光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置報(bào)告

1、光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置 目錄摘要21.總體方案設(shè)計(jì)21.1 系統(tǒng)裝置框圖21.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本框圖31.3調(diào)制方案論證31.4驅(qū)動(dòng)方案論證32.理論分析與計(jì)算42.1 MPPT的控制方法與參數(shù)計(jì)算42.2同頻、同相的控制方法與參數(shù)計(jì)算52.3提高效率的方法52.4濾波參數(shù)計(jì)算53.電路與程序設(shè)計(jì)63.1 DC-AC主回路與器件的選擇63.2控制程序設(shè)計(jì)63.3過(guò)流欠壓保護(hù)電路74系統(tǒng)測(cè)試與分析84.1測(cè)試儀器84.2 測(cè)試結(jié)果84.3、測(cè)試結(jié)果分析8附錄一：正弦信號(hào)參數(shù)表9附錄二：程序核心代碼10光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置摘要 本設(shè)計(jì)由模擬光伏電池、并網(wǎng)逆變、濾波電路、工頻隔離變壓器及控制電路構(gòu)成。具

2、有最大功率點(diǎn)跟蹤功能及頻率跟蹤功能；此外，輸入輸出還分別具有欠壓過(guò)流保護(hù)。該系統(tǒng)控制電路部分主要由超低功耗MSP430單片機(jī)，PI調(diào)節(jié)電路及模擬乘法器、精密整流電路、SPWM波控制芯片TL494、驅(qū)動(dòng)芯片IR2130組成。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)輸入電壓電流的采樣和MPPT算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，具有相對(duì)偏差小，DC-AC變換效率高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)逆變；最大功率點(diǎn)跟蹤；MSP430F169；TL494；工頻隔離變壓器。1.總體方案設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)裝置框圖圖1并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖 直流穩(wěn)壓電源Us和電阻Rs模擬光伏電池，其中Us=60V，Rs=30到36；Uref為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，其峰

3、峰值為2V，頻率Fref為45Hz到55Hz。T為工頻隔離變壓器，變比為n2:n1=2:1,n3:n1=1:10;將uf作為輸出電壓的反饋信號(hào)；負(fù)載電阻RL=30到36。1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本框圖圖2 系統(tǒng)基本框圖1.3調(diào)制方案論證SPWM調(diào)制方式在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，我們的調(diào)制策略也采用該方式， 具體方案如下： 方案一：軟件合成SPWM波。MSP430單片機(jī)內(nèi)含16位定時(shí)器，可用于比較模式來(lái)產(chǎn)生SPWM波，但是我們所用的f169型號(hào)所采用的晶振為8MHz，邏輯上的三角載波頻率上不去，僅能夠產(chǎn)生幾十Hz的SPWM波形，頻率再高的話濾波后波形不穩(wěn)，速度上遠(yuǎn)不夠控制的需要，該方案被拋棄。方案二：

4、軟件產(chǎn)生調(diào)制波，用孤立元件做載波發(fā)生電路。MSP430單片機(jī)具有兩個(gè)DA口，可以用DA方式來(lái)產(chǎn)生正弦波。由于需要較高精度的正弦波，我們采用每個(gè)周期采樣360個(gè)點(diǎn)來(lái)生成正弦波，數(shù)據(jù)點(diǎn)見(jiàn)附錄一。 載波發(fā)生采用孤立元件搭建，所產(chǎn)生的波形頻率均不理想，很容易受到干擾，最后該方案我們并沒(méi)有完全拋棄，從而衍生出我們的第三方案。方案三： 單片機(jī)產(chǎn)生調(diào)制波，加到TL494芯片來(lái)產(chǎn)生SPWM波。TL494內(nèi)部可以產(chǎn)生400KHz以內(nèi)的鋸齒波，雖然載波為鋸齒波而不是三角波，但由于頻率高，也同樣滿足控制需要。綜上所述，我們采用了方案三。模擬光伏并網(wǎng)發(fā)電的Vref信號(hào)為正弦信號(hào)，可以外部提供，也可以自己提供，這兩種方

