2009光伏并网发电模拟装置-王雨曦等12.doc

I光伏并网发电模拟装置摘要系统基于光伏发电原理，采用正弦波脉宽调制技术（SPWM） ，以单片机和大规模可编程阵列逻辑器件（FPGA）作为控制核心，实现了模拟的光伏并网发电功能。系统采用增量电导法实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，采用频率跟踪法和沿触发补偿跟踪法分别实现了系统的频率跟踪功能和相位跟踪功能。系统对各路输入输出信号进行实时监测和反馈控制，实现了欠压和过流保护，且具有自动恢复功能。系统对强弱电进行了隔离，这样既避免两部分电路的相互影响，保证了弱电部分器件的安全，又达到了控制的效果。主回路 DC-AC 变换器效率达到 80以上，负载电路输出电压失真度很小，不大于 1。系统人机界面友好，稳定性高，安全可靠，并具有可实时监测并显示变换器效率、频率等功能。关键字SPWM MPPT 频率跟踪 相位跟踪一、方案论证1、方案比较与选择1）DC-AC 主回路拓扑鉴于此 DC-AC 逆变器为电压输出，故我们采用电压型逆变电路。方案一半桥式。半桥式电路中每只开关管只需承受逆变器输入电压幅值大小的电压应力，电路简单，但其需要正负对称供电才能输出无直流偏置的信号。方案二全桥式。两个半桥合并成即为全桥，全桥式电路的输出功率比半桥式大，且效率较半桥式电路高、谐波少，其输出对称性好，供电简单。 综上比较 ，全桥式电路输出谐波少，则输出端滤波较为容易，在工作频率不是很高的情况下，效率可以达到很高，所以我们选择方案二。2）SPWM 控制波实现方案方案一模拟调制法。用硬件电路产生正弦波和三角波，其中正弦波作为调制信号，三角波作为载波，两路信号经模拟比较器比较后输出 SPWM 波形。方案二数字采样法。把正弦波波表及三角波波表存入存储器里，通过 DDS生成相应波形，再通过数字比较器产生所需要的波形。方案一电路简单，响应速度快，但参数漂移大，集成度低，波形易受外界噪声干扰，设计不灵活，且需要很复杂的硬件来控制逆变器功率器件的死区。但方案二可靠性高，可重复编程，响应快，精度高，控制简单，故选用方案二。3）MPPT 控制方案方案一扰动观测法（PO） 。其原理是每隔一定的时间增加或者减少电压，并观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。方案二增量电导法（INC） 。对光伏电池的电压和电流进行采样，通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。方案二和方案一均是通过扰动逐步使光伏电池逼近最大功率点，但方案二较方案一更具优势，其避免了扰动观测法的盲目性，控制精确，响应速度快，且光伏电池的输出电压能平稳追随环境的变化，稳态振荡小，故选用方案二。II4）同频控制方案方案一瞬时比较方式。对反馈信号和参考信号测频并作比较，偏差通过滞环比较产生控制主电路中开关通断的 SPWM 信号，从而实现频率跟踪功能。方案二频率跟踪法。通过测周期法测量参考信号的频率，并将 DDS 输出的正弦调制信号设置为此频率，经调整 SPWM 控制信号使反馈信号 uF 的频率等于参考信号的频率。方案一中外围电路较多，调节相对复杂，而方案二在低频范围可精确测频，电路简单，误差小，故选用方案二。5）同相控制方案方案一测相法。采用测相法实时跟踪参考信号相位变化从而实时调整DDS 产生的正弦信号的相位。方案二沿触发补偿跟踪法。采用过零比较电路将参考信号整形为方波信号，在其上升沿时刻触发 DDS 从零相位点产生正弦信号，经 SPWM 调制控制使得逆变电路输出信号与参考信号同相输出，再由相位补偿法实现小范围内快速同相。方案一可靠性不高，当波形畸变时测量存在较大误差，且硬件较复杂，器件的延迟、漂移等也将引入新的误差。而方案二控制简单，精度高，故选用方案二。2、系统总体方案系统包括光伏电池、DC-AC 变换电路、控制、反馈、测量和显示六个部分。全桥式逆变电路是核心部分，控制部分利用闭环反馈法实现输出电压的稳定，采用增量导纳法逐步调节 SPWM 波的调制比实现 MPPT 控制，采用频率跟踪法和沿触发同步跟踪法实现频率和相位的跟踪功能。当系统检测到输入欠压或输出过流动作时，通过控制继电器切断光伏电池输出，当故障解除后，系统利用试触法实现自动恢复正常工作状态的功能。体统总体框图如图 1 所示。光耦隔离直流稳压源M A X 1 9 7 采样负载放大整形电路驱动电路全桥逆变电路L C滤波R s变压器保护电路继电器频率跟踪控制模块电压 、 电流取样电路并网反馈电压 、 电流取样电路M A X 1 9 7 采样参考信号相位跟踪控制模块S P W M 波产生M P P T 控制跟踪法效率计算 失真度测试键盘 单片机L C DD C - A C光伏电池总线F P G A并网反馈图 1 系统整体框图二、理论分析与计算1、MPPT 的控制方法与参数计算1）实现 MPPT 的算法采用增量电导法，简称 IncCond 法。