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光伏并网发电模拟装置摘要本作品采用AVRmega16单片机产生SPWM信号,控制逆变桥电路产生与电网同频、同相的电源信号的光伏并网发电模拟装置,实现了电路的欠压和过流保护、最大功率点跟踪和相频跟踪等功能。其主要由双极性SPWM信号生成、桥式逆变电路及其驱动和输出显示电路组成。其中双极性SPWM信号控制开关管的关断,再经过滤波电路产生正弦交流信号;逆变电路主回路采用功率开关管(MOSFET),其驱动电路采用了CMOS管直接控制;电压检测电路实现最大功率点跟随;逆变拓扑电路提高了DC-AC的变换效率;并且能利用单片机实现过流、欠压报警及保护和输出显示等其他控制功能。本作品性能优越、效率高等优点。关键词:桥式逆变;SPWM;AVR单片机;相频跟踪一、 方案论证1.DC-AC逆变电路方案方案一:采用半桥逆变电路,原理图如图1。其电路简单,使用器件少,开关较少。但是有直通问题,可靠性低。方案二:采用全桥逆变电路。原理图如图2。整个电路容易达到大功率,且损耗低、效率高、工作频率高、驱动容易、可靠性大大提高,我们选用方案二。 图1 半桥逆变电路图 图2 全桥逆变电路图2.MOSFET驱动电路方案方案一:采用MOSFET栅极驱动控制专用集成电路芯片IR2110。该芯片为8引脚封装,可驱动同桥臂的两个MOSFET,内部自举工作,允许在600V电压下直接工作,栅极驱动电压范围宽(1020V),施密特逻辑输入,输入电平与TTL及COMS电平兼容,死区时间内置,输入、输出同相,低边输出死区时间调整后与输入反相,最高可达40KHZ。方案二:利用分立元件驱动MOSFET。直接用MOS管驱动功率MOSFET,他们可以共用一组电源,栅极电压小于10V时,功率MOSFET将处于电阻区,不需要外接电阻,电路非常简单。比较上述两种方案,方案一采用了MOSFET专用的集成电路,可以说性能极其优越,但由于经验不足,我们没能把预先设计的IR2110驱动电路调试成功。考虑方案二电路简单,易于实现控制,我们最终采用了方案二。3逆变电路的变频控制方案本设计采用了双极性SPWM技术来实现正弦波变频控制。实现SPWM有以下两个方案:方案一:采用规则采样法。规则采样法一般采样三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波形,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法。方案二:采用自然采样法。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,这就是自然采样法。由于方案二的计算比较繁琐,难于实现在控制中的在线计算,所以本设计采用方案一,用数学软件MATLAB生成正弦表(正弦信号采样表),存储在单片机中作为调制信号。4单片机的选择方案方案一:采用51单片机。采用51单片机和SPWM芯片组合实现控制功能。方案二:采用ATmega单片机。此单片机具有16KB的系统内可编程FLASH的8位AVR微控制器,具有高效能、低功耗的8位微处理器、先进的RISC机构和具有SPWM功能的8位定时器/计数器0.综合比较以上两个方案,方案一的实用性差,成本高,而方案二使用的单片机功能强大、集成度高,实现功能易满足题目要求,我们认为方案二最佳。系统总体方案框图如下:图3 系统方框图二、 理论分析与计算1. MPPT控制方法的计算(软件实现)电路模型可以等效为图4所示:要使得输出端子得到最大功率,则需要阻抗匹配,当和等效阻抗相等时输出功率最大,根据题目,则有理论计算:图4 等效模型当时可以取得最大功率。为了使得电压等于30V,我们采用了电压实时采样监控电路,对采样值送入单片机A/D后再和单片机存储的理论值进行比较,如果不等,则修改占空比使功率达到最大值,这些控制均可由软件来实现。2. 