光伏并网发电设计_毕业设计.doc

摘 要 光伏发电是一种直接将太阳能辐射转换成为电能的新型发电技术 其系统包括光伏 电池 变换器 蓄电池 控制器四大部分 本文从实验的角度 对光伏并网发电系统进 行模拟 基本思路是在单片机C8051F020控制作用下采用正弦波脉宽调制技术 SPWM 对 系统进行控制 主电路采用MOSFET为主要元器件的单相桥式逆变电路 经滤波电路滤波 后变压进行输出 基于此 本设计采用单片机本身的PGA模块 定时器模块 完成相应的 控制功能 使光伏发电频率紧跟模拟电网频率 绝对误差小于1 同时实现光伏最大功 率跟踪 在负载变化范围内DC AC变换效率可达70 以上 该系统性能相对稳定 能够满 足本次设计的需要 关键词 C8051F020 SPWM 最大功率点跟踪 光伏并网发电 Abstract Photovoltaic power generation is a direct solar radiation is transformed into electricity will be the new power generation technology The system includes pv batteries converter batteries controller four most This paper from the point of view of experiment of photovoltaic pv grid power system simulation The basic idea is C8051F020 SCM control action in the sinep ulse width modulation technology SPWM the system is controlled main circuit adopts MOSFET as the main components of single phase bridge type inverter circuits the filter circuit for output variable pressure filtered Based on this this design USES the microcontroller itself timer modules of PCA module completing the corresponding control function make photovoltaic power frequency follows simulation grid frequency the absolute error less than 1 but also achieve the most power tracing in photovoltaic load changes range DC AC conversion efficiency may reach 70 above this system performance relative stability can satisfy the need of this design Keywords C8051F020 SPWM The maximum power point tracking Photovoltaic pv grid generation 2 目目 录录 第一章第一章 光伏并网系统国内外发展现状光伏并网系统国内外发展现状 1 1 1 国外光伏并网系统的发展和趋势 1 1 2 我国光伏并网发电的发展 1 第二章第二章 与电网并网的光伏发电系统与电网并网的光伏发电系统 2 第三章第三章 光伏并网发电模拟装置系统总体设计方案光伏并网发电模拟装置系统总体设计方案 4 3 1 系统基本工作原理 4 3 2 系统总体设计框图 4 第四章第四章 系统的硬件设计系统的硬件设计 4 4 1 单片机的方案选择 4 4 2 DC AC 变换电路设计 5 4 3 驱动电路方案设计 5 4 4 显示模块的方案选择 6 4 4 滤波模块的设计 7 4 5 欠电压保护和过电流保护电路 7 第五章第五章 理论分析与计算理论分析与计算 7 5 1 MPPT 的控制方法与参数计算 7 5 2 同频 同相的控制方法与参数计算 8 5 3 滤波参数计算 8 第六章第六章 软件设计软件设计 9 6 1 主控程序流程图 9 6 2 SPWM 波的实现 9 6 3 频率测量程序流程图 10 6 4 欠电压过电流程序流程图 11 第七章第七章 特殊器件介绍特殊器件介绍 12 7 1 