基于MC9S12XS128光伏并网发电模拟装置设计.doc

基于MC9S12XS128光伏并网发电模拟装置设计摘要：太阳能作为一种高效无污染的新能源，一种未来世纪常规能源的替代品。目前，太阳能光伏并网发电是太阳能光伏的重要应用之一。文中采用了一种高性能MC9S12XS128单片机控制实现了光伏并网发电模拟装置的系统设计。正弦逆变系统作为并网发电系统的核心部分，实现将光伏直流电逆变成工频交流电，送入电网，实现并网目的。在分析光伏并网发电正弦逆变器的工作原理后，提出了基于模糊控制的自适应PI控制策略，并采用恒定电压跟踪法实现了最大频率点跟踪（MPPT）功能。实验测试表明，该模拟装置能较好的满足并网发电系统的各项指标要求。关键词：光伏并网发电；正弦逆变电路；最大频率点跟踪；模糊控制的自适应PI调节光伏并网发电是通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池的储能，而直接通过并网逆变器，把电能送上电网。据有关专家们估计，到2020年全球太阳能光伏发电将占世界发电量的1.1，2040年将占26，2050年以后将成为世界能源的支柱1。下图1所示为一个光伏并网发电模拟装置结构框图。该装置主要包含光伏电池、正弦逆变系统以及主控制器等部分。其中正弦逆变系统是并网发电系统的核心，其逆变输出的工频交流电的质量直接影响电网质量。DC-ACUdIdio1uouREF+-RLuFuo1滤波器控制电路n1n2n3USRS+-Tio2图1并网发电模拟装置框图一、光伏并网发电模拟装置设计方案1逆变电路方案根据设计要求，为一小功率光伏并网发电模拟装置，故选用电压型单相逆变电路。方案一：采用电压型单相半桥逆变电路。半桥逆变电路电路结构简单，在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点，负载联接在直流电源中点和两个桥臀联结点之间。所用器件较少，工作简单。方案二：采用电压型单相桥式逆变电路。采用H型电路结构，共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。比较以上两种方案，半桥逆变电路简单，使用器件少，但交流电压幅值为直流电压的一半，直流侧需两电容器串联，并要控制两者电压均衡，相较之下，全桥逆变电路虽所用器件多一倍，但更适合使用。2正弦逆变电路控制方案在本次设计中，正弦逆变电路的控制方案为该模拟装置的核心部分。方案一：采用PI控制。比例（P）环节对给定信号和反馈信号之间的误差进行实时放大，一旦有误差信号产生，控制立即起作用，以减少误差。积分（I）环节，对误差进行连续累加，具有积累和记忆特性，主要用来消除静态误差。PI控制兼顾了系统的动、静态性能。方案二：采用模糊控制。模糊控制技术基于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提高，模糊控制能够在精确和简单之间取得平衡，有效地对复杂事物作出判断和处理。方案三：采用重复控制。重复控制理论是一种基于内模原理的控制理论，是在重复信号发生器的作用下，控制器进行着逐周期积分控制，通过对波形误差的逐周期补偿，以抑制周期性的扰动信号2。比较以上三种方案，方案一PI控制概念清晰，容易数字化实现，并具有参数易整定等特点。方案二模糊控制器的设计不依赖于受控对象的精确的数学模型，它有着非常强的鲁棒性和自适应性。方案三重复控制稳态时可以近似实现无静差跟踪效果。但本身却无法克服其固有的滞后调节特性，由理论分析可知，其动态性能至少滞后一个基波周期。根据题目中的正弦逆变装置是一个多变量、非线性、时变的系统，系统的复杂性和模型的精确性总是相互矛盾的，故提出采用基于模糊控制的PI自适应调节控制策略。3MPPT（最大功率点跟踪）实现方案根据题目要求，需实现MPPT（MaximumPowerPointTrace）即最大功率点2跟踪功能。方案一：采用扰动观察法(Perturb&ObserveAlgorithms,P&O)。把输出电压值的变化量U称之为扰动，通过不断施加扰动U，并测量比较其功率的变化，使太阳能阵列的输出功率趋于最大3。