打開/關(guān)閉、顯示字符閃爍、游標(biāo)移位、顯示移位、垂

18、直畫面旋轉(zhuǎn)、反白顯示、液晶睡眠/喚醒、關(guān)閉顯示等操作指令。ocm4x8c具有串/并多種接口方式，方便了模塊與各種單片機(jī)、微處理器的連接。第一種，4/8位并行接口方式。當(dāng)模塊的psb腳接高電平時，模塊即進(jìn)入并行接口模式。在并行模式下可由功能設(shè)定指令的“dl”位來選擇8位或4接口方式，主控制系統(tǒng)將配合“rs”、“rw”、“e”db0db7來完成指令/數(shù)據(jù)的傳送，其操作時序與其它并行接口液晶顯示模塊相同。第二種，2/3線串行接口方式。當(dāng)模塊的psb腳接低電平時，模塊即進(jìn)入串行接口模式。串行模式使用串行數(shù)據(jù)線sid與串行時鐘線sclk來傳送數(shù)據(jù)，即構(gòu)成2線串行模式。ocm4x8c還允許同時接入多個液晶

19、顯示模塊以完成多路信息顯示功能。此時，要利用片選端“cs”構(gòu)成3線串行接口方式，當(dāng)“cs”接高電位時，模塊可正常接收并顯示數(shù)據(jù)，否則模塊顯示將被禁止。通常情況下，當(dāng)系統(tǒng)僅使用一個液晶顯示模塊時，“cs”可連接固定的高電平?！皉e”為基本指令集與擴(kuò)充指令集的選擇控制位。當(dāng)變更“re”后，以后的指令集將維持在最后的狀態(tài)，除非再次變更“re”位，否則使用相同指令集時，無需每次均重設(shè)“re”位。本系統(tǒng)主要利用ocm4x8c的3線串行接口方式工作。ocm4x8c模塊的psb腳接低電平，模塊處于串行接口模式。串行模式使用串行數(shù)據(jù)線sid與串行時鐘線sclk來傳送數(shù)據(jù)。單片機(jī)的p1.5口接液晶模塊的sclk

20、 引腳。p1.6口接sid引腳。利用p1.7口控制片選端“rs”構(gòu)成3線串行接口方式，此時ocm4x8c允許同時接入多個液晶顯示模塊以完成多路信息顯示功能。當(dāng)“rs”接高電位時，模塊可正常接收并顯示數(shù)據(jù)，否則模塊顯示將被禁止。通常情況下，當(dāng)系統(tǒng)僅使用一個液晶顯示模塊時，“rs”可連接固定的高電平。單片機(jī)與液晶模塊之間傳送1字節(jié)的數(shù)據(jù)共需24個時鐘脈沖。首先，單片機(jī)要給出數(shù)據(jù)傳輸起始位，這里是以5個連續(xù)的“1”作數(shù)據(jù)起始位，如模塊接收到連續(xù)的5個“1”，則內(nèi)部傳輸被重置并且串行傳輸將被同步。緊接著，“rw”位用于選擇數(shù)據(jù)的傳輸方向(讀或?qū)?，“rs”位用于選擇內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器或指令寄存器，最后的第

21、8位固定為“0”。在接收到起始位及“rw”和“rw”的第1個字節(jié)后，下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)或指令將被分為2個字節(jié)來串行傳送或接收。數(shù)據(jù)或指令的高4位，被放在第2個字節(jié)串行數(shù)據(jù)的高4位，其低4位則置為“0”；數(shù)據(jù)或指令的低4位被放在第3個字節(jié)的高4位，其低4位也置為“0”，如此完成一個字節(jié)指令或數(shù)據(jù)的傳送。需要注意的是，當(dāng)有多個數(shù)據(jù)或指令要傳送時，必須要等到一個指令完成執(zhí)行完畢后再傳送下一個指令或數(shù)據(jù)，否則，會造成指令或數(shù)據(jù)的丟失。這是因?yàn)橐壕K內(nèi)部沒有發(fā)送/接收緩沖區(qū)。1.3 mppt控制方案方案一：擾動觀測法（p&o）。其原理是每隔一定的時間增加或者減少電壓，并觀測其后的功率變化方向，來決定下一