C8051F020 12 7 2 集成电路 IR2113 14 7 3 运算放大器 LF356 15 第八章第八章 调试及性能分析调试及性能分析 16 8 1 测试仪器说明 16 8 2 测试方案 16 8 3 测试数据分析 17 总结总结 17 参考文献参考文献 18 致谢致谢 19 附录附录 A A 主程序清单主程序清单 19 0 第一章 光伏并网系统国内外发展现状 1 1 国外光伏并网系统的发展和趋势 太阳能光伏发电技术的开发始于 20 世纪 50 年代 光伏发电系统可以分为并网系统 离网系统和混合系统 其中光伏并网发电系统是家庭和商业最受欢迎的光伏系统 逆变 器将光伏阵列发出的直流电转换为交流电并与地方电网连接 使得发出的富余电量都可 出售给电网 夜晚则可从电网买电 随着全球能源形势趋紧 太阳能光伏发电作为一种 可持续的能源替代方式于近年得到迅速发展 并首先在太阳能资源丰富的国家 如德国 和日本得到了大面积的推广和应用 当前 世界上大多数国家都把太阳能的利用作为重点研究 开发的目前国际上对太 阳能资源已经十分重视 20 世纪 70 年代以来 鉴于常规能源供给的有限性和环保压力 世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮 利用太阳能发电的光伏发 电技术被用于许多需要电源的场合 上至航天器 下至儿童玩具 光伏电源无处不在 过去 由于太阳电池的生产成本居高不下 光伏发电大多作为专用的独立运行系统应用 在如航天 边防海岛 或是边远地区的示范工程等 但是近年来 新型光伏材料的出现 产品价格的不断下降 转换效率的提高 电力电子器件的高频化 高性价比微处理器的 推出 先进控制策略的应用 使得光伏并网技术的研究和推广日益受到重视 光伏产业 发生了巨大变化 己经开始向并网发电转变 并网发电己经成为光伏发电的发展趋势 并网发电开始于 80 年代初 但由于当时成 本过高 且环境效益还不是很明显 使得电力公司难以接受 为缓解能源危机 大力利 用太阳能 推动光伏发电的迅速发展 西方一些发达国家纷纷出台有关政策 法规来扶 持光伏并网产业 1999 年以来在世界各国 尤其是美国 日本 德国等发达国家先后发 起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下 世界光伏产业以每年 30 以上的增长率保持着高速发展 作为一种可再生的清洁能源 光伏发电将在 21 世纪 前半期超过核电成为最重要的基础能源之一 如德国 可再生能源电力供应法 中规定 2000 年开始执行光伏发电上网电价 0 99 马克 KWh 的优惠政策 日本早在 1994 年就开始 实施 新阳光计划 目前己安装近 7 万个太阳能屋顶 预计到 2010 年要安装 100 万个 太阳能屋顶 美国于 1997 年提出 百万太阳能屋顶计划 规划到 2010 年为 100 万个家 庭安装太阳能屋顶 每个光伏屋顶将有 3 到 5 千瓦光伏并网发电系统 英国 可再生能 源法 于 2002 年初生效 该法强制所有电力供应商要在三年内用可再生能源提供 3 以上 的电力 2010 年可再生能源电力要达到 10 4 近 30 年来 太阳能利用在研究开发 商 业化生产 市场开拓方面都获得了长足发展 成为世界范围内快速 稳定发展的新兴产 业之一 包括太阳能在内的可再生能源在 21 世纪将会以前所未有的速度发展 并将逐步 成为人类的基础能源之一 1 2 我国光伏并网发电的发展 1 我国于 1958 年开始研究太阳电池 并于 1971 年成功地首次应用于我国发射的东方 红二号卫星上 80 年代以后 国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持 使得我 国十分弱小的太阳电池工业得到巩固和发展并在许多有用领域建立了示范 我国光伏发 电的研究开发工作 经过几十年的努力 取得了不小的成就 在光伏水泵系统 通信光 伏电源系统 微波中继站 阴极保护光伏电源系统 家用光伏电源系统 风光互补发电 系统等的系统技术方面 也取得了不少的研究成果和工程经验 在国家实施西部大开发 发展战略和国内绿色环保工业开始升温的背景下 2002 年国家计委启动了西部地区送电 到乡的项目 耗资近 20 亿人民币 有力地推进了我国光伏产业的发展通过国家 七五 八五 九五 以及 十五 计划 我国己经在户用系统 通信电源 光伏水泵 光伏并网方面取得了一些技术成果 在大型光伏电站方面 中科院电工研究所于 2004 年在深圳世博园成功地实施了 IMwp 容量的大型光伏并网电站 该电站成为国内首座大型的兆瓦级并网光伏电站 