光伏并網(wǎng)發(fā)電設(shè)計

光伏發(fā)電是一種直接將太陽能輻射轉(zhuǎn)換成為電能的新型發(fā)電技術(shù)。其系統(tǒng)包括光伏電池、變換器、蓄電池、控制器四大部分。本文從實驗的角度，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行模擬。基本思路是在單片機C8051F020控制作用下采用正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)對系統(tǒng)進行控制，主電路采用MOSFET為主要元器件的單相橋式逆變電路，經(jīng)濾波電路濾波后變壓進行輸出?；诖?，本設(shè)計采用單片機本身的PGA模塊，定時器模塊，完成相應(yīng)的控制功能，使光伏發(fā)電頻率緊跟模擬電網(wǎng)頻率，絕對誤差小于1%，同時實現(xiàn)光伏最大功率跟蹤，在負載變化范圍內(nèi)DC-AC變換效率可達70%以上，該系統(tǒng)性能相對穩(wěn)定，能夠滿足本次設(shè)計的需要。關(guān)鍵詞：C8051F020SPWM最大功率點跟蹤光伏并網(wǎng)發(fā)電AbstractPhotovoltaicpowergenerationisadirectsolarradiationistransformedintoelectricitywillbethenewpowergenerationtechnology.Thesystemincludespvbatteries,converter,batteries,controllerfourmost.Thispaper,fromthepointofviewofexperimentofphotovoltaic(pv)gridpowersystemsimulation.ThebasicideaisC8051F020SCMcontrolactioninthesinepulse-widthmodulationtechnology(SPWM)thesystemiscontrolled,maincircuitadoptsMOSFETasthemaincomponentsofsingle-phasebridgetypeinvertercircuits,thefiltercircuitforoutputvariablepressurefiltered.Basedonthis,thisdesignUSESthemicrocontrolleritself,timermodulesofPCAmodule,completingthecorrespondingcontrolfunction,makephotovoltaicpowerfrequencyfollowssimulationgridfrequency,theabsoluteerrorlessthan1%,butalsoachievethemostpowertracing,inphotovoltaicloadchangesrangeDC-ACconversionefficiencymayreach70%above,thissystemperformancerelativestability,cansatisfytheneedofthisdesignKeywords:C8051F020SPWMThemaximumpowerpointtrackingPhotovoltaic(pv)gridgenerationTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章光伏并網(wǎng)系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1-\o"CurrentDocument"§1-1國外光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展和趨勢-1-\o"CurrentDocument"§1-2我國光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展-1-\o"CurrentDocument"第二章與電網(wǎng)并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)2-\o"CurrentDocument"第三章光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)總體設(shè)計方案4-\o"CurrentDocument"§3-1系統(tǒng)基本工作原理-4-\o"CurrentDocument"§3-2系統(tǒng)總體設(shè)計框圖-4-\o"CurrentDocument"第四章系統(tǒng)的硬件設(shè)計4-\o"CurrentDocument"§4-1單片機的方案選擇-4-§4-2DC-AC變換電路設(shè)計-5-\o"CurrentDocument"§4-3驅(qū)動電路方案設(shè)計-5-\o"CurrentDocument"§4-4顯示模塊的方案選擇-6-\o"CurrentDocument"§4-4濾波模塊的設(shè)計-6-§4-5欠電壓保護和過電流保護電路-7-\o"CurrentDocument"第五章理論分析與計算7-§5-1MPPT的控制方法與參數(shù)計算-7-\o"CurrentDocument"§5-2同頻、同相的控制方法與參數(shù)計算-8-\o"CurrentDocument"§5-3濾波參數(shù)計算-8-\o"CurrentDocument"第六章軟件設(shè)計9-\o"CurrentDocument"§6-1主控程序流程圖-9-\o"CurrentDocument"§6-2SPWM波的實現(xiàn)-9-\o"CurrentDocument"§6-3頻率測量程序流程圖-10-\o"CurrentDocument"§6-4欠電壓過電流程序流程圖-11-\o"CurrentDocument"第七章特殊器件介紹12-\o"CurrentDocument"§7-1C8051F020-12-\o"CurrentDocument"§7-2集成電路IR2113-14-\o"CurrentDocument"§7-3運算放大器LF356-15-\o"CurrentDocument"第八章調(diào)試及性能分析16-§8-1測試儀器說明-16-§8-2測試方案-16-\o"CurrentDocument"§8-3測試數(shù)據(jù)分析-17-\o"CurrentDocument"總結(jié)-17-參考文獻18-致謝錯誤!