22、步的控制信號。方案二：增量電導(dǎo)法（inc）。對光伏電池的電壓和電流進(jìn)行采樣，通過比較光伏電池的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來改變控制信號。方案二和方案一均是通過擾動逐步使光伏電池逼近最大功率點(diǎn)，但方案二較方案一更具優(yōu)勢，其避免了擾動觀測法的盲目性，控制精確，響應(yīng)速度快，且光伏電池的輸出電壓能平穩(wěn)追隨環(huán)境的變化，穩(wěn)態(tài)振蕩小，故選用方案二。 1.4 輸入電壓采集模塊方案一：霍爾電壓互感器采集方案。使用霍爾電壓型傳感器，可以實(shí)現(xiàn)隔離的采集電壓，采集電壓精確、實(shí)時。但是這主要應(yīng)用于實(shí)際發(fā)電系統(tǒng)中的高壓采集。而本題中的模擬光伏發(fā)電裝置的輸入電壓端為30v左右，一般的霍爾電壓型傳感器使用在高電壓的場合，因此我們放棄

23、此方案方案二：使用電阻分壓采集方案，由于輸入的電壓不高，使用高阻值的電阻進(jìn)行分壓，得到一個較小的電壓，送入a/d進(jìn)行采集。這種方案，簡單易行，容易進(jìn)行程序的控制，而且不會擔(dān)心接入其它元件對電路中電流電壓產(chǎn)生影響。而且經(jīng)過計算，使用電阻分壓的采集方案，消耗的功率要小于使用霍爾電壓互感器的方案。因此，在本題的模擬光伏發(fā)電裝置中，我們使用此方案。1.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ad的選擇方案一 ：選擇外部a/d選擇ti公司生產(chǎn)的tl2543,該芯片是ti公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換精度為12為的串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片?？刂齐娐泛唵危瑑H需要d_in、d_out、cs、 clk四個通道就可以實(shí)現(xiàn)控制，外圍電路簡單。但是在選用tlc25

24、43的時候，需要為其制作專門的基準(zhǔn)電源，并且制作tlc2543的電路板極其需要注意電磁干擾問題，稍有不慎就會造成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的波動，為了盡量避免轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的波動造成的電路狀態(tài)不穩(wěn)定，放棄此方案。方案二 ： 選擇內(nèi)部adc0c8051f020內(nèi)部帶有兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換功能單元，分別是12位的adc0和8位的adc1。12位的adc0轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到100ksps，8為的adc1更是可以達(dá)到500ksps，在本系統(tǒng)中主要是要求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，對速度的要求不是很高，因此選擇內(nèi)部的adc0，于采用外部模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片相比，不僅僅有利于增加電路的穩(wěn)定性和提高電路狀態(tài)的可靠性，而且可以降低整個系統(tǒng)的功率損耗，盡最大可能的

25、將功率輸送給外部負(fù)載。綜上所述，選擇內(nèi)部adc0作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。第2章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計2.1 系統(tǒng)整體原理框圖模擬并網(wǎng)輸出模擬光伏電池dc-ac逆變器輸出電壓電感電流采樣spwm波驅(qū)動信號欠壓過流保護(hù)輸入電壓采樣 uref頻率相位采樣前處理c80051f020控制單元系統(tǒng)狀態(tài)顯示 圖2.1 光伏并網(wǎng)模擬裝置結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)包括模擬光伏電池、dc-ac變換電路、驅(qū)動電路、欠壓過流保護(hù)、電壓電流采用電路、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等幾個主要部分。全橋式逆變電路是核心部分，控制部分利用閉環(huán)反饋法實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，采用增量導(dǎo)納法逐步調(diào)節(jié)spwm波的調(diào)制比實(shí)現(xiàn)mppt控制，采用頻率跟蹤法和沿觸發(fā)同步跟蹤法實(shí)現(xiàn)頻率和相