国家科技 部己做出相应规划 有步骤地推进相关的科技创新研究 示范及其产业化进程 上海市 政府联合众多太阳能知名企业启动了 十万屋顶光伏发电计划 拉开了国内太阳能发 电大规模应用的序幕 随即 由尚德太阳能电力有限公司承建的无锡市政府 40KW 屋顶光 伏并网发电系统也吹响了江苏 一千个屋顶光伏发电工程 的号角 这些工程的启动实 施 将在一定程度上代表国际上最先进的用能方式 并将直接影响到我国未来能源利用 的发展方向 上海 江苏等地区推行 太阳能屋顶工程 2005 年 8 月 31 日 中国第一 座直接与高压并网的 100Kwp 光伏发站在西藏羊八井建成并一次并网成功 顺利投入运行 2008 年北京绿色奥运部分用电也将由太阳能发电提供 中国普及光伏并网发电系统已拉 开序幕 我国的光伏产业虽然在近年取得了一定的发展 但相比于蓬勃发展的世界光伏 工业 中国光伏工业还处于起步阶段 光伏产量和安装容量仅为世界 1 左右 由于政策 资金等因素的制约 总体上我国的太阳能光伏技术仍于初级阶段 规模小 技术落后 应用面窄 产品单一 一些关键的技术和材料仍不能实现国产化 面对如此巨大的国内 市场需求和广阔的发展前景 要实现光伏产业的快速发展和光伏并网系统的产业化 必 须发展具有自主知识产权的光伏并网技术 增加技术积累和鼓励技术创新 第二章 与电网并网的光伏发电系统 光伏发电系统直接与电网连接 其中逆变器起很重要的作用 要求具有与电网连接 的功能 目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式 其不同之处在于是否带有蓄 电池作为储能环节带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统 图 2 1 由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关 使得系统具有不间断电源 的作用 这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义 此外 该系统还可以 充当功率调节器的作用 稳定电网电压 抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量 不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统 图 2 2 在此 系统中 并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频 同相的交 流电能 当主电网断电时 系统自动停止向电网供电 当有日照照射 光伏系统所产生 的交流电能超过负载所需时 多余的部分将送往电网 夜间当负载所需电能超过光伏系 2 统产生的交流电能时 电网自动向负载补充电能 图 2 1 可调度式光伏发电系统 图 2 2 不可调度式光伏发电系统 太阳能电 池板 DC AC逆变器 交流负载 蓄电池 电网 控制器 电网 太阳能电 池板 DC AC逆变器 交流负载 控制器 电网 3 第三章 光伏并网发电模拟装置系统总体设计方案 3 1 系统基本工作原理 该系统主要由最小单片机系统 C8051F020 由 SPWM 信号控制 DC AC 变换电路 滤 波电路 检测保护电路构成 其中以 C8051F020 为处理器来控制逆变器完成最大功率跟踪下的光伏发电输出 模 拟电网电压输入 频率 45 55HZ 并由 LCD 实时显示电压 电流 频率从而实现光伏并网 发电 3 2 系统总体设计框图 光伏并网发电模拟装置系统总体设计框图如图 3 1 所示 图 3 1 总体设计框图 第四章 系统的硬件设计 4 1 单片机的方案选择 稳压电 源 逆变LC 滤波 升压负载 电压采 样 单片机过零比 较 半波整 流 降压 过零比 较 UREF 4 方案一 采用 AT89C51 单片机进行控制 51 单片机外接 A D 和 D A 比较简单 操作 方便 但是由于本题的功耗要求特别严格 对效率的提高不利 方案二 采用低功耗单片机 C8051F020 这是一个完全集成的混合信号系统级 MCU 芯 片 内部集成 12 的 A D 和 D A 芯片 且这个单片机管脚丰富 操作完全与 51 单片机兼 容 采用 JTAG 方式 可通过 USB 口在线下载调试 使用十分方便 并且低功耗便于整体 效率的提高 考虑到效率的要求采用方案二 4 2 DC AC 变换电路设计 方案一 采用单相半桥逆变电路 它有单个桥臂 每个桥臂由一个可控器件和一个 反并联二极管组成 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容 