光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置(A題)

編號：A甲1031光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置（A題）參賽學(xué)生及專業(yè)：孟松物理學(xué)院亓帥物理學(xué)院臧大偉軟件學(xué)院學(xué)校：山東大學(xué)指導(dǎo)教師：陳言俊王延偉秦峰王立志文稿整理老師：陳言俊摘要：本系統(tǒng)是采用當(dāng)今非常流行的SPWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光伏發(fā)電模擬系統(tǒng)。通過2片低端的AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的主從控系統(tǒng)，完成了SPWM波的產(chǎn)生和對系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，實(shí)現(xiàn)了高效率的DC/AC轉(zhuǎn)換，并根據(jù)MPPT算法實(shí)現(xiàn)了對最大功率點(diǎn)的跟蹤且精確的實(shí)現(xiàn)了頻率和相位的跟蹤。由于此裝置采用的是較低端的器件實(shí)現(xiàn)，因此其具有很高的性價比，在系統(tǒng)中設(shè)置了過流欠壓過熱三從保護(hù)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。Abstract：Thissystemisverypopularwithtoday'sSPWMmodulationtechnologyofphotovoltaicpowergenerationsimulationsystem.Bytwolow-endoftheAVRmicrocontrollertoachievemaster-slavecontrolsystem,completedSPWMwavegenerationandthemonitoringandcontrolofthesystemtoachieveahighlyefficientDC/ACconversion,andinaccordancewithMPPTalgorithmformaximumpowerpointtrackingandaccurateimplementationofthefrequencyandphasetracking.Becausethisdeviceisusedtoachievethelowerendofthedevice,soitshighlycost-effective.關(guān)鍵詞：SPWMAVRMPPT頻率相位跟蹤Keywords:SPWMAVRMPPTFrequencyphasetracking1．方案選擇比較1.1整體方案選擇方案一：采用頻率調(diào)節(jié)芯片SA8382或SA8281來直接產(chǎn)生SPWM波，控制全橋，實(shí)現(xiàn)頻率相位和調(diào)制度的數(shù)字調(diào)節(jié)。此方案硬件結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)精度很高。但此類調(diào)節(jié)芯片價格極高，性價比較低，與此電子設(shè)計的宗旨不符。方案二：采用NE555產(chǎn)生三角波與單片機(jī)通過D/A產(chǎn)生的正弦波通過比較器TLV3501，產(chǎn)生SPWM波，控制全橋。此方案所用器件簡單，性價比高，但這種直接通過模擬電路產(chǎn)生SPWM的方式雖然可行，但其控制比較困難，且需要大量的數(shù)據(jù)分析來得到準(zhǔn)確的控制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。方案三：采用低端AVR單片機(jī)megal6中的定時器和比較匹配機(jī)制來產(chǎn)生SPWM波控制全橋，此方案可產(chǎn)生高頻率的SPWM波，且是數(shù)字控制，精度高調(diào)節(jié)快，干擾小。但由于mega16的計算能力有限，一片mega16沒有足夠的能力既控制系統(tǒng)，又能產(chǎn)生高頻高質(zhì)量的SPWM，因此可以采用兩片mega16實(shí)現(xiàn)主從控機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，達(dá)到兩者兼顧的目的。基于以上比較決定選用方案三，采用兩片mega16，一片用來監(jiān)測和控制整個系統(tǒng)，另一片專用于對SPWM的發(fā)生和調(diào)節(jié)。1.2MPPT控制方法方案一：通過調(diào)節(jié)SPWM波的調(diào)制比，從而調(diào)節(jié)了后級電路中負(fù)載兩端的電壓值，也即改變了電路中電流的大小，從而達(dá)到轉(zhuǎn)換器分壓Ud=1/2Us的目的，此種方案為軟件調(diào)控的方法，靈活性大。