26、位的跟蹤功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測到輸入欠壓或輸出過流動作時，通過控制繼電器切斷光伏電池輸出，當(dāng)故障解除后，系統(tǒng)利用試觸法實(shí)自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)的功能。2.2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計及參數(shù)計算2.2.1 控制器控制器采用silicon laboratories的c8051f020系列單片機(jī)。該單片機(jī)與mcs51單片機(jī)完全兼容。c8051f020器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級 mcu 芯片，具有64個數(shù)字i/o引腳（c8051f020）。高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的cip-51內(nèi)核（可達(dá)25mips）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)），真正12位（c8051f020/1）或10位（c8051f022/3

27、）、100 ksps的8通道adc，帶pga和模擬多路開關(guān)真正8位500 ksps的adc，帶pga和8通道模擬多路開關(guān)兩個12位dac，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式64k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的flash存儲器4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)ram可尋址64k字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口硬件實(shí)現(xiàn)的 spi、smbus/ 和兩個uart串行接口5個通用的16位定時器具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列。片內(nèi)看門狗定時器、vdd監(jiān)視器和溫度傳感器，具有片內(nèi) vdd 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的 c8051f020 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/

28、禁止和配置。flash 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新 8051 固件。片內(nèi) jtag調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 mcu進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用jtag調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。每個mcu都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）內(nèi)用2.7v-3.6v的電壓工作。端口 i/o、/rst 和 jtag 引腳都容許5v的輸入信號電壓。對于本設(shè)計，單片機(jī)的i/o口和存儲器足夠，無需外擴(kuò)i/o口和存儲器，故只要做出單片機(jī)的最

29、小系統(tǒng)板即可，在該系統(tǒng)板上僅僅做了它的供電電源，晶振和i/o口插腳。c8051f020的最小系統(tǒng)pcb圖如圖2.2.1所示：圖2.2.1 c8051f020最小系統(tǒng)pcb布線圖2.2.2 mppt的控制方法與參數(shù)計算1）實(shí)現(xiàn)mppt的算法采用增量電導(dǎo)法，簡稱inccond法。對于光伏陣列某一固定p-u曲線如圖2所示，在其最大值pm 處的斜率為零，所以有：=0，即 （1）當(dāng)u=um時，有=0；當(dāng)uum時，有0；當(dāng)u0。即： (uum) （3）(u=um) （4）可以根據(jù)與之間的關(guān)系來調(diào)整工作電壓而達(dá)到mppt的目的。當(dāng)du=0時，光伏電池的工作點(diǎn)電壓沒變，此時外界條件可能會發(fā)生變化，導(dǎo)致工作點(diǎn)在

30、不同的輸出特性曲線之間轉(zhuǎn)移。若di=0，說明外界條件沒有變化，仍工作于最大功率點(diǎn)；若di0，說明工作點(diǎn)向功率增大的方向變化，輸出特性曲線上移，原來的工作點(diǎn)位于當(dāng)前最大功率點(diǎn)的左側(cè)，此時應(yīng)增大電壓，即增加spwm波的調(diào)制比；反之，若di0，應(yīng)增大調(diào)制比。 圖2 光伏電池p-u曲線當(dāng)時，說明工作點(diǎn)正處于最大功率點(diǎn)的左側(cè)，應(yīng)該繼續(xù)增大工作電壓，即增加spwm波的調(diào)制比，反之，若，則應(yīng)減小調(diào)制比，若，則維持在最大功率點(diǎn)。2）擾動步長的調(diào)整。要準(zhǔn)確快速的實(shí)現(xiàn)mppt功能，的設(shè)置很關(guān)鍵，設(shè)置過大，會導(dǎo)致跟蹤過程可能跨越最大功率點(diǎn)，使工作點(diǎn)在pm點(diǎn)處震蕩，甚至始終無法達(dá)到最大功率點(diǎn)；過小，會導(dǎo)致跟蹤速度減慢

