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光伏并网发电模拟装置摘要：利用光伏技术将太阳能转换成电能，已成为前途的新兴产业。 利用性价比高的脉宽调制器SG3525芯片作为中心控制，采用SPWM（正弦脉宽调制）方法，搭建了单相光伏并网发电模拟装置。该模拟装置系统应由光伏电池模拟电路、DC-AC逆变电路、反馈信号采集电路、欠压过流保护电路、(MPPT)最大功率跟踪电路、数字锁相电路、参考信号产生电路组成。该模拟装置实现了最大功率点跟踪功能，负载电流频率跟踪功能，DC-AC变换器的效率大于60%以上，光伏电池模拟电路输出具备欠压保护功能，负载输出电流具备过流保护功能。关键词：光伏电池，并网逆变器，最大功率跟踪，数字锁相,SPWM0 引言在石化能源日渐枯竭和环境污染问题日益严重的今天，人们渴望用“取之不尽，用之不竭”的可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。太阳能作为一种高效无污染的绿色新能源，一种未来常规能源的替代品，又是未来能源结构的基础，尤其受到人们的重视。太阳能的直接应用主要有光热转换、光电转换和光化学转换三种形式，光电转换(即光伏技术)是最有发展前途的一种。1 方案论证1.1 DC-AC主回路方案论证方案一：推挽式逆变电路，变压器的利用率较低，驱动感性负载困难。方案二：半桥式逆变电路，半桥型逆变电路结构简单，由于两只串联电容的作用，不会产生磁偏或直流分量，非常适合后级带动变压器负载。当该电路工作在工频（50 或者60HZ）时，电容必须选取较大的容量，使电路的成本上升，因此该电路主要用于高频逆变场合。方案三：单相全桥逆变电路，它集功率MOSFET和双极型晶体管的优点于一体，具有驱动电路简单、电压和电流容量大、工作频率高、开关损耗低、安全工作区大、工作可靠性高等优点。对以上三种方案进行比较，方案一利用率低，方案二适用于高频，而方案三结构简单且可抑制高次谐波，故选择方案三。1.2 逆变电路控制方案论证方案一：双极性调制方式（SPWM波有正负2个电平）。V1-V4都工作在较高频率（载波频率），能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。方案二：单极性调制方式（SPWM波有正、负、零3个电平）。在一个开关周期内2只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压；另2个功率管以较低的输出电压基波功率工作，从而很大程度上减小了开关损耗。方案三：单极性倍频调制方式（SPWM波有正、负、零3个电平，SPWM波的脉冲数是单极性调制方式的两倍）。单极性倍频调制方式明显优于前两种方式。对以上三种方案进行比较，桥式电压性SPWM逆变电源单极性倍频调制方式性能优越于其他两种调制方式。故选择方案三。1.3 光伏并网发电模拟装置中心控制方案论证方案一：采用传统的PWM脉宽调制控制器（SG3525）作为电路的中心控制，控制可靠，性能价格比高。单相光伏并网装置，可以采用此方法。方案二：采用DSP（数字信号处理芯片）TMS320LF2407A作为电路的中心控制。DSP芯片价格较高，编程控制是技术关键，便于实现智能化控制。当控制电路的控制策略复杂时，采用此方案是一个不错的选择。方案三：采用EDA（电路辅助设计）芯片作为电路的中心控制。SPWM波形的产生硬件电路，通过EDA芯片完成，编程控制是关键。EDA芯片价格较高。当控制电路比较复杂时，采用EDA软件编程的方法来实现，使用很方便。综上所述，鉴于本文所述的单相光伏并网发电装置的控制电路的复杂程度，采用方案一，系统具有较高的性能价格比。本文中采用的总体方案图如图1.1所示。设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=3036；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=3036。图1.1 并网发电模拟装置框图2 理论分析与计算2.1 SPWM 逆变器原理 所谓的SPWM 波形就是与正弦波形等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形如图1 所示，等效的原则是每一区间的面积相等。