未定義書簽。\o"CurrentDocument"附錄A主程序清單19-第一章光伏并網(wǎng)系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀§1-1國外光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展和趨勢太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的開發(fā)始于20世紀50年代。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為并網(wǎng)系統(tǒng)、離網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是家庭和商業(yè)最受歡迎的光伏系統(tǒng)。逆變器將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并與地方電網(wǎng)連接，使得發(fā)出的富余電量都可出售給電網(wǎng)，夜晚則可從電網(wǎng)買電。隨著全球能源形勢趨緊，太陽能光伏發(fā)電作為一種可持續(xù)的能源替代方式于近年得到迅速發(fā)展，并首先在太陽能資源豐富的國家，如德國和日本得到了大面積的推廣和應(yīng)用。當前，世界上大多數(shù)國家都把太陽能的利用作為重點研究、開發(fā)的目前國際上對太陽能資源已經(jīng)十分重視。20世紀70年代以來，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力，世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能和可再生能源的熱潮。利用太陽能發(fā)電的光伏發(fā)電技術(shù)被用于許多需要電源的場合，上至航天器，下至兒童玩具，光伏電源無處不在。過去，由于太陽電池的生產(chǎn)成本居高不下，光伏發(fā)電大多作為專用的獨立運行系統(tǒng)應(yīng)用在如航天，邊防海島，或是邊遠地區(qū)的示范工程等。但是近年來，新型光伏材料的出現(xiàn)，產(chǎn)品價格的不斷下降，轉(zhuǎn)換效率的提高，電力電子器件的高頻化，高性價比微處理器的推出，先進控制策略的應(yīng)用，使得光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究和推廣日益受到重視。光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)生了巨大變化，己經(jīng)開始向并網(wǎng)發(fā)電轉(zhuǎn)變。并網(wǎng)發(fā)電己經(jīng)成為光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢。并網(wǎng)發(fā)電開始于80年代初，但由于當時成本過高，且環(huán)境效益還不是很明顯，使得電力公司難以接受。為緩解能源危機，大力利用太陽能，推動光伏發(fā)電的迅速發(fā)展，西方一些發(fā)達國家紛紛出臺有關(guān)政策、法規(guī)來扶持光伏并網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。1999年以來在世界各國，尤其是美國、日本、德國等發(fā)達國家先后發(fā)起的大規(guī)模國家光伏發(fā)展計劃和太陽能屋頂計劃的刺激和推動下，世界光伏產(chǎn)業(yè)以每年30%以上的增長率保持著高速發(fā)展。作為一種可再生的清潔能源，光伏發(fā)電將在21世紀前半期超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。如德國“可再生能源電力供應(yīng)法”中規(guī)定2000年開始執(zhí)行光伏發(fā)電上網(wǎng)電價0.99馬克/KWh的優(yōu)惠政策。日本早在1994年就開始實施“新陽光計劃”，目前己安裝近7萬個太陽能屋頂，預(yù)計到2010年要安裝100萬個太陽能屋頂，美國于1997年提出“百萬太陽能屋頂計劃”，規(guī)劃到2010年為100萬個家庭安裝太陽能屋頂，每個光伏屋頂將有3到5千瓦光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。英國“可再生能源法”于2002年初生效，該法強制所有電力供應(yīng)商要在三年內(nèi)用可再生能源提供3%以上的電力，2010年可再生能源電力要達到10.4%。近30年來，太陽能利用在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為世界范圍內(nèi)快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。包括太陽能在內(nèi)的可再生能源在21世紀將會以前所未有的速度發(fā)展，并將逐步成為人類的基礎(chǔ)能源之一?！?-2我國光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展我國于1958年開始研究太陽電池，并于1971年成功地首次應(yīng)用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上。