基于MC9S12XS128光伏并網發(fā)電模擬裝置設計

1、基于mc9s12xs128光伏并網發(fā)電模擬裝置設計摘要：太陽能作為一種高效無污染的新能源，一種未來世紀常規(guī)能源的替代品。目前，太陽能光伏并網發(fā)電是太陽能光伏的重要應用之一。文中采用了一種高性能mc9s12xs128單片機控制實現(xiàn)了光伏并網發(fā)電模擬裝置的系統(tǒng)設計。正弦逆變系統(tǒng)作為并網發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，實現(xiàn)將光伏直流電逆變成工頻交流電，送入電網，實現(xiàn)并網目的。在分析光伏并網發(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pi控制策略，并采用恒定電壓跟蹤法實現(xiàn)了最大頻率點跟蹤（mppt）功能。實驗測試表明，該模擬裝置能較好的滿足并網發(fā)電系統(tǒng)的各項指標要求。關鍵詞： 光伏并網發(fā)電；正弦逆變電路

2、；最大頻率點跟蹤；模糊控制的自適應pi調節(jié) 2光伏并網發(fā)電是通過把太陽能轉化為電能，不經過蓄電池的儲能，而直接通過并網逆變器，把電能送上電網。據(jù)有關專家們估計，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所示為一個光伏并網發(fā)電模擬裝置結構框圖。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)是并網發(fā)電系統(tǒng)的核心，其逆變輸出的工頻交流電的質量直接影響電網質量。圖1 并網發(fā)電模擬裝置框圖一、 光伏并網發(fā)電模擬裝置設計方案1逆變電路方案根據(jù)設計要求，為一小功率光伏并網發(fā)電模擬裝置，故選用電壓型單相逆變電

3、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構簡單，在直流側接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結點便成為直流電源的中點，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臀聯(lián)結點之間。所用器件較少，工作簡單。 方案二：采用電壓型單相橋式逆變電路。采用h型電路結構，共有4個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。 比較以上兩種方案，半橋逆變電路簡單，使用器件少，但交流電壓幅值為直流電壓的一半，直流側需兩電容器串聯(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計中，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。

4、比例（p）環(huán)節(jié)對給定信號和反饋信號之間的誤差進行實時放大，一旦有誤差信號產生，控制立即起作用，以減少誤差。積分（i）環(huán)節(jié)，對誤差進行連續(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、靜態(tài)性能。方案二：采用模糊控制。模糊控制技術基于模糊數(shù)學理論，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、適應性和合理性提高，模糊控制能夠在精確和簡單之間取得平衡，有效地對復雜事物作出判斷和處理。 方案三：采用重復控制。重復控制理論是一種基于內模原理的控制理論，是在重復信號發(fā)生器的作用下，控制器進行著逐周期積分控制，通過對波形誤差的逐周期補償，以抑制周期性的擾動信號2。比較以上

5、三種方案， 方案一pi控制概念清晰，容易數(shù)字化實現(xiàn)，并具有參數(shù)易整定等特點。方案二模糊控制器的設計不依賴于受控對象的精確的數(shù)學模型，它有著非常強的魯棒性和自適應性。方案三重復控制穩(wěn)態(tài)時可以近似實現(xiàn)無靜差跟蹤效果。但本身卻無法克服其固有的滯后調節(jié)特性，由理論分析可知，其動態(tài)性能至少滯后一個基波周期。根據(jù)題目中的正弦逆變裝置是一個多變量、非線性、時變的系統(tǒng)，系統(tǒng)的復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自適應調節(jié)控制策略。3mppt（最大功率點跟蹤）實現(xiàn)方案 根據(jù)題目要求，需實現(xiàn)mppt（maximum power point trace）即最大功率點跟蹤功能。方案一：采用

6、擾動觀察法(perturb& observe algorithms, p&o)。把輸出電壓值的變化量u稱之為擾動，通過不斷施加擾動u，并測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(constant voltage trace, cvt)法。根據(jù)在不同日照強度時其iv曲線，可以說明其最大功率輸出點大致對應于某個恒定電壓um，則使太陽能電池陣列的輸出電壓箝位于um的值即可，實際上是把mppt簡化成穩(wěn)壓控制，這就構成了cvt式的mppt控制。上述兩種方案，方案一擾動觀察法是實現(xiàn)mppt常用的方法之一，其結構簡單，被測參數(shù)少，但由于始終有士u的存在

7、，故只能在最大功率點附近振蕩運行，導致了有部分功率會損失。而且初始值及跟蹤步長的給定對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單，易于實現(xiàn)，可靠性高；且系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩，具有良好的穩(wěn)定性，硬件電路設計簡單，方便實現(xiàn)。另根據(jù)題目光伏模擬電池為實驗室可調直流穩(wěn)壓電源，故選用方案二。4主控單片機選型方案設計中，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。51系列單片機擁有基于復雜指令集（cisc）的單片機內核，雖然其速度不快，12個振蕩周期才執(zhí)行一個單周期指令，但其端口結構為準雙向并行口，可兼有外部并行總線，故使其擴

8、展性能非常強大。51的內部硬件預設，可用特殊功能寄存器對其進行編輯。方案二：采用lm3s系列單片機。lm3s系列單片機是基于arm® cortextm-m3 的控制器。如lm3s615具有32為risc功能，16位定時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行pwm波形輸出等特點。方案三：采用mc9s12系列單片機。mc9s12xs128該系列單片機采用s12x v2 cpu內核，可運行在40mhz總線頻率上，有ecc模塊，8路16位計數(shù)器， 2個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轉換時間

