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光伏发电毕业论文 毕业论文毕业论文毕业论文毕业论文 题 目 光伏发电并网逆变控制器系统的设计 2 摘要 3 第一章 绪论 4 1 1 光伏发电并网逆变器的研究背景及现状 4 1 2 光伏发电并网逆变器研究的目的 5 第二章 光伏发电并网逆变控制系统的理论分析 7 2 1 太阳能发电并网系统总拓扑图 7 2 2 逆变器的电路原理 8 2 2 1 逆变器的电路原理 8 2 2 2 逆变器的逆变传统技术 8 2 2 3 逆变器的 spwm 控制技术 10 2 3 并网逆变 11 2 3 1 电路结构 11 2 3 2 系统的总体方案 11 2 3 3 前级 boost 电路的工作原理 11 2 3 4 主电路参数的选取 13 2 2 5 光伏系统最大功率跟踪的方法 15 2 3 6 逆变器驱动电路 17 第三章 硬件电路 19 第四章 系统软件设计 21 4 1 基于 at89c51 的系统软件设计 21 4 2 系统的主程序流程图 24 4 3 逆变控制程序设计 24 4 4 中断和键盘子程序设计 27 参考文献 31 3 摘要摘要摘要摘要 世界环境的日益恶化和传统能源的日渐枯竭 促使了对新能源的开发和发 展 具有可持续发展的太阳能资源受到了各国的重视 各国相继出台的新能源法 对太阳能发展起到推波助澜的作用 其中 光伏并网发电具有深远的理论价值和 现实意义 仅在过去五年 光伏并网电站安装总量已达到数千兆瓦 而连接光伏 阵列和电网的光伏并网逆变器便是整个光伏并网发电系统的关键 本文根据逆变器结构以及光伏发电阵列特点 提出了基于dc dc和dc ac两级 并网逆变器的结构 基于dc dc和dc ac电路的相对独立性 分别对dc dc和dc ac 进行了分析 重点分析了dc ac的工作原理 并网逆变控制器设计是本文的重点 包括逆变器驱动电路的设计 逆变器驱动电路的软件编程以及并网过程中直流侧 欠电压 直流侧过电压 交流侧电流等硬件电路的设计 另外对主电路中各元件 参数的选取 系统最大功率跟踪方法做了详细的分析 为类似结构的光伏并网逆 变器提供了设计参考 关键词 太阳能 光伏并网 逆变器 最大功率点跟踪 4 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 光伏发电并网逆变器的研究背景及现状 太阳能的转换利用方式有光 热转换 光 电转换和光 化学转换三种形式 光 伏发电是将太阳的光能转换为电能的一种发电形式 利用光生伏打效应制成的太 阳能电池 可将太阳的光能直接转 转换成为电能 表 1 2 为光伏发电历史现状 国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品 例如在欧洲光伏专用逆 变器市场中就有 sma fronius sputnik sun power 和西门子等众多的公司具 有市场化的产品 其中 sma 在欧洲市场中占有的 50 的份额 除欧洲外 美国 年 份 事 件 1839 法国物理学家 a e 贝克勒尔发现 光生伏打效应 photovoltaic effect 1880 charles frits 开发出以硒为基础的光伏电池 1954 贝尔实验室做出了光电转换效率为 5 的单晶硅光伏电池 1961 硅光伏电池技术研究重点为提高抗辐射能力和降低城北方面 1972 研制出用于空间的单晶硅光伏电池 1976 诺贝尔奖获得者莫特教授提出了非光品硅光伏电池 1980 世界光伏技术产业迅速发展起来 1883 美国建成 1mw 光伏电站 1986 美国建成 6 5mw 光伏电站 1990 德国提出 2000 光伏屋顶计划 每个家庭的屋顶安装 3 5kw 光伏电池 日本提出 新阳光计划 到 2010 年将生产 43 亿兆瓦光伏电池 1995 高效聚光砷化镓电池效率达到 32 1997 美国提出 克林顿总统百万太阳能屋顶计划 并计划在 2020 年完成 多晶硅光伏电池总产量第一次超过单晶硅光伏电池 1999 日本太阳能电池总产量第一次超过美国居世界首位 其中 85 用于太阳能 光伏构建集成 2000 世界光伏电池总产量达到 287mw 欧洲计划到 2010 年生产 60 亿 w 光伏电 池 日本三洋公司研制的太阳能效率超过 21 2005 近 5 年的世界光伏电池产量年均增长速度超过 40 晶体硅太阳能电池产 量占世界太阳能电池产量的 90 以上 5 加拿大 澳大利亚 新西兰以及日本在并网逆变器方面也都已经产品化 目前国 