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1、 1 光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置 全 国 二 等 奖 全 国 二 等 奖 全 国 二 等 奖 全 国 二 等 奖 西 安 电 子 科 技 大 学 西 安 电 子 科 技 大 学 西 安 电 子 科 技 大 学 西 安 电 子 科 技 大 学 沈 敏 沈 敏 沈 敏 沈 敏 郝 爽 郝 爽 郝 爽 郝 爽 任 腊 梅 任 腊 梅 任 腊 梅 任 腊 梅 本系统涉及三大关键技术 ：全桥驱动电路 、 H桥功率变换电路 、变频低通滤 波器 。 系统以全桥驱动电路为核心 ，以 MSP430F1611单片机为主控制器和 SPWM 信号发生器 。根据输出
2、电压采样值 ，调整 SPWM信号幅度 ，实现最大功率点跟 踪。根据负载电压采样 ，对 SPWM信号做出调整 ，实现频率跟踪相位跟踪 。系 统功能完善 ，达到了所有指标 。 关键词 ： 并网 SPWM 跟踪 Abstract The system contains three key technology :full bridge driving circuit 、 H bridge power converter circuit and variable low pass filter .The core of the system is the full bridge circuit and
3、 the main controller is the MSP430F1611.The magnitude of SPWM is adjusted based on the output voltage sampling ,so that the output power keep being the largest .The output frequency is following the reference frequency based the sampled load voltage .The system is full functional ,meets all the targ
4、et of the basic and exent demands . 2 一、 方案论证 光伏发电主要是完成 DC-AC逆变 ，通常逆变有几种方案 。 方案一 ：采用分立元件搭建三角波产生电路 ，正弦波产生电路 ，通过比较器 比较产生正弦脉宽调制信号 ，通过功率驱动全桥 ，完成功率放大 ，实现逆变 。 方案二 ：采用专用集成 SPWM芯片 ，产生 SPWM信号 ，通过全桥驱动 ，实 现逆变 。 方案三 ：采用软件产生 SPWM信号 ，经 MOS管全桥功率驱动 ，实现逆变 。 方案比较 ：方案一模块明确 ，分立元件成本低 。方案二电路简单 ，易于控制 。 方案三硬件少 ，功耗小 ，容易实现闭环
5、控制和改善系统性能 。 综合考虑成本及效率问题 ，本系统选用方 案三 ，单片机采用 MSP430F1611， 软件内实现正弦脉宽调制 。根据脉宽调制原理 ，软件计数产生高频三角波 ，与慢 变的正弦波数据进行比较 ，当计数值大于正弦波数值时 ，输出高电平 ，当计数值 小于正弦波数值时 ，输出低电平 。这样输出脉冲宽度反映了正弦波的幅度变化 。 该信号通过外围浮栅驱动器 IR2010驱动 MOS管 IRFB2 N15D全桥 ，实现功率 放大 ，由低通滤波器滤出功率正弦波 ，即完成了 DC-AC逆变 。 系统总体框图如图 1-1所示 。 图 1-1 系统总体框图 二、理论分析 与计算 1.MPPT的