两个电容的连接点便 成为直流电源的中点 该电路简单 使用器件少 方案二 采用单相全桥逆变电路 它有四个桥臂 可以看成两个半桥电路组合而成 成对的两个桥臂同时道通 两对交替各导通 180 度 与半桥电路相比 输出波形相同 但其幅值高出一倍 且直流侧无需两个串联电容器来进行电压均衡 适用于移相调压方 式 全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的 其性能好 输出稳定 符合本次设计 需要 综上分析考虑 采用方案二作为本次设计的系统方案 DC AC 变换电路设计如图 4 1 所示 图 4 1 单相桥式逆变电路 本设计中采用单相全桥式逆变电路 4 个 MOSFET 管组成逆变电路的桥臂 桥中各臂 在控制信号作用下轮流导通 它的基本工作方式为 180 度导电方式 为了使 IGBT 可靠触 发导通 触发脉冲电压应高于管子的开启电压 并且驱动电路要满足快速转换和高峰 值电流的要求 并能提供适当的保护功能 在设计中采用 2 个 IR2113 做为驱动电路 4 3 驱动电路方案设计 5 方案一 利用脉冲变压器直接驱动 MOSFET 来自控制脉冲形成单元的脉冲信号经高 频晶体管进行功率放大后加到脉冲变压器上 由脉冲变压器隔离耦合 稳压管限幅后来 驱动 MOSFET 其优点是电路简单 应用廉价的脉冲变压器实现了被驱动 MOSFET 与控制脉 冲形成部分的隔离 方案二 采用栅极驱动控制专用集成电路 IR2113 该芯片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 10V 20V 施密特 逻辑输入 输入电平与 TTL 及 CMOS 电平兼容 死区时间内置 输出输入同相 最高工作 频率可达 40KHZ 比较以上两种方案 方案一的不足表现在 高平脉冲变压器因漏感及肌肤效应的存 在较难绕制且容易产生振荡 方案二芯片性能好 体积小 满足题目要求 故采用方案 二 在驱动回路中 我们采用 IR2113 实现驱动 如图 4 2 所示 驱动器的选择 专用集 成电路芯片 IR2113 该芯片为 8 脚封装 允许 600V 电压下直接工作栅极驱动电压范围 10 20V 死区时间内置 最高工作频率可达 40KHZ 图 4 2 驱动电路 4 4 显示模块的方案选择 方案一 采用 LCD 液晶显示器显示 采用 128 64 点阵 LCD 液晶显示 可视面积 大 画面效果好 抗干扰能力强 调用方便简单 而且可以节省了软件中断资源 其缺 6 点在于显示内容需要存储字模信息 需要一定存储空间 并且点阵型液晶功耗比较大 不适合本设计 方案二 采用 LED 显示器 LED 显示器是由 LED 发光二极管发展过来的一种显示器件 它具有高亮度 宽视角反应速度快 可靠性高 反应速度快等特点 本设计中只显示电 压 电流 频率值 且显示数据的精度不需要很高 无需显示繁琐的文字 字母等 考虑到效率的要求采用方案二 4 4 滤波模块的设计 滤波电路如图 4 3 所示 图4 3 滤波电路 4 5 欠电压保护和过电流保护电路 欠电压保护电路 对 DC AC 变换器的输入电压进行电阻分压 鉴于单片机耐压值较 小 按一定比例取入电压 通过单片机自带的 AD 转换模块采集输入电压 控制器与低压 限值进行比较 若欠压则停止 DC AC 变换 过电流保护电路 对 DC AC 变换器的输出电压进行降压 通过单片机自带的 AD 转换 模块采集输入电压 控制器与高压限值进行比较 若过流则停止 DC AC 变换 第五章 理论分析与计算 5 1 MPPT 的控制方法与参数计算 光伏系统中 在一定的光照强度和环境温度下 电池阵列可以工作在不同的输出电 压下 但是只有在某一输出电压时阵列的输出功率才能达到最大值 即在该工作点能得 到当前温度和日照条件下的最大输出功率 此点被称为最大功率点 Maximum Power 7 Point MPP 因此 如何实时调整光伏阵列的工作点以使其能始终工作在最大功率点 这一直是光伏发电系统研究的重要方向 这个过程的实现就叫做最大功率点跟踪 Maximum Power Point Tracking MPPT 功率的计算公式可以作如下的变换 P U I 1 dP dU I U dI dU 2 若能使 2 式等于零 即 dI dU I U 3 当输出电导的变化量等于输出电导的负值时 系统处于最大功率点 这样就可以根 据 3 式中 dI dU 与 I U 的关系来调整工作点电压来实现 MPPT 图 3 是电导增量法的 流程图 采用电导增量法 对工作电压的调整不再是盲目的 