外光伏并网你变气产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单机 能量变换上 功率主要为几百瓦到五千瓦的范围 控制电路主要采用数字控制 注意系统的安全性 可靠性和扩展性 具备有各种完善的保护电路 国内对并网逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪额逆变部分相分离的 两级能量变换结构 而且市场产品的种类还相对单一 系统构建死板 光伏并网 发电系统在我国还没有真正投入商业化运行的应用 目前所建广发并网系统均为 示范工程 作为光伏并网发电系统核心环节的并网型逆变器还主要依赖进口或者 合作研究 在众多分布式发电功能技术中 太阳能产业是全世界公认的最有前途的能源 产业 世界各国都将光伏发电作为发展的重点 美国政府最早制定光伏发电的发 展规划 能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策 总光伏安装是已 达到 3000 兆瓦以上 连续三年光伏产业均以高于 30 的年增长率上升 新任总 统奥巴马更是把发展大规模分布式太阳能光伏发电作为其新能源的重要组成提 上议程 日本也早在 1974 年就开始执行 阳光计划 1992 年电力公司收购光 伏发电系统与电力制度开始实施 1994 年提出 朝日七年计划 到 2000 年已 完成 16 2 万套太阳能光伏屋顶计划 1997 年又宣布 7 万光伏屋顶计划 到 2010 年安装 7600 兆瓦太阳能电池 德国 1990 年提出 1000 屋顶发电计划 1998 年进 一步提出 10 万屋顶计划 到 2007 年 5 月为止 全球已建成容量超过 5 兆瓦的光 伏电站 10 座 容量在 2 兆瓦以上的瓜葛菲电站超过了 50 座 目前已经运行的容 量最大的太阳能并网电站为 2008 年安装与西班牙的 olmedilla 装机容量为 60 兆瓦 1 2 光伏发电并网逆变器研究的目的 我国正处在经济转轨和蓬勃发张时期 但能源问题严峻 城市中由于大量使 用化石能源 环境持续恶化 2000 年世界卫生组织 who 公布世界上污染最严 峻的十大城市中 中国占了八个 其中北京居于第七位 大力发展光伏并网发电 将有助于今早解决这一问题 国家有关领导部门已经开始给予足够重视 首先是 国家科技部已规划有步骤地推进相关的科技创新研究 示范及其产业化进程 八 五 和 九五 期间把 光伏屋顶并网发电系统 列入了 国家科技公关计划 在深圳和北京分别建成了一些光伏屋顶并网发电系统的示范工程 到目前为止 我国光伏并网发电的关键技术及设备仍主要来自进口 但面对 如此巨大的国内需要 脚踏踏实实地发展具有自我知识产权的相关高技术 进而 实现其产业化 已是刻不容缓的事情 在光伏并网发电系统中 其具体目的表现 为 6 1 实现高质量的电能转换 将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成 220v 50hz 的单相 正弦波 其电流和电压的畸变率均小 2 实现系统的安全保护要求 如输出过载保护输出短路保护 输入接反保护 直流过压保护 交流过压和欠压保护 孤岛 保护及装置 1 3 光伏发电并网逆变器研究的意义 随着全球环境污染与能源紧缺问题的日益严重 寻找新能源已经是各国不得 不面临的现实 进行光伏发电并网逆变器控制系统的研究对于解决全球日益面临 的能源危机有深远的意义 不但可以在技术上进一步取得完善 取得工程经验 而且可以确定其经济的可行性 光伏发电只有进入电力规模的应用 才能真正对 于缓解能源紧张和抑制环境污染起到积极作用 光伏发电并网逆变器控制系统研 究的重点应该放到并网发电的经济政策研究和具有商业化前景的实用技术上 光伏并网发电的大规模推广除了节约能源与减少环境污染外 还能够刺激光 伏工业的迅速壮大 达到能源可持续性发展的目的 同时还可以提供大量的就业 机会 要实现光伏并网发电 光伏并网逆变器是关键 目前 独立光伏电站所用的 逆变器相对较成熟 并已大规模应用 但并网逆变器技术相对落后 国外的并网 逆变器价格高昂 在国内推广应用十分困难 为了实现自主研发生产 国内一些 企业与高校正开始做相关方面的研究 且均为示范系统 还没有实现产业化 为 推动光伏并网发电系统的普及应用 自主研发光伏并网逆变器控制系是我们长期 致力于研究的课题 面对今天日益严重的环境危机 为了人类的生存和发展迫切需要我们去寻找 新的替代能源 而太阳能便是我们理想的发展方向 它为我们提供干净 来源广 泛可靠 无污染的清洁能源 