光伏发电上网模拟系统论文

1、光伏发电上网模拟系统摘要21世纪,人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战,在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成全球热点问题,而能源问题将更加突出,主要体现在:能源短缺、环境污染、温室效应.因此,人类在解决上述能源问题,实现可持续发展,只能依靠科技进步,大规模地开发利用可再生洁净能源,而太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点,因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视,成为理想的替代能源.本文论述太阳能光伏并网将太阳能电池板产生的直流电直接转换为220V/50Hz的工频正弦交流电输出至电网关键字：光伏发电 STC12C5410AD SG3525SummaryThe

2、 21st century, mankind will face economic and social sustainable development, a major challenge, given the limited resource and environmental regulation under the dual constraints of economic development has become a global hot spots, while the energy issue will become more prominent, mainly reflect

3、ed in: energy shortage environmental pollution, the greenhouse effect. Therefore, in solving the energy problems of mankind to achieve sustainable development and to rely on scientific and technological progress, large-scale exploitation of renewable and clean energy, solar energy has large reserves

4、, widespread use of economic, clean environmental protection and other advantages, the use of solar energy is widely increasing in importance as an ideal alternative energy. This article discusses the solar photovoltaic solar panels will directly convert the direct current produced by 220 V/50 Hz in

5、 frequency sinusoidal alternating current output to the grid目 录第一章 绪论31.1光伏发电并网的背景31.2光伏发电并网的意义4第二章 系统组成52.1 总体框图5系统工作原理：5DC-DC升压52.2各方案论证62.2.1单片机的选择62.2.2升压方案的选择62.2.3 PWM波形方案的选择72.2.4SPWM波形方案的选择92.2.5逆变方案的选择102.2.6系统控制算法选择10第三章光伏发电并网模拟系统的硬件设计11第四章 的软件设计184.1液晶显示模块18411基本原理18412液晶显示子程序流程图194.1.3 液

6、晶显示子程序:194.2A/D转换模块:234.2.1基本原理23422 A/D转换子程序流程图24423 A/D转换程序2443 D/A转换模块254.3.1基本原理25432 子序流程图26433 子源程序2644频率计算模块274.4.1基本原理27442子程序流程图28443子源程序2845计算电压有效值模块294.5.1基本原理29452 程序流程图30453 子源程序304.6数字PID控制器模块334.6.1基本原理33462程序流程图：34463子源程序354.7主程序模块36471基本原理36472主程序流程图37473主程序源代码37第五章实验与调试38第六章结论39参考文

7、献39致谢39第一章 绪论1.1光伏发电并网的背景光伏产业作为新能源的战略型产业已经受到世界许多国家政府和国际组织的高度重视和支持，将成为今后很长一段时期全球性的投资热点。太阳能发电站是光伏产业产品和技术的综合运用，标志着国家和地区太阳能利用的水平。我国光伏产业正以每年30%的速度增长。最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。太阳的能量对人类而言几乎是无限的。国家已经将太阳能光伏发电作为新能源利用的重要组成部份，中华人民共和国可再生能源法将太阳能发电列为可再生能源，国家实行核准电价，强制性上网。国家发改委正在规划，对一批示范性太阳能电站实行优惠电价补贴政策并逐步推广，使国内

8、太阳能电站商业性运作成为可能。光伏发电并网在技术上遇到的两个重要问题，使得其发展变得缓慢第一，容量传输局限。在解决了光伏发电的成本问题后，大功率，高电压，远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心，由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量，调速器及励磁系统，将给交流电网带来新的经济和稳定问题。不论采用交流或是直流高电压大功率远距离从荒漠地区输送电力，的局限性将大大增加单位千瓦的输送成本。第二，光能转换效率偏低。和传统能源（矿物能源，石油，水能，原子能，等）的转换效率相比，光伏能量的转换效率不能令人满意。1.2光伏发电并网的意义进入70年代后，由于2次石油危机的影响，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非常