而是通过每次的测量和比 较 预估出最大功率点的大致位置 再根据结果进行调整 因此可以动态地实现最大功 率点的追踪 能够适应于日照强度和环境温度快速变化的地方 5 2 同频 同相的控制方法与参数计算 频率检测既检测模拟电网频率 又检测光伏发电频率 这是完成并网运行的关键 设模拟电网电压频率在赫兹范围内变化 经过零比较器送单片机确定其大小为 0 检测 输出侧电压频率 通过单片机的定时器模块进行计时 若系统时钟为 f 计得时钟个 数为 n 则相应频率为 n 倍的时钟频率 单片机对两个频率进行比较 完成对 DC AC 变换 电路的调整 提高效率的方法 效率的分析 输入功率计算公式 ddd PUI 输出功率计算公式 oo1o1 PUI 由于DC AC变换器 控制器 完成光伏发电 要求在不同光照情况下以最大效率输出 且在实际应用中需要在户外利用 这就要求单片机及一些外围电路消耗功耗要尽量的低 这也是此次设计的核心问题 为此 在设计本系统时单片机采用低功耗单片机C8051F020 该系统集成了8路12位A D 减少了外加A D的损耗 提高效率主要是要降低变换器的损耗 变换器的损耗主要有MOSFET导通损耗 开关损耗 驱动损耗 回路电阻的损耗 和控制部 分的损耗 这些损耗可以通过降低开关频率 选择低功耗的电阻 合理匹配输出电阻等 方法来降低 影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗 单片机及外围电路供电 电路的效率和DC AC变换器的效率 而提高DC AC变换器效率可以实质性的提高 效率 DC AC变换器效率 o d P P 8 5 3 滤波参数计算 已知模拟电网的输入频率相对较低 则可选取二阶低通滤波器 根据题目通过频率 在 45HZ 55HZ 之间 确定电容大小 560pF 有频率与电阻之间的关系 可以导出 R 的取值 为 470K 第六章 软件设计 6 1 主控程序流程图 主控程序首先对系统进行初始化的处理 然后检测基准输入电压频率 根据检测到 的不同输入频率 对逆变电路进行控制 使其输出相应频率电压 并完成相应显示 流 程图如图 6 1 所示 9 开始 系统初始化 开中断 定时启动 AD 转换 检测过流欠压 DC AC 输出 控制显示频率 电 压 电流 返回 逆变电路停止工作 是 否 过流欠压 图 6 1 主控程序流程图 6 2 SPWM 波的实现 目前逆变电路大部分均采用 PWM 控制技术 PWM 技术是指对脉冲的宽度进行调制的技 术 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制 来等效的获得所需要的各种波形 在控制理 论 中 存在一个重要结论 即面积等效原理 冲量相等而形状不同的脉冲 加在具有惯性的 环节上时 其效果基本相同 冲量指窄脉冲的面积 这里所说的效果相同 是指环节的 输出响应波形基本相同 为得到脉冲宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的 PWM 波形 所采用的控制技术称为 SPWM 调制技术 SPWM 即在进行脉宽调制时 使脉冲系列的占空比 按正弦规律来变化 当正弦值为最大值时 脉冲的宽度也最大 而脉冲间的间隔最小 反之 当正弦值较小时 脉冲的宽度也小 而脉冲间的间隔较大 这样的电压脉冲系列 可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小 称为正弦波脉宽调制 SPWM 的产生主要有 两种方法 既自然采样法和规则采样法 根据采样控制理论中的冲量等效原理 大小波形不相同的窄脉冲作用于惯性系统时 10 只要他们的冲量相等 则作用效果基本相同 将一个正弦波 等分 其中每一等分所包 含的面积均用一个与之面积相等的 等幅而不等宽的的矩形脉冲代替 使每个矩形脉冲 的中心线和等分点的中心线重合 这就是 SPWM 控制理论依据 由此得到的矩形脉冲序列 称为 SPWM 波形 该功能主要由 C8051F020 自身所带的 PCA 模块产生 6 3 频率测量程序流程图 C8051F020 自身所带的定时器模块具有捕捉和自动重装功能 频率检测是基于单片机 定时器模块的捕捉功能而实现的 定时器捕捉两次跳变之间的时间 从而得到待检测的 频率值 流程图如图 6 2 所示 图 6 2 频率测量流程图 6 4 欠电压过电流程序流程图 C8051F020 自身所带的 AD 转换器定时采集电压值 并判断是否超限 从而采取相应 的保护 开始 定时器 2 初始化 定时器 2 溢出 将定时器寄存器的 值捕捉 本次捕捉值减去前 次捕捉值 根据系统时钟算的 