为解决全球面对的诸多环境问题带了十分理想的解 决方式 光伏发电并网逆变器的研究就是如何将光转换为电能 本课题着重研究其新 的发展方向 更为方便的利用太阳能解决发电问题是我们今后长期发展的课题 也是世界今后大体走向 太阳能光伏并网发电工程的实际效果看出 采用太阳能 光伏发电技术 对太阳能并网发电的推广应用在技术是可行的 经济上是可取的 对社会环保和人类可持续发展更是具有深远的影响和重要意义 7 第第第第二二二二章章章章 光伏发电并网逆变控器制系统的光伏发电并网逆变控器制系统的光伏发电并网逆变控器制系统的光伏发电并网逆变控器制系统的理论分析理论分析理论分析理论分析 2 1 太阳能发电并网系统总拓扑图太阳能发电并网系统总拓扑图太阳能发电并网系统总拓扑图太阳能发电并网系统总拓扑图 图图图图 2 2 2 2 1 1 1 1 系统总拓扑图系统总拓扑图系统总拓扑图系统总拓扑图 由总拓扑图可以看到 pv 板产生的直流电压经过 dc dc 变换器升压 mppt 追踪最大功率点控制后 经过逆变器变成三相交流电 通过单片机控制下的电压 检测 负载过电流检测 在辅助电源和 sa4828 驱动的作用下 使得电能最终送 到电网 8 2 2 逆变器的电路原理逆变器的电路原理逆变器的电路原理逆变器的电路原理 2 2 1 逆变器的电路原理逆变器的电路原理逆变器的电路原理逆变器的电路原理 为了设计并网逆变器控制系统 必须先介绍逆变器的电路原理以图 2 2 的 单相桥式逆变电路为例说明最基本的逆变工作原理 图中 si 一 s4 是桥式电路 的四个臂 s1 s4 为开关管 当开关 sl s4 闭合 s2 s3 断开 负载电压 uo 为正 当开关 s1 s4 断开 s2 s3 闭合时 o 为负 其波形如图 2 3 所示 这样 就把直流电变成了交流电 而改变两组开关的切换频率 就可以改变输出 交流电的频率 图图图图2 2 2 2 2 2 2 2 单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路 图图图图2 2 2 2 3 3 3 3 单相桥式逆变电路的输出电压波形单相桥式逆变电路的输出电压波形单相桥式逆变电路的输出电压波形单相桥式逆变电路的输出电压波形 2 2 2 逆变器的逆变传统技术逆变器的逆变传统技术逆变器的逆变传统技术逆变器的逆变传统技术 在三相逆变电路中 应用最多的是三相桥式逆变电路 电压型三相桥式逆变 电路如图2 4所示 三相电压型逆变电路传统的多数采用的工作方式如下 逆变电路基本工作 9 方式是180度导电方式 即每个桥臂的导电角度为180度 同一相上下两个臂交替 导电 每相开始导电的时间依次相差120度 如此每一瞬间 将有三个桥臂同时 导通 对于u相 当v1导电时 uun ud 2 当v4导电时 uun ud 2 uun 的波形是幅度为 ud 2的矩形波 v相和w相的情况和u相相似 只是相位依 次差120度 uun uvn uwn 的波形如图2 5所示 图图图图 2 2 2 2 4 4 4 4 电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路 图图图图 2 2 2 2 5 5 5 5 uun uvn uwn 的波形的波形的波形的波形 设负载中性点 n 和直流电源假想中性点之间的电压为 unn 则负载各相的 相电压可以由下式求出 10 整理可得 unn 1 3 unn uvn uwn 1 3 uun uvn uwn 设负载三相对称 即 uun uvn uwn 0 则 unn 1 3 unn uvn uwn 2 2 图 2 5 的 e 给出了 unn 的波形 它是幅度为 ud 2 频率为 unn 频率三 倍的矩形波 由式 2 1 和式 2 2 可以作出 uun的波形如图 2 5 的 f 所示 uvn 和 uwn的波形形状一样 只是相位相差 120 0 2400 由图可见 负载相电压的波形为六拍阶梯波 通过傅立叶分析可知 此 种波形含有很大的谐波分量 对负载 尤其是交流电动机负载 的工作性能带来很 不利的影响 图图图图 2 2 2 2 6 6 6 6unn 和和和和 unn的波形图的波形图的波形图的波形图 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 逆变器逆变器逆变器逆变器的的的的 spwmspwmspwmspwm 控制技术控制技术控制技术控制技术 pwm 技术的理论基础是面积等效原理 即冲量 面积 相等而形状不同的窄脉 冲加在具有惯性的环节上时 其效果 环节的输出响应波形 