9、迅速。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源。不论从近期和从远期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，在解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。光伏发电的优点充分体现在以下几个方面：1. 充分的清洁性。 （如果采用蓄电池方案，要考虑对废旧蓄电池的处理）2. 绝对的安全性。 （并网电压一般在220V以下）3. 相对的广泛性。4. 确实的长寿命和免维护性。5. 初步的实用性。6. 资源的充足性及潜在的经济性等。第二章 系统组成2.1 总体框图系统工作原理：DC-DC升压能将直流15V波动电压，升到稳定2

10、20V，以供全桥逆变，而全桥逆变就是将220V直流电变成220V，50Hz交流电，当然，在全桥逆变后，要将SPWM波形经过滤波后，才能得到220V，50Hz正弦波。升压和逆变中我们使用的电力MOSFET管需要专用的驱动才能稳定工作，我们使用TLP250功率驱动模块.2.2各方案论证2.2.1单片机的选择对单片机的要求：1.高速，工作频率24MHz左右，以满足对电网AD转换的时间要求。2.单片机内部带AD，DA功能，以满足尽可能的减少外围电路的设计。3.强抗干扰能力强，以满足电路工作在130KHZ下，不受高频干扰。方案一：STC12C5410AD 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟 / 机器周期(

11、1T)的单片机，是高速 / 低功耗 / 超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍，内部集成 MAX810 专用复位电路,4 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换,强干扰场合。方案二：TMS320C6000系列DSP是TI公司推出的一种高性能的数字信号处理器。它的处理内核采用超长指令字结构，一个指令周期最多能并行执行8条指令。片内集成大容量存储器，并采用二级存储器的结构。片上集成了丰富的外围设备接口。强大的处理能力和丰富的片上资源使TMS320C6000系列DSP在处理性能上高于其他传统DSP。但其外围电路复杂，而且成本高、指令复杂。

12、 2.2.2升压方案的选择升压电路要求：1. 能将直流15V波动电压，升到稳定220V。2. 要求电路简单，成本尽量低方案一：Boost升压boost升压电路,开关直流升压电路（即所谓的boost或者step-up电路）是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高.其中输出电压大小可以通过控制开关导通和闭合的时间（占空比）来控制。电路简单，控制也简单！方案二：变压器升压：适用于交流升压，变压器的工作原理是用电磁感应原理工作的。变压器有两组线圈，初级线圈和次级线圈，次级线圈在初级线圈外边，当初级线圈通上交流电时，变压器铁芯产生交变磁场，次级线圈就产生感应电动势，变压器的线圈的匝数比等于电

13、压比。变压器市场上有得买，但若用此方案，还要将直流电压变成交流电压，其过程成本高。2.2.3 PWM波形方案的选择PWM波形要求：1.PWM载波频率要在50KHZ左右.2.输出SPWM稳定，且可调！方案一：单片机产生SPWM：STC12C5410AD单片机有4 路PWM IO口,当工作频率在24M以上,通过设计相关的寄存器可以产生频率为50KHZ的PWM，但输出已变得不稳定。而且可靠性不高，而且占一个IO口（STC12C5410AD通用IO口只有21个）在本课题设计中IO口资源变得十分宝贵。方案二： SG3525产生SPWMSG3525 是定频 PWM 电路 ,电流控制型PWM控制器，所谓电流

14、控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型PWM控制器SG3525在其内部增加了PWM琐存器。PWM比较器输出信号首先送至PWM琐存器，琐存器由关断电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。当关断电路工作时，即使过电流信号立即消失，琐存器也可以维持一个周期的关断控制，直到下一周期时钟信号使琐存器复位为止。同时，由于PWM琐存器对PWM比较器的

15、置位信号进行琐存，误差放大器上的噪声信号、振铃及其他信号在此过程中都被消除了。只有在下一个时钟周期才能重新复位，可靠性大大提高。 电气特性：1）工作电压范围宽：835V。 2.（1 1.0%）V微调基准电源。（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz.（4死区时间可调。 （5）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。 （6）逐个脉冲关断。 （7）双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值)。 G3525的振荡频率可表示为： f s =1/(CT (0.7RT + 3R d) 最大工作频率可到达400KHZ，足够本设计的需要。而且外围电路简单！2.2.4SPWM波形方案的选择SPWM波形要求：SP