方案二：采用恒定电压跟踪(ConstantVoltageTrace,CVT)法。根据在不同日照强度时其IV曲线，可以说明其最大功率输出点大致对应于某个恒定电压Um，则使太阳能电池阵列的输出电压箝位于Um的值即可，实际上是把MPPT简化成稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。上述两种方案，方案一扰动观察法是实现MPPT常用的方法之一，其结构简单，被测参数少，但由于始终有士U的存在，故只能在最大功率点附近振荡运行，导致了有部分功率会损失。而且初始值及跟踪步长的给定对于跟踪精度和速度都有较大的影响。方案二恒压跟踪法控制简单，易于实现，可靠性高；且系统不会出现振荡，具有良好的稳定性，硬件电路设计简单，方便实现。另根据题目光伏模拟电池为实验室可调直流稳压电源，故选用方案二。4主控单片机选型方案设计中，正弦逆变电路的控制电路为装置的核心部分，而选择性能优良的控制器则能起到事半功倍的效果。方案一：采用51系列单片机。51系列单片机拥有基于复杂指令集（CISC）的单片机内核，虽然其速度不快，12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。51的内部硬件预设，可用特殊功能寄存器对其进行编辑。方案二：采用LM3S系列单片机。LM3S系列单片机是基于ARM®CortexTM-M3的控制器。如LM3S615具有32为RISC功能，16位定时器模块具有捕获和比较功能；并带有10位ADC通道，以及PWM发生器，可以通过软件编程进行PWM波形输出等特点。方案三：采用MC9S12系列单片机。MC9S12XS128该系列单片机采用S12XV2CPU内核，可运行在40MHz总线频率上，有ECC模块，8路16位计数器，2个SCI串行通信模块支持LIN总线，8路PWM，8路或者16路8位、10位、12位AD转换时间3us，80管脚LQFP贴片封装。结合题目设计功能要求，若采用51系列单片机将需要添加大量的A/D芯片，以及PWM发生电路等，电路复杂，可靠性低。LM3S615单片机虽已集成了这些功能，但AD通道数不能满足要求，故综合考虑下，由于MC9S12XS128单片机集成度高，AD转换通道多且精度高，故选用为主控制器。二、光伏并网发电模拟装置系统组成2设计的光伏并网发电模拟装置系统组成框图如图2所示，控制方式采用MC9S12XS128单片机控制。太阳能光伏电池由一直流稳压可调电源模拟，经过信号处理及放大后得到一个稳定的直流60V的输出。直流输入单相桥式逆变电路单相逆变交流输出滤波输出负载SPWM数据表IR2103驱动电路飞思卡尔单片机MC9S12XS128A/D并行接口A/D并行接口PWM输出电网参考电压输入信号处理电路整形频率检测电压检测相位检测升压变压器降压变压器交流输出信号处理电路整形电压检测频率检测相位检测图2光伏并网发电模拟装置系统组成框图逆变的输出电压经过低通滤波，并经过降压变压器，输出平滑的正弦波，输出信号分别经电压、频率、相位的检测送单片机处理控制。三、光伏并网发电模拟装置电路设计1逆变电路和驱动电路设计如下图3所示为正弦逆变系统原理图，主要包含逆变主电路和驱动电路两部分。2图3正弦逆变电路及其驱动电路原理图（1）逆变主电路器件选型逆变主电路中，MOSFET采用型号为IRF260，其最大电压为200V。4个桥臂在SPWM信号控制下轮流导通，为防止驱动器输出的栅极电压过冲，在每个MOSFET的栅极串联了一个电阻，并反并联一个二极管。（2）驱动电路设计驱动电路采用了2个MOSFET栅极驱动控制专用集成电路芯片IR2103。该芯片为8引脚封装，由两个独立的高端和低端输出通道，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CMOS电容兼容，死区时间内置，输出、输入同相，低边输出死区时间调整后与输入反向，最高工作频率可达40kHz。当逆变主电路工作时，2个IR2103芯片的HIN、LIN引脚的输入由单片机产生互补的逻辑信号。