基本相同 例如 如 图 2 7 所示 有三个窄脉冲 a 为矩形脉冲 b 为三角形脉冲 c 为正弦半 波脉冲 它们形状不同 但它们的面积 冲量 都等于 1 当它们分别作为图 2 8 a 具有惯性环节的 r l 电路的输入时 设其电流 f d 为电路的输出 图 2 8 b 给出了不同窄脉冲时 i t 的响应波形 由图中波形可知 在 i t 的上升段 脉 冲波形不同 i t 略有不同 但其下降段几乎完全相同 脉冲越窄则其输出响应波 形差异也越小 如果是周期性的施加上述脉冲 则其响应波形也是周期性的 用 傅立叶级数分解后可以看出 各 f n 在低频段的特性非常接近 仅在高频段有所 不同 图图图图 2 2 2 2 7 7 7 7 波形不同而冲量相同的各种窄脉冲波形不同而冲量相同的各种窄脉冲波形不同而冲量相同的各种窄脉冲波形不同而冲量相同的各种窄脉冲 11 图图图图 2 2 2 2 8 8 8 8 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 本文的 spwm 信号由单片机控制的 sa4828 产生 下文将作详细介绍 2 2 2 2 3 3 3 3 并网逆变并网逆变并网逆变并网逆变 2 3 1 电电电电路结构路结构路结构路结构 并网逆变器结构如图2 1所示 该电路结构由工频或者高频逆变器 工频变 压器以及输入 输出滤波器构成 2 3 2 系统的总体方案系统的总体方案系统的总体方案系统的总体方案 经过方案的比较论证 本设计决定采用无变压器的两级结构 前级dc dc 变换器和后级的dc ac逆变器 两部分通过dclink相连 前级dc dc变换器 可选择的型式有半桥式 全桥式 推挽式和boost式 考虑到输入电压较低 如 采用半桥式则开关管电流变大 输出电压太低 而采用全桥式则控制复杂 开关 管功耗增大 因此这里采用结构简单 控制方便的boost升压电路 它根据电网 电压的大小使在不同天气条件下的输入电压达到一个合适的水平 同时在低压情 况下实行最大功率点的跟踪 增大光伏系统的经济性能 后级的dc ac逆变器 采用单相逆变全桥 作用是将dclink直流电转换成220v 50hz正弦交流电 实现 逆变向电网输送功率 dclink的作用除了连接dc dc变换器和dc ac逆变器 还实现了功率的传递 控制电路的核心芯片是ti公司的tms320f2407 系统保证 并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频同相 系统主电路的拓扑电路如 图2 1所示 2 3 3 前级前级前级前级boostboostboostboost电电电电路的工作原理路的工作原理路的工作原理路的工作原理 电路原理图 boost电路由开关管v 二极管vd 电感l 电容c组成 完成将太阳能电池 输出的直流电压场v升压到vdc 其原理图如图2 9所示 12 a uge io t t b 2 9升压斩波电路的工作原理图升压斩波电路的工作原理图升压斩波电路的工作原理图升压斩波电路的工作原理图 升压斩波电路的原理图及工作波形如图2 9所示 该电路中也是使用一个全 控型器件 分析升压斩波电路的工作原理时 首先假设电路中电感l值很大 电容c值 也很大 当可控开关v处于通态时 电源e向电感l充电 充电电流基本恒定为i1 同时电容c上的电压向负载r供电 因此c值很大 基本保持输出电压uo为恒值 记为uo 设v处于断态时e和l共同向电容c充电并向负载r提供能量 设v处于断 态的时间为toff 则在此期间电感l释放的能量 u0 e i1toff 当电路工作与稳态时 一个周期t中电感l积蓄的能量与释放的能量相等 即 tiuti offoon ee 11 2 3 化简得 e t tt tt u offoff offon o 2 4 式中 t toff 1 输出电压高于电源电压 故称该电路为升压斩波电路 式 2 4 中t toff表示升压比 调节其大小 即可改变输出电压u0的大小 调节的方法与3 1 1中介绍的改变占空比 的方法类似 将升压比的倒数记作 13 即 t toff 则 和占空比 有如下关系 1 2 5 因此式 2 4 可表示为 ee uo 1 11 2 6 升压斩波电路之所以能是输出电压高于电源电压 关键有两个因素 一是 电感l储存的能量之后具有使电压泵升的作用 二是电容c可将输出电压保持住 在以上分析中 认为v处于通态期间的电容c的作用使得输出电压u0不变 但实 际上c值不可能无穷大 在此阶段其向负载放电 u0必然会有所下降 故实际输 出电压会略低于式 2 4 所得结果 