A甲4505光伏并网发电模拟装置(王智华)

1 摘要本系统以 MSP430 单片机为控制核心，通过最大功率点追踪 MPPT 电路和正弦逆变电路实现了高效率的同频同相正弦波并网输出。该系统具有输入欠压保护及输出过流保护功能，可以实现系统的安全运行。达到了题目要求的各项功能指标要求同时本系统还实现了输出功率、电压、电流及频率液晶显示的功能并可以与上位机进行通信，可在上位机上显示系统信息，并对系统进行控制。关键词 MSP430 正弦逆变 MPPT 高效率Abstract The MSP430 microcontroller system to control the core, through the maximum power point tracking MPPT circuit and sinusoidal inverter circuit to achieve a highly efficient sine wave in phase with the same frequency grid output. The system has input under-voltage protection and output over-current protection can be achieved the safe operation of the system. Meet the requirements of the various functions of the subject index requirements at the same time the system also enables the output power, voltage, current and frequency LCD display features and can communicate with the host computer can be displayed on the host computer system information, and system control. Key words MSP430 sine inverter MPPT efficiency 2 光伏并网发电模拟装置一、 方案论证在仔细阅读题目要求之后，经过分析最终确定总体方案如下。1.总体方案系统方框图如图一所示。它主要由 MPPT、 DC-AC 、滤波器 、隔离变压器、辅助电源、控制部分等组成。为了避免画线混乱，电源部分未在框图中画出。图一 总框图该方案控制核心采用 MSP430-149,MPPT 电路采用 Boost 结构， DC-AC 电路采用全桥式电路，滤波器采用 LC 低通滤波器。2.系统方案论证2.1 控制器的选择方案一选用 AT89S52 低功耗，高性能 , 但其本身功能较少，因此需要增加较多的外围电路来实现功能。方案二 CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功能、体积小、稳定性高 ,而价格也较高，适合作为大规模控制系统的控制核心。方案三选采用 MSP430F149 低功耗单片机， ，内部资源丰富，包含 12 位 A/D 转换、 16 位定时器、 PWM 控制、 USART 接口等，处理能力强大，能够轻松胜任此任务。鉴于上面的分析，选择方案三。2.2DC-AC 模块逆变器电路中的开关元件的通断， 由控制回路产生的 SPWM 波控制， 实现将前级电路提供的直流转变为交流向后级电路输出的逆变过程。方案一采用半桥逆变器，此方案开关元件少，电路较为简单。方案二采用全桥逆变器，所需开关元件较前一方案多，但可提高电源的带负载能力。提升本方案设计的实用性。本系统使用方案二。3.3MPPT 模块方案一采用 boost 电路， 对电源电磁干扰小，驱动简单。光 伏电 池 MPPT REF DC -AC 滤波器控制部分 隔离变压器负载SPWM PWM 3 1 2 3CBAC1 C2DLVsQ RL图二 Bost 电路方案二采用 buck 电路，动态性能好，但输出不接地，驱动电路复杂。1 2 3C2C1DLVsQRL图三 Buck 电路鉴于上面的分析，选择方案一。二、 理论分析与计算2.1MPPT 的控制方法与参数计算通常的 MTTP 实现方法有定电压跟踪法、功率回授法以及电导增量法。本系统采用电导增量法， 通过太阳电池阵列 P-V 曲线可知最大功率点 处的斜率为零， 所以有1 2 3 式（ 3）即为要达到最大功率点的条件，当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，阵列工作于最大功率点。若不相等，则要判断 dp/dv 是大于零还是小于零。2.2 同频同相的控制方法与参数计算并网同步的实现并网的关键是要求输出正弦电流与电网电压同频、 同相。 要做到这一点， 首先要产生同步信号。 将电网电压信号经滤波、 整流产生同步放波信号。 同步方波信号输入 MSP430 的外部中断口 XINT1 ，捕捉电网电压的过零点。当 MSP430 检测到同步信号的上跳沿时，便产生同步中断。然后每当 T1 下溢时，正弦指针加一。另外由于同步信号易受干扰，因此，载软件上还要加入滤波程序。产生了同步信号， 正弦表指针同网压同步。 将 P1 调节后得到的电流指令 I0 与正弦表指针所对应数据相乘， 形成幅值可调的正弦电流指令 ， 通过闭环控制使输出的电流跟踪正弦电流指令实现电流跟踪控制。这样就实现了输出电流与网压同频、同相。正弦脉宽调制 SPWM技术具有线性调压、抑制谐波等优点，是目前应用最为广泛的脉宽调制技术．一般用三角波 μ c 作为载波信号，正弦波 ugUgmSin2π fgt4 作为调制信号，根据 μ 和 μ g 的交点得到一系列脉宽按正弦规律变化的脉冲信号。则可以定义调制比 mUgm／ Ucm，频率比 Kfc／ faTg／ Tco。2.3 提高效率的方法提高效率的方法如下，详细计算见附录2.3.1 降低整流器件的损耗。当电流较大时，整流器件的损耗会加大，应采用导通压降小的肖特基二极管。