光伏并网发电模拟装置(A题)

1光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置（ （ A题）摘要摘要 本光伏并网发电模拟装置的设计主要分为 DC-DC变换部分、 DC-AC变换部分和并网控制部分。 DC-DC变换部分用于实现 MPPT功能的控制， MPPT控制方式采用双反馈的形式，同时采样输出电压和模拟光伏电池内阻的电压；逆变部分采用驱动芯片 IRF540进行全桥逆变， 用自然采样法完成 SPWM的调制； 并网部分采用 STC89C52单片机处理实现反馈信号频率和相位的跟踪以完成并网。 反馈部分分为两级， 第一级反馈实现最大功率点跟踪功能， 第二级反馈利用电压控制模拟电位器使输出电压稳定， 形成了双重反馈环节，增加了系统的稳定性。在保护上，具有输入欠压、输出过流和短路保护的功能，增强了该装置的可靠性和安全性。该装置基本上完成了各项指标，输入功率为 24.48W，逆变部分效率达到了 81.7。关键词 并网； DC-DC ; DC-AC ； MPPT； SPWM；单片机2目录1. 系统方案设计 31.1 设计思路 31.2 方案选择与论证 31.3 系统组成 42. 理论分析与计算 42.1 MPPT的控制方法与参数计算 42.2 频率与相位跟踪方法与参数计算 52.3 提高效率的方法 52.4 滤波参数计算 . 53. 电路与程序设计 . 63.1 DC-AC主回路电路的设计 . 63.2 保护电路的设计 63.3 并网控制电路的设计 . 64 系统测试 .74.1 测试仪器与设备 .74.2 指标测试 74.2.1 最大功率点跟踪（ MPPT）功能的测试 74.2.2 频率和相位跟踪功能的测试 84.2.3 DC-AC变换器的效率的测试 .84.2.4 输出电压失真度的测试 84.2.5 保护功能的测试 84.3 结果分析 8参考文献 9附录 1 电路原理图 .10附录 2 使用说明 .13附录 3 主要元器件清单 .13附录 4 完整测试结果 .14附录 5 程序清单 .1531. 系统方案设计1.1 设计思路根据题目要求，系统 MPPT电路采用 DC-DC结构，采用双反馈对模拟光伏电池的内阻电压以及 DC-DC的输出电压进行采样反馈。 DC-AC部分采用全桥拓扑结构， 用 STC89C52单片机实现对频率以及相位的跟踪。1.2 方案选择与论证⑴ SPWM波实现方法的选择与论证方案一 采用 AD9851DDS 集成芯片。 AD9851 芯片由高速 DDS电路、 数据输入寄存器、频率相位数据寄存器、高速 D/A 转换和比较器组成。由该芯片生成正弦波和锯齿波，利用比较器进行比较，可生成 SPWM 波。方案二采用自然采样法实现 SPWM 波。自然采样法是以正弦波为调制波 , 等腰三角波为载波进行比较 , 在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断。方案比较虽然采用 AD9851DDS 集成芯片生成 SPWM 波比较容易，但是编程复杂，成本也较高。自然比较法生成的 SPWM波经过低通滤波后最接近正弦波，实现起来也不难，并且降低成本，因此选择方案二。⑵ 实现频率和相位跟踪功能的选择与论证方案一利用 STC89C52 单片机同时对 REFu 和 Fu 的频率和相位进行检测，经计算处理后，使 Fu 与 REFu 同频及同相，以实现频率和相位的跟踪。其实现框图如图 1.2.1 所示。频 率 检 测相 位 检 测单 片 机电 流 反 馈信 号 Fuu自 然 采 样 法 SPWM正 弦 波图 1.2.1 软件法实现频率与相位跟踪的框图方案二 采用锁相环技术以实现频率和相位的跟踪。 锁相环为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法 , 当压控振荡器给出一个信号 , 一部分作为输出 , 另一部分通过分频与PLL IC 所产生的本振信号作相位比较 , 为了保持频率不变 , 就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化 , 则 PLL IC 的电压输出端的电压发生变化 , 去控制 VCO, 直到相位差恢复，达到锁频的目的，能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系。其实现框图如图 1.2.2 所示。锁 相 环REFuu压 控 正 弦 波发 生 器 自 然 采 样 法 SPWM图 1.2.2 锁相环电路实现频率与相位跟踪的框图方案比较 用锁相环实现同频和同相的功能电路结构复杂， 调试困难， 而使用单片机实现的方法简单可行，因此选择方案二。41.3 系统组成通过上述分析与比较， 本光伏并网发电模拟装置系统主要由 DC-DC、 DC-AC、 并网控制电路和保护电路等部分组成。