不过在电容c值足够大时 误差很小 可以 忽略不计 如果忽略电路中的损耗 则由电源提供的能量仅由负载r消耗 即 iui o e 01 2 7 该式表明 与降压斩波电路一样 升压斩波电路也可看成是直流变压器 根据电路结构并结合 3 23 得出电流的平均值i0为 r e r u i o o 1 2 8 由式 3 24 即可得出电流i1为 r e e i u io o 21 1 2 9 2 3 4 主电路参数的选取主电路参数的选取主电路参数的选取主电路参数的选取 1 滤波电感的选取 在全桥逆变器中 输出滤波电感是一个关键性的元件 并网系统要求在逆变 器的输出侧实现功率因数为1 波形为正弦波 输出电流与电网电压同频同相 因而 电感值选取的合适与否直接影响电路的工作性能 对于电感值的选取 可 以从以下两个方面来考虑 a 电流的纹波系数 输出滤波电感的值直接影响着输出纹波电流的大小 由电感的基本伏安关系 14 综上 滤波电感的取值范围为8 3mh l 37 4mh 在实际设计过程中 由于电 感的体积 成本等因素的影响 一般只需考虑电感的下限值 即取稍微大于下限 值即可 另外需要特别指出的是 以上的计算是建立在额定输出电压 即 vn 220v的基础上 考虑到实际情况下网压的波动范围 在设计电感时最终可 选取电感值lf 9mh 2 开关管的选取 逆变电源的主功率元件的选择至关重要 目前使用较多的功率元件有达林顿 功率晶体管 bjt 功率场效应管 mosfet 绝缘栅极晶体管 igbt 和可关断晶 闸管 gto 等 在小容量低压系统中使用较多的器件为mosfet 因为mosfet 具有较低的通态压降和较高的开关频率 在高压大容量系统中一般均采用igbt 模块 这是因为mosfet随着电压的升高其通态电阻也随之增大 而igbt在中 容量系统中占有较大的优势 而在特大容量 100kva以上 系统中 一般均采用 gto作为功率元件 随着针对于光伏系统的功率模块的发展 主电路元器件选择 功率模块也是一个比较有前景的 因此针对本电路的特点 在此选用igbt作为 开关元件 2 3 5 光伏系统最大功率跟踪的方法光伏系统最大功率跟踪的方法光伏系统最大功率跟踪的方法光伏系统最大功率跟踪的方法 日照强度和温度对太阳能电池阵列的开路电压和短路电流有很大的影响 当 前光伏电池的光电能量转换效率在实验室条件下最高不超过百分三十 为了最大 限度的提高光伏发电系统的发电效率 使其功率输出最大化 需要对光伏电池的 最大功率点进行跟踪 根据前面的太阳能电池阵列的输出特性功率一电压曲线 可知当阵列工作电压小于最大功率点电压时 阵列输出功率随太阳能电池端电压 上升而增加 当阵列工作电压大于最大功率点电压u时 阵列输出功率随输出电 压上升而减少 因此最大功率点跟踪的实现实质是一个自寻优过程 即通过控制 阵列端电压 使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能的输出最大功率 15 图图图图 2 10最大功率跟踪原理框图最大功率跟踪原理框图最大功率跟踪原理框图最大功率跟踪原理框图 从直流侧采集电压 u 和电流 i 通过 mppt 算法并与三角波比较 产生 pwm 波 经过驱动来控制 v igbt 的开关 从而达到最大功率点的控制 1 固定电压法固定电压法固定电压法固定电压法 在日照强度较高时 各曲线的最大功率点所对应的太阳能电池工作点电压变 化不大 这说明阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压 这就大大简化 了系统mppt的控制设计 即仅需从生产厂商处获得u数据 并使阵列的输出电 压钳位于u值即可 实质是把mppt控制简化为稳压控制 采用固定电压式的 mppt控制比不采用mppt控制的太阳能系统获多至20 的电能 固定电压法优 点是控制简单 易实现 可靠性高 系统不会出现振荡 有很好的稳定性 但忽 略了温度对阵列最大功率点电压的影响 控制精度差 特别是对于早晚和四季温 差变化剧烈的地区 必须人工干预才能良好运行 更难以预料风 沙等的缺点 2 扰动观察法扰动观察法扰动观察法扰动观察法 扰动观察法算法简单 易实现等特点广泛用于最大功率点的跟踪上 扰动观 察法的主要思想是通过周期性的给太阳能电池的输出电压u加扰动 u 比较其 输出功率p k 与前一周期的输出功率p k 1 的大小 如果功率增加则在下一个 周期以同样方向加扰动 否则 u改变扰动的方向 其具体的控制算法如图3 4 所示 寄存器存放每一周期矾肋调整值 首先计算太阳能电池的输出功率p k 