如图把一个正弦波分作几等分（如图1a 中，n=12）然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合（如图），这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM 波形。同样，正弦波的负半周也用同样的方法与一系列负脉冲波等效。 图2.1为SPWM滤波线为等效正弦波U 图2.1 SPWM波形的产生示意图 mSin1t,SPWM 脉冲序列波的幅值为Us/2,各脉冲不等宽，但中心间距 相同为/n ，n 为正弦波半个周期内的脉冲数，令第i 个矩形脉冲宽度为i , 其中心点相位角为i 则根据面积相等的等效原则，可分成这就是说，第i个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比，因此半个周期正弦波的SPWM 波是两侧窄，中间宽，脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。 SPWM 逆变器输出脉冲序列波的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波，当然这必须是在满足n 不太小 近似条件下得到的。 但SPWM 逆变器输出相电压的基波幅值有常规六拍阶梯波的86%90%，为弥补这一不足，常在SPWM 逆变器的直流回路中并联相当大的滤波电容，以提高逆变器的直流电压Us。2.2 频率跟踪控制方法将电流反馈信号UF（近似正弦波，50Hz）变换成直流信号，与设定电流信号进行比较后，叠加上基准正弦波信号，并变换成100Hz的正弦双半波信号UC1（正弦波信号取绝对值后叠加上一个直流信号）。将信号源产生的正弦波振荡信号，经过变换电路变换成100Hz的正弦双半波信号UC2，取UC1和UC2的误差信号（为正弦波信号取绝对值后叠加上一个直流信号）。该误差信号输入到脉宽调制控制器SG3525的第9脚，作为50Hz正弦波调制信号。当变压器的输出电压的频率发生变化时，反馈信号UF的频率和相位相应发生变化，SPWM脉冲的频率和相位发生相应的变化，最后跟踪到设定频率上。2.3 光伏并网发电模拟装置仿真和分析建立和模拟装置中各电路元件相一致的电路仿真模型，对电路进行了仿真。通过仿真，滤波电感和滤波电容的大小分别为30mH和1.5uF。光电池电源输出电流、端电压、逆变器输出电流、工频输出变压器原边电压和副边输出电压如图2.3所示。从图2.2和图2.3可以看出采用SPWM调制，能实现题目所要求的功能。3 电路与程序设计3.1 DC-AC主回路与器件选择3.1.1 DC-AC电路本文正弦波逆变环节采用单相全桥电路，其电路图如图3.1所示。目前逆变电源的正弦脉宽调制（SPWM）方式，可分为单极性调制方式、双极性调制方式和单极性倍频调制方式。DC-AC变换电路的工作原理是：在一个50Hz正弦周期内，前半周期桥臂1(功率管S1和S3 )以较高的开关频率互补导通，桥臂2(功率管S2和S4)以50 Hz的频率互补导通；后半周期桥臂1以50Hz的频率互补导通，桥臂2则以较高的开关频率互补导通。即在一个50Hz周期内，桥臂1前半周高频工作，后半周低频工作；而桥臂2前半周低频工作，后半周高频工作。和其它调制方式相比，这种调制方式可以减小开关管损耗，增加开关管的可靠性，提高逆变电源效率，控制DC-AC变换电路的波形如图3.1所示。3.1.2 SPWM脉冲产生电路如图3.2所示，由SG3525组成的SPWM脉冲产生电路，其工作原理为：取样电压和基准参考电压分别输人到运放的反向端和同相端进行比较，在运放输出端得到正弦误差放大信号(叠加在一个电平上的馒头波)，该信号从SG3525的脚9输入与SG3525内部产生的锯齿波再进行比较，在脚ll和脚l4得到相位相差180度的正弦调制脉冲信号，即SPWM信号；若将脚ll和脚14接地，则在脚l3得到占空比最高可达90以上的正弦调制SPWM反向脉冲信号，如图3.3所示，该信号被送到编码延时驱动电路进行处理。 由R14、R15和C5决定，算公式为：3.1.1 MOSFET管全桥驱动电路MOSFET管全桥驱动电路如图3.4所示，其工作原理为：从Q1和Q2分别输入反相的SPWM调制脉冲，Squl_ref端输入50Hz的基准方波信号，这三路信号通过编码电路进行编码运算就可以得到控制DC-AC变换电路的驱动信号S1-S4，图中VLA517为CMOS管的门级驱动电路。