80年代以后，國家開始對光伏工業(yè)和光伏市場的發(fā)展給以支持，使得我國十分弱小的太陽電池工業(yè)得到鞏固和發(fā)展并在許多有用領(lǐng)域建立了示范。我國光伏發(fā)電的研究開發(fā)工作，經(jīng)過幾十年的努力，取得了不小的成就，在光伏水泵系統(tǒng)、通信光伏電源系統(tǒng)、微波中繼站，陰極保護光伏電源系統(tǒng)，家用光伏電源系統(tǒng)，風光互補發(fā)電系統(tǒng)等的系統(tǒng)技術(shù)方面，也取得了不少的研究成果和工程經(jīng)驗。在國家實施西部大開發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略和國內(nèi)綠色環(huán)保工業(yè)開始升溫的背景下，2002年國家計委啟動了西部地區(qū)送電到鄉(xiāng)的項目，耗資近20億人民幣，有力地推進了我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展通過國家“七五”、“八五”、“九五”以及“十五”計劃，我國己經(jīng)在戶用系統(tǒng)、通信電源、光伏水泵、光伏并網(wǎng)方面取得了一些技術(shù)成果。在大型光伏電站方面，中科院電工研究所于2004年在深圳世博園成功地實施了IMwp容量的大型光伏并網(wǎng)電站，該電站成為國內(nèi)首座大型的兆瓦級并網(wǎng)光伏電站。國家科技部己做出相應(yīng)規(guī)劃，有步驟地推進相關(guān)的科技創(chuàng)新研究、示范及其產(chǎn)業(yè)化進程。上海市政府聯(lián)合眾多太陽能知名企業(yè)啟動了“十萬屋頂光伏發(fā)電計劃”，拉開了國內(nèi)太陽能發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的序幕。隨即，由尚德太陽能電力有限公司承建的無錫市政府40KW屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)也吹響了江蘇“一千個屋頂光伏發(fā)電工程”的號角。這些工程的啟動實施，將在一定程度上代表國際上最先進的用能方式，并將直接影響到我國未來能源利用的發(fā)展方向。上海、江蘇等地區(qū)推行“太陽能屋頂工程”。2005年8月31日，中國第一座直接與高壓并網(wǎng)的100Kwp光伏發(fā)站在西藏羊八井建成并一次并網(wǎng)成功，順利投入運行;2008年北京綠色奧運部分用電也將由太陽能發(fā)電提供，中國普及光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)已拉開序幕。我國的光伏產(chǎn)業(yè)雖然在近年取得了一定的發(fā)展，但相比于蓬勃發(fā)展的世界光伏工業(yè)，中國光伏工業(yè)還處于起步階段，光伏產(chǎn)量和安裝容量僅為世界1%左右。由于政策、資金等因素的制約，總體上我國的太陽能光伏技術(shù)仍于初級階段，規(guī)模小、技術(shù)落后、應(yīng)用面窄、產(chǎn)品單一，一些關(guān)鍵的技術(shù)和材料仍不能實現(xiàn)國產(chǎn)化。面對如此巨大的國內(nèi)市場需求和廣闊的發(fā)展前景，要實現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化，必須發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光伏并網(wǎng)技術(shù)，增加技術(shù)積累和鼓勵技術(shù)創(chuàng)新。第二章與電網(wǎng)并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接，其中逆變器起很重要的作用，要求具有與電網(wǎng)連接的功能。目前常用的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)形式，其不同之處在于是否帶有蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)（圖2-1），由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負載開關(guān)，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用，這對于一些重要負荷甚至某些家庭用戶來說具有重要意義；此外，該系統(tǒng)還可以充當功率調(diào)節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提高電能質(zhì)量。不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)（圖2-2），在此系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，當主電網(wǎng)斷電時，系統(tǒng)自動停止向電網(wǎng)供電。當有日照照射，光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過負載所需時，多余的部分將送往電網(wǎng)；夜間當負載所需電能超過光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時，電網(wǎng)自動向負載補充電能。圖2-1可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)圖2-2不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)第三章光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)總體設(shè)計方案§3-1系統(tǒng)基本工作原理該系統(tǒng)主要由最小單片機系統(tǒng)C8051F020,由SPWM信號控制，DC-AC變換電路，濾波電路，檢測保護電路構(gòu)成。