2.3.2 降低开关管上的损耗。功率管的开关损耗，关断损耗是影响系统效率的重要因素，应采用内阻小的功率 MOSFET 2.4 滤波参数计算滤波器采用 LC 滤波器参数计算 此模块主要是为了滤去 SPWM 波中的载波， 留下正弦波。 为了给电路留下一定的缓冲能力，将截止频率 设定在 120HZ 。算得 L330 μ H ,C0.1 μ F 三、 电路与程序设计3.1DC/AC 主回路与器件选择主回路电路图图按逆变器主电路的形式分， 逆变器可分为单端式逆变器， 推挽式逆变器、 半桥式逆变器和全桥式逆变器。 其中全桥式逆变器的效率最高， 虽然电路比较复杂， 但是为了提高电源效率，我们还是采用了这个方案。器件选择MOS管 11N60 5 3.2 控制电路控制部分框图如图 控制部分框图该部分包括单片机， 液晶显示， 精密整流及过零检测电路。 显示 绝对值电路 采样电路。3.2.1 过零检测电路321DCBR1010KR1210KR810K R1110KR610KR910KR7 20KD1IN4 148D2IN4 148U1ALM324U1BLM324VCCVCCZL- INZL- OUT3.2.2 精密整流电路精密整流电路MSP430 单片机驱动电路液晶显示过 零 检 测电路6 1 2 3321DCBAR1010KR1210KR810K R1110KR610KR910KR7 20KD1IN4 148D2IN4 148U1ALM324U1BLM324VCCVCCZL- INZL- OUT3.2.3 显示电路，保护电路及 MSP430 单片机最小系统见附录。32.2 程序设计开始系统初始化数据采集显示最大功率点同频率同相位输出电压恒定调整频率重置初相调整 Ud调整正弦表低功耗模式LPM0YYYYNNNN中断退出低功耗程序总框图3.2.3 控制程序见附录3.4 保护电路7 保护电路设计系统通过采样电阻将采集的输入电压和输出电流信号送入单片机， 当发生欠压或过流故障时， 单片机将发出信号控制继电器通断， 进而保护电路。 当故障消除后系统自动回复工作。通过不断试验，最后电流采样电阻选择 0.4Ω 的康铜电阻丝。电压采样电阻比为15 1。通讯及上位四、测试方法与测试结果4.1 测试方案及测试条件4.1.1 最大功率点跟踪功能的测试使 的阻值在给定的范围（ Ω 36Ω ）内变化，测量 和 ，计算和 相对偏差的绝对值。8 4.1.2 频率跟踪功能的测试使 在给定的范围（ 45 50 ）内变化，测量 的频率 ，计算 和 相对偏差的绝对值。4.1.3DC/AC 变换器效率的测试使 Ω ， 分 别 测 量 DC-AC 变 换 器 的 输 入 输 出 电 压 和 电 流计 算 DC-AC 变 换 器 的 效 率 ， 其 中。4.1.3 其他指标的测试方案见附录。4.2 测试仪器所用测试仪器及用途见附录。4.4 测试结果4.4.1 最大功率点跟踪功能的测试表 电阻变化是对应的 Ud 的变化R 阻值 30 60RS 29.8 30.1 RL 29.9 30.2 4.4.2 频率跟踪功能的测试表 参考频率变化时对应的输出频率fref fF 45HZ 45.36HZ 50HZ 49.67HZ 55HZ 55.42HZ 4.4.3DC/AC 变换器效率的测试表 DC/AC 效率测试Ud Id Pd Uo Io Po 第一次第二次第三次9 4.4.4 输出电压失真度的测试 THD4.4.5 输入欠压保护及输出过流保护功能的测试表 欠压、过流保护欠压保护 过流保护24.7V 1.514A 故障排除后能自动恢复正常状态列表，详细见附录4.5 测试结果分析各项指标均达到了设计要求。 由于我们的电路全部由手工焊接而成， 对于高频信号的屏蔽不是很理想。 另外， 回路中起关键作用的电感也是通过手工绕制而成， 虽然我们精心的进行了调试， 但还是存在一定程度的偏差， 并且有漏磁现象。如果在时间允许的情况下进行 PCB 制版，对于信号线采取更有效的屏蔽，用更为专业的工具对电感进行绕制，我们的系统将会更加理想。五、参考文献[2]赵战克，单片机在移频信号频率检测中的应用，微计算机信息， 2004,20276-77[1] Sanjaya Maniktala [ 美 ] 精通开关电源设计王志强译北京人民邮电出版社， 2008 年 10 月 第 1 版[2] 钱振宇 等 开关电源的电磁兼容性北京电子工业出版社，2005 年[3] 马忠梅 等 单片机的 C语言应用程序 北京 北京航空航 天出版社，2007 [4] 沈建华 等 MSP430系列 16 位超低功耗单片机原理与应用 北京清华大学出版社， 2004 年 11 月第一版六、附录4.1 测试仪器及设备（见表 1 表 1测试仪器及设备仪器名称 型号 用途 数量PC 机 联想昭阳 E260 调试程序 1 4 位半数字万用表 山创 DT9203L 检查电路、测量电压、电流 1 4 位电感表 胜利 VC6043 测量电感值 1 5 位半数字万用表 UNI-T UT850 精确测量电压、电阻值 1 水泥电阻 100 Ω ， 100W 作为负载使用 2 可调水泥电阻 0100 Ω ， 100W 作为负载使用 2 数字示波器 带宽 60MHz TDS 1002 观看波形、测量 UOPP 1 调压变压器 TDGC 2-0.5 变压 1 10 1 2 3 4 5 6654321DCBATitleNum ber RSizeBDate 5-Sep-200 9 She et ofFile E\99 画 图 \430 169\MSP-TS430 PM64A99.DD BD ra wn By DV CC234567XINXO UT1011121314151617 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32333435363738394041424344454647484950515253TDOTDITMSTCKRST596061AVSSDVSSAVCCU1MSP430- PM6412345678910111213141516J3Hea