5、式均適用于利用TL494芯片來(lái)調(diào)制產(chǎn)生SPWM波的方案。1.4驅(qū)動(dòng)方案論證由于我們采用SPWM調(diào)制方式進(jìn)行逆變，MOS管的驅(qū)動(dòng)也就成了一個(gè)難點(diǎn)，經(jīng)嘗試，我們提出了以下三種方案：方案一： 采用BJT驅(qū)動(dòng)半橋。電路原理圖如圖3：圖3 BJT驅(qū)動(dòng)半橋經(jīng)測(cè)試逆變輸出的波形混亂，因?yàn)樵跀夭〞r(shí)管子關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓不好控制，因而該方案被放棄。方案二： 采用浮柵驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)進(jìn)行全橋逆變。電路原理圖見(jiàn)圖4：圖4 IR2110構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)測(cè)試輸出波形穩(wěn)定，但是該驅(qū)動(dòng)芯片要進(jìn)行外面的死區(qū)設(shè)置，外加硬件或軟件進(jìn)行設(shè)置。由于參考正弦信號(hào)可以是外界任意給的，因此軟件設(shè)置死區(qū)難度大，若進(jìn)行硬件設(shè)置就要外加電路，這使得電

6、路變得更復(fù)雜，基于有更好的方案選擇，我們放棄了采用IR2110的選擇。方案三：電路原理與方案三一致，只是把驅(qū)動(dòng)芯片IR2110換成IR2130，IR2130的優(yōu)點(diǎn)在于自帶死區(qū)控制，硬件電路可以變得簡(jiǎn)單，也不需要軟件專門做死區(qū)算法，具有更多的資源來(lái)進(jìn)行MPPT控制，該方案也就成了我們的最終方案。 綜上所述，我們最后采用了方案三，即用IR2130驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行全橋逆變。2.理論分析與計(jì)算2.1 MPPT的控制方法與參數(shù)計(jì)算MPPT的全稱“最大功率點(diǎn)跟蹤”（Maximum Power Point Tracking）。擾動(dòng)觀察法原理是目前實(shí)現(xiàn)MPPT常用方法之一，系統(tǒng)中通過(guò)MSP430單片機(jī)片內(nèi)A

7、D進(jìn)行和的多次采樣，則當(dāng)前輸出功率P(K)= * ，當(dāng)改變時(shí)，=U，若功率P(K)大于P(K-1),則擾動(dòng)正確；若功率P(K)小于P(K-1)，則向反向擾動(dòng)。如此進(jìn)行多次的采樣比較能準(zhǔn)確跟蹤最大功率點(diǎn)。2.2同頻、同相的控制方法與參數(shù)計(jì)算因?yàn)楣夥?yáng)能電池版產(chǎn)生的是直流輸入，幅值隨光強(qiáng)和溫度而變化，為使最終輸出實(shí)現(xiàn)頻率的可控性，本系統(tǒng)中正弦信號(hào)為峰峰值是2V的模擬電網(wǎng)信號(hào)，在實(shí)際硬件中將直流和正弦信號(hào)接入模擬乘法器所得的輸出再與交流反饋信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率相位的跟蹤。,直流電壓為Uo;則經(jīng)模擬乘法器之后電壓的有效值即為KUo(K為乘法器的增益系數(shù))，與反饋信號(hào)UF取偏差信號(hào)V=KUo

8、-UF進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。圖52.3提高效率的方法DC-AC變換器的效率可由公式計(jì)算求得，即：由變壓器變比可得：其中是變壓器原邊電壓;是變壓器原邊電流。是直流電壓；為直流電流是變壓器副邊電壓；是變壓器副邊電流。 提升逆變器的效率首先可以在SPWM調(diào)制載波上考慮，頻率高了管子開(kāi)關(guān)頻率高，開(kāi)關(guān)損耗大，效率就會(huì)降低，但是頻率低了噪聲大，基于多次的實(shí)驗(yàn)我們選擇了25K的載波。再者，DC-AC效率也是影響逆變效率的一個(gè)因素，盡量提高DC-AC效率也可以提高逆變器的效率，管子的導(dǎo)通電阻也影響著逆變效率。2.4濾波參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)需要設(shè)置一個(gè)LC低通型濾波器。波截止頻率fc是指在頻率特性曲線峰值以下半點(diǎn)功率點(diǎn)的對(duì)應(yīng)頻