其中以C8051F020為處理器來控制逆變器完成最大功率跟蹤下的光伏發(fā)電輸出。模擬電網(wǎng)電壓輸入，頻率45-55HZ并由LCD實時顯示電壓，電流，頻率從而實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電?！?-2系統(tǒng)總體設(shè)計框圖光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖3-1所示：圖3-1總體設(shè)計框圖第四章系統(tǒng)的硬件設(shè)計§4-1單片機的方案選擇方案一：采用AT89C51單片機進行控制。51單片機外接A/D和D/A比較簡單，操作方便，但是由于本題的功耗要求特別嚴格，對效率的提高不利。方案二：采用低功耗單片機C8051F020，這是一個完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片。內(nèi)部集成12的A/D和D/A芯片，且這個單片機管腳豐富，操作完全與51單片機兼容。采用JTAG方式，可通過USB口在線下載調(diào)試，使用十分方便，并且低功耗便于整體效率的提高。考慮到效率的要求采用方案二?！?-2DC-AC變換電路設(shè)計方案一：采用單相半橋逆變電路，它有單個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成，在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的連接點便成為直流電源的中點，該電路簡單，使用器件少。方案二：采用單相全橋逆變電路，它有四個橋臂，可以看成兩個半橋電路組合而成成對的兩個橋臂同時道通，兩對交替各導(dǎo)通180度，與半橋電路相比，輸出波形相同，但其幅值高出一倍，且直流側(cè)無需兩個串聯(lián)電容器來進行電壓均衡，適用于移相調(diào)壓方式，全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的。其性能好，輸出穩(wěn)定，符合本次設(shè)計需要。綜上分析考慮，采用方案二作為本次設(shè)計的系統(tǒng)方案。DC-AC變換電路設(shè)計如圖4-1所示：本設(shè)計中采用單相全橋式逆變電路，4個MOSFET管組成逆變電路的橋臂，橋中各臂在控制信號作用下輪流導(dǎo)通，它的基本工作方式為180度導(dǎo)電方式，為了使IGBT可靠觸發(fā)導(dǎo)通，，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，并且驅(qū)動電路要滿足快速轉(zhuǎn)換和高峰值電流的要求，并能提供適當?shù)谋Ｗo功能，在設(shè)計中采用2個IR2113做為驅(qū)動電路?！?-3驅(qū)動電路方案設(shè)計方案一：利用脈沖變壓器直接驅(qū)動MOSFET，來自控制脈沖形成單元的脈沖信號經(jīng)高頻晶體管進行功率放大后加到脈沖變壓器上，由脈沖變壓器隔離耦合，穩(wěn)壓管限幅后來驅(qū)動MOSFET，其優(yōu)點是電路簡單，應(yīng)用廉價的脈沖變壓器實現(xiàn)了被驅(qū)動MOSFET與控制脈沖形成部分的隔離。方案二:采用柵極驅(qū)動控制專用集成電路IR2113.該芯片可驅(qū)動同橋臂的兩個MOSFET，內(nèi)部自舉工作，允許在600V電壓下直接工作，柵極驅(qū)動電壓范圍寬（10V-20V），施密特邏輯輸入，輸入電平與TTL及CMOS電平兼容，死區(qū)時間內(nèi)置，輸出輸入同相，最高工作頻率可達40KHZ。比較以上兩種方案，方案一的不足表現(xiàn)在：高平脈沖變壓器因漏感及肌膚效應(yīng)的存在較難繞制且容易產(chǎn)生振蕩。方案二芯片性能好，體積小，滿足題目要求，故采用方案二。在驅(qū)動回路中，我們采用IR2113實現(xiàn)驅(qū)動，如圖4-2所示。驅(qū)動器的選擇：專用集成電路芯片IR2113，該芯片為8腳封裝，允許600V電壓下直接工作柵極驅(qū)動電壓范圍10-20V，死區(qū)時間內(nèi)置，最高工作頻率可達40KHZ。圖4-2驅(qū)動電路§4-4顯示模塊的方案選擇方案一：采用LCD液晶顯示器顯示。采用128X64點陣LCD液晶顯示，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強，調(diào)用方便簡單，而且可以節(jié)省了軟件中斷資源。其缺點在于顯示內(nèi)容需要存儲字模信息，需要一定存儲空間，并且點陣型液晶功耗比較大，不適合本設(shè)計。方案二：采用LED顯示器。LED顯示器是由LED發(fā)光二極管發(fā)展過來的一種顯示器件，它具有高亮度。寬視角反應(yīng)速度快，可靠性高，反應(yīng)速度快等特點。本設(shè)計中只顯示電壓，電流，頻率值，且顯示數(shù)據(jù)的精度不需要很高，無需顯示繁瑣的文字，字母等?？紤]到效率的要求采用方案二。§4-4濾波模塊的設(shè)計濾波電路如圖4-3所示:§4-5欠電壓保護和過電流保護電路欠電壓保護電路：對DC-AC變換器的輸入電壓進行電阻分壓，鑒于單片機耐壓值較小，按一定比例取入電壓，通過單片機自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊采集輸入電壓，控制器與低壓限值進行比較，若欠壓則停止DC-AC變換。過電流保護電路：對DC-AC變換器的輸出電壓進行降壓，通過單片機自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊采集輸入電壓，控制器與高壓限值進行比較，若過流則停止DC-AC變換。