6、控制方法与参数计算 由电路知识知 ，输出最大功率时有 Rs=RL,此时 Ud=30V，因此只要监视 Ud, 通过调整 ，使其始终保持在 30V，便完成了最大功率跟踪 。 由 A/D采样输入电压 Ud，与最大功率点 （ 30V）进行比较 ，采用 PI算法 进行调节 。当 Ud大于 30V时，减小 SPWM调制频率的幅度 ，当 Ud小于 30V 时增大 SPWM调制频率的幅度 ，从而使得 逆变功率为最大功率点 。 2同频同相的控制方法与参数计算 1）频率跟踪 首先通过硬件将正弦波整形为矩形波送往 单片机 ，单片机根据矩形波电平 进行计数 ，计数值反应频率信息 ，因此根据计数值改变 SPWM步长 ，
7、便可实现 频率跟踪 。 3 由计数测频法得 / osc f f N =而 SPWM频率为 2 osc o n f f K M = ,其中 fosc为系统时钟 ,K位步长 。本系统 时钟为 7.3768MHz，为保证频率跟踪精度 ，选最小频率步进为 0.25Hz，因此当 n=13， M=3600时，有 fo=0.25KHz。当频率在 45Hz到 60Hz间以 0。 25Hz变化 时，频率步进为 180到 240以 4间隔 。 为减少 软件计算量 ，将这些数存入表中 ，软件只需根据计数值进行查表改 变步长 ，即可实现频率跟踪 。 2）相位跟踪 首先将 Uf和 Uref整形为矩形波 ，通过鉴相电路
8、，将相位信息转换为脉宽 信号 ，送单片机 。单片机根据该脉宽信号对 SPWM输出起始地址进行修正 ，实 现相位跟踪 。 3.提高效率的方法 1）使用合适的 MOS管和驱动电路 ，比如 IR的高性能 MOS和半桥驱动 ； 2）使用较低的开关频率 ，因为功率管开关和磁性材料的磁通变化会带 来损 耗，使用可以 满足 逆变需 求 的 尽 可能低的 频率 ，如 10KHz， 可以 降 低开关管和滤波电 感 的 损 耗 ， 另 外使用高频 损 耗较低的磁性材料做滤波电 感 ，如 铁硅铝 磁芯的电 感 ， 也 可以 降 低系统的 损 耗 。 3） 尽 可能 降 低变压器 损 耗 ，变压器的 损 耗 包含铜损
9、 和 铁损 ，采用电 流密 度 较低的 绕组 可以 降 低变压器的 铜损 ，而是用较 薄硅钢 片的变压器可以 降 低 铁损 ， 本 设 计使用了低 损 耗的 0.35mm硅钢 片的 R型 变压器 。 4.滤波器参数的计算 滤波的 目 的主要是滤 除 高频开关频率分量 ，本系统中开关频率为 8.096KHz， 有用信号 周期 为 45Hz55Hz。为使有用信号输出 衰 减小 ，需使滤波器在低频时 输出幅度 衰 减 极 小 ，采用 LC型 滤波器 ，其 3dB带宽频率为 1.553 2 f LC p ，选 截止 频 率为 2000Hz，得 LC=1.529 8 10 - 。选 L=1.6mH， C
10、=9.4uF。 仿真结果 如图 2-2所 示。 4 图 2-1 滤波器电路图 图 2-2 滤波器 multism仿真结果 .关于 - 输出 直流 成分和变压器 偏 磁问题 在 SPWM开关电路中由于正负信号的 不 对 称 ，通常在变压器 初 级 产生 直流 偏置 。 直流偏置 的存在使得变压器磁芯容易 饱 和 ，一方 面导致 逆变效率低 下 ， 另 一方 面 ，较大 直流 分量的存在使变压器 温升 增大 ，容易 损坏 ， 工作不 正常 。因此 ， 有效 降 低逆变器 偏 磁对系统性能 非 常关键 。 本系统通过将桥 壁 中点与输出电压中点电压 取 样 ， 判断偏置极 性及大小 ，并 对 SPW
11、M进行相应调整 ，闭环控制使 直流偏置 保持在较小 范 围内 。 三、电路与程序设计 1.DC-AC主 回 路与器件选 择 5 主 回 路 包括 SPWM信号的产生及放大 。 首先由低功耗单片机 MSP430产生 SPWM信号 ，送驱动电路 。驱动电路完 成将 SPWM脉宽调制信号 功率放大的功能 ， 目 的是功率放大 ，要 求 放大效率要 高。本系统选用 IR2010浮栅驱动器对全桥进行驱动 ，该驱动芯片 耐 压高达 200V， 输出电 流 3.0A,输出电压 1020V ,开通关 断 时间分 别 为 95ns和 65ns。功率管选用 高 耐 压 ， 导 通电 阻 小 ，开关 损 耗小的高效