9、率，即在峰值電壓70.7處，功率下降至最大功率的50，在低通濾波器fc為上截止頻率，因系統(tǒng)采用的是低通濾波器，故對(duì)于低通濾波器m= （稱為衰減極限頻率） 低通K型濾波器有如下參數(shù)值： 圖6低通參數(shù)計(jì)算3.電路與程序設(shè)計(jì)3.1 DC-AC主回路與器件的選擇圖7 H橋電路 逆變電路采用全橋形式，494輸出的SPWM波用來(lái)控制H橋，中間驅(qū)動(dòng)選擇IR2130，為了電平匹配和信號(hào)分配，中間加CD4011。3.2控制程序設(shè)計(jì)該部分運(yùn)用MSP430單片機(jī)片內(nèi)AD進(jìn)行電壓、電流的采樣。通過(guò)鍵盤的控制來(lái)選擇參考信號(hào)，檢測(cè)fd,fo,并通過(guò)程序計(jì)算出Ud,Id,Uo,Io;然后再通過(guò)鍵盤選擇顯示相應(yīng)的值。MPPT

10、算法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。整體程序流程圖見(jiàn)圖10圖8程序流程圖3.3過(guò)流欠壓保護(hù)電路為了系統(tǒng)能夠比較安全地工作，我們給系統(tǒng)添加了過(guò)流欠壓保護(hù)電路，當(dāng)輸入電壓Ud（1.50.2）A時(shí)，輸出高電平進(jìn)行電路的保護(hù)。如果故障排除后，裝置能自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。圖9過(guò)流欠壓保護(hù)電路4系統(tǒng)測(cè)試與分析4.1測(cè)試儀器數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器，萬(wàn)用表4.2 測(cè)試結(jié)果 DC-AC轉(zhuǎn)換效率測(cè)試與分析（）UoIoUdIdPoPd49.341.2325460.8415.0321.380.70350451.3726320.8515.9022.630.71345441.2723470.8613.6219.320.70543451

11、.4822780.8413.1819.130.72355671.3228340.8512.8718.760.71253461.1327180.8613.9819.340.703時(shí)，DC-AC變換器效率71.44.3、測(cè)試結(jié)果分析 （1）當(dāng)V時(shí)，輸入欠壓保護(hù)；當(dāng)V時(shí)欠壓故障解除，裝置自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。（2）當(dāng)A時(shí)，輸出過(guò)流保護(hù)；當(dāng)A時(shí)過(guò)流保護(hù)故障解除，裝置自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。（3）裝置在測(cè)試過(guò)程中始終沒(méi)有發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。附錄一：正弦信號(hào)參數(shù)表const unsigned int _hsin360=1638,1666,1695,1723,1752,1780,1809,1837,1865,1894,19

12、22,1950,1978,2006,2034,2061,2089,2116,2144,2171,2198,2225,2251,2278,2304,2330,2356,2381,2406,2432,2456,2481,2506,2530,2553,2577,2600,2623,2646,2668,2690,2712,2734,2755,2775,2796,2816,2835,2855,2874,2892,2910,2928,2946,2963,2979,2995,3011,3027,3042,3056,3070,3084,3097,3110,3122,3134,3145,3156,3167,31

13、77,3186,3195,3204,3212,3220,3227,3234,3240,3245,3251,3255,3260,3263,3267,3269,3272,3273,3275,3275,3276,3275,3275,3273,3272,3269,3267,3263,3260,3255,3251,3245,3240,3234,3227,3220,3212,3204,3195,3186,3177,3167,3156,3145,3134,3122,3110,3097,3084,3070,3056,3042,3027,3011,2995,2979,2963,2946,2928,2910,28

14、92,2874,2855,2835,2816,2796,2775,2755,2734,2712,2690,2668,2646,2623,2600,2577,2553,2530,2506,2481,2457,2432,2406,2381,2356,2330,2304,2278,2251,2225,2198,2171,2144,2116,2089,2061,2034,2006,1978,1950,1922,1894,1865,1837,1809,1780,1752,1723,1695,1666,1638,1610,1581,1553,1524,1496,1467,1439,1411,1382,13

15、54,1326,1298,1270,1242,1215,1187,1160,1132,1105,1078,1051,1025,998,972,946,920,895,870,844,820,795,770,746,723,699,676,653,630,608,586,564,542,521,501,480,460,441,421,402,384,366,348,330,313,297,281,265,249,234,220,206,192,179,166,154,142,131,120,109,99,90,81,72,64,56,49,42,36,31,25,21,16,13,9,7,4,3