第五章理論分析與計算§5-1MPPT的控制方法與參數(shù)計算光伏系統(tǒng)中，在一定的光照強度和環(huán)境溫度下，電池陣列可以工作在不同的輸出電壓下，但是只有在某一輸出電壓時陣列的輸出功率才能達到最大值，即在該工作點能得到當前溫度和日照條件下的最大輸出功率。此點被稱為最大功率點(MaximumPowerPoint，MPP)。因此，如何實時調(diào)整光伏陣列的工作點以使其能始終工作在最大功率點，這一直是光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的重要方向。這個過程的實現(xiàn)就叫做最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking，MPPT)。功率的計算公式可以作如下的變換：P=UXI(1)dP/dU=I+UdI/dU(2)若能使(2)式等于零，即dI/dU=-I/U(3)當輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負值時，系統(tǒng)處于最大功率點。這樣就可以根據(jù)(3)式中dI/dU與I/U的關(guān)系來調(diào)整工作點電壓來實現(xiàn)MPPT。圖3是電導(dǎo)增量法的流程圖。采用電導(dǎo)增量法，對工作電壓的調(diào)整不再是盲目的，而是通過每次的測量和比較，-7-預(yù)估出最大功率點的大致位置，再根據(jù)結(jié)果進行調(diào)整，因此可以動態(tài)地實現(xiàn)最大功率點的追蹤，能夠適應(yīng)于日照強度和環(huán)境溫度快速變化的地方?！?-2同頻、同相的控制方法與參數(shù)計算頻率檢測既檢測模擬電網(wǎng)頻率，又檢測光伏發(fā)電頻率，這是完成并網(wǎng)運行的關(guān)鍵，設(shè)模擬電網(wǎng)電壓頻率在赫茲范圍內(nèi)變化，經(jīng)過零比較器送單片機確定其大小為f0，檢測輸出側(cè)電壓頻率fl，通過單片機的定時器模塊進行計時，若系統(tǒng)時鐘為f,計得時鐘個數(shù)為n,則相應(yīng)頻率為n倍的時鐘頻率，單片機對兩個頻率進行比較，完成對DC-AC變換電路的調(diào)整。提高效率的方法，效率的分析：輸入功率計算公式：p^=ud-1d輸出功率計算公式：P=Uo1-101由于DC-AC變換器（控制器）完成光伏發(fā)電，要求在不同光照情況下以最大效率輸出，且在實際應(yīng)用中需要在戶外利用，這就要求單片機及一些外圍電路消耗功耗要盡量的低，這也是此次設(shè)計的核心問題。為此，在設(shè)計本系統(tǒng)時單片機采用低功耗單片機C8051F020,該系統(tǒng)集成了8路12位A/D。減少了外加A/D的損耗。提高效率主要是要降低變換器的損耗，變換器的損耗主要有MOSFET導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗，驅(qū)動損耗，回路電阻的損耗，和控制部分的損耗，這些損耗可以通過降低開關(guān)頻率，選擇低功耗的電阻，合理匹配輸出電阻等方法來降低。影響效率的因素主要包括單片機及外圍電路功耗，單片機及外圍電路供電電路的效率和DC—AC變換器的效率。而提高DC-AC變換器效率可以實質(zhì)性的提高效率。DC-AC變換器效率門=P。Pd§5-3濾波參數(shù)計算已知模擬電網(wǎng)的輸入頻率相對較低，則可選取二階低通濾波器。根據(jù)題目通過頻率在45HZ-55HZ之間，確定電容大小560pF，有頻率與電阻之間的關(guān)系，可以導(dǎo)出R的取值為470K。第六章軟件設(shè)計§6-1主控程序流程圖主控程序首先對系統(tǒng)進行初始化的處理，然后檢測基準輸入電壓頻率，根據(jù)檢測到的不同輸入頻率，對逆變電路進行控制，使其輸出相應(yīng)頻率電壓，并完成相應(yīng)顯示。流程圖如圖6-1所示：圖6-1主控程序流程圖§6-2SPWM波的實現(xiàn)目前逆變電路大部分均采用PWM控制技術(shù)。PWM技術(shù)是指對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的各種波形。在控制理論中，存在一個重要結(jié)論，即面積等效原理：沖量相等而形狀不同的脈沖，加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。這里所說的效果相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。為得到脈沖寬度按正弦規(guī)律變化并且和正弦波等效的PWM波形所采用的控制技術(shù)稱為SPWM調(diào)制技術(shù)。SPWM即在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來變化。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制，SPWM的產(chǎn)生主要有兩種方法，既自然采樣法和規(guī)則采樣法。根據(jù)采樣控制理論中的沖量等效原理，大小波形不相同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)時，只要他們的沖量相等，則作用效果基本相同。將一個正弦波K等分，其中每一等分所包含的面積均用一個與之面積相等的，等幅而不等寬的的矩形脈沖代替，使每個矩形脈沖的中心線和等分點的中心線重合，這就是SPWM控制理論依據(jù)，由此得到的矩形脈沖序列稱為SPWM波形。該功能主要由C8051F020自身所帶的PCA模塊產(chǎn)生。§6-3頻率測量程序流程圖C8051F020自身所帶的定時器模塊具有捕捉和自動重裝功能，頻率檢測是基于單片機定時器模塊的捕捉功能而實現(xiàn)的，定時器捕捉兩次跳變之間的時間，從而得到待檢測的頻率值，流程圖如圖6-2所示：本次捕捉值減去前次捕捉值根據(jù)系統(tǒng)時鐘算的頻率值圖6-2頻率測量流程圖