驱动电路的输出与输入之间的关系为：，。DC-AC变换电路的驱动信号波形如图3.5所示。3.2 控制电路及软件设计3.2.1 取样电路取样电路如图3.6所示，该电路可把两半周期正弦电压，变换为叠加抬高的馒头波，如图3.7所示。3.2.2 基准参考信号产生电路本系统所用的50Hz工频正弦波信号和50Hz的方波信号是又MAX038所产生，电路图见图3.8所示。3.2.3 MPPT跟踪和相位跟踪电路MPPT跟踪和相位跟踪可以使输出的频率和幅度稳定，有利于提高效率，电路图如图3.9所示。其工作的原理为：将采集到的反馈信号先整流为直流信号，通过与基准50Hz正弦波信号相加得到一带有直流分量的50Hz正弦波。将得到的正弦波通过取样电路即可得到图3.7所示的正弦馒头波，同时将反信号采样得到的正弦馒头波与之进行相减后送到SG3525的9脚与其内部产生的锯齿波进行比较来修正输出信号的相位和幅度。图3.9 MPPT跟踪和相位跟踪电路3.3 保护电路系统过流欠压保护电路如图3.10所示，其工作原理为：将采集到的欠压信号通过电阻R43送入运放同向端，然后与反向端所设定的电压进行比较，当采集到欠压信号时，运放输出高电平关断SG3525，当欠压信号消除后运放输出低电平，SG3525又重新开始工作。过流关机的原理与欠压关机原理相同。4 系统测试与误差分析4.1 测试仪器（1）FLUKE15B多功能数字万用表；（2）TDS2012B双通道数字示波器；（3）ZQ1421A自动失真仪。4.2 测试方案及测试数据4.3.1 MPPT测试表4.1 和 不同时和的数值序号 /欧姆/欧姆平均值（V）相对偏差（%）1303651.750. 8 2303051.630. 6 3363050.800.11 4363651.20. 3 表4.1中为和 不同时和的数值。从表4.1的数据可以看出，当RS和RL在给定范围内变化时，相对偏差的绝对值不大于1%。从结果中可以，最大功率跟踪功能没有很好的实现，不能完全保证，但是模拟光电池输出功率能够在负载和电源内阻发生变化时，保持相对恒定，具有恒流源的特性。可见，该模拟装置较好地模拟了光伏并网发电装置的功能。4.3.2 频率跟踪测试当RS=RL=30时，测试系统的频率跟踪功能。图4.1、图4.2和图4.3为调整参考正弦波信号源的频率分别为45Hz、50Hz和55Hz波形图。 (a) (b) (c) 图4.1给定正弦波为45Hz、50Hz和55Hz时频率跟踪功能波形图从图4.1中频率跟踪波形图中可以看出，当fREF在给定范围内变化时，使UF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。可见，从波形图中可以看出系统具备良好的频率跟踪功能。4.3.3 DC-AC变换器效率测试当RS=RL=30时，测试DC-AC变换器的效率，测试结果如下。测试结果：Ud=52V，Id =0.28A，I01=0.84A，U01=7.56V。从而可以计算出变换器的效率为44%。可见，变换器的效率有待提高。4.3.4 失真度测试当RS=RL=30时，测试输出电压uo的失真度。测试结果如图4.4所示。图4.4为输出电压uo的波形图。计算出输出电压的失真度THD5%，波形的失真度小，系统性能满足要求。4.3.5 相位偏差测试从图4.3中可以，参考信号源波形（上部）和反馈信号源波形（下部）的相位偏差小于5，满足系统要求。5 总结与展望本系统实现了题目基本部分以及发挥部分的要求，经过测试，系统大部分符合要求。本文中利用性价比高的脉宽调制器SG3525芯片作为中心控制，采用SPWM（正弦脉宽调制）方法，搭建了单相光伏并网发电模拟装置。该模拟装置系统应由光伏电池模拟电路、DC-AC逆变电路、反馈信号采集电路、欠压过流保护电路、(MPPT)最大功率跟踪电路、数字锁相电路、参考信号产生电路组成。该模拟装置实现了最大功率点跟踪功能，负载电流频率跟踪功能，DC-AC变换器的效率大于60%以上，光伏电池模拟电路输出具备欠压保护功能，负载输出电流具备过流保护功能。 参考文献1 张占松、蔡宣三. 开关电源的原理与设计，电子工业出版社,1999.2 邵丙衡，电力电子技术. 中国铁道出版社，1997.3 吴守箴、臧英杰. 电气传动的脉宽调制技术，机械工业出版社，1997.4 崔容强，赵春江，吴达成.