12、 MOS管 IRFB2 N15D，如图 3-1所示 为逆变主 回 路 。 图 3-1 DC-AC逆变驱动电路 高效率的驱动和 MOS保证了系统的整体效率 。 2.相位 检 测及同步的功能实现 鉴相电路将 两个周期 信号的相位 差 转换为 周期 的脉宽信号 . 送单片机采样 判断执 行 。 3.保 护 功能 通过测量输入电压及变压器 Uf端 的输出电压 ， 判断 电路 状态 ，并 作 出相应 的 回 应 。有 故障 出现时 ，关 断 电 源 ， 故障排除后 ， 自 动 恢复 。 4.测量功能 输入电压分压调理送 A/D进行测量 ，反 馈 电压 ，经有效值芯片转换为 直流 信号 ，送 A/D完成测
13、量功能 。 5.控制 程序 的 设 计 软件主要负 责欠 压保 护 ，过 流 保 护 ， 故障消除后自 动 恢复 的控制 。其主要 流 程 图如图 3-2所示 。 6 图 3-2 控制 程序流程 图 四四四四、 、测试方案与测试结果 测试方案与测试结果测试方案与测试结果测试方案与测试结果 1.测 试仪 器 ： Agilent 54622D MIXED SIGNAL OSCILLOSCOPE F80型 数 字 合成 /任意 波信号发生器 /计数器 TAITAN DT9295 数 字式万 用表 2.测 试 方法步 骤 及数据 1)最大功率跟踪测 试 改变 Rs从 3036，将 万 用表 接 到 R
14、s两端 测 试端子 ，测量输出电压 。 测得当 RS=RL=30时，输出电压为 30.0V 由此可 见 ，最大功率跟踪 稳定 ，达到了系统 1%偏差 的指标要 求 。 2).频率跟踪测 试 7 信号发生器方波输出 接 到 Uref端 ，改变 Uref的频率从 45Hz到 55Hz，将示 波器 接 到 RL测量 端子 测量输出频率 。 表 4-1 fref（ Hz） 45 50 55 fout 45.0 50.0 54.6 由表可 见 ，频率跟踪 稳定 ，达到了系统 1%偏差 的指标要 求 。 3) 效率测量 在 Rs=RL=30 W 时，用 万 用表 直流档 测量输入电压电 流 ，表 交流档
15、测量输出 电压 ，进而计算出输出电 流 。 表 4-2 输入电压 Ud（ V） 输入电 流 Id（ A） 输出电压 Uo1（ V） 输出电 流 Io1（ A） 29.8 0.925 25.5 25.5/28.5 根据 公式 o 1 1 d 100% 100% o o d d P I U P I U h = = 计算逆变效率得 h =82.77%。 效率大于 80%，达到了发 挥部 分 80%的指标要 求 。 4) 欠 压保 护 测 试 首先将电压值 跳 到 欠 压 临界 值 附近 ， 缓 慢减小输入电压 ，使 Ud减小 ，用 万 用表 观察 Ud欠 压保 护 的 临界 值 ；将示波器 探头接
16、到 RL端 ，测量从电压 稳定 输 出到 无 电压输出 响 应时间 。 再 将电压 逐渐 增大 ，测量从 无 电压输出到 稳定 输出的 响 应时间 . 测得 欠 压 临界 电压为 25V . 经测量 ，系统可以 自 动 恢复 ， 响 应时间 约 为 500ms，达到发 挥部 分 响 应 不超 过 1s的要 求 。 5) 过 流 保 护 测 试 将 万 用表调为 交流 电 流 测量模 式 ， 串 入负载电路 ，减小负载 ，使输出电 流接 近临界 保 护 电 流 ， 缓 慢调节负载 ，测出 临界 电 流 值 ；将示波器 探头接 到 RL端 ， 测量 响 应时间 。 测得过 流 保 护 电 流 为 1.51A. 经测量 ，系统过 流故障排除后 ，可以 自 动 恢复 ， 响 应