§6-4欠電壓過電流程序流程圖從而采取相應(yīng)的C8051F020自身所帶的AD轉(zhuǎn)換器定時采集電壓值，并判斷是否超限，保護。從而采取相應(yīng)的圖6-4欠電壓過電流程序流程圖

第七章特殊器件介紹§7-1C8051F020一、C8051F020單片機簡介C8051F020的結(jié)構(gòu)圖如圖7-1所示:□qH□dHHHQANALOGPERIPHERALS圖6-4欠電壓過電流程序流程圖第七章特殊器件介紹§7-1C8051F020一、C8051F020單片機簡介C8051F020的結(jié)構(gòu)圖如圖7-1所示:□qH□dHHHQANALOGPERIPHERALSDIGITALI/O□ACTEMFSENSORUART0UART13MBUISSPIBusPCATimer0Timer1Timer2Timer3Timer410/12-bft100kspsADC/8-bit(5D0ksps\ADCPort0Port1Port2Port3Port4Port5Port612-Bh3051CPU任5MIP§]64KBl-SPFLASH4352BSRAMJTAG22DEBUGCLOCKSANITYINTERRUPTSCIRCUITRYCIRCUITCONTROLHIGH-SPEEDCONTROLLERCORE10064pinmTiTTffMJ_UU_UUUUUU_UUJJUU_UUU_UU圖7-1C8051F020的結(jié)構(gòu)圖二、C8051F020的主要特性C8051F020/1/2/3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(C8051F020/2)或32個數(shù)字I/O引腳(C8051F021/3)。其主要特性如下：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達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)100ksps的8通道ADC，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6.64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器7.4352(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)存儲器接口硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口10.5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C8051F020/1/2/3是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。三、C8051F020內(nèi)部資源片內(nèi)存儲器CIP-51有標準的8051程序和數(shù)據(jù)地址配置°C8051F單片機內(nèi)部有256B數(shù)據(jù)RAM，256BSFR，它們的地址都相互重疊在一塊。內(nèi)部256BRAM的低128字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問，高128字節(jié)用于間接尋址。前32個字節(jié)為4組通用寄存器區(qū)，接下來的16字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。C8051F02x中的CIP-51還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的4kB的RAM塊和一個可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的外部存儲器接口（EMIF）。這個片內(nèi)的4kBRAM塊可以在整個64kB外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間中被尋址（以4kB為邊界重疊）。外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間可以只映射到片內(nèi)存儲器、只映射到片外存儲器、或兩者的組合（4kB以下的地址指向片內(nèi)，4kB以上的地址指向EMIF）。EMIF可以被配置為地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用方式或非復(fù)用方式。MCU的程序存儲器包含64kB的FLASH。該存儲器以512字節(jié)為一個扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的外部編程電壓。串行端口C8051F系列MCU內(nèi)部有兩個增強型全雙工UART、一個增強型SPI總線和SMBus/I2C。每種串行總線都完全用硬件實現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷，因此需要很少的CPU干預(yù)。這些串行總線不“共享”定時器、中斷或端口I/O等資源，所以可以使用任何一個或同時使用多個。3.12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、比較器C8051F020MCU內(nèi)部有兩個12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）。MCU與每個比較器和DAC之間的數(shù)據(jù)和控制接口通過特殊功能寄存器實現(xiàn)。MCU可以將任何一個DAC或比較器置于低功耗關(guān)斷方式。DAC為電壓輸出方式，有靈活的輸出更新機制。這一機制允許用軟件寫和定時器2,定時器3及定時器4的溢出信號更新DAC輸出。對于C8051F020，DAC的電壓基準由專用的VREFD輸入引腳提供。DAC在作為比較器的參考電壓或為ADC差分輸入提供偏移電壓時非常有用。