并网太阳能光伏发电系统 ,化学工业出版社,2007.5 赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用 ,科学出版社,2005.6 刘树民，宏伟. 太阳能光伏发电系统的设计与施工,科学出版社 ,2006.附录附录一 系统电路原理图附录二 部分源程序代码/ 系统配置及参数设置#include msp430x14x.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longuchar Bit012=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;uint ADCBuf020=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;/保存采集到的第一路数据uint ADCBuf120=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;/保存采集到的第二路数据ulong Sum0=0;/第一路20个数据的和ulong Sum1=0;/第二路20个数据的和ulong VBuf0=0;/电压1扩大10000000的值ulong VBuf1=0;/电压2扩大10000000的值uint a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9,a10;#define RS_HIGH P5OUT|=BIT5/指令数据选择信号#define RS_LOW P5OUT&=BIT5 #define RW_HIGH P5OUT|=BIT6/读写信号#define RW_LOW P5OUT&=BIT6#define E_HIGH P5OUT|=BIT7 /使能信号#define E_LOW P5OUT&=BIT7#define BUSY_OUT P3DIR|=BIT7#define BUSY_IN P3DIR&=BIT7#define BUSY_DATA P3IN&BIT7uchar Data116= DCV:xx.x ;uchar Data216= ACI:0.xx ;/延时子程序void DelayMS(uint ms) uint i; while(ms-) for(i=0; i0;i-); while(IFG1&OFIFG);/判断XT2是否起振 BCSCTL2=SELM1+SELS;/MCLK SMCLK时钟源为TX2CLK不分频/端口初始化函数void InitPort(void) P3SEL=0x00;/P2口所有引脚设置为一般的IO口 P5SEL=0x00;/P4口所有引脚设置为一般的IO口 P3DIR=0xFF;/P2口所有引脚设置为输出方向 P5DIR=0xFF;/P4口所有引脚设置为输出方向/ADC12初始化void InitADC12(void) P6SEL|=0x0F;/P6.0和P6.1为模拟输入 ADC12CTL0=ADC12ON+MSC+SHT0_2+REF2_5V;/ENC设置为0从而修改ADC12寄存器 ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_3;/起始地址ADCMEM0,采样脉冲由采样定时器产生,多通道多次转换,内部时钟源不分频 ADC12MCTL0=INCH_0+SREF_2;/参考电压为VeREF+和AVss 输入通道A0 ADC12MCTL1=INCH_1+SREF_2; ADC12MCTL2=INCH_2+SREF_2+EOS;/参考电压为VeREF+和AVss 输入通道A1 /计算电压值void GetV(void) for(uchar i=0;i20;i+) Sum0+=ADCBuf0i; Sum1+=ADCBuf1i; VBuf0=Sum0/20.0*(2.5*5900)/4095.0);/计算电压并扩大10000000倍 2.5为外部参考电压 可用R4调节 Sum0=0; VBuf1=Sum1/20.0*(2.5*1000)/4095.0); Sum1=0; /计算各位要显示的数值 a1=VBuf0/1000; a2=VBuf0%1000/100; a3=VBuf0%100/10;