16、,1,1,0,1,1,3,4,7,9,13,16,21,25,31,36,42,49,56,64,72,81,90,99,109,120,131,142,154,166,179,192,206,220,234,249,265,281,297,313,330,348,366,384,402,421,441,460,480,501,521,542,564,586,608,630,653,676,699,723,746,770,795,819,844,870,895,920,946,972,998,1025,1051,1078,1105,1132,1160,1187,1215,1242,1270,1

17、298,1326,1354,1382,1411,1439,1467,1496,1524,1553,1581,1610;附錄二：程序核心代碼鍵盤處理代碼：/-/鍵盤處理函數(shù)void DealKey(void) if(key=UP) if(workstatus=1) workstatus=0; LcdWriteComm(0x01); /清屏 unsigned long delay=1500; while(delay-); disstatus=1; else if(key=DOWN) if(workstatus=1) workstatus=2; LcdWriteComm(0x01); /清屏 uns

18、igned long delay=1500; while(delay-); LcdWriteComm(0x90); LcdWriteData(0xC9);LcdWriteData(0xE8); LcdWriteData(0xD6);LcdWriteData(0xC3); LcdWriteData(0xC6);LcdWriteData(0xB5); LcdWriteData(0xC2);LcdWriteData(0xCA); LcdWriteData(0x3A);LcdWriteData(0x20); LcdWriteData(0x30+setfre/10);LcdWriteData(0x30+

19、setfre%10); LcdWriteData(0x48);LcdWriteData(0x7A); LcdWriteComm(0x9F); LcdWriteData(0x1B);LcdWriteData(0x1A); else if(key=LEFT) if(workstatus!=2)return ; setfre-; if(setfre55)setfre=45; LcdWriteComm(0x95); LcdWriteData(0x30+setfre/10);LcdWriteData(0x30+setfre%10); else if(key=SURE) if(workstatus=0)

20、mode1=0;mode2=0;mode3=0; disstatus=0; LcdWriteComm(0x01); /清屏 unsigned long delay=1500; while(delay-); LcdWriteComm(0x80); LcdWriteData(0xC7);LcdWriteData(0xEB); LcdWriteData(0xD1);LcdWriteData(0xA1); LcdWriteData(0xD4);LcdWriteData(0xF1); LcdWriteData(0x3A);LcdWriteData(0x20); /請(qǐng)選擇: LcdWriteComm(0x

21、90); LcdWriteData(0x18);LcdWriteData(0x3A); LcdWriteData(0xCD);LcdWriteData(0xE2); LcdWriteData(0xB2);LcdWriteData(0xBF); LcdWriteData(0xB2);LcdWriteData(0xCE); LcdWriteData(0xBF);LcdWriteData(0xBC); LcdWriteData(0xCA);LcdWriteData(0xE4); LcdWriteData(0xC8);LcdWriteData(0xEB); /外部參考輸入 LcdWriteComm(0

22、x88); LcdWriteData(0x19);LcdWriteData(0x3A); LcdWriteData(0xC4);LcdWriteData(0xDA); LcdWriteData(0xB2);LcdWriteData(0xBF); LcdWriteData(0xB2);LcdWriteData(0xCE); LcdWriteData(0xBF);LcdWriteData(0xBC); LcdWriteData(0xCA);LcdWriteData(0xE4); LcdWriteData(0xC8);LcdWriteData(0xEB); /內(nèi)部參考輸入 LcdWriteComm(

23、0x9F); LcdWriteData(0x18);LcdWriteData(0x19); workstatus=1; else if(workstatus=2) workstatus=0; frequency=setfre; LcdWriteComm(0x01); /清屏 unsigned long delay=1500; while(delay-); disstatus=1; else ; return ;頻率檢測(cè)部分：/-/TB中斷函數(shù)#pragma vector=TIMERB1_VECTOR_interrupt void Timer_B (void) switch(TBIV) case

24、 2: /通道1捕獲中斷 if(capture1=0)start1=TBCCR1;capture1+;overflow1=0; else if(capture1=1) end1=TBCCR1; TBCCTL1 &= CCIE; circle1 = 60000*overflow1+end1-start1; capture1=0; else ; break; case 4: /通道二捕獲中斷 if(capture2=0)start2=TBCCR2;capture2+;overflow2=0; else if(capture2=1) end2=TBCCR2; TBCCTL2 &= CCIE; cir

