光伏并网发电模拟装置设计行业二类

光伏并网发电模拟装置设计【摘要】：本系统采用单级DC-AC+工频变压器的拓扑结构，主电路为IR2111驱动的半桥式逆变电路。控制电路以ATmega16单片机为核心，由软件生成SPWM波控制DC-AC逆变，跟踪最大功率点。系统通过反馈信号监测频率、相位，经由A/D采样欠压、过流信号，控制频率、相位的跟踪和欠压、过流保护。经测试，本系统的变换效率可达74.1%。输出正弦波形失真度小（THD=1.5%），实现了同频同相的跟踪控制和欠压保护。能够改变逆变电路的输入阻抗，调节工作点，但MPPT的效果未如理想。【关键词】：DC-AC； SPWM；MPPT；变换效率；频率相位跟踪The design of photovoltaic grid-connected power simulator Abstract: The topology of single-stage DC-AC+ power frequency transformer is used in this system, the main circuit is half-bridge inverter circuit driven by integrated circuit IR 2111. Microcontroller ATmega16 is the core of the control circuit, and the DC-AC inverter is controlled by the SPWM wave which is generated by software to track the maximum power point. Through the frequency and phase being monitored by the feedback signal, and A/D sampling being employed by the under-voltage and over-current signal, frequency and phase tracking and under-voltage and over-current protection are controlled by the system. By testing, the conversion efficiency of this system can reach 74.1%, and the distortion of output sine-wave is small (THD=1.5%), the same frequency and phase control can be achieved, as well as the function of under-voltage protection. The input impedance of inverter circuit can be changed to regulate the operating point, but the effect of MPPT is unsatisfactory. Key words: DC-AC; SPWM; MPPT；conversion efficiency; frequency and phase tracking.文书#借鉴图1 系统框图1 方案论证1.1总体方案论证方案一：如图1所示，硬件电路由DC-AC变换器，滤波电路，变压器组成；系统以ATmega16单片机为控制核心，利用软件生成SPWM波，通过直接控制SPWM波的最大占空比来实现MPPT控制；系统通过反馈信号检测频率、相位，经由A/D采样欠压、过流信号，控制频率、相位的跟踪和欠压、过流保护。方案二：在DC-AC变换器之前增加一级DC-DC变换器，通过反馈控制确保功率匹配条件，实现MPPT。由于系统对效率要求比较高，如果在DC-AC变换器前插入DC-DC变换器必然会降低转换效率，所以选择方案一。1.2 DC-AC主回路方案的选择光伏并网装置常采用H桥逆变电路，桥式电路具有一定的抗不平衡的能力，输出功率范围大。但全桥电路较为复杂，对称性要求较高。考虑到技术难度和时间因素，这里采用半桥式逆变电路，在本系统中，逆变电路效率是主要设计指标，要求开关管损耗较小，只需有两个开关管，电路简单，较易实现。虽然我们也尝试了制作调试全桥电路，终因时间仓促没有完成。1.3 SPWM的产生方案方案一：利用软件产生SPWM波，通过查表的方法，产生SPWM波，该方案较简单。方案二：利用硬件或软硬结合的方式生成SPWM波，例如利用软件生成单纯的三角波，利用硬件生成SPWM波。该方案较为复杂。由于本系统产生的交流是工频，完全可以由单片机实现SPWM控制，故选择方案一。1.4提高效率的方法图2 DC-AC主回路原理图影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗和DCAC变换器的功耗，其中主要是DC-AC变换器的效率。变换器的损耗主要有MOSFET开关损耗, MOSFET 驱动损耗等。故在DC-AC变换器中采用驱动开关速度快的专用集成电路IR2111作为驱动电路，MOSFET选择IRF540作为开关管，IRF540导通电阻小，开关速度快，导通压降小，功耗比较低。其次，采用低功耗单片机ATmega16。2 电路方案设计2.1 DC-AC主回路设计与器件的选择DC-AC主回路采用半桥式逆变电路，原理如图2所示，由单片机产生的SPWM波通过IR2111驱动两个MOSFET开关管，实现DC-AC逆变。IR2111.