31、，系統(tǒng)的動態(tài)效應(yīng)差，且可能不滿足題目指標(biāo)。本系統(tǒng)采用可變擾動步長，根據(jù)每次i、u測量和計算的結(jié)果不斷調(diào)整步長，當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時，增大，使工作點(diǎn)電壓變化加快，當(dāng)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近時，減小，減少震蕩。的確認(rèn)可采用模糊控制法。2. 同頻、同相的控制方法與參數(shù)計算頻率跟蹤的實(shí)現(xiàn) 使用過零比較電路，使用單片機(jī)的定時器和計時器進(jìn)行計數(shù)，獲得參考信號源的頻率，然后調(diào)整spwm波的占空比，使得輸出波形的頻率和參考信號源的頻率一致，實(shí)現(xiàn)頻率的跟蹤。相位跟蹤的實(shí)現(xiàn) 使用過零比較電路，對將變壓器端得反饋電壓和參考信號源的相位進(jìn)行比較，根據(jù)相位差的值，調(diào)整spwm脈寬產(chǎn)生的時間，從而實(shí)現(xiàn)相位的同步。2.

32、2.3 同頻、同相的控制方法與參數(shù)計算1）同頻的控制方法與參數(shù)計算我們采用頻率跟蹤法來實(shí)現(xiàn)參考信號與反饋信號的同頻控制。在頻率跟蹤法中，我們采用測周期法來測量參考電壓的頻率。將參考信號作為門限，在fpga中用計數(shù)器記錄在此門限內(nèi)的fpga時鐘脈沖數(shù)n，從而確定參考信號的頻率fxfo/n，其中fo為fpga的時鐘頻率為40m，當(dāng)選定高頻時鐘脈沖而被測信號頻率較低時可以獲得很高的精度。由于參考信號與時鐘信號的上升沿（或下降沿）不能保證同步，因而此方法存在的量化誤差為一個基準(zhǔn)信號周期to，測量相對誤差為：to/tx10-5。當(dāng)測得參考信號的頻率f后，調(diào)節(jié)dds使其輸出正弦調(diào)制信號頻率為f，則dc-a

33、c的輸出電壓的頻率為f，因?yàn)樽儔浩魅@組上信號同頻，故反饋信號的頻率為f，即實(shí)現(xiàn)參考信號與反饋信號同相。本測頻跟蹤法是一種實(shí)時測量。2）同相的控制方法與參數(shù)計算我們采用沿觸發(fā)同步跟蹤法，其包括沿觸發(fā)和相位補(bǔ)償兩部分。對參考信號進(jìn)行過零比較獲得方波信號，以其過零點(diǎn)上升沿作為觸發(fā)信號讀取正弦波表零地址進(jìn)行spwm波的調(diào)制，則逆變器輸出端電壓與參考信號同相，又在負(fù)載端接線性負(fù)載時，變壓器三繞組上信號基本同相，且當(dāng)負(fù)載端接非線性負(fù)載時，變壓器三繞組上信號有相位差，差值極小，即參考信號與反饋信號存在一定范圍內(nèi)的相位差，故可利用軟件算法在小范圍內(nèi)進(jìn)行相位補(bǔ)償，則可快速實(shí)現(xiàn)同相控制。此相位補(bǔ)償是依據(jù)參考信號