同频同相控制方法(1)同频的控制(软件实现):我们引入载波频率(开关频率)为,输出正弦信号的频率为,做SPWM的调制信号频率为,在调制信号的一个周期内采样点数为N,则有关系:,于是有:,所以要对输出频率控制,那么只要选择合适的和合适的N,使得=即可。此时在采样N个点后可以计算出生成正弦表的误差率R:(2)同相控制(软件实现):硬件电路采集输出电流,转换成电压,再通过过零比较使之产生方波;同时也将采集的参考电压信号通过过零比较。首先采集过零生成的方波上升沿,再立刻采集过零生成的方波的高低电平,若正好是上升沿,那么就开启计数器,直到采集到下一个过零生成的方波上升沿时就停止计数,这时,算出两方波的相位差,再通过差值来产生修正值,以调整相位,最终达到二者同相。(详见程序流程图)3. 提高效率的方法分析(1)选择好的拓扑:一个好的拓扑可以有效地降低电路的损耗,提高输出效率。我们采用的是工频变压器升压型拓扑,效率通常可达90%以上,可靠性也很高。(2)提高开关频率:让开关管的导通角减小可以让开关处于高速开通、关断状态,这样,功率开关管的损耗就会大大减小,而整个逆变电源损耗主要在功率开关管部分,这部分损耗减小后效率将会得到一定的提高。4. 滤波器参数的计算共模滤波器参数计算:设计在输出级的共模滤波器可以抑制串摸、共模干扰,具体设计如下:因为输出AC频率在4555HZ,取输出频率为50HZ,在这个频率时在开关频率处需要的衰减分贝数为,于是共模滤波器的转折频率可以用下式计算:设线缆阻抗为RL,由于认证机构用LISN进行 图5 共模滤波电路测试时,所用线路阻抗为50,故通常取。又阻尼系数不小于0.707是比较合适的,这样在转折频率处只有-3dB的衰减量,就不会因震荡产生噪声。于是可以计算出共模电感L的值和“Y”型连接的电容C的值。共模电感L:Y型电容C:三、 电路与程序设计1.逆变电路分析与设计(1)DC-AC主回路与MOSFET的驱动电路电路图如图7所示。图中M5和M6组成逆变电路开关管的驱动电路,单片机产生的SPWM信号通过M5和M6控制开关管的开断,实现输出为50HZ的正弦调制波。 (2)检测电路的设计检测电路分为输入电压、电流和输出电流检测电路。图7 DC-AC逆变拓扑及驱动电路 图8 输入电压检测电路 图9 输入端电流检测电路图8电压检测电路将测得的数值送入单片机,实现了输入电压的监测和欠压保护功能。具体计算公式为:。图9输入端电流检测电路将测得的数值送单片机,单片机将它与测得的输入电压相乘,来获得输入功率,进而求得逆变电路的效率。因为采样的是交流电压,故需要加一低通滤波器,以减小换流纹波和EMI影响,滤波器的传输函数为:图10 输出端电流检测电路图10输出端电流检测电路测得的电流实现两个功能:一个是上半部分的过流保护电路,它将电流信号送入单片机,来实现过流保护功能;一个是下半部分的过零比较电路,它将比较后的信号送入单片机,以实现输出正弦波的相位跟踪。2.软件设计实现同频、同相位跟踪子程序流程图 图11频率跟踪流程图 图12 相位跟踪流程图四、 测试方案与测试结果1. 测试仪器及型号信号发生器:FG1617信号发生器示波器:TDS1002示波器万用表:VC890C+万用表测试电源:TD1717-2三路稳压稳流电源负载电阻=302. 测试方法(1)电压、电流的测试方法。利用万用表的表笔直接测试输入电流和电压以及输出电压、电流。(2)用信号发生器测量输入参考信号和输出的频率。(3)利用示波器显示参考信号波形和输出检测的波形,用以观察两个信号是否同相。3. 测试数据及结论(1) 输入电压、电流和输出电流测试结果如表1:表1 电压、电流测试结果及功率计算测试目标12345输入电压(V)输入电流(A)输出电流(A)输入功率(W)结论:(2)当参考电压的频率从45HZ-50HZ变化时,测对应的输出频率,测试结果如表2:表2频率测试结果参考电压的(HZ)输出电压的(HZ)结论:2
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