光伏并网发电模拟装置(A题)

编号：A甲1031光伏并网发电模拟装置（A题）参赛学生及专业：孟松物理学院亓帅物理学院臧大伟软件学院学校：山东大学指导教师：陈言俊王延伟秦峰王立志文稿整理老师：陈言俊摘要：本系统是采用当今非常流行的SPWM调制技术实现的光伏发电模拟系统。通过2片低端的AVR单片机实现的主从控系统，完成了SPWM波的产生和对系统的监测和控制，实现了高效率的DC/AC转换，并根据MPPT算法实现了对最大功率点的跟踪且精确的实现了频率和相位的跟踪。由于此装置采用的是较低端的器件实现，因此其具有很高的性价比，在系统中设置了过流欠压过热三从保护保证了系统的稳态。Abstract：Thissystemisverypopularwithtoday'sSPWMmodulationtechnologyofphotovoltaicpowergenerationsimulationsystem.Bytwolow-endoftheAVRmicrocontrollertoachievemaster-slavecontrolsystem,completedSPWMwavegenerationandthemonitoringandcontrolofthesystemtoachieveahighlyefficientDC/ACconversion,andinaccordancewithMPPTalgorithmformaximumpowerpointtrackingandaccurateimplementationofthefrequencyandphasetracking.Becausethisdeviceisusedtoachievethelowerendofthedevice,soitshighlycost-effective.关键词：SPWMAVRMPPT频率相位跟踪Keywords:SPWMAVRMPPTFrequencyphasetracking1．方案选择比较1.1整体方案选择方案一：采用频率调节芯片SA8382或SA8281来直接产生SPWM波，控制全桥，实现频率相位和调制度的数字调节。此方案硬件结构简单，调节精度很高。但此类调节芯片价格极高，性价比较低，与此电子设计的宗旨不符。方案二：采用NE555产生三角波与单片机通过D/A产生的正弦波通过比较器TLV3501，产生SPWM波，控制全桥。此方案所用器件简单，性价比高，但这种直接通过模拟电路产生SPWM的方式虽然可行，但其控制比较困难，且需要大量的数据分析来得到准确的控制数据，实现起来比较困难。方案三：采用低端AVR单片机megal6中的定时器和比较匹配机制来产生SPWM波控制全桥，此方案可产生高频率的SPWM波，且是数字控制，精度高调节快，干扰小。但由于mega16的计算能力有限，一片mega16没有足够的能力既控制系统，又能产生高频高质量的SPWM，因此可以采用两片mega16实现主从控机的拓扑结构，达到两者兼顾的目的。基于以上比较决定选用方案三，采用两片mega16，一片用来监测和控制整个系统，另一片专用于对SPWM的发生和调节。1.2MPPT控制方法方案一：通过调节SPWM波的调制比，从而调节了后级电路中负载两端的电压值，也即改变了电路中电流的大小，从而达到转换器分压Ud=1/2Us的目的，此种方案为软件调控的方法，灵活性大。方案二：在DC/AC的前级设计以TL494为核心的DC-DC升压模块，采用硬件自动反馈调节，达到稳压的为Ud=1/2Us，其优点为自动调节，不需程序控制,可以减少单片机压力提高系统稳定性。

1.3同频同相的测量控制方法方案一：通过A/D不断对参考波形和反馈波形采样，并分别得到两种波的幅值并记录得到幅值的时刻，根据这些时刻值可以计算出两种波的频率，通过单片机控制调节SPWM（等效于调节调制波的频率），使参考波形和反馈波形相同，并以此原理调节二者的相位。此方案，对A/D要求较高，且需要存储的数据较多；方案二：将参考信号通过通过比较器，整成方波，通过单片机的中断功能和计数器的使用来测得周期，同理可对反馈信号进行测量，当其频率调整到相同时，通过这种方法可以测得二者的相位差，通过单片机控制调节输出的SPWM波，可以实现频率和相位的跟踪；此法简单可靠节省A/D资源，且准确度较高。基于以上比较，方案二节省资源，且更易于实施，我们选择方案二。1.4滤波方案选择采用LC滤波中并联低通m型滤波器，达到低通滤波的目的。综上所述，采用的系统流程图如图1所示图1系统流程图2．理论分析与计算2.1MPPT的控制方法与参数计算在DC/AC的前级设计以TL494为核心的DC-DC升压模块，采用硬件自动反馈调节，达到稳压的为Ud=1/2Us，其优点为自动调节。