34、與反饋信號有一較小范圍的相位差而采用的快速補(bǔ)償法。我們可根據(jù)這一范圍大致得出spwm控制波中正弦調(diào)制波應(yīng)改變的相移大小，進(jìn)而有方向的調(diào)節(jié)dds輸出信號的相位值進(jìn)行相位補(bǔ)償而實(shí)現(xiàn)同相。2.2.4 提高效率的方法該系統(tǒng)內(nèi)部的損耗主要集中在變壓器、開關(guān)管等器件，因此，做好這些器件的吸收緩沖電路和正確的參數(shù)選擇是提高此系統(tǒng)效率的有效途徑。實(shí)現(xiàn)方案是：（1）在開關(guān)管后加rc吸收緩沖回路。合理的吸收緩沖回路，不但降低了功率器件的浪涌電壓和浪涌電流，而且還降低了器件的開關(guān)損耗和電磁干擾，避免了器件的二次擊穿。（2）選擇導(dǎo)通電阻小的開關(guān)管，減小開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。我們采用irf540z,它是功率mosfet管，

35、其rds77m,導(dǎo)通壓降小，開關(guān)速度快。（3）選擇合適的spwm載波頻率。開關(guān)管的導(dǎo)通損耗會隨著系統(tǒng)的工作頻率的增大而增大，為降低開關(guān)損耗，同時又避開音頻噪聲，選取spwm載波頻率30khz。2.2.5 濾波參數(shù)計算spwm波形中所含的諧波主要是載波角頻率及其奇次諧波。本系統(tǒng)采用載波頻率為30khz，遠(yuǎn)大于調(diào)制信號角頻率，濾波較易實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中逆變器輸出頻率為4555hz， lc濾波器截止頻率，元件參數(shù)取l=1mh，c=10f，計算截止頻率為1.59khz，滿足設(shè)計要求。2.2.6 全橋逆變電路逆變電路拓?fù)溥x擇全橋電路，使用雙極性spwm進(jìn)行控制，輸出正弦波形。全橋逆變電路如圖2.2.6 所示，

36、由兩個功率mosfet組成的橋臂加上一個lc濾波器組成。由此系統(tǒng)知mosfet管漏源兩端的最大電壓為60v，直流母線上的最大電流為3a。故我們選用n溝道功率mosfet管irf540，它具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小、柵極電容小和無二次擊穿等顯著特點(diǎn)。其耐壓100v，漏極最大電流28a，導(dǎo)通電阻為0.077，柵極電容為1700pf，充分滿足題目要求。另外選用ir2110作為半橋驅(qū)動芯片，它具有自舉浮動電源，最大驅(qū)動電流2a，驅(qū)動電壓10-20v,能驅(qū)動的最大直流母線電壓為500v,最大工作頻率500khz，具有電源欠壓保護(hù)關(guān)斷邏輯和低壓延時封鎖功能。vd1、vd2采用肖特基二極管，加快充放電速度，

37、并采用rc緩沖吸收回路對mosfet管進(jìn)行保護(hù)。圖2.2.6 全橋逆變電路在小功率場合，功率mosfet以其更快的開關(guān)速度和更小的通態(tài)損耗而受到青睞。本系統(tǒng)即采用功率mosfet作為全橋逆變電路的功率開關(guān)。逆變橋每個mosfet承受的最大電壓理論上為電源電壓，考慮到硬開關(guān)過程不可避免的電壓過沖，需要留一定裕量，取1.5倍電源電壓，即題目要求過流保護(hù)點(diǎn)，此時開關(guān)管流過最大電流約為根據(jù)上述條件，并盡量減小通態(tài)損耗和成本，我們選擇了irf540，irf540的源漏極擊穿電壓為100v，源漏極可流過最大電流28a（tc=25），符合要求，且通態(tài)電阻只有0.077，導(dǎo)通損耗很小。濾波電感采用環(huán)形鐵硅鋁磁