频率值 是 否 11 图 6 4 欠电压过电流程序流程图 第七章 特殊器件介绍 7 1 C8051F020 开始 初始化 PCA 为 高速输出模式 根据检测频率 预 置高低电平持续时 间 低于最小占空比 高于极限占空比 更新 PCA 占空 比输出 返回 置最小占空比 置最大占空比 12 一 C8051F020 单片机简介 C8051F020 的结构图如图 7 1 所示 图 7 1 C8051F020 的结构图 二 C8051F020 的主要特性 C8051F020 1 2 3 器件是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片 具有 64 个数字 I O 引脚 C8051F020 2 或 32 个数字 I O 引脚 C8051F021 3 其主要特性如下 1 高速 流水线结构的 8051 兼容的 CIP 51 内核 可达 25MIPS 2 全速 非侵入式的在系统调试接口 片内 3 真正 12 位 C8051F020 1 或 10 位 C8051F022 3 100ksps 的 8 通道 ADC 带 PGA 和 模拟多路开关 4 真正 8 位 500ksps 的 ADC 带 PGA 和 8 通道模拟多路开关 5 两个 12 位 DAC 具有可编程数据更新方式 6 64K 字节可在系统编程的 FLASH 存储器 7 4352 4096 256 字节的片内 RAM 8 可寻址 64K 字节地址空间的外部数据存储器接口 9 硬件实现的 SPI SMBus I2C 和两个 UART 串行接口 10 5 个通用的 16 位定时器 11 具有 5 个捕捉 比较模块的可编程计数器 定时器阵列 12 片内看门狗定时器 VDD 监视器和温度传感器 13 具有片内 VDD 监视器 看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F020 1 2 3 是真正能独立 工作的片上系统 13 三 C8051F020 内部资源 1 片内存储器 CIP 51 有标准的 8051 程序和数据地址配置 C8051F 单片机内部有 256B 数据 RAM 256B SFR 它们的地址都相互重叠在一块 内部 256BRAM 的低 128 字节可用直接或 间接寻址方式访问 高 128 字节用于间接寻址 前 32 个字节为 4 组通用寄存器区 接下 来的 16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址 C8051F02x 中的 CIP 51 还另有位于外部 数据存储器地址空间的 4kB 的 RAM 块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接 口 EMIF 这个片内的 4kB RAM 块可以在整个 64kB 外部数据存储器地址空间中被寻址 以 4kB 为边界重叠 外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器 只映射到 片外存储器 或两者的组合 4kB 以下的地址指向片内 4kB 以上的地址指向 EMIF EMIF 可以被配置为地址 数据线复用方式或非复用方式 MCU 的程序存储器包含 64kB 的 FLASH 该存储器以 512 字节为一个扇区 可以在系 统编程 且不需特别的外部编程电压 2 串行端口 C8051F 系列 MCU 内部有两个增强型全双工 UART 一个增强型 SPI 总线和 SMBus I2C 每种串行总线都完全用硬件实现 都能向 CIP 51 产生中断 因此需要很少 的 CPU 干预 这些串行总线不 共享 定时器 中断或端口 I O 等资源 所以可以使用 任何一个或同时使用多个 3 12 位数 模转换器 比较器 C8051F020 MCU 内部有两个 12 位数 模转换器 DAC MCU 与每个比较器和 DAC 之 间的数据和控制接口通过特殊功能寄存器实现 MCU 可以将任何一个 DAC 或比较器置于低 功耗关断方式 DAC 为电压输出方式 有灵活的输出更新机制 这一机制允许用软件写和定时器 2 定时器 3 及定时器 4 的溢出信号更新 DAC 输出 对于 C8051F020 DAC 的电压基准由专用 的 VREFD 输入引脚提供 DAC 在作为比较器的参考电压或为 ADC 差分输入提供偏移电压时 非常有用 C8051F020MCU 有 3 个片内模拟比较器 比较器的回差电压和响应时间可以用软件编 程 每个比较器都能在上升沿 下降沿或在两个边沿都产生中断 这些中断能将 MCU 