对于光伏阵列某一III固定 P-U 曲线如图 2 所示，在其最大值 Pm 处的斜率为零，所以有0，即 （1）dUIdUIdP///  UIdI//当 UUm 时，有 0；当 UUm 时，有 0。/即 UUm （3）UUm （4）d可以根据 与 之间的关系来调整工作电压而达到 MPPT 的目的。UI/I/当 dU0 时，光伏电池的工作点电压没变，此时外界条件可能会发生变化，导致工作点在不同的输出特性曲线之间转移。若 dI0，说明外界条件没有变化，仍工作于最大功率点；若 dI0，说明工作点向功率增大的方向变化，输出特性曲线上移，原来的工作点位于当前最大功率点的左侧，此时应增大电压，即增加 SPWM 波的调制比 α；反之，若 dI-dI0IUbnI返 回NNY YY增 大 a增 大 a增 大 a增 大 a 开始初始化采入 u R E F 频率改变 D D S 频率控制字u F 与 u R E F 同频S P W M 波调制D C - A C 主回路开始初始化u R E F 过零比较上升沿触发D D S 产生零相位正弦调制波实现同相S P W M 波调制相位补偿u F 与 u R E F 同相D C - A C 主回路开始S P W M 波调制D D S 输出正弦信号相位调节确定相位增量否是相位补偿算法测量相位差图 4 MPPT 控制方法图 5 同频测试流程 图 6 同相测试流程3、保护电路本系统采用单片机实时监控输入电压和输出电流的值，在输入电压降低到Ud（250.5）V 或输出电流上升到 IO（1.50.2）A 时启动控制程序切断继电器使光伏电池输出开路，从而实现输入欠压保护和输出过流保护功能，采用试触法实现欠压、过流故障排除后，装置自动恢复正常状态的功能。其电路如图 6所示。VI单片机控制 2N39041Ω5、GDI/OVC-AMAX197采样电流互感放大电路电压互感放大电路光伏电池输出 U d负载电路I o图 6 保护电路4、系统其它部分的电路见附录图 111 图。5、系统弱电地与强电地隔离，避免两部分电路的相互影响，保证了弱电部分器件的安全，又减少电路信号噪声的干扰。在对交流取样之前，用互感器进行隔离取样，在对直流取样时，用线性光耦对地线进行隔离，使得系统测量安全准确。 系统地线连线图如图 7 所示。系统板电源 1D C - A C信号采集 隔离变压器 负载电源 2光耦隔离互感器隔离图 7 系统地线连接图四、测试方案与测试结果1、测试方法及测试条件用直流稳压源 Us 和电阻 Rs 模拟光伏电池，由数字信号源提供正弦参考电压 ，其峰峰值为 2V，频率 为 45Hz55Hz，R L在30Ω36Ω。当 Rs 和 RLREFuREFf在给定的范围内变化时观察最大功率点跟踪功能；调节 ，观察频率跟踪功EFf能；在给定电阻条件下测试 DC-AC 变换器的效率及输出电压的失真度；当在给定范围内变化以及加非阻性负载时观察相位跟踪功能；调节 Us 和 RsREFf观察 Ud 和 Io，观测系统的欠压和过流保护功能及自动恢复功能。 2、使用仪器及使用设备直流稳压稳流电源 SG1733SB3A 万用表 FLUKE 17B 60M 数字存储示波器 TEKTRONIX TDS1002 失真度测试仪 数字信号源 AGILENT 33120A 普通频率计3、测试数据1）最大功率点跟踪功能测试方法Us60V,使 Rs 和 RL均在 30Ω36Ω 范围内变化，用四位半万用表测量 Ud 和 Us 的值。测试数据如表一所示，具体测试数据如附录表一所示。表一最大功率点跟踪功能测试Rs、R L RsRL30Ω RsRL36Ω Rs30Ω，R L36ΩRs36Ω，R L30ΩVIIUd/V 29.85 29.92 29.88 29.97误差 0.5 0.27 0.4 0.12）频率跟踪功能测试方法调节 在 45Hz55Hz 范围内变化，用示波器或普通频率计观测反REFf馈信号 的频率。测试数据如表二所示，具体测试数据如附录表二所示。Fu表二频率跟踪功能测试/HzREf45 48 50 55/HzF44.99 47.99 50.00 54.99误差 0.022 0.021 0 0.0183）DC-AC 变换器的效率测试方法使 RsRL30Ω，用四位半万用表测试逆变器的输入电压、电流和输出电压、电流的有效值，计算 DC-AC 变换器的效率。实测数据为Ud30.29V，Id0.9983A，U 0115.03V，I 011.856A效率 η U 01*I01/Ud*Id92.25804）输出电压 的失真度ou测试方法使 RsRL30Ω，用失真度测试仪测试输出电压 的失真度。