其系统组成框图如图 1.3.1 所示。DC-ACMPPT控 制 电 路 低 通滤 波 器 LRT液 晶 显 示 频 率及 相 位 差n1 n2n3STC89C52单 片 机SPWM控 制 电 路REFu 频 相 位 采 样直 流稳 压电 源sR电 流 检 测输 入 欠 压保 护 电 路过 流 保 护电 路短 路保 护电 路图 1.3.1 系统组成框图2. 理论分析与计算2.1 MPPT的控制方法的控制方法与参数计算 与参数计算MPPT 所实现的功能等效电路如图 2.1.1 （ a）所示， LR 为 DC-AC 的输出端等效到输入端的阻抗，调整 LR 随着 sR 变化即可实现 sd UU21 。 MPPT的硬件电路框架如图2.1.1 （ b）所示，利用 DC-DC变换器以及对 sR两端电压采样的反馈网络组成前级反馈回路，利用前级反馈回路对输出功率的控制，使得 sR 改变时 LR 的阻抗也改变，最终实现sd UU 21 。利用减法器可以获得sR两端的电压值，将该值分压后送入 PWM控制芯片SG3525的 2 脚，1 脚接后级电压反馈回路，这样便可实现 MPPT。sU-sRLR-dUaMPPT控制 电 路反 馈 网 络sU-sRb图 2.1.1 MPPT控制方法框图52.2 频率与相位跟踪方法与参数计算采用 STC89C52 单片机来实现 Fu 和 REFu 的同频和同相的控制。首先将正弦波转换成相同频率的方波， 频率测量通过定时器 0 和定时器 1 的计数来实现。 相位测量的原理为将相位差转换成时间，然后用单片机来测量时间间隔。此时间间隔 t 以 sμ 为单位计算，由此可得相位差 的计算公式如 2.2.1 。当准确测量到频率和相位差后，单片机控制 SPWM控制电路，输出相应频率的 SPWM波。Tto 360 （ 2.2.1 ）2.3 提高效率的方法⑴ DC-AC 采用的是全桥结构，开关器件上的损耗比较大。为了降低损耗，在开关器件的耐压值允许的情况下选择导通电阻尽可能低的开关器件。⑵ 在输出滤波器上， 可以适当的增加电容的电容量和减小电感的电感量， 使得电感的直流损耗降低。2.4 滤波滤波参数计算 参数计算低通滤波电路的设计如图 2.4.1 所示。L32.36mHL42.36mHC222.2 μFSPWM-inn1n2n3RLTUf图 2.4.1 低通滤波电路原理图Q 值的选取在低通滤波器里比较重要，过低的 Q 值会使得信号的衰减过大。参考D类音频放大器的低通滤波器设计方法， Q 值取 0.707 。低通滤波器的参数可由下式确定。FfR QRQCcLLμππω 876.1102230 707.02 322 （ 2.4.1 ）mHCfCLc88.22.21022 12 11 23222222 ππω （ 2.4.2 ）实际中 3L 和 4L 均取 2.36 mH ， 22C 实取 2.2 μF 。63. 电路与程序设计3.1 DC-AC主回路主回路电路的设计 电路的设计DC-AC 功率电路采用全桥式拓扑结构，电路图如图 3.1.1 所示。由于输入电压最大可能会为 30V，为了保证开关器件的稳定性采用 100V耐压的场效应管 IRF540，其导通电阻小于 77mΩ 。由于 SPWM波形输出后接有一级死区时间控制电路，所以全桥的驱动 IC 选用两个低死区时间的 IR2110 组成全桥驱动电路。其中，全桥的输入电压 MPPTU为 MPPT控制电路的输出电压。LO 1COM 2VCC 3NC 4VS 5VB 6HO 7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14U6IR2110LO 1COM 2VCC 3NC 4VS 5VB 6HO 7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14U7IR21105VD12UF4007D13UF40075VGNDGNDC420.1uFQ10IRF460Q12IRF460Q11IRF460Q13IRF460R5015ΩR5415ΩR5215ΩR5615ΩR5110kΩR5310kΩR5510kΩR5710kΩ C4010uF C4110uF C43220uFUmpptPSPWM-1PSPWM-2图 3.1.1 DC-AC电路原理图3.2 保护电路的设计保护电路利用 SPWM控制器的保护引脚实现，输出过流保护电路由电流互感器对输出电流的采样， 整流滤波后接到比较器 LM311的正输入端， 调节比较器负输入端的电位器可以调节过流保护的动作电流。 输入欠压保护电路利用电阻对输入电源进行分压后送到 SPWM控制器的 1 脚， 当该脚的电压低于 2V时， 则触发输入欠压保护。 若欠压保护动作发生，则 1 脚的电压要大于 2.2V 时才能恢复正常工作。3.3 并网控制电路的设计控制部分采用 STC89C52 单片机，开发仿真软件使用 Keil uVision3， C 语言编程。