从 休眠方式唤醒 比较器 0 可以用作复位源 比较器的输出状态可以用软件查询或通过设 置交叉开关连接到端口 I O 引脚 比较器可以在不使用时编程为低功耗关断模式 4 12 位模 数转换器 C8051F020 内部有一个 12 位 8 通道逐次比较型的 A D 转换模块 其最高转换速度可 以达到 100KSPS 并且具有内部可编程 PGA 程控电路 可以对输入信号进行增益放大 A D 参考电压可以由内部参考基准源提供 内部基准典型值为 2 43V 内部并且提供温度 传感器 可进行温度测量 此功能可以用于环境温度检测 通过内部的模拟通道选择开 关 可以最多 8 通道分时 A D 转换 可以灵活的通过软件设置 ADBUSY 定时器 3 溢出 CNVSTR 上升沿进行 A D 转换启动信号 7 2 集成电路 IR2113 14 一 IR2113 器件简介 1 IR2113 引脚排列图如图 7 2 所示 图 7 2 IR2113 引脚排列图 2 IR2113 的主要功能 IR2113 由低端功率晶体管驱动级 高端功率晶体管驱动级 电平转换器 输入逻辑 电路组成它 把驱动一高压侧和一低压侧 MOSFET 或 IGBT 所需要的绝大部分功能集成在 芯片内 因 MOS 器件的栅极具有容性输入特性 即它们是通过提供一些电荷给栅极而导通 而不需要提供电流 这样可以利用 IR2113 的 VB VS 间的外接电容和 VB 脚的二极管构成 隔离电源 IR2113 有比较完善的保护功能 对于低压侧通道 当 VCC 低于规定值 如 8 2V 欠压锁定将会阻断任何一个通道工作 对于高压侧通道 当 VS 和 VB 之间电压低 于限定值 如 8 3V 欠压自锁会关断栅极驱动 3 IR2113 的性能 参数 IR2113 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 制造工艺 双列直插 14 脚封装 具有独立的低 端和高端输入通道 悬浮电源采用自举电路 其高端工作电压可达 500V dv dt 50V ns 15V 下静态功耗仅 116Mw 输出的电源端 脚 3 即功率器件的栅极驱动电压 电压范围 10 20V 逻辑电源电压范围 脚 9 5 15V 可方便地与 TTL CMOS 电平相匹配 而且 逻辑电源地和功率地之间允许有 5V 的偏移量 工作频率高 可达 500kHz 开通 关断 延迟小 分别为 120ns 和 94ns 图腾柱输出峰值电流为 2A IR2113 由三个部分组成 逻辑输入 电平平移及输出保护 如上所述 IR2113 的特点 可以为装置的设计带来许多方便 尤其是高端悬浮自举电源的成功设计 可以大大减少 驱动电流 4 典型应用方向 美国 IR 公司推出的 IR2113 驱动器 兼有光藕隔离 体积小 和电磁隔离 速度快 的 优点 是中小功率变换装置中驱动器件的首选 利用 IR2113 同时直接驱动高压侧和低压侧场效应管的特点可设计出相应的半桥驱动 电源电路 电源电路设计基于 IR2113 的结构和特点 设计的半桥驱动电源方框图如图 7 3 所示 15 图 7 3 基于 IR2113 设计的半桥驱动电源方框图 7 3 运算放大器 LF356 一 LF356 器件简介 1 LF356 的引脚排列图如图 7 3 所示 图 7 3 LF356 的引脚排列图 二 LF356 其引脚功能 1 BAL1 2 负输入端 3 正输入端 4 负电源 5 BAL2 6 输出 7 正电源 8 空 三 LF356 主要性能 集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高 输入偏置电流非常小 IIB 为几皮安 到几十皮安 实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点 用场效应管 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Offset Null 5 Offset Null 2 Inverting input 6 Output 3 Non inverting input 7 Vcc 4 Vcc 8 N C 参数设定 整流滤 波 PWM 发 生器 IR2113 半 桥驱动器 DC AC 变 换级 直流叠加 高压输出 保护电路 AC220V 输入 310V 16 组成运算放大器的差分输入级 用 FET 作输入级 不仅输入阻抗高 输入偏置电流低 而且具有高速 宽带和低噪声等优点 但输入失调电压较大 常见的集成器件有 LF356 LF355 LF347 及更高输入阻抗的 