2检测电路设计逆变器的效率公式3滤波电路设计逆变器的效率公式4保护电路设计逆变器的效率公式四、光伏并网发电模拟装置软件设计软件程序设计是逆变控制电路设计的核心，它决定着逆变电路输出电压的大小、相位差范围、频率的稳定以及系统的保护功能和可靠性等。程序设计的关键是由MC9S12XS128单片机控制产生SPWM波。1模拟装置主流程如下图3所示为模拟装置主流程图。2控制程序设计（1）SPWM波的实现由于单极性SPWM调制方式和双极性SPWM调制方式相比，具有开关频率的倍频作用、直流侧电压脉动小、di/dt小、能够提高最低次谐波次数等优点，故将选用单极性SPWM波。（2）等幅同频锁相设计通过对电网参考电压和逆变输出电压的采样处理，经MC9S12XS128单片机的12位的A/D转换成数字信号，处理后控制PWM的占空比，以实现对逆变电路输出电压的调整。通过测量电网参考电压和逆变输出电压的的过零电位，来计算它们的周期时间，从而得到电网参考电压和逆变输出电压的频率。通过测量电网参考电压和逆变输出电压两者过零电位的时间差，来判断两者之间的超前滞后关系，计算得到两者的相位差。频率的跟踪和相位差的调整，都是通过MC9S12XS128单片机软件控制实现的。（3）保护电路的设计过压保护：利用主控制器采集经过转换的电网上的电压信号，设置上下阀值电压，通过改变控制器控制信号的占空比对电网电压进行实时控制。过流保护：采集电流传感器的模拟信号，控制方法与过电压保护相近。五、模拟装置测试实验1测试实验（1）测试仪器YB4360（60MHz）示波器；（2）测试数据电网参考电压输入电压和逆变输出电压幅值、频率以及相位差测试数据如表1所示。表1输入和输出电压幅值、频率以及相位差测试数据表序幅值频率相位号输入电压（V)输出电压（V)失真度（%）输入电压（HZ)输出电压（HZ)频率差（%）输入电压（°)输出电压（°)相位差（%）11.82721.932.042.2（3）逆变效率测试表2逆变器效率测试数据表序号电网参考输入逆变输出效率（%)电压（V)电流（A)功率（W）电压（V)电流（A)功率（W）12342系统对题目的完成情况表3系统对题目的完成情况对照表基本部分要求实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，相对偏差的绝对值不大于1%频率跟踪功能，相对偏差绝对值不大于1%逆变器的效率60%输出uo的失真度THD5%输入欠压保护，动作电压Ud（th）=（25±0.5）V输出过流保护，动作电流Io（th）=（1.5±0.2）A发挥部分变换器的效率80%（RS=RL=30时）THD1%（RS=RL=30时）相位跟踪功能，相位偏差的绝对值5°过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态3结果分析各项结果都符合系统指标，六、总结各项结果都符合系统指标，参考文献1罗雪莲太阳能光伏并网发电的应用J贵州电力技术2009年第2期。2郑诗城光伏发电系统及其控制的研究D:博士学位论文合肥:合肥工业大学2004.12。3王晖辉三相光伏并网逆变器的设计与仿真D:硕士学位论文郑州:郑州大学2005.5。4赵争鸣，刘建政等太阳能光伏发电及其应用M北京：科学出版社2005年l0月第1版5王兆安电力电子技术M北京：机械工业出版社2008年4月第4版6袁晓，赵敏荣，胡希杰，吕玉龙太阳能光伏发电并网技术的应用J上海电力2006年第4期。7刘茂荣，郭佐，姚中之，等三相PWM产生器SA8282在静止逆变电路中的应用J电力电子技术，1999，33(5)：2931。8孟光伟，李槐树，姚琼荟频率跟踪及幅值相位可控的三相交流逆变电路J.电力电子技术2007年7月第4l卷第7期。9汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥基于PWM的逆变电路分析J现代电子技术2008年第1期总第264期。10冯玉生单片机控制三相PWM产生器的逆变电源设计J电力电子技术，2005，39(2)：2123。11王晖辉三相光伏并网逆变器的设计与仿真D:硕士学位论文郑州:郑州大学2005.5。