并与上一周期的输出功率p k 1 l较 若只p k p k 1 则按照相同的方向进行 电压调整 从而调整输出电压uref k 的大小 反之亦然 在实际应用中 也可以 16 通过调节占空比来调节太阳能发电系统输出电压 使系统有最大功率点输出 图3 4扰动法的控制流程图采用扰动控制方法实现mppt 虽然可以动态的跟 踪光伏系统的最大功率点输出 较固定电压法有更好的光伏系统利用率 但是却 存在一定的缺点 1 即使电池的工作点已经在pm它也会一直振荡 而无法稳定工作在最大功 率点上 在这过程中就造成了部分功率损失 如图2 12 um是对应于pm的工作 电压 假设参考电压调整步长 u o 系统当前工作点在um左侧附近的u1点 根据扰动法原理 系统将增大电压 u2 ui u 调整后系统工作点位于um右 侧 若经检测 计算得到的p2p2 假设环境 暂时不发生改变 将导致电压继续减小到u4 使得p4 p3 系统才改变调整方向 这样系统就在点p4 p3 pl p2之间循环振荡 直至外部条件发生变化 每个周期由 于振荡造成的功率损失为图2 12扰动法在最大功率点附近来回振荡的情形 2 当有云经过时 日照强度发生快速变化 参考电压调整方向发生错误造 成系统误判 假设日照强度为1000w m2时 系统工作点u1在u2左边 对应功 率为p1p2 这就变成 系统在向功率减少的方向调整 系统出现误判 图图图图 2 2 2 2 12121212 扰动法在最大功率点附近来回振荡的情形扰动法在最大功率点附近来回振荡的情形扰动法在最大功率点附近来回振荡的情形扰动法在最大功率点附近来回振荡的情形 图图图图 2 2 2 2 13131313 扰动法误判断的情形扰动法误判断的情形扰动法误判断的情形扰动法误判断的情形 2 3 6 逆变器驱动电路逆变器驱动电路逆变器驱动电路逆变器驱动电路 如图2 14所示 逆变器驱动电路是采用at89c51单片机控制sa4828产生 spwm调制信号 其中sa4828是产生三相spwm信号的专用芯片 驱动电路 的主要作用是 当电压不正常时 自动产生50hz两路矩形脉冲电压 这两路矩 形脉冲电压相位相差1800 分别驱动两个igbt 18 脉宽调制和驱动电路逆变时的电路如图所示 通过改变驱动信号的频率 占 空比 就可以改变控制逆变电路的工作情况 实现输出电压的调节 当电压不正常时 此时at89c51单片机也发控制信号 使得sa4828开始工 作 发六路脉冲信号控制igbt的开通和关断 同一时刻有三个管子导通 而同 一桥臂的上下两个管子轮流导通1800 根据pwm脉宽调制技术 逆变器将输出 频率为50hz的交流电 at89c51 2 14 逆变器驱动电路逆变器驱动电路逆变器驱动电路逆变器驱动电路 e amp 2 3 g 5 6 8 7 rt rb yt yb bt bb 2 tlp250 t1 t2 sa4828 10v 24v 2 2 2 2 1 1 1 13 3 3 3 逆变器驱动信号产生电路逆变器驱动信号产生电路逆变器驱动信号产生电路逆变器驱动信号产生电路 19 第第第第三三三三章章章章 硬件电路硬件电路硬件电路硬件电路 3 3 3 3 1 1 1 1 欠电压检测电路欠电压检测电路欠电压检测电路欠电压检测电路 当太阳能电池板正常工作时 输出电压为96v 加在分压电阻r10 r11上 比较器 端电压u 近似为2 4v 端电压近似为1 8v 比较器输出 12v电 压 光耦合器u2导通 发光二极管z2承受正向电压 发绿光 输出p1 1 0 当 太阳能电池板欠压时 u u2 这样管脚3便维持在 12v z1承受正压 发光 输出p1 0 0 当直流侧过压时 管脚2电压也相应的过高 其值比3 0v还有高 此时 管脚3输出电压为0v d00导通 发光二极管z2关断 不发光 输出p1 0 1 当直流侧电压从过压值降到临界电压时 虽然管脚2电压可降到3 0v 但由 于管脚1已由3 0v变成了2 5v 因此管脚3仍为0v 只有当交流电压继续下 降到一定值的时候 管脚2才降到2 5v以下 3管脚才能从0v上升到12v 此 时 d00截止 1管脚上升到3 0v 准备下一次的过电压检测 3 3 交流侧过电流检测电路交流侧过电流检测电路交流侧过电流检测电路交流侧过电流检测电路 如图3 3为交流侧过电流检测电路 正常工作状态下 比较器的管脚1点位 低于管脚2的点位 输出0v 光耦合器u3不导通 发光二极管z3截止 a相 输出为 1 的高电平 负载过流时 管脚1电位上升 当高于管脚2的电位 使 得 3 端输出 12v电压 光耦合器导通 发光二极管z6发红光 此时a相输出 0 的低电平 