方案二：在DC/AC的前級設(shè)計以TL494為核心的DC-DC升壓模塊，采用硬件自動反饋調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)壓的為Ud=1/2Us，其優(yōu)點(diǎn)為自動調(diào)節(jié)，不需程序控制,可以減少單片機(jī)壓力提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.3同頻同相的測量控制方法方案一：通過A/D不斷對參考波形和反饋波形采樣，并分別得到兩種波的幅值并記錄得到幅值的時刻，根據(jù)這些時刻值可以計算出兩種波的頻率，通過單片機(jī)控制調(diào)節(jié)SPWM（等效于調(diào)節(jié)調(diào)制波的頻率），使參考波形和反饋波形相同，并以此原理調(diào)節(jié)二者的相位。此方案，對A/D要求較高，且需要存儲的數(shù)據(jù)較多；方案二：將參考信號通過通過比較器，整成方波，通過單片機(jī)的中斷功能和計數(shù)器的使用來測得周期，同理可對反饋信號進(jìn)行測量，當(dāng)其頻率調(diào)整到相同時，通過這種方法可以測得二者的相位差，通過單片機(jī)控制調(diào)節(jié)輸出的SPWM波，可以實(shí)現(xiàn)頻率和相位的跟蹤；此法簡單可靠節(jié)省A/D資源，且準(zhǔn)確度較高?；谝陨媳容^，方案二節(jié)省資源，且更易于實(shí)施，我們選擇方案二。1.4濾波方案選擇采用LC濾波中并聯(lián)低通m型濾波器，達(dá)到低通濾波的目的。綜上所述，采用的系統(tǒng)流程圖如圖1所示圖1系統(tǒng)流程圖2．理論分析與計算2.1MPPT的控制方法與參數(shù)計算在DC/AC的前級設(shè)計以TL494為核心的DC-DC升壓模塊，采用硬件自動反饋調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)壓的為Ud=1/2Us，其優(yōu)點(diǎn)為自動調(diào)節(jié)。當(dāng)后級負(fù)載RL改變時，前級電路中的電流Id發(fā)生改變，分壓Ud相應(yīng)改變，根據(jù)反饋TL494自動調(diào)節(jié)電壓使其等于0.5Us2.2同頻、同相的控制方法與參數(shù)計算將參考信號Uref通過通過比較器，整成方波，通過單片機(jī)的中斷功能和計數(shù)器的使用來測得周期，同理可對反饋信號進(jìn)行測量。即：計數(shù)器在不停的計數(shù)，每計數(shù)溢出一次，標(biāo)志量counter加1，通過記錄每一次外部中斷的時刻，完成周期的測量。這兩個信號占用兩個中斷引腳，二者的測量幾乎是同時進(jìn)行的，計數(shù)器計數(shù)周期值為32us，因?yàn)轭}目要求的最大頻率為65HZ，所以最大誤差為￠（frequence）==0.002，滿足精度的要求由此實(shí)現(xiàn)了頻率和相位的準(zhǔn)確測量。此為主控機(jī)完成的工作。主控機(jī)發(fā)指令給從控機(jī)（產(chǎn)生SPWM）使其重新調(diào)制產(chǎn)生SPWM，使用頻率步進(jìn)調(diào)節(jié)的方法最低每次可調(diào)0.1HZ，直至二者的頻率相等。然后根據(jù)測量的相位控制SPWM的輸出時刻，達(dá)到調(diào)相的目的。2.3提高效率的方法在系統(tǒng)中開關(guān)的損耗占整個系統(tǒng)無用功率的很大一部分，因此提高效率可通過降低開關(guān)的損耗來實(shí)現(xiàn)。而開關(guān)損耗與開關(guān)頻率有直接的關(guān)系，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出在高頻段（>100k）開關(guān)頻率與效率有某種指數(shù)關(guān)系，在低頻段（<30k）可近似看作一次線性函數(shù)關(guān)系，即當(dāng)開關(guān)頻率在18k左右時效率可達(dá)到73%。因此在允許范圍內(nèi)降低開關(guān)的頻率，雖然波形會受到一點(diǎn)影響，但還在控制范圍之內(nèi)因此開關(guān)頻率我們選擇的是20k的開關(guān)頻率，來實(shí)現(xiàn)效率和波形的折中。并且在軟件中合理的調(diào)整死區(qū)的時間，保證使H橋中兩對功率MOS管，不會同時導(dǎo)通，既保證了安全又調(diào)高了效率，降低MOS管的溫度，使其能連續(xù)高效穩(wěn)定的工作；2.4濾波參數(shù)計算根據(jù)并聯(lián)式m型低通濾波器的計算公式可以計算出參數(shù)為L1=m*z0/(fc);可計算出L1的值是18mHC1=300uF,C2=260uF.所以取L1為20mH，C1=330uF。濾波電路如圖2所示圖2濾波電路圖電路與程序設(shè)計3.1DC-AC主回路與器件選擇:核心電路采用單片機(jī)mega16產(chǎn)生SPWM，由于單片機(jī)輸出電壓較低，不能直接驅(qū)動功率MOS管。因此增加IR2110作為驅(qū)動MOS管的芯片，同時也起到了隔離作用，增加了系統(tǒng)的安全性。