der 1 612345678910111213141516J4 Hea der 1 612345678910111213141516J1Hea der 1 61 2 3 4 5 6 7 8 910 11 12 13 14 15 16J2Hea der 1 6C4100 nFC50.1uR130R123J5Hea der 31 23 45 67 89 10BO OSTDN P12JP2Hea der 2C112p12Q1DN PC212pC610u F/10VD1GNR3330 R1 2JP1Hea der 2R1 0RR140RXO UTXINR2 0RR100RR110RVCC430RST/SBW TDIOC32.2n F1122 3344 5566 7788 99101011 11121213 131414JTA GJTA G123JP5Hea der 3123JP6Hea der 3123JP7Hea der 3123JP8Hea der 3123JP9Hea der 3123JP4Hea der 3TCK /SBW TCKTMSTD ITD O/SBW TDIORST /NMIR60RR447KTEST/SBW TCKRST /SBW TDIO P7. 0/TDO P7. 1/TDI P7. 2/TMS P7.3/TCKVCCVCC430123JP3Hea der 3VCCVCC430AV SSAV CCP5. 1P5. 1TEST/SBW TCKP1. 0P1. 1P7.0/TDOP7.1/TDIP7.2/TMSP7.3/TCKTEST/SBWTCKRST/SBWTDIO430 最小系统原理图321R1310KR1210KU1CLM324VCCTex tTex t过零检测电路11 1 2 3321DCBAR1010KR1210KR810K R1110KR610KR910KR7 20KD1IN4 148D2IN4 148U1ALM324U1BLM324VCCVCCZL- INZL- OUT精密整流电路4321DCBRsR1R2R3RLQ2Q3Q4Q5Q1C1C2L1L2D1 TINZL INBuc k电 路 DC-AC 电 路 滤 波电 路R过 流保 护电 流取 样电 压取 样直 流稳 压电 源5432Q1C1L1D11 2 3321DCBAQ2Q3Q4Q5Q1C1L1D112 DC-AC 主回路321C1 C2DLVsQ RL13 1 2 3C2C1DLVsQRL14 付 程序/*P10P13----CH451 //P14----collection frequency //P15P16---conttol PWM //P34P35---uart PC //P40P42---SPWM //P50P54---n5110lcd //P60P6x---adc //P20P22---infra //P30---18b20 */ include “msp430x14x.h“ include “spwmtb.h“ include “wdtfre.h“ include “sintab.h“ include “CH451.h“ include “n5110.h“ include “madc.h“ include “infrat.h“ include “pwmta.h“ 15 //include “ds18b20.h“ //include “cepinlv.h“ define divUd 15 define divId 0.2 define UD 26 define uchar unsigned char define uint unsigned int //define FREQ 127 //ferquency uchar addp1,powerp; uint FREQ167; //50KHz uint fre50,scale600,zaifre50,mppt45,mfre50,mft; uint isin,gds; float Uddata,Iddata,uodata,iodata,pd1,pd2; void initclkvoid { BCSCTL1 // 开启晶振uchar j; do { 16 IFG1 //消除标志位forj0xee;j0;j--; } whileIFG1 BCSCTL2 | SELM_2 SELS; //选择时钟} void delayxmsuint j //MCLK/81MHz { uchar i; whilej-- fori0;i167 fre1; ifscale1500 scale0; ifzaifre95 zaifre1; ifcomplement100 complement0; ifmppt99 mppt0; ifmfrepd2 { ifaddp mppt; else mppt--; } else { ifaddp { addp0; mppt--; } else { 29 addp1; mppt; } pd2pd1; } ifmppt99 mppt99; } int main void { WDTCTL WDTPW WDTHOLD; initsys; P1DIR|BIT5;//tese adc s freq P1OUT|BIT5; while1 { keyprocess; usertabFREQ; std_usescale; mftlong81920/mfre; staymppt; 30 gopwmmft,mppt; display; LPM0; } } pragma vectorTIMERB0_VECTOR __interrupt void Timer_B void { static unsigned int isrstep,dispi;// isrstep; ifisrstep*frezaifre*3*isin //8192/FREQ/15X/50 X81920/FREQ/327307/FREQ { // x/50 30/15;x100 isin; ifisin150 { isrstep0; isin0; gds; gds2;