单片机在本系统中主要起检测和显示频率及相位差的作用。 输出的正弦波转换成方波后频率不变， 经单片机采样后利用内部定时器计数可以计算出脉冲的频率。 通过比较电路将 Fu 和 REFu 两路同频信号分别转换为相应的脉冲信号，然后将其中的一路信号通过反相器取反后与另一路信号相与，得到一等脉宽的脉冲波形，此脉冲波形的脉宽 t ，即表示两信号的相位差。利用外部中断检测脉冲，当下降沿来时，定时器 2 开始计数，计到高电平时停止计数， 次计数时间即为低电平所占时间。 得到频率和相位差后， 经单片机处理计算， 输出同频同相的正弦波， 以完成跟踪功能。 其测频和测相的程序流程图如图3.3.1 所示。7初 始 化测 频 率计 数 器 清 零1s定 时 开 始1s到读 计 数 器处 理YN计 数 器 清 0测 相 状 态 预 置测 相 位开 中 断外 部 中 断 0有第 一 次 中 断读 计 数 器处 理计 数 器 清 0计 数 器 清 0YNYNa 测频流程图 （ b）测相流程图图 3.3.1 软件流程图4 系统测试4.1 测试仪器与设备测试仪器与使用设备如表 4.1.1 所示。表 4.1.1 测试仪器与设备序号 名称、型号、规格 数量 备注1 TDS1012数字存储示波器 （ 60MHz、 1.0GS/s） 1 泰克科技（中国）有限公司2 UT70A数字万用表 2 优利德有限公司3 YB33150 函数 /任意波信号发生器 （ 15MHz ） 1 台湾固纬电子有限公司4 数控式线性直流稳压电源 1 茂迪（宁波）电子有限公司5 电能质量分析仪 1 美国福禄克公司4.2 指标测试4.2.1 最大功率点跟踪（最大功率点跟踪（ MPPT）功能的测试）功能的测试⑴ 测试方法用直流稳压电源 US 和电阻 RS 模拟光伏电池，当改变 sR 和 LR 的值在30Ω 36Ω 之间变化时， 测量 dU 的值， 若满足 d S12U U ， 则系统实现了最大功率点跟踪。⑵ 测试结果 RS 和 RL 在给定范围内变化时， VU S 60 , dU 26.5V,相对偏差的绝对值8为 7.1110030 5.2630 - 。完整测试结果见附录 4 表 1。4.2.2 频率和相位跟踪功能的测试⑴ 测试方法调节基准信号的频率 fREF 在 45Hz55Hz 变动，观察 Fu 与 REFu 的频率和相位是否相同。⑵ 测试结果 给定或条件发生变化到电路达到稳态的时间大约为 1s。 完整测试结果见附录 4 表 2。4.2.3 DC-AC变换器的效率变换器的效率的测试 的测试⑴ 测试方法其测试方框图如图 4.4.3 所示。当 sR 30Ω ， LR 30Ω 时，读取电压表和电流表的值，计算出 d d dP U I ；读取电能质量分析仪的值，得到 oP 。⑵ 测试结果 10048.2420100 doPPη 81.7。完整测试结果见附录 4 表 3。4.2.4 输出电压失真度的测试⑴ 测试方法其测试方框图如图 4.4.4 所示。当 RSRL30Ω 时，使用电能质量分析仪观察输出正弦波的失真度。⑵ 测试结果输出电压 uo 的失真度 THD2. 5。4.2.5 保护功能的测试⑴ 具有输入欠压保护功能，动作电压 Ud（ th） 25.1V。⑵ 具有输出过流保护功能，动作电流 Io（ th） 1.5A。⑶ 具有短路保护功能。4.3 结果分析经过测试分析， 本设计均达到了基本要求， 但部分指标没有达到发挥要求。 例如输出电压的失真度为 2.5，没有达到发挥部分小于 1的要求，这可能跟工频隔离变压器有关，因为是 E 型变压器，本身的损耗比较大，也许会影响到后级的电路。5. 结论该光伏并网发电模拟装置基本完成了题目的要求，其中包括最大功率点跟踪（ MPPT）功能以及频率和相位跟踪功能。该系统的优点在于有较高的效率和可靠的保护功能，而输出的失真度大于 1，这与输出的工频变压器有很大的联系。光伏逆变并网是当今非常先进的技术，具有节能和环保的特点，前景非常远大。9参考文献[1] 黄智伟 . 全国大学生电子设计竞赛系统设计 [M]. 北京 北京航空航天大学出版社 ,2006.[2] 黄智伟 . 全国大学生电子设计竞赛技能训练 [M]. 北京 北京航空航天大学出版社 ,2006.[3] 康华光 . 电子技术基础模拟部分 [M]. 北京 高等教育出版社 ,2006.[4] 康华光 . 电子技术基础数字部分 [M]. 北京 高等教育出版社 ,2006.[5] 远坂俊昭 . 锁相环（ PLL）电路设计与应用 [M]. 北京科学出版社， 2004.[6] 黑田彻 . 晶体管电路设计与制作 [M]. 北京科学出版社， 2005.[7] 王兆安 , 黄俊 . 电力电子技术 [M]. 