CA3130 CA3140 等 运算放大器 LF356 双列 8 脚封装 电压反馈型 场效应差分输入级 输入 10 的 12 次方欧阻抗 增益带宽 5MHz 转换速率 12V us 输入偏置电流 30PA 工作电压 18V 静态电流 5mA 输入失调电压 3mV 功耗 120 300mW 第八章 调试及性能分析 8 1 测试仪器说明 一 调试所需的仪器 1 HONGHUA 示波器 频率范围 40MHz 型号 OSCiLLOSCOPE 5040B 2 直流稳压稳流电源 型号 WG1732 3 数字万用表 型号 ViCTOR 4 数字示波器 型号 RIGOL DS5202CAE 5 数字合成函数信号发生器 计算器 型号 NP F20 8 2 测试方案 调试过程中采取先软 硬件分别调试 后整体调试的方案 硬件检测 先进行电路板的静态调试 检测电路的焊接是否正确然后通电检测 实 验室制作时可以结合信号源 示波器进行综合硬件测试分析 给逆变电路加方波信号 则输出侧响应输出方波信号 软件测试 软件分为各个子模块 并对各个模块分别检测 本系统的软件程序完全 由 C51 编写 C 语言效率高 但同时也存在一些缺点 比如严格定时比较困难 在调试过 程中采取的是自上至下的调试方法 单独调试好每一个模块 然后在联结成一个完整的 系统调试 对 SPWM 信号产生模块而言 分别给定 45 赫兹 50 赫兹 55 赫兹的模拟电网电压 通过示波器观测输出波形 检测是否达到所需波形 进过多次测试 可知输出波形能够 满足本次设计需求 软硬件结合检测 控制器与硬件电路整合 直流电源模拟光伏电池 通过信号发生 器给定模拟电网电压的频率值 观测并记录输出端的频率值 初步测试时 光伏发电模 拟装置能基本工作 8 3 测试数据分析 17 置模拟电网输入频率 记录现实的输出值 通过示波器观察逆变输出侧的波形 读 取相应频率值 记录值如表 8 1 所示 表 8 1 测试数据分析表 模拟电压输入频率显示频率示波器输出频率 454445 5 4746 546 5 494949 515050 535252 通过进行分析 计算比较 与理论值相符 总结 光伏并网发电作为太阳能发电形式的一种 由于其自身的优点逐渐成为光伏发电的 趋 势 此次设计主要设计了光伏并网系统的框图和和各单元电路以及软件程序的编写 由 于时间仓促和所学知识有限 有很多不很理想的地方 望老师和同学指正 通过这次设计使我对光伏并网发电有了一定的了解 加深了对单片机的用途的掌握 熟悉了工程设计的步骤 锻炼了工程设计实践能力同时培养了自己独自设计能力 此次 毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次检验和巩固 同时也是我走向工作岗位的 一次热身 同时这次毕业设计收获也很多 比如学会了如何查找相关资料 如何分析数据 它 提高了自己分析问题的能力 期间查找资料 与同学交流 反复修改 每一个过程都是 对自己能力的一次检验和充实 此外做事情要有认真严谨 实事求是的态度和不怕困难 坚持不懈精神也是我在这次论文设计中所体会到的 我想这是一次意志的磨练 是对我 实际能力的一次提升 也会对我未来的学习和工作有很大的帮助 但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处 比如缺乏综合应用专业知识 的能力 对材料的不了解等等 这次设计是对自己年所学知识的一次大检阅 使我明白 自己知识还很浅薄 虽然马上要毕业了 但是自己的求学之路还很长 以后更应该努力 学习 完善自己 此次论文的完成既为大学生涯划上了句号 也为将来的人生之路做了个很好的铺垫 18 参考文献参考文献 1 马忠梅等 单片机的 C 语言应用程序 M 北京 北京航空航天出版社 2007 2 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛训练教程 M 北京 电子工业出版社 2005 3 王兆安等 电力电子技术 M 北京 机械工业出版社 2006 4 马明建 周长城 数据采集与处理技术 M 西安 西安交通大学出版社 2000 5 何立民 单片机应用系统设计 M 北京 北京航天大学出版社 1994 6 郁有文 传感器原理及工程应用 M 西安 西安电子科技大学出版社 2003 7 苏平 单片机原理与接口技术 M 北京 电子工业出版社 2006 8 王延才主编 电子线路 Protel99 使用指南 M 北京 机械工业出版社 9 杨颂华 冯毛官 孙万蓉等主编 数字电子技术基础 M 西安 西安电子科技大学出版社 2003 10 周立功单片机 11 中国电子网