当后级负载RL改变时，前级电路中的电流Id发生改变，分压Ud相应改变，根据反馈TL494自动调节电压使其等于0.5Us2.2同频、同相的控制方法与参数计算将参考信号Uref通过通过比较器，整成方波，通过单片机的中断功能和计数器的使用来测得周期，同理可对反馈信号进行测量。即：计数器在不停的计数，每计数溢出一次，标志量counter加1，通过记录每一次外部中断的时刻，完成周期的测量。这两个信号占用两个中断引脚，二者的测量几乎是同时进行的，计数器计数周期值为32us，因为题目要求的最大频率为65HZ，所以最大误差为¢（frequence）==0.002，满足精度的要求由此实现了频率和相位的准确测量。此为主控机完成的工作。主控机发指令给从控机（产生SPWM）使其重新调制产生SPWM，使用频率步进调节的方法最低每次可调0.1HZ，直至二者的频率相等。然后根据测量的相位控制SPWM的输出时刻，达到调相的目的。2.3提高效率的方法在系统中开关的损耗占整个系统无用功率的很大一部分，因此提高效率可通过降低开关的损耗来实现。而开关损耗与开关频率有直接的关系，经实验得出在高频段（>100k）开关频率与效率有某种指数关系，在低频段（<30k）可近似看作一次线性函数关系，即当开关频率在18k左右时效率可达到73%。因此在允许范围内降低开关的频率，虽然波形会受到一点影响，但还在控制范围之内因此开关频率我们选择的是20k的开关频率，来实现效率和波形的折中。并且在软件中合理的调整死区的时间，保证使H桥中两对功率MOS管，不会同时导通，既保证了安全又调高了效率，降低MOS管的温度，使其能连续高效稳定的工作；2.4滤波参数计算根据并联式m型低通滤波器的计算公式可以计算出参数为L1=m*z0/(fc);可计算出L1的值是18mHC1=300uF,C2=260uF.所以取L1为20mH，C1=330uF。滤波电路如图2所示图2滤波电路图电路与程序设计3.1DC-AC主回路与器件选择:核心电路采用单片机mega16产生SPWM，由于单片机输出电压较低，不能直接驱动功率MOS管。因此增加IR2110作为驱动MOS管的芯片，同时也起到了隔离作用，增加了系统的安全性。DC/AC的核心电路图见附录1中附图1；主要器件为产生SPWM的单片机mega16L，驱动芯片IR2110，PowerMOSIRF540和肖特基二极管IN5822构建的桥式逆变电路。3.2控制电路控制电路主要由主控单片机完成，其完成的工作主要有：通过中断和计数器完成对参考信号源和工频变压器的反馈信号的频率和相位的测量，根据测量结果对从控机发出指令，控制从控机改变输出SPWM的参数同时单片机通过A/D转换器用分压的方法采集前级直流电源的电压值，并与预设值比较判断，决定是否要通过继电器进行欠压保护；A/D采样一热敏电阻，单片机根据其电压的变化，判断是否要启用过热保护机制（启动风扇降温）。且单片机控制键盘和LCD输出当前系统的状态值，非常直观便于控制。软件的流程图参见附录1电路图2：3.3保护电路.保护电路是保证电源系统安全稳定运行得根本。因此我们设计了三级保护；分别为前级过流保护，前级欠压保护，系统过热保护，并在输除级加了一个可恢复的保险丝，提高系统的安全性。欠压保护和过热保护是单片机直接控制AD（AD2543）采样，控制继电器实现电路的通断或风扇的开启。过流保护设计为：由于后级电流I0和前级电流I01存在关系为I0：I01=1：2，以DC/AC效率为80%计算，由于动作电流要求为1.5A，所以可得出前级Id的动作电流为3.75A，过流保护是通过硬件实现，在其中串联一个小电阻，将其两端电压通过滑阻调节，加入比较器，当过流时比较去输出高，控制RF2110的关断引脚，实现DC/AC电路的关断，实现过流保护。一小段时间后，电流减小，比较器输出低，电路从新启动，若过流故障未被排除则重复此动作，直至故障排除过流保护电路图，如图3所示图3过流保护电路图4．指标测试4.1调试方案过程整个系统采用模块式的调试方法，对于电路中的模拟电路部分先通过mulitisim仿真，测试通过后再进行模块间的联调，这样减少了排除错误的时间。4.2测试仪器测试仪器见附表34.3测试方案MPPT功能测量：调节Rs和Rl的电阻用电压表测量Ud的电压，与0.5Us相比较B．频率相位跟踪功能测量：示波器的CH1通道，CH2通道分别接参考端Uref和反馈端Uf，在同一窗口中测量其相位和频率。C.DC/AC工作效率测量：调整Rs，Rl，使其阻值为30用万用表交流电压挡测量电压U01，万用表交流电流挡测电流I01，万用表直流电压档测Ud，直流电流档测电流Id，，其中，。D.输出电压失真度测量：调节Rs和Rl的电阻用失真度测试仪测试反馈输出端UfF.输入欠压保护功能：调节可调直流稳压电源，使其为49~51V,测量电路中是否有电流；E.输出过流保护功能：减小负载电阻，增大电路中的电流使Io（th）=（1.5±0.2）A测量电路中电流I0是否减小。