北京机械工业出版社， 2008.10附录 1 电路原理图附录 1 图 1 DC-DC电路原理图11附录 1 图 2 DC-AC电路原理图12FBOUTILIM2LXINILIM/SHDNGND736 25 418U8MAX1776R49100kΩR5947kΩRp12500kΩL710uHD14HER107 C47470uF C48470uF C49100uF C51100uFVo1C5010412J14Vo1附录 1 图 3 辅助电源电路原理图EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U9STC89C52VCCP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RETX1X2P12P13P14P15P16P17P30P31P37P32P33P34P35P36ALE/PPSENX211.0592MHzC5333pFC5433pFX1X2S1R561kΩC5222uF5VRET1234567891011121314151617181920U10128*64 LCDVCCVCOMCS2NCRSRWEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1RETLEDLED-P21P22P23P20P24P25VCCP11P10Rp1310kΩ5V12345678161514131211109Rm110kΩDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7附录 1 图 4 单片机及外围电路原理图13附录 2 使用说明（ 1）开机后蜂鸣器短鸣一声，若电源正常工作，红色工作指示灯长亮。（ 2）过流保护和欠压保护触发后，有段延迟的时间，可以自动恢复。附录 3 主要元器件清单附录 3 表 1 主要元器件清单序号 名称 型号 数量1 单片机 STC89C52 12 比较器 LM311 13 运算放大器 NE5534 14 电源管理芯片 SG3525 15 驱动芯片 IR2110 16 与门 74HC08 17 非门 74HC14 18 比较器 LM311 19 场效应管驱动芯片 IR2110 210 光电耦合器 TLP521 111 整流桥 DB107G 212 电源管理 MAX1776 113 场效应管 IRF540 414 场效应管 IRF3205 215 三极管 9014 116 三极管 8050 117 二极管 1N4007 218 二极管 1N4148 119 二极管 HER107 320 电解电容 47uF/100V 1021 CBB 电容 0.1μ F 2222 电解电容 10μ F 223 CBB 电容 0.01μ F 424 瓷片电容 33pF 425 CBB 电容 0.22μ F 126 电解电容 47μ F/25V 127 电解电容 220μ F/25V 128 CBB 电容 0.001μ F 114附录 4 完整测试结果⑴ 最大功率点跟踪（最大功率点跟踪（ MPPT）功能的测试）功能的测试最大功率点跟踪（ MPPT）功能的完整测试结果如附录 4 表 1 所示。附录 4 表 1 MPPT功能完整测试结果测试条件SU V dU V 30SL RR 60V 26.5 36SL RR 60V 26.5⑵ 频率和相位跟踪功能的测试频率和相位跟踪功能的完整测试结果如附录 4 表 2 所示。附录 4 表 2 频率和相位跟踪功能的完整测试结果fREF 频率（ Hz ） 相位 o Fu REFu Fu REFu45 Hz 45 45 8 050 Hz 50 50 6 055 Hz 55 55 9 0⑶ DC-AC变换器的效率变换器的效率的测试 的测试DC-AC变换器的效率的完整测试结果如附录 4 表 3 所示。 其中输出功率电能质量分析仪直接测量获得。附录 4 表 3 效率的测试结果测试项目 电压（ V） 电流（ A） 功率（ W）输入 24 1.02 24.48输出 2015附录 5 程序清单文件名 ceshi.c功 能完成对输出电压的频率和相位的检测。最后修改时间 2009 年 9 月 5 日include include define uint unsigned intdefine uchar unsigned chardefine _Nop _nop_define nop _nop_/*sbit CSP23; // 片选sbit SIDP22; // 数据sbit SCLKP24; // 时钟sbit PSBP20; // 低电平时表示用串口驱动，可固定低电平sbit ttP26;sbit delayP20;unsigned int m,temp;unsigned char flag0;uchar i0;unsigned char T0count;unsigned char timecount;bit flag;unsigned int x0;void