ou经测量输出电压 失真度1 。o5）相位跟踪功能测试方法使 在 45Hz55Hz 范围内变化以及加非阻性负载时，用示波器观REFf测参考信号 和反馈信号 的相位差。uFu经示波器观测，持续改变条件时，两者相位偏差的绝对值小于 5o。6）保护电路。①输入欠压保护功能。调节 Us，测试 Ud 降低到（250.5）V 时，继电器能否关断系统。测试结果在输入电压为 25.03V 时系统便进入输入欠压保护功能状态，光伏电池输出开路。②输出过流保护功能。调节 RL在，测试 IO上升到（1.50.2）A 时,继电器能否关断系统。测试结果在输出电流为 1.492A 时系统便进入输出过流保护功能状态，光伏电池输出开路。③在过流、欠压故障排除后，观察到装置能自动恢复为正常状态。4、测试结果分析由测试结果可知本系统较好的完成了题目中的各项指标，并扩展了效率和失真度的测量计算和显示功能。但在测试中我们发现最大功率点跟踪精度不高，速度较慢，虽达到题目要求但还是不能实现快速跟踪；工频变压器对系统的效率影响较大，因其产生较大损耗而使系统效率难以大幅度提高。所以系统若采用损耗较小的变压器则可进一步提高效率。系统频率、相位跟踪中由于器件和测频算法的误差使得其存在一定的偏差而无法实现绝对的同频同相。我们可以通过提高系统的抗干扰性来提高系统的性能。附录1、交流电压、电流采样电路采用电流互感器 TA12-200 和电压互感器 TV19E 进行电流, 电压的提取，并送入 A/D 转换器进行采样，如附录图 1、图 2 所示。MAX197 是具有很高数据VIII分辨率的数据采集芯片（它的输入范围软件可调，具有 0–5V ,0–10V,5V , 10V 四种范围） ，有 8 路可编程模拟量输入通道， （可以巡回测量）具有 12 位分辨率以及 1/2LSB 的线性度，同时具有两种时钟、电源模式，和最高 200ksps 的采样速率。本设计中 MAX197 工作于内部时钟和内部参考电源方式，并采用时分复用方式采样。、5123467INAGDKV.uF-ot附图 1 电流测量电路图 附图 2 电压测量电路我们采用了 Maxim 公司的 12 位 A/D 转换器 MAX197，它的输入范围软件可调，具有 0–5V ,0–10V,5V , 10V 四种范围，同时具有八个模拟通道，可以巡回测量，大大简化了电路设计。在 FPGA 内部模拟 MAX197 的采样时序，由 FPGA输出控制信号 CS,RD,WR,HBEN，送入控制字后，软件延时一段时间，再读取数据。每次采样之前需要重新写入控制字。外围电路简单，连接电路如下图所示 CH9REJB/LSWTUMXnpdf附图 3 MAX197 外围电路2、SPWM 波控制电路FPGA 内控制 SPWM 控制信号产生的内部顶层模块如附录图 4 所示，其中正弦波、三角波发生器的模块图如附录图 5 所示。IX附图 4 SPWM 波产生模块附图 5 SPWM 波中正弦波、三角波发生器5、光耦隔离电路隔离电路利用高速光耦 6N136 把 FPGA 控制部分的弱电部分与功率输出的强电部分隔离开来，并将 SPWM 控制波形传送到强电部分以控制逆变芯片中开关管 IGBT 的通断。这样既避免两部分电路的相互影响，保证了弱电部分器件的安全，又达到了控制的效果。光耦隔离电路如附录图 6 所示。N13SPWM、GDC8Vc2AOE7BTHUK.uF0Ω附图 6 光耦隔离电路6、测频整形电路图 7 所示为输出一相交流电的测频电路，其余两相的测频与此电路相同。在测频电路中加入一级放大限幅电路，后级的 LM311 和两个电阻构成迟滞比较器将正弦波整形成方波，此比较器能够很好的抑制比较器输出脉冲沿上的抖动，使输出的脉冲具有干净而陡峭的沿，便于 FPGA 测频。X85326741INALMV-KGD0out附图 7 放大整形电路7、峰值检波电路 BUFinCOTSEdav9s.附图 8 AD637 峰值检波电路8、直流电流、电压取样我们采用高边电流检测放大器和 INA118 对直流电流进行采样，可获得较为理想的数值，电路如图 9 所示。采用电阻分压法去直流电压进行取样，如图 10所示。在进行取样之前，要用线性光耦对光伏电池和采样电路的地线进行隔离，使强弱电的地线隔离，电路如图 11 所示。附图 9 高边电流检测放大器对直流电流取样XI10KMR2-V4IN3OUT6EF5G87AD.u、d附图 10 直流电压取样图 11 线性光耦电路9、完整测试数据2）频率跟踪功能表一频率跟踪功能测试/HzREFf45 47 49 50 51 53 54 55/Hz 44.99 46.99 48.99 49.99 50.99 52.99 53.99 54.99误差 0.022 0.021 0.020 0 0.020 0.018 0.018 0.018