9、3us，80管腳lqfp貼片封裝。結合題目設計功能要求，若采用51系列單片機將需要添加大量的a/d芯片，以及pwm發(fā)生電路等，電路復雜，可靠性低。lm3s615單片機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單片機集成度高，ad轉換通道多且精度高，故選用為主控制器。二、 光伏并網發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)組成設計的光伏并網發(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單片機控制。太陽能光伏電池由一直流穩(wěn)壓可調電源模擬，經過信號處理及放大后得到一個穩(wěn)定的直流60v的輸出。圖2 光伏并網發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)組成框圖逆變的輸出電壓經過低通濾波，并

10、經過降壓變壓器，輸出平滑的正弦波，輸出信號分別經電壓、頻率、相位的檢測送單片機處理控制。三、 光伏并網發(fā)電模擬裝置電路設計1 逆變電路和驅動電路設計 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動電路兩部分。圖3 正弦逆變電路及其驅動電路原理圖（1）逆變主電路器件選型逆變主電路中，mosfet采用型號為irf260，其最大電壓為200v。4個橋臂在spwm信號控制下輪流導通，為防止驅動器輸出的柵極電壓過沖，在每個mosfet的柵極串聯(lián)了一個電阻，并反并聯(lián)一個二極管。（2）驅動電路設計驅動電路采用了2個mosfet柵極驅動控制專用集成電路芯片ir2103。該芯片為8引腳封裝，由兩個獨

11、立的高端和低端輸出通道，可驅動同橋臂的兩個mosfet，內部自舉工作，允許在600v電壓下直接工作，柵極驅動電壓范圍寬（1020v），施密特邏輯輸入，輸入電平與ttl及cmos電容兼容，死區(qū)時間內置，輸出、輸入同相，低邊輸出死區(qū)時間調整后與輸入反向，最高工作頻率可達40khz。當逆變主電路工作時， 2個ir2103芯片的hin、lin引腳的輸入由單片機產生互補的邏輯信號。2 檢測電路設計逆變器的效率公式3 濾波電路設計逆變器的效率公式4 保護電路設計逆變器的效率公式四、 光伏并網發(fā)電模擬裝置軟件設計軟件程序設計是逆變控制電路設計的核心，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

12、系統(tǒng)的保護功能和可靠性等。程序設計的關鍵是由mc9s12xs128單片機控制產生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控制程序設計（1）spwm波的實現(xiàn)由于單極性spwm調制方式和雙極性spwm調制方式相比，具有開關頻率的倍頻作用、直流側電壓脈動小、di/dt小、能夠提高最低次諧波次數(shù)等優(yōu)點，故將選用單極性spwm波。 （2）等幅同頻鎖相設計通過對電網參考電壓和逆變輸出電壓的采樣處理，經mc9s12xs128單片機的12位的a/d轉換成數(shù)字信號，處理后控制pwm的占空比，以實現(xiàn)對逆變電路輸出電壓的調整。通過測量電網參考電壓和逆變輸出電壓的的過零電位，來計算它們的周期時間

13、，從而得到電網參考電壓和逆變輸出電壓的頻率。通過測量電網參考電壓和逆變輸出電壓兩者過零電位的時間差，來判斷兩者之間的超前滯后關系，計算得到兩者的相位差。頻率的跟蹤和相位差的調整，都是通過mc9s12xs128單片機軟件控制實現(xiàn)的。（3）保護電路的設計過壓保護：利用主控制器采集經過轉換的電網上的電壓信號，設置上下閥值電壓，通過改變控制器控制信號的占空比對電網電壓進行實時控制。過流保護：采集電流傳感器的模擬信號，控制方法與過電壓保護相近。五、 模擬裝置測試實驗1測試實驗（1）測試儀器yb4360（60mhz）示波器； （2）測試數(shù)據(jù)電網參考電壓輸入電壓和逆變輸出電壓幅值、頻率以及相位差測試數(shù)據(jù)如表

14、1所示。表1 輸入和輸出電壓幅值、頻率以及相位差測試數(shù)據(jù)表序號幅值頻率相位輸入電壓（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） 逆變效率測試表2 逆變器效率測試數(shù)據(jù)表序號電網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)對題目的完成情況表3 系統(tǒng)對題目的完成情況對照表  基本部分 要求實現(xiàn)最大功率點跟蹤（mppt）功能，相對偏差的絕對值不大于1%頻率跟蹤功能，相對偏差絕對值不大于

15、1%逆變器的效率60%輸出uo的失真度thd5%輸入欠壓保護，動作電壓ud（th）=（25±0.5）v輸出過流保護，動作電流io（th）=（1.5±0.2）a發(fā)揮部分變換器的效率80%（rs=rl=30時）thd1%（rs=rl=30時）相位跟蹤功能，相位偏差的絕對值5°過流、欠壓故障排除后，裝置能自動恢復為正常狀態(tài)3結果分析各項結果都符合系統(tǒng)指標， 六、 總結各項結果都符合系統(tǒng)指標， 參考文獻1 羅雪蓮太陽能光伏并網發(fā)電的應用j 貴州電力技術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:博士學位論文合肥:合肥工業(yè)大學2004.12。3 王暉輝三相光伏并網逆變器的設計與仿真d:碩士學位論文鄭州:鄭州大學2005.5。4 趙爭鳴，劉建政等太陽能光伏發(fā)電及其應用m 北京：科學出版社2005年l0月第1版5 王兆安電力電子技術m 北京：機械工業(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)電并網技術的應用j上海電力2006 年第4期。 7劉茂榮，郭佐，姚中之，等三相pwm產生器sa8282在靜止逆變電路中的應用j電力電子技術，1999，33