16、WM载波频率要在50KHZ左右.输出SPWM稳定，且可调！方案一： 单片机产生SPWMSTC12C5410AD，可通过将电网波形AD转换后，取电网瞬时值，输出SPWM，此方法理论上可行.但在实际中，由于DA转换的基准电压不稳定，造成AD转换值不准确，而且本身AD转换就存在误差，再者系统也存在误差使得输出的SPWM并不稳定，而且不准确。同时考虑到外围电路的设计，和占用IO口资源，此方案可行性低.方案二：SG3525产生SPWM与SG3525产生PWM一样，也可以通过改变SG3525脚2的输入值以产生SPWM。可以从电网中变压后取得正弦波叠加1.3V输入到SG3525的2脚上。即可产生SPWM，波

17、形可以做到与电网波形同步，而且稳定可靠，外围电路简单。2.2.5逆变方案的选择方案一：单极性全桥逆变全桥逆变器单极性控制仅用一对高频开关，相对于双极性控制具有损耗低、电磁干扰小、无开关频率级谐波等优点，正在取代双极性逆变控制方式。但由于控制环路的延时作用，单极性控制方式的逆变器仍然受一个问题的困扰，即在过零点存在一个明显的振荡。单极性控制方式又包括单边方式和双边方式，双边方式相对于单边方式在抑止过零点振荡方面有一定优势,但仍然无法做到过零点的平滑过渡方案二：双极性全桥逆变双极性全桥逆变控制方式是对角的一对开关为同步开关，桥臂上下管之间除死区时间外为互补开关，控制相对简单，但是它的开关损耗高，存

18、在很大的开关谐波，电磁干扰大.2.2.6系统控制算法选择在光伏发电并网系统中，一般要求逆变器输出波形质量好，动态响应快，抗干扰能力强。目前，在光伏并网发电系统中广泛使用的是重复控制器，虽然可以保证输出波形，但它却有一个致命的弱点，动态性能较差，尤其对于负载等的瞬时扰动信号，重复控制近似于开环控制，此时系统的输出波形畸变严重。为了提高系统的动态性能，本作品中采用PID控制算法，使系统具有良好的稳态和动态特性。在PID控制器中，比例部分产生与偏差成正比的输出信号，以便消除偏差；积分部分产生与偏差的积分成正比的信号，以便消除系统的静态误差；微分部分产生与偏差的变化率成正比的输出信号，以便加快控制器的

19、调节速率，缩短过渡过程时间，减少超调量。如果这3部分分配适当，便可以得到快速敏捷、平稳准确的调节效果，因此如何选择比例、积分、微分系数成为关键，而这些系数的选定，尤其在复杂控制系统中将非常困难。第三章光伏发电并网模拟系统的硬件设计1. 主控电路此电路中包括了STC12C5410AD的最小系统电路；键盘电路；和显示电路。主要功能用于控制各类信号的产生、显示、DA和AD协转换.2. 精密整流电路电路的连接为： LM358A是反相输出，放大倍数为2倍. LM358B是反相输出电压跟随器。当Ui1信号正半周时 ,信号经过放大器LM358A反相输入端2脚，输出电压为-2Ui1,这时放大器LM358B的反

20、相输入端的输入电压为：Ui2=Ui1+(-2Ui1)=-Ui1,所以最终输出电压为Ui.当Ui1信号负半周时 ,信号经过放大器LM358A反相输入端2脚,出电压为-2Ui1,但由于二极管D2、D1，所以正电压不能通过二极管D2，电压直接反馈回反相输入端2脚。这时放大器LM358B的反相输入端的输入电压为：Ui1，输出电压为-Ui1，即负电压变成正电压！LM358C为过零比较器，目的是将电网中的正弦波变成方波。经过后面的逻辑门电路，使电路输出为路相位相差180度、基波频率为50HZ的SPWM.3. DA转换电路本设计采用DAC0832DA转换芯片。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与