38、芯繞制。2.2.7 開關(guān)管驅(qū)動電路功率mosfet的驅(qū)動電路選用ir公司的芯片ir2110，電路如圖2.2.7所示。相比與用分立元件搭的驅(qū)動電路，選用ir2110芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路外圍電路簡單，可以驅(qū)動一個橋臂上下兩個功率mosfet，可靠性高。圖2.2.7 開關(guān)管驅(qū)動電路ir2110是美國國際整流器公司(international rectifier company )利用自身獨(dú)有的高壓集成電路及無門鎖c m o s 技術(shù), 于19 90 年前后開發(fā)并投放市場的大功率m o s f e t 和ig b t 專用驅(qū)動集成電路, 已在電源變換、馬達(dá)調(diào)速等功率驅(qū)動領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。該電路芯片

39、體積小(dip1 4 ) ,集成度高(可驅(qū)動同一橋臂兩路) , 響應(yīng)快( ton /tof= 120/94 n s ) , 偏值電壓高(闕值？過流保護(hù)否計算一個工頻周期ud的平均值是是ud闕值？欠壓保護(hù)本系統(tǒng)中軟件設(shè)計主要是通過單片機(jī)的系統(tǒng)控制和單片機(jī)內(nèi)部a/d。最重要的部分是采樣電阻將電壓值送入內(nèi)部a/d后，內(nèi)部a/d的精度問題最為重要。采用內(nèi)部基準(zhǔn)，并且利用12位的adc0進(jìn)行采樣，這樣基本上就可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。在進(jìn)行a/d數(shù)據(jù)采集時我們需要將采集到的電壓值在數(shù)碼管上顯示出來，所以通過電壓采樣后，然后通過matlab中的polyfit（）函數(shù)進(jìn)行擬合，獲得函數(shù)中需要的系數(shù)進(jìn)行顯示。在

40、進(jìn)行系統(tǒng)的軟件調(diào)試的時候，為了系統(tǒng)調(diào)試方便選擇了c8051f020的開發(fā)板，因?yàn)樯厦嬗袛?shù)碼管顯示，可以將采集到的各個電壓電流數(shù)值顯示出來，省下利用看內(nèi)部存儲器來判斷采集到的數(shù)值，方便調(diào)試。3.1 adc0的使用3.1.1 adc0使用出現(xiàn)的問題（1）第一次使用時，忽略了單片機(jī)開發(fā)板與外界共地的問題，造成采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題。（2）在采集光照強(qiáng)度的時候，因?yàn)榈谝淮坞娐凡环€(wěn)定，出現(xiàn)負(fù)電壓，造成通道0的不可逆轉(zhuǎn)性損壞。（3）在測量采樣電阻兩端電壓時，只考慮采樣電阻兩端的電壓差值，忽視了每端的對地電壓（每端的對地電壓均超出adc0的電壓基準(zhǔn)值），造成通道4和通道5的不可逆轉(zhuǎn)性損壞。3.1.2 adc0

41、使用注意事項(xiàng)（1）在adc0的使用中，關(guān)于軟件方面最關(guān)鍵的就是寄存器的配置問題，最主要的寄存器主要有以下五個，分別為：amx0cf（輸入方式選擇）、amx0sl（通道選擇）、adc0cf（轉(zhuǎn)換頻率設(shè)定）、 adc0cn（轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志）、 ref0cn（電壓基準(zhǔn)選擇）。寄存器配置完成后要注意對中斷的操作。（2）adc0基準(zhǔn)電壓的選擇：一般情況下，選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，因?yàn)檫x擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓可以是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確，最大程度的避免外界的干擾。當(dāng)選擇外部的基準(zhǔn)電壓時，一定要注意基準(zhǔn)電壓不能大于5v，并且一定要選擇穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓芯片，比如tlc431,ref5050等。（3）對于adc0的i/o輸入，一