C8051F020MCU有3個片內(nèi)模擬比較器。比較器的回差電壓和響應(yīng)時間可以用軟件編程。每個比較器都能在上升沿、下降沿或在兩個邊沿都產(chǎn)生中斷。這些中斷能將MCU從休眠方式喚醒。比較器0可以用作復(fù)位源。比較器的輸出狀態(tài)可以用軟件查詢或通過設(shè)置交叉開關(guān)連接到端口I/O引腳。比較器可以在不使用時編程為低功耗關(guān)斷模式。4.12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器C8051F020內(nèi)部有一個12位8通道逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換模塊，其最高轉(zhuǎn)換速度可以達到100KSPS。并且具有內(nèi)部可編程PGA程控電路，可以對輸入信號進行增益放大。A/D參考電壓可以由內(nèi)部參考基準源提供，內(nèi)部基準典型值為2.43V。內(nèi)部并且提供溫度傳感器，可進行溫度測量，此功能可以用于環(huán)境溫度檢測。通過內(nèi)部的模擬通道選擇開關(guān)，可以最多8通道分時A/D轉(zhuǎn)換，可以靈活的通過軟件設(shè)置ADBUSY、定時器3溢出CNVSTR上升沿進行A/D轉(zhuǎn)換啟動信號?！?-2集成電路IR2113一、IR2113器件簡介1.IR2113引腳排列圖如圖7-2所示：8HO工9TOD海JIL.0H1NVS七1hi,SD4,12UNv<.Vw13VSSCOM「14'T.Q圖7-2IR2113引腳排列圖IR2113的主要功能IR2113由低端功率晶體管驅(qū)動級、高端功率晶體管驅(qū)動級、電平轉(zhuǎn)換器、輸入邏輯電路組成它。把驅(qū)動一高壓側(cè)和一低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需要的絕大部分功能集成在芯片內(nèi)。因MOS器件的柵極具有容性輸入特性，即它們是通過提供一些電荷給柵極而導(dǎo)通，而不需要提供電流，這樣可以利用IR2113的VB、VS間的外接電容和VB腳的二極管構(gòu)成隔離電源。IR2113有比較完善的保護功能，對于低壓側(cè)通道，當VCC低于規(guī)定值（如8.2V）,欠壓鎖定將會阻斷任何一個通道工作；對于高壓側(cè)通道，當VS和VB之間電壓低于限定值（如8.3V），欠壓自鎖會關(guān)斷柵極驅(qū)動。IR2113的性能、參數(shù)IR2113采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，雙列直插14腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V，dv/dt=±50V/ns，15V下靜態(tài)功耗僅116Mw；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍10?20V；邏輯電源電壓范圍（腳9）5?15V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有土5V的偏移量；工作頻率高，可達500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。IR2113由三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護。如上所述IR2113的特點，可以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動電流。典型應(yīng)用方向

美國IR公司推出的IR2113驅(qū)動器，兼有光藕隔離（體積小）和電磁隔離（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選。利用IR2113同時直接驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)場效應(yīng)管的特點可設(shè)計出相應(yīng)的半橋驅(qū)動電源電路.電源電路設(shè)計基于IR2113的結(jié)構(gòu)和特點，設(shè)計的半橋驅(qū)動電源方框圖如圖7-3所示。AC220"輸入整流濾

波+310V參數(shù)設(shè)定AC220"輸入整流濾

波+310V參數(shù)設(shè)定PWM發(fā)生器―?IR2113半橋驅(qū)動器―?DC\AC變換級?直流疊加高壓輸出保護電路圖7-3基于IR2113設(shè)計的半橋驅(qū)動電源方框圖§7-3運算放大器LF356一、LF356器件簡介1.LF356的引腳排列圖如圖7-3所示1-OffsetNull5-OffsetNull2-Invertinginput6-OutputNon-invertinginput7-Vcc+Vcc-1-OffsetNull5-OffsetNull2-Invertinginput6-Output圖7-3LF356的引腳排列圖二、LF356其引腳功能1.BAL12.負輸入端3.正輸入端4.負電源5.BAL26.輸出7.正電源8.空三、LF356主要性能集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，IIB為幾皮安到幾十皮安。實現(xiàn)這些指標的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點，用場效應(yīng)管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。運算放大器LF356雙列8腳封裝，電壓反饋型，場效應(yīng)差分輸入級，輸入10的12次方歐阻抗，增益帶寬5MHz，轉(zhuǎn)換速率12V/us，輸入偏置電流30PA，工作電壓±18V，靜態(tài)電流5山入，輸入失調(diào)電壓3mV，功耗120-300mW。