虽然负载是三相电压供电 但由于对称性原理 我们只需要检测其中的两相 电流 另外一相电流就很容易获得 为了提高单片机管脚的利用率 检测电路中 加入一个与门 所检测的a相和c相电流只有在两者都正常工作是才输出p1 5 1 只要有任何一相负载过流 电路中就会亮红灯且p1 5 0 输出 0 21 第第第第四四四四章章章章 系统软件设计系统软件设计系统软件设计系统软件设计 4 1 基于at89c51的系统软件设计 单片机是整个系统控制的核心 mcs 51 系列中各种型号芯片的引脚是相互兼容 的 制造工艺为 hmos 的 mcs 51 单片机都采用了 40 只引脚的双列直插封装 dip 方式 目前大多数为此类封装方式 制造工艺为 chmos 的 80c51 80c52 除采用 dip 封装方式外 还采用方形封装方式 为 44 只引脚 40 只引脚按其功能来分 可分为三类 1 电源及时钟引脚 vcc vss xtal1 xtal2 2 控制引脚 psen ale ea rst 3 i o 口引脚 po p1 p2 p3为 4 个 8 位 i o 口的外部引脚 mm 4 1 系统软件图系统软件图系统软件图系统软件图 22 4 2 系统的主程序流程图 下面简要介绍整个系统流程图的工作原理 主程序开始后 首先要进行初始 设置 这里的初始化要包括显示器初始化 单片机系统初始化以及开中断 然后 判断开机键是否按下 若按下 则调用显示子程序 显示当前逆变的工作状态 如果不正常 随即调用发送pwm波子程序使系统开始工作 最后再检测p1 5是 否等于1 来检测负载是否过流 如果过流 那么就必须停止发pwm停止逆变 器的工作 如果不过流 那么程序又返回到显示子程序继续循环执行 系统还可以用键盘对切换电路进行控制 此项操作时通过中断1来产生中断 来实现的 输出过流检测则是通过中断0产生过流中断 同时发出报警信号 通 过单片机控制逆变保护整个系统的安全 其控制程序如下 org 0000h sjmp main org 0003h sjmp int0 org 0013h sjmp int1 main mov sp 60h init clr p1 1 clr p1 6 clr p1 0 setb ea setb ex0 setb ex1 23 图图图图 4 4 4 4 2 2 2 2 主程序流程图主程序流程图主程序流程图主程序流程图 loop jnb p1 1 elec1 setb p1 6 elec1 acall t pwm jnb p1 3 elec2 clr p1 5 lcall alarm2 elec2 jnb p1 4 elec2 lcall alarm2 lcall stop setb p1 5 elec3 jnb p1 4 elec4 lcall alarm1 setb p1 6 elec4 sjmp loop ret 24 4 2 市电检测及光伏发电系统投切程序设计 市电电网检测和光伏发电系统投切程序软件流程如图4 3所示 图图图图 4 4 4 4 3 3 3 3 市电检测和供电切换软件流程图市电检测和供电切换软件流程图市电检测和供电切换软件流程图市电检测和供电切换软件流程图 开机后首先进行的是对市电电网的检测 利用单片机控制电路 在市电断电 或不正常时中止光伏系统的并网动作 如果市电供电正常 再对太阳能电池进行 电压检测 判断其电压值是否满足并网发电的最低要求 如果满足 则继续下一 步操作 如果不满足 中止光伏发电系统并网动作 4 3 逆变电路控制程序设计 本设计采用的pwm脉冲发生芯片sa4828产生6路脉冲 sa4828和 at89c51的接口电路在第二章已经详细介绍 在这里不再赘述 单片机控制 sa4828产生pwm脉冲的软件流程如图5 3所示 25 图图图图 4 4 4 4 4 pwm4 pwm4 pwm4 pwm 脉冲生成程序流程图脉冲生成程序流程图脉冲生成程序流程图脉冲生成程序流程图 其控制程序如下 t pwm clr p2 7 setb p2 6 clr p2 5 mov r0 45h mov r1 0d5h lcall send init mov r0 50h mov r1 5ah lcall send init mov r0 2fh mov r1 0f0h mov r3 20h mov r4 00h mov r5 30h lcall send init 26 向sa4828 写控制参数 这样便可直接产生脉冲 mov r0 0fh mov r1 0ffh lcall send control mov r0 0ffh mov r1 