4.4测试结果A.MPPT功能测量：起始状态电阻Rs，R1的阻值都是30,调节两电阻值见表1表1MPPT跟踪测量表Rs（）30.3332.2934.3236.3336.3336.33R1（）30.3630.3630.3630.3632.3934.38Ud（V）30.2330.1229.9829.8329.9630.08DC/AC工作效率测量，如表2。表2工作效率测量U01（V）20.1220.19I01（A）1.051.06Ud（V）30.2330.26Id（A）0.9820.98171.2%71.5%输出电压失真度测量，如表3。表3失真度测试表THD3%3%D输入欠压保护功能调节直流电源Us的值，如表4。表4欠压保护功能测试Us150.36V继电器断开电路停止工作Us252.67继电器合上电路重新工作 E．输出过流保护功能在输出端加一个大功率电阻RL=10，测量电压U0.完成后将负载变为36。如表5。表5过流保护测试RL=10电路停止工作，测量电压几乎为零RL=36电路正常工作 F频率相位跟踪功能测量：示波器的CH1通道，CH2通道分别接参考端Uref和反馈端Uf（示波器波形展示参见附录2示波器截图）4.5测试结果分析有测试结果可以看出完成了最大功率点跟踪功能，并实现了频率跟踪和相位的跟踪误差在1%以下。DC/AC的效率在72%左右，未达到80%的目标，失真度为3%左右，完成了基本要求。欠压，过流保护功能工作良好，并能在故障排除后电路正常工作。5.总结经过几天几夜的奋战，完成了光伏并网发电模拟装置的设计和制作，在此系统中对基本要求完成的很好，很好的完成了最大功率点跟踪功能，并实现了频率跟踪和相位的跟踪误差在1%以下。DC/AC的效率在72%左右，未达到80%的目标，失真度为3%左右，完成了基本要求。欠压，过流保护功能工作良好，并能在故障排除后电路正常工作。此设计具有良好的性价比和低能耗的特点，具有某些实际意义。其实本设计还有很大的提升空间，但由于我们的动手能力以及理论水平有限，没能很好的达到。通过本次设计，我们的动手能力以及处理问题的能力都有了很大的提高。6.参考文献[1]董密,罗安.光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法.电力系统自动化,2006,30(20):972102.［2］何希才．电子电路．北京：北京航空航天大学出版社，2003［3］李义府．模拟电子技术基础．长沙：国防科技大学出版社，2004［4］李朝青．单片机原理及接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1994［5］全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编：第一届~第五届.北京：北京理工大学出版社，2004.8［6］杨志忠.数字电子技术.北京：高等教育出版社，2003.12［7］胡晏如.模拟电子技术.北京：高等教育出版社，2004.3[8]王兆安.电力电子技术.北京:机械工业出版社，1994[9]马潮AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践北京航空航天大学出版社附录1： 附图1逆变原理图附图2程序流程图：附录2： 附图3波形附录3：测试仪器ZQ4126 失真度测试仪TektronixTDS1002示波器SS1792D直流稳定电源 VictorVC98074位半万用表附录4所有测试结果附表1MPPT跟踪测量表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失真度测试表THD3%3%附表3工作效率测量U01（V）20.1220.19I01（A）1.051.06Ud（V）30.2330.26Id（A）0.9820.98171.2%71.5%附表4欠压保护功能测试Us150.36V继电器断开电路停止工作Us252.67继电器合上电路重新工作附表5过流保护测试RL=10电路停止工作，测量电压几乎为零RL=36电路正常工作附录5核心代码voidfm(doublefre)//调频{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)//调频调相标志位第一位{if(PINA.5==0)//调频00{if(PINA.4==0)//增加flgf=1;elseflgf=2;//减少}elseif(PINA.4==0)//相位增加flgc=1;//调相01elseflgc=2;}elseif(PINA.4==0)flga=1;//调幅增加elseflga=2;}interrupt[TIM0_COMP]voidtimer0_comp_sir(void){if(flag==0){PORTB=0X00;PORTB=0X