writebit start, unsigned char ddata;void sendbyteunsigned char bbyte;void delaynmsunsigned int di;void lcdinitvoid;void lcd_char_write1uchar x_pos,y_pos,lcd_datH,lcd_datL;void lcd_system_reset;void delay_1msuchar m;uchar num_to_char_table[]{“0123456789“};uchar lcd_12864_f_table1[]{“ 频 率 Hz“};uchar phase[]{“ 相位差 us“};void lcd;void mainvoid/* 主函数{TMOD0x15;TH00;TL00;TH165536-49989/256;TL165536-49989256;16TR11;ET01;ET11;EA1;TR01;T2CON 0x04; // 设置 T2CON寄存器TH2 0;TL2 0;RCAP2H0;RCAP2L0;ET2 1; // 允许 Timer2 中断TR2 0;IT01;EX01;lcdinit;while1{ifflag1{flag0;xT0count*65536TH0*256TL0;timecount0;T0count0;TH00;TL00;TR01;}do {} while flag0 0;if flag0{do {} while tt 0;TR20;temp TH2;temp temp 8 | TL2;temptemp*0.05;}lcd;}}void t0void interrupt 1 // 计脉冲个数{T0count;}void t1void interrupt 3 // 定时 1s17{TH165536-50045/256;TL165536-50045256;timecount;iftimecount20{TR00;timecount0;flag1;}}void timer2void interrupt 5 // 定时器 0 中断处理{TH2 0; //50ms 定时常数TL2 0;}void int0void interrupt 0// 外部中断处理函数{if flag0 0{TF2 0;TR2 1; // 启动定时器 2flag0;}}void lcdinitvoid // 初始化 LCD{unsigned char i;delaynms10; // 启动等待，等 LCM讲入工作状态PSB0; ; // 串口驱动模式CS1;write0,0x30; //8 位介面，基本指令集write0,0x0c; // 显示打开，光标关，反白关write0,0x01; // 清屏，将 DDRAM的地址计数器归零write0,0x80; fori0;i14;i write1,lcd_12864_f_table1[i];write0,0x90; fori0;i16;i write1,phase[i];}void writebit start, unsigned char ddata // 写指令或数据{unsigned char start_data,Hdata,Ldata;ifstart0start_data0xf8; // 写指令else18start_data0xfa; // 写数据Hdataddata // 取高四位Ldataddata4 // 取低四位sendbytestart_data; // 发送起始信号delaynms5; // 延时是必须的sendbyteHdata; // 发送高四位delaynms1; // 延时是必须的sendbyteLdata; // 发送低四位delaynms1; // 延时是必须的}void sendbyteunsigned char bbyte // 发送一个字节{unsigned char i;fori0;i8;i{SIDbbyte // 取出最高位SCLK1;SCLK0;bbyte1; // 左移}}void delaynmsunsigned int di // 延时{unsigned int da,db;forda0;dadi;dafordb0;db10;db;}void lcd /* 显示函数{write0,0x84; write1,num_to_char_table[x/10];write0,0x85; write1,num_to_char_table[x10];write0,0x94; write1,num_to_char_table[temp/100];write0,0x95; write1,num_to_char_table[temp100/10];write0,0x96; write1,num_to_char_table[temp10010];}