DC/AC的核心電路圖見附錄1中附圖1；主要器件為產(chǎn)生SPWM的單片機(jī)mega16L，驅(qū)動芯片IR2110，PowerMOSIRF540和肖特基二極管IN5822構(gòu)建的橋式逆變電路。3.2控制電路控制電路主要由主控單片機(jī)完成，其完成的工作主要有：通過中斷和計數(shù)器完成對參考信號源和工頻變壓器的反饋信號的頻率和相位的測量，根據(jù)測量結(jié)果對從控機(jī)發(fā)出指令，控制從控機(jī)改變輸出SPWM的參數(shù)同時單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換器用分壓的方法采集前級直流電源的電壓值，并與預(yù)設(shè)值比較判斷，決定是否要通過繼電器進(jìn)行欠壓保護(hù)；A/D采樣一熱敏電阻，單片機(jī)根據(jù)其電壓的變化，判斷是否要啟用過熱保護(hù)機(jī)制（啟動風(fēng)扇降溫）。且單片機(jī)控制鍵盤和LCD輸出當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)值，非常直觀便于控制。軟件的流程圖參見附錄1電路圖2：3.3保護(hù)電路.保護(hù)電路是保證電源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行得根本。因此我們設(shè)計了三級保護(hù)；分別為前級過流保護(hù)，前級欠壓保護(hù)，系統(tǒng)過熱保護(hù)，并在輸除級加了一個可恢復(fù)的保險絲，提高系統(tǒng)的安全性。欠壓保護(hù)和過熱保護(hù)是單片機(jī)直接控制AD（AD2543）采樣，控制繼電器實(shí)現(xiàn)電路的通斷或風(fēng)扇的開啟。過流保護(hù)設(shè)計為：由于后級電流I0和前級電流I01存在關(guān)系為I0：I01=1：2，以DC/AC效率為80%計算，由于動作電流要求為1.5A，所以可得出前級Id的動作電流為3.75A，過流保護(hù)是通過硬件實(shí)現(xiàn)，在其中串聯(lián)一個小電阻，將其兩端電壓通過滑阻調(diào)節(jié)，加入比較器，當(dāng)過流時比較去輸出高，控制RF2110的關(guān)斷引腳，實(shí)現(xiàn)DC/AC電路的關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。一小段時間后，電流減小，比較器輸出低，電路從新啟動，若過流故障未被排除則重復(fù)此動作，直至故障排除過流保護(hù)電路圖，如圖3所示圖3過流保護(hù)電路圖4．指標(biāo)測試4.1調(diào)試方案過程整個系統(tǒng)采用模塊式的調(diào)試方法，對于電路中的模擬電路部分先通過mulitisim仿真，測試通過后再進(jìn)行模塊間的聯(lián)調(diào)，這樣減少了排除錯誤的時間。4.2測試儀器測試儀器見附表34.3測試方案MPPT功能測量：調(diào)節(jié)Rs和Rl的電阻用電壓表測量Ud的電壓，與0.5Us相比較B．頻率相位跟蹤功能測量：示波器的CH1通道，CH2通道分別接參考端Uref和反饋端Uf，在同一窗口中測量其相位和頻率。C.DC/AC工作效率測量：調(diào)整Rs，Rl，使其阻值為30用萬用表交流電壓擋測量電壓U01，萬用表交流電流擋測電流I01，萬用表直流電壓檔測Ud，直流電流檔測電流Id，，其中，。D.輸出電壓失真度測量：調(diào)節(jié)Rs和Rl的電阻用失真度測試儀測試反饋輸出端UfF.輸入欠壓保護(hù)功能：調(diào)節(jié)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，使其為49~51V,測量電路中是否有電流；E.輸出過流保護(hù)功能：減小負(fù)載電阻，增大電路中的電流使Io（th）=（1.5±0.2）A測量電路中電流I0是否減小。4.4測試結(jié)果A.MPPT功能測量：起始狀態(tài)電阻Rs，R1的阻值都是30,調(diào)節(jié)兩電阻值見表1表1MPPT跟蹤測量表Rs（）30.3332.2934.3236.3336.3336.33R1（）30.3630.3630.3630.3632.3934.38Ud（V）30.2330.1229.9829.8329.9630.08DC/AC工作效率測量，如表2。表2工作效率測量U01（V）20.1220.19I01（A）1.051.06Ud（V）30.2330.26Id（A）0.9820.98171.2%71.5%輸出電壓失真度測量，如表3。表3失真度測試表THD3%3%D輸入欠壓保護(hù)功能調(diào)節(jié)直流電源Us的值，如表4。表4欠壓保護(hù)功能測試Us150.36V繼電器斷開電路停止工作Us252.67繼電器合上電路重新工作 E．輸出過流保護(hù)功能在輸出端加一個大功率電阻RL=10，測量電壓U0.完成后將負(fù)載變?yōu)?6。如表5。