兼有电隔离与体积小、速度快的优点，具有低端和高端输入通道，可驱动同桥臂的两个MOSFET，内含自举电路，高端工作电压可达500V，工作频率高，可达500kHz，开通和关断的延迟时间小。整机性能好，体积小。IR2111应用电路中自举二极管采用HER208，其反向漏电流极低，浪涌承受能力较强，稳定性高。能够满足电路的需要。对于自举电容，工程中常用计算公式如下：C12Qg/(Vcc-10-1.5)。式中，Qg为IGBT门极提供的栅电荷。本电路选择IRF540作为开关管，由于IRF540导通电阻小，开关速度快，导通压降小，所以功耗比较低。效应管IRF540栅极电荷为72nC，根据上述自举电容的计算公式可以算出，自举电容的容量C2*72/(15-10-1.5)，故选择耐压值高，容量为0.1uF的电容。2.2检测电路的设计图3 输入电压检测电路从本系统的框图中可知检测电路有电压、电流监测电路及频率相位监测电路。控制功能主要由单片机完成。实现MPPT控制、频相跟踪控制以及欠压、过流保护功能，需要监测输入电压Ud、负载电流Io、交流反馈信号和参考信号。l 输入电压检测 在DC-AC主回路的输入端接入如图3所示的电路，单片机通过对输入电压进行A/D采样检测，当输入电压Ud正常时，电路正常工作；当检测到输入电压低于25V时，故障指示灯亮，蜂鸣器报警，单片机停止产生SPWM，电路停止工作。当欠压故障排除后，电路自动恢复为正常状态。l 负载电流检测图4 电流检测电路在负载端通过电流互感器将负载电流耦合到如图4所示电路，采样电阻将电流信号转变为电压信号，通过A/D送单片机处理，当单片机检测到负载电流小于1.5A时，电路正常工作；当检测到负载电流Io1.5A时，蜂鸣器报警，电路停止工作；过流故障排除后，电路自动恢复为正常状态。l 频率相位的检测利用过零比较器把参考信号和反馈信号变换为同频率的方波信号，通过外部中断和计数器来检测频率和相位差。2.3滤波参数计算图5 滤波电路要得到50Hz的输出正弦交流信号，DC-AC逆变电路后要接一个滤波电路，把高频滤掉，电路如图6所示。由公式，取 ，L=12mH，求得C=0.08uF，故取C=0.1uF。3 理论分析与计算3.1 MPPT的控制方法与参数设计SPWM波实际上是占空比按正弦规律变化的脉冲序列，通过驱动芯片控制开关管的电流通断，经过滤波就得到正弦交流信号，ASin(i) A为振幅；为对应SPWM波周期的相角； i = 0，1，2，n。单片机由正弦脉宽数表产生SPWM波，数表中的最大脉宽值 MAX就对应ASin(i)的幅值A。因此可以通过控制 MAX控制正弦波的振幅，也就是控制逆变电路的工作电流。这样，逆变电路的输入电流也会改变，从而改变Ud。通过实验证实，当 MAX增大，Ud会下降。但是降到接近到1/2Us的时候，输出正弦波形底部出现失真。如果采用全桥电路，效果可能要好些，由于时间仓促，全桥电路还没有完成调试，我们尚未找到解决的方法。因此MPPT控制的效果不理想。图6 频率、相位检测3.2 同频、同相的控制方法与参数计算反馈信号与参考信号经过过零比较器得到4555Hz的方波，输入到单片机的外中断引脚，利用两个中断就可以测定两路方波的周期与相位差。周期检测的算法见图5 a），在前一个周期的上升沿（触发中断）启动计时，后一个周期的上升沿停止计时，计数值就是待测的周期。相位检测的算法稍复杂，由两路脉冲先到者的上升沿启动计时，后到者的上升沿停止计时，计数值就是待测的相位差，或者是-相位差。当两路脉冲的周期差大于某个指定值时，启动周期调整程序，具体方法是更换正弦脉宽数表，程序可以在44Hz到56Hz的范围内跟踪参考信号的频率。当两路脉冲的相位差大于某个指定值时，启动相位跟踪程序，通过相位补偿的方法达到同相控制。因对时间控制的要求高，所以采用内联汇编的方式实现。部分汇编代码如下： .DEF FLAG=R23; 第0位为定时器2启动标志；第1位为先后标志EXT_INT0: LDI R22,0x01CP FLAG,R22 ；判断定时器2是否已经启动BREQ K0; ；若定时器2已经启动，转跳ORI FLAG,0x01 ；若定时器2未启动，先置位启动标记LDI R17,1 ；OUT TCCR2,R17; 开定时器2RETIK0:LDI R17,0; OUT TCCR2,R17 ；关定时器2ANDI FLAG,0xFE；定时器2启动标记复位ANDI FLAG,0xFD；根据条件标记是参考信号超前于反馈信号IN R16,TCNT2 ；读取计数值，通过R16返回RETIEXT_INT1: 如代码所示，当FLAG标记寄存器中位1为0时，中断程序返回的R16为参考信号超前于反馈信号的计数值；当FLAG中位1为1时，R16为参考信号滞后于反馈信号的计数值。4 系统参数的测试在本系统中，我们对DC-AC变换器效率、输出波形失真度、过压、过流保护功能，频率相位跟踪功能，MPPT功能进行了测试。测试结果如下：4.1 DC-AC变换器效率的测量 如图8所示，当US = 60V，RS = RL= 30时，用数字万用表直流电压、电流档测量Ud和Id，用万用表交流电压、电流档测量Io1和Uo1，则DC-AC变换器效率为。其中，。图7 DC-AC变换器效率的测量框图调试结果与分析：Ud = 30V ，Id = 0.5A ，Io1=1.09A ， Uo1=10.2V图8 失真度的测量方法故= 74.1%。可见DC-AC变换器效率较高，最高可达到74.1%。满足60%的要求。（详细测试数据见附件2，表2.）4.2 输出电压失真度的测量利用失真度仪测量输出电压失真度，如图9接线。测试条件为RS=RL=30。图9频率跟踪实拍图经测试：输出电压Uo的失真度为THD=1.5% ，满足题目THD5%的要求。