25、cle2 = 60000*overflow2+end2-start2; capture2=0; else ; break; case 14: /溢出中斷 overflow1+; overflow2+; break; default: break; 正弦信號(hào)產(chǎn)生：/-/DAC初始化函數(shù)void DACInit(void) ADC12CTL0 |= REF2_5V; ADC12CTL0 |= REFON; /內(nèi)部 2.5V 參考源 DAC12_0CTL &=DAC12RES; /12位分辨率 DAC12_0CTL &=DAC12LSEL_0; /數(shù)據(jù)傳入立即開(kāi)始轉(zhuǎn)換 DAC12_0CTL |= D

26、AC12IR; /滿量程輸出電壓等于參考電壓 DAC12_0CTL |= DAC12AMP_5; /輸入輸出緩沖器均為 中速度/電流 DAC12_0CTL &=DAC12DF; /數(shù)據(jù)寄存器采用二進(jìn)制數(shù) DAC12_0CTL |= DAC12ENC; /使能DAC DAC12_1CTL &=DAC12RES; /12位分辨率 DAC12_1CTL &=DAC12LSEL_0; /數(shù)據(jù)傳入立即開(kāi)始轉(zhuǎn)換 DAC12_1CTL |= DAC12IR; /滿量程輸出電壓等于參考電壓 DAC12_1CTL |= DAC12AMP_5; /輸入輸出緩沖器均為 中速度/電流 DAC12_1CTL &=DAC

27、12DF; /數(shù)據(jù)寄存器采用二進(jìn)制數(shù) DAC12_1CTL |= DAC12ENC; /使能DAC /- /下面為DMA的初始化 DMACTL0 |= DMA0TSEL_7; /選擇DMA通道0觸發(fā)源為TACCRO標(biāo)志 DMACTL1 |= DMAONFETCH; /觸發(fā)后DMA傳輸立即開(kāi)始 DMA0CTL = DMADT_4 + DMADSTINCR_0;/DMA單字傳輸，目的地址不變 DMA0CTL |=DMASRCINCR_3; /DMA源地址增，以字為單元 DMA0CTL &= DMALEVEL; /上升沿觸發(fā) DMA0CTL |= DMAEN; /DMA使能 DMA0SA = (un

28、signed short)_hsin; /該句放于主函數(shù)中，sin數(shù)組這里不可見(jiàn) DMA0DA = (unsigned short)(&DAC12_0DAT); /目的地址 DMA0SZ = 360; /待傳送數(shù)據(jù)量 DMA0CTL |= DMAREQ; /啟動(dòng)DMA傳輸 /- /以下為TA的初始化 TACTL = TASSEL_2 + MC_1; /增計(jì)數(shù)模式注：程序通過(guò)動(dòng)態(tài)改變TACCR0的值來(lái)改變頻率。AD采樣：/-/ADC初始化函數(shù)void ADCInit(void) P6SEL |= (BIT0+BIT1+BIT2+BIT3); /端口的第二功能，A0-A2通道輸入 ADC12CTL

29、0 |= ADC12ON; /開(kāi)ADC12 ADC12CTL0 |= MSC; /連續(xù)轉(zhuǎn)換模式 ADC12CTL0 |= SHT0_1; /設(shè)置采樣時(shí)間 ADC12CTL0 |= REF2_5V; /內(nèi)部參考源，2.5V ADC12CTL0 |= REFON; /啟動(dòng)內(nèi)部參考電壓 ADC12CTL1 |= ADC12SSEL_1; /AD采樣時(shí)鐘源為SMCLK ADC12CTL1 |= SHS_0; /采樣信號(hào)為ADC12SC輸出 ADC12CTL1 |= SHP; /SAMPCON信號(hào)來(lái)自采樣時(shí)鐘 ADC12CTL1 |= CONSEQ_3; /多通道多次采樣 ADC12MCTL0 = INCH_0 + SREF_1; /A0,Vref+ ADC12MCTL1 = INCH_1 + SREF_1; /A1,Vref+ ADC12MCTL2 = INCH_2 + SREF_1; /A2,Vref+ ADC12MCTL3 = INCH_3 + SREF_1 +EOS; /A3,Vref+ ADC12IE = BIT3; /允許中斷 ADC12CTL