表5過流保護(hù)測試RL=10電路停止工作，測量電壓幾乎為零RL=36電路正常工作 F頻率相位跟蹤功能測量：示波器的CH1通道，CH2通道分別接參考端Uref和反饋端Uf（示波器波形展示參見附錄2示波器截圖）4.5測試結(jié)果分析有測試結(jié)果可以看出完成了最大功率點(diǎn)跟蹤功能，并實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤和相位的跟蹤誤差在1%以下。DC/AC的效率在72%左右，未達(dá)到80%的目標(biāo)，失真度為3%左右，完成了基本要求。欠壓，過流保護(hù)功能工作良好，并能在故障排除后電路正常工作。5.總結(jié)經(jīng)過幾天幾夜的奮戰(zhàn)，完成了光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的設(shè)計和制作，在此系統(tǒng)中對基本要求完成的很好，很好的完成了最大功率點(diǎn)跟蹤功能，并實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤和相位的跟蹤誤差在1%以下。DC/AC的效率在72%左右，未達(dá)到80%的目標(biāo)，失真度為3%左右，完成了基本要求。欠壓，過流保護(hù)功能工作良好，并能在故障排除后電路正常工作。此設(shè)計具有良好的性價比和低能耗的特點(diǎn)，具有某些實(shí)際意義。其實(shí)本設(shè)計還有很大的提升空間，但由于我們的動手能力以及理論水平有限，沒能很好的達(dá)到。通過本次設(shè)計，我們的動手能力以及處理問題的能力都有了很大的提高。6.參考文獻(xiàn)[1]董密,羅安.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的設(shè)計與控制方法.電力系統(tǒng)自動化,2006,30(20):972102.［2］何希才．電子電路．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003［3］李義府．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．長沙：國防科技大學(xué)出版社，2004［4］李朝青．單片機(jī)原理及接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994［5］全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編：第一屆~第五屆.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.8［6］楊志忠.數(shù)字電子技術(shù).北京：高等教育出版社，2003.12［7］胡晏如.模擬電子技術(shù).北京：高等教育出版社，2004.3[8]王兆安.電力電子技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994[9]馬潮AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐北京航空航天大學(xué)出版社附錄1： 附圖1逆變原理圖附圖2程序流程圖：附錄2： 附圖3波形附錄3：測試儀器ZQ4126 失真度測試儀TektronixTDS1002示波器SS1792D直流穩(wěn)定電源 VictorVC98074位半萬用表附錄4所有測試結(jié)果附表1MPPT跟蹤測量表Rs（）30.3332.2934.3236.3336.3336.33R1（）30.3630.3630.3630.3632.3934.38Ud（V）30.2330.1229.9829.8329.9630.08附表2失真度測試表THD3%3%附表3工作效率測量U01（V）20.1220.19I01（A）1.051.06Ud（V）30.2330.26Id（A）0.9820.98171.2%71.5%附表4欠壓保護(hù)功能測試Us150.36V繼電器斷開電路停止工作Us252.67繼電器合上電路重新工作附表5過流保護(hù)測試RL=10電路停止工作，測量電壓幾乎為零RL=36電路正常工作附錄5核心代碼voidfm(doublefre)//調(diào)頻{inti;numberPerCir=ceil(1000000/(90*fre));for(i=0;i<181;i++){dutyCycle[i]=(table[i]*numberPerCir)/maxAmp;shutTime[i]=numberPerCir-dutyCycle[i];}}interrupt[EXT_INT0]voidext_int0_isr(void){portnb1=(PINA&0X0F);if(PINA.6==0)//調(diào)頻調(diào)相標(biāo)志位第一位{if(PINA.5==0)//調(diào)頻00{if(PINA.4==0)//增加flgf=1;elseflgf=2;//減少}elseif(PINA.4==0)//相位增加flgc=1;//調(diào)相01elseflgc=2;}elseif(PINA.4==0)flga=1;//調(diào)幅增加elseflga=2;}interrupt[TIM0_COMP]voidtimer0_comp_sir(void){if(flag==0){PORTB=0X00;PORTB=0X