42、定控制電壓幅值，不能出現(xiàn)負(fù)電壓，電壓也不能超過adc0的基準(zhǔn)值，否則就會對通道造成不可恢復(fù)的損壞。尤其是在差分輸入時，不僅僅要考慮采樣電阻兩端的電壓差值，更要注意每一端的對地電壓值。（4）當(dāng)通道配置為差分輸入時，adc0 數(shù)據(jù)字格式為 2 的補(bǔ)碼，因此需要對這個數(shù)據(jù)值進(jìn)行處理。（5）在進(jìn)行多個數(shù)據(jù)采集時，一定要加上一定的延時（單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘太快），讓a/d有足夠的時間完成任務(wù)，并且在存儲數(shù)據(jù)時采樣兩次，需要舍棄第一次的采樣數(shù)值，第二次才是真正輸入電壓的采樣數(shù)值。（6）在adc0的使用中，一定要注意整個系統(tǒng)的共地問題。3.1.3 adc0通道輸入保護(hù)adc0一共有4個通道作為輸入，分別是采集光

43、照強(qiáng)度、蓄電池的充電電流、蓄電池電壓和負(fù)載供電電流。在采集光照強(qiáng)度時，通過利用lm324設(shè)計減法電路，使電壓限定在0.3v到2.4v之間，滿足i/o口的輸入要求；對蓄電池的充電電流和負(fù)載供電電流進(jìn)行檢測時，選擇把采樣電阻放置在蓄電池負(fù)極和地之間、負(fù)載和地之間，這樣放置后，就可以把采樣電阻的電壓設(shè)定在2.4v以下（采樣電阻分別選擇1歐姆和0.5歐姆），但是現(xiàn)在蓄電池的充電電流就為這兩個采樣電阻上電流之和，通過內(nèi)部軟件運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。蓄電池電壓為12v，為了滿足a/d的輸入要求，通過分壓電阻將電壓降至1.2v，這樣就可以送給a/d的通道輸入要求了。3.1.4 adc0使用總結(jié)盡管在adc0的使用中，出現(xiàn)

44、了這樣那樣的問題，并且造成了adc0的一部分通道的損壞，但是最終還是搞清楚了它的使用方法和需要注意的地方，為以后使用adc0提供了經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，付出一些代價還是可以接受的。只要能夠在使用adc0進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時，足夠的細(xì)心和認(rèn)真，上面的所有問題就都可以克服。第4章 系統(tǒng)測試4.1 測試方案與測試結(jié)果按題目要求進(jìn)行測試，并將量化的測試結(jié)果匯總到表4.1。表4.1 系統(tǒng)測試結(jié)果序號測試項(xiàng)目測試結(jié)果（1)最大功率點(diǎn)跟蹤功 能rl=30時，測量rs=30和rs=36時的ud，分別記為ud1和ud2us=57.6 vud1=28.9 v，ud2=29.0vrs=30時，測量rl=30和rl=36時的ud，分

45、別記為ud1和ud2us=57.6 vud1=28.9 v，ud2=28.9v(2)頻率跟蹤功能：rs=rl=30時，測量不同fref下的fffref=45hzff=44.96hzfref=50hzff=50.04hzfref=55hzff=55.03hz(3)rs=rl=30時，測量效率：60%滿分，每降低1%扣1分uo1= 11.34 v io1= 1.94 aud= 29.1 v id= 0.88 a= 84 %(4)rs=rl=30時，測量uo的失真度：thd 5%滿分，每增加1%扣1分thd 2%(5)欠壓保護(hù)欠壓保護(hù)功能：有；動作電壓ud（th）=25.02v(6)過流保護(hù)功能過流保護(hù)功能：有；動作電流io（th）=15.0a(7)相位跟蹤功能：rs=rl=30時，測uf與uref的相位差測量不同fref下的約2測量容性負(fù)載下的約2(8)自動恢復(fù)功能欠壓保護(hù)有自動恢復(fù)功能(9)其他輸入電壓、輸出頻率以及工作狀態(tài)（正常、欠壓、過流）lcd顯示4.2 測試儀器示波器 tektronis tds3012b 直流輔助電源 qj-3003s功率直流穩(wěn)壓電源 df1731 萬用表 fluke 15