4.3 频率跟踪功能的测试电路正常工作时，用信号发生器输入fREF为45Hz55Hz的参考信号，用数字示波器观察反馈信号的频率。与此同时，液晶显示器同时显示fREF 、。经测试：当用信号发生器输入fREF为45Hz55Hz的参考信号时，示波器观察到反馈信号的频率跟随信号发生器显示的频率变化，液晶显示器同时显示fREF 、值一样。故本系统实现了频率跟踪的功能。如图12所示，为液晶显示器显示频率跟踪实拍图。Fre = 49.7Hz为参考信号的频率，Fout = 49.7Hz为反馈信号跟踪频率。图10示波器显示的相位跟踪实拍图4.4 相位跟踪功能的测试调试时，当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，能够保证uF与uREF同相，故本系统实现了相位跟踪功能。如图10所示为示波器显示的相位跟踪实拍图，图中上一个波形为参考信号波形，下一个波形为反馈信号波形。4.5欠压保护功能的测试测试条件和方法：输入电压Ud从30V调到低于25V，观察现象。当单片机检测到输入电压低于25V时，欠压指示灯亮，蜂鸣器报警，电路停止工作。当输入电压高于25V时，即故障排除外，系统恢复工作。4.6过流保护功能的测试测试条件和方法：用数字万用表交流测量输出电流，同时减小负载电阻，当万用表显示Io1.5A时，观察现象。当单片机检测到输出电流大于1.5A时，过流指示灯亮，蜂鸣器报警，电路停止工作。4.7显示功能本系统具有显示功能，液晶显示器能够显示电压值和频率值。实现了题目的发挥部分的要求。5 结论 经过四天三夜的努力，我们实现了题目大部分的要求。所设计的系统变换效率可达74.1%。输出正弦波形失真度小（THD=1.5%），实现了同频同相的跟踪控制和欠压保护。由于时间仓促，系统有些功能未能完善，很遗憾。6 参考文献1黄智伟主编，王彦，陈文光，朱卫华等编著.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.北京：电子工业出版社，2005年第1版2郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用M.北京：清华大学出版社1995年第2版3童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2001年第3版 4王水平，史俊杰，田庆安编著.开关稳压电源-原理、设计及实用电路M.西安：西安电子科技大学出版社，2005.10附件附件1 硬件电路主要原理图如图11所示。图11硬件电路主要原理图附件2 表1其中电压单位为V，电流单位为A。表1 效率的测量数据次数UdIdUo1Io1Uo21300.5010.21.0918.22300.4729.651.0817.23300.4769.641.07517.79附件3 重要源程序#include #include #include #include #include LCD1602.h#define SetLED()#define ClrLED()union ADCtype unsigned int ADCWord; unsigned char ADCByte2;./外部中断初始化void Int0Init(void) DDRD&=(1DDD2); PORTD|=(1PD2); MCUCR|=(1ISC00)|(1ISC01)|(1ISC11)|(1ISC10); /外部中断，上升沿产生中断 DDRD&=(1DDD3); PORTD|=(1PD3); / GICR|=(1INT0); /使能外部中断 sei(); /PWM初始化void PWMInit(void) DDRD|=(1DDD4)|(1DDD5); ICR1=1024; /初始要输出50Hz的频率 TCCR1A|=(1WGM11)|(1COM1B1)|(1COM1A1)|(1COM1B0); TCCR1B|=(1WGM12)|(1WGM13)|(1CS10); TIMSK|=(1TOIE1);/测量参考电压频率unsigned long int CheckFreqCount(void) GICR|=(1INT0); /使能外部中断 while(!CheckFreqIsOk);/等待测量参考频率完成 CheckFreqIsOk=0;/清除完成标记 return FreqCount;/频率比较void FreqCom(void) TenFre=CheckFreqCount(); TenFout=CheckFreqCount(); TenFre=80000000/1024/TenFre; /频率的10倍,方便整数比较 TenFout=80000000/1024/TenFout; if(TenFre!=TenFout) PhaseNotEqual=1; SetFout(TenFre/10); /设置输出频率 GICR|=(1INT1); /显示频率void fDisplay(void) unsigned char i; fdis6=TenFre/100+0; fdis7=TenFre%100/10+0; fdis9=TenFre%100%10+0; fdis22=TenFout/100+0; fdis23=TenFout%100/10+0; fdis25=TenFout%100%10+0; LCD1602Input(CODE,0x80); for(i=0;i16;i+) LCD1602Input(DATA,fdisi); LCD1602Input(CODE,0xc0); 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