第八章調(diào)試及性能分析§8-1測試儀器說明一、調(diào)試所需的儀器1.HONGHUA示波器頻率范圍40MHz型號：OSCiLLOSCOPE5040B2.直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源型號：WG17323.數(shù)字萬用表型號：ViCTOR4.數(shù)字示波器型號：RIGOLDS5202CAE5.數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器/計算器型號：NPF20§8-2測試方案調(diào)試過程中采取先軟，硬件分別調(diào)試，后整體調(diào)試的方案。硬件檢測：先進行電路板的靜態(tài)調(diào)試，檢測電路的焊接是否正確然后通電檢測。實驗室制作時可以結(jié)合信號源，示波器進行綜合硬件測試分析。給逆變電路加方波信號，則輸出側(cè)響應(yīng)輸出方波信號。軟件測試：軟件分為各個子模塊，并對各個模塊分別檢測，本系統(tǒng)的軟件程序完全由C51編寫，C語言效率高，但同時也存在一些缺點，比如嚴格定時比較困難。在調(diào)試過程中采取的是自上至下的調(diào)試方法，單獨調(diào)試好每一個模塊，然后在聯(lián)結(jié)成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。對SPWM信號產(chǎn)生模塊而言，分別給定45赫茲，50赫茲，55赫茲的模擬電網(wǎng)電壓，通過示波器觀測輸出波形，檢測是否達到所需波形，進過多次測試，可知輸出波形能夠滿足本次設(shè)計需求。軟硬件結(jié)合檢測：控制器與硬件電路整合，直流電源模擬光伏電池，通過信號發(fā)生器給定模擬電網(wǎng)電壓的頻率值，觀測并記錄輸出端的頻率值。初步測試時，光伏發(fā)電模擬裝置能基本工作?！?-3測試數(shù)據(jù)分析置模擬電網(wǎng)輸入頻率，記錄現(xiàn)實的輸出值，通過示波器觀察逆變輸出側(cè)的波形，讀取相應(yīng)頻率值。記錄值如表8-1所示：表8-1測試數(shù)據(jù)分析表模擬電壓輸入頻率顯示頻率示波器輸出頻率454445.54746.546.5494949515050535252通過進行分析，計算比較，與理論值相符。總結(jié)光伏并網(wǎng)發(fā)電作為太陽能發(fā)電形式的一種，由于其自身的優(yōu)點逐漸成為光伏發(fā)電的趨勢。此次設(shè)計主要設(shè)計了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的框圖和和各單元電路以及軟件程序的編寫。由于時間倉促和所學(xué)知識有限，有很多不很理想的地方，望老師和同學(xué)指正。通過這次設(shè)計使我對光伏并網(wǎng)發(fā)電有了一定的了解，加深了對單片機的用途的掌握，熟悉了工程設(shè)計的步驟，鍛煉了工程設(shè)計實踐能力同時培養(yǎng)了自己獨自設(shè)計能力。此次畢業(yè)設(shè)計是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識一次檢驗和鞏固，同時也是我走向工作崗位的一次熱身。同時這次畢業(yè)設(shè)計收獲也很多，比如學(xué)會了如何查找相關(guān)資料，如何分析數(shù)據(jù)，它提高了自己分析問題的能力。期間查找資料，與同學(xué)交流，反復(fù)修改，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。此外做事情要有認真嚴謹、實事求是的態(tài)度和不怕困難、堅持不懈精神也是我在這次論文設(shè)計中所體會到的。我想這是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升，也會對我未來的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。但是畢業(yè)設(shè)計也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解等等。這次設(shè)計是對自己年所學(xué)知識的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄。雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長，以后更應(yīng)該努力學(xué)習(xí)，完善自己。此次論文的完成既為大學(xué)生涯劃上了句號，也為將來的人生之路做了個很好的鋪墊。參考文獻馬忠梅等.單片機的C語言應(yīng)用程序[M].北京:北京航空航天出版社,2007黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005王兆安等.電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006馬明建，周長城.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2000何立民，單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:北京航天大學(xué)出版社,1994郁有文，傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003蘇平.單片機原理與接口技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006王延才主編.電子線路Protel99使用指南[M].北京：機械工業(yè)出版社.楊頌華.馮毛官,孫萬蓉等主編，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2003周立功單片機中國電子網(wǎng)HYPERLINK"http://