031h lcall send control mov r0 0eh mov r3 0ffh mov r4 0cch mov r5 99h mov r1 0cch lcall send control sa4828初始化参数发送子程序 send init clr p2 6 setb p2 5 mov p0 0fch nop clr p2 5 nop clr p2 4 nop nop setb p2 4 nop setb p2 6 setb p2 7 ret 向sa4828写控制参数子程序 这样便可直接产生pwm脉冲 send control clr p2 6 setb p2 5 mov p0 0fbh nop clr p2 5 27 nop clr p2 4 nop nop setb p2 6 setb p2 7 ret 4 4 中断和键盘子程序设计 逆变器输出过载或者短路对整个系统的危害巨大 利用单片机控制对系统的 过流保护保证了系统能安全运行 该保护是在单片机中断服务子程序中执行 产 生int0中断 执行中断子程序 发出控制信号停止逆变 并声光报警 单片机外接的独立式键盘电路可以控制开关机 手动控制切换开关 外部检 测信号及键盘输入信号连接到单片机的中断源int0 s1 s2表示开机及关机按 钮 而s3则表示报警信号的复位按钮 它们均采用查询中断方式实现中断控制 中断程序如图4 5所示 图图图图 4 4 4 4 5 5 5 5 中断程序流程图中断程序流程图中断程序流程图中断程序流程图 28 图图图图 4 4 4 4 6 6 6 6 键盘子程序流程图键盘子程序流程图键盘子程序流程图键盘子程序流程图 其控制程序如下 in1t0 push psw push acc anl p2 0fh rjcx jnb p1 7 next1 lcall init00 next1 jnb p1 0 next2 acall int01 next2 jnb p1 1 next3 acall int02 next3 jnb p1 2 next4 acall int03 next4 jnb p1 3 next5 acall int04 next5 jnb p1 4 next6 29 acall int05 next6 pop acc pop psw int00 clr p1 7 lcall acarm2 lcall stop ret int01 setb p1 6 ret int02 setb p1 6 ret int03 setb p1 6 ret int04 setb p1 5 ret int05 setb p1 5 ret init1 push psw push acc anl p2 0eh nop key jnb p2 1 k11 sjmp key k11 lcall delay jnb p2 1 k12 sjmp key k12 jb p2 1 k13 sjmp key k13 jnb p2 1 next1 lcall init11 next7 jnb p2 2 k22 sjmp key k21 lcall delay jnb p2 2 k22 30 sjmp key k22 jb p2 2 k22 sjmp k22 k23 jnb p2 2 next8 lcall init12 next8 pop acc pop psw reti init11 lcall stop ret init12 re 31 参考文献 1 黄友锐 单片机原理及应用 m 合肥 合肥工业大学出版社 2006 2 张乃国 ups供电系统应用手册 m 北京 电子工业出版社 2003 3 孙哲 一种实用在线式ups的设计 d 大连 大连连理工大学电气专业 2007 4 陈静 何湘宁 智能ups的研究和发展 j 中国电力 2002 43 50 5 王兆安 黄俊 电力电子技术 第四版 m 北京 机械工业出版社 2009 6 王其英 何春华 ups不间断电源剖析与应用 m 北京 科学出版社 1996 7 李成章 智能化ups供电系统原理与维修 d 北京 电子工业出版社 1999 8 王其英 刘秀荣 新型不停电电源 ups 的管理和使用 m 北京 人民邮 电出版社 2005 9 farrukh kamran and thomas g habetler a novel on line ups with universal filtering capabilities j ieee 2002 399 411 10 dipl ing wilheim solter a new internatio