21、微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832为电流形输出，经LM358后转换成电压输出。AD转换结果经分压后与1.3V相加与SG3525的2脚相连，用于控制PWM占空比的大小，以便满足boost升压的要求。4. SPWM波形电路根据本电路，将取样电压和基准电压，分别输人到SG3525内部运放的反向端脚和同相端脚进行比较,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,该信号和内部锯齿波再进行比较 ,在脚11和14脚得到相位

22、相差的正弦调制脉冲信号 ,若将脚11和脚14接地 ,则在脚13得到占空比最高可达 90%以上的正弦调制反向脉冲信号，本设计所采取的是13脚接地，在11脚和14脚上分别输出相差180度相位的SPWM，然后经或门相或也一样可得到一个空比最高可达90%以上的正弦调制反向脉冲信号，而且驱动能力更强。5.PWM波形电路 SG3525产生PWM与SG3525产生SPWM一样，也可以通过改变SG3525脚2的输入值以产生PWM。AD转换结果经分压后与1.3V相加与SG3525的2脚相连，即可以控制SG3525输出PWM占空比的大小,以满足boost升压的要求。6 升压电路Boost升压原理：在充电过程中三极

23、管导通这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。主电路电压均为高电压、大电流情况，而控制单元为弱电电路，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，可采用带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。9全桥逆变与滤波电路

24、系统控制方案目前 ,逆变电源的正弦脉宽调制 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。本设计采用全桥逆变器单极性调制。其主电路形式如图所示单极性调制方式的工作原理是 在一个正弦周期内,前半周期 ,桥臂功率管和以较高的开关频率为的开关频率互补导通 ,桥臂功率管和以的频率互补导通后半周期,桥臂以的频率互补导通 ,桥臂则以较高的开关频率互补导通即在一个周期内,桥臂前半周高频工作,后半周低频工作 而桥臂前半周低频工作,后半周高频仁作.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,其主要控制波形如图 滤波电路：由于逆变器以高频

25、SPWM 方 式 工作 , 输 出滤 波器的作用是滤掉高次谐波分量 ,使输出电压接近正弦波 ,同时也要考虑逆变器系统的功率密度等因素 。 10.保护电路保护电路为两个电压比较器，当被测点的电压大于基准电压，比较器则输出一个高电平，SG3525的10脚，接收到高电平时就会停止工作不再升压与逆变，起到保护作用。11.电源电路本设计中一共用到电源有：正负5V，负15V，与及不共地的正15V 3个.这个的设计是为了在全桥逆变中不同MOSFE驱动所用的地不同。电路中所用的电源芯片有：LM7805、LM7815、LM7905、LM7915 。第四章 的软件设计模拟光伏发电并网的软件设计主要由主程序、AD转

26、换程序、DA转换程序、频率计算程序、电压有效值计算程序、PID算法控制程序、液晶显示程序组成。4.1液晶显示模块411基本原理通过对LCD控制，使液晶显示出来电网电压的频率，有效值，和作品输出电压的频率和有效值，这样的就能直观地通过显示判断作品的输出是否达到要求，也使我们能在调节的过程中，看到其带来作品电压大小，波形的变化。也通过利用LCD的显示功能,更有利于我们在调试程序时,提高进度.本实验中，我们选择带字库的串行操作12864LCD，达到显示四行字符，每行8个（16*16点阵）字。其的串行读写时序为:(1) CS液晶的片选信号线,每次在进行数据操作时都必须将CS端拉高.(2) SCLK串行

27、同步时钟线,每操作一位数据都要有一个SCLK跳变沿,而且在这里是上升沿有效.也就是说,每次SCLK由低电平变为高电平的瞬间,液晶控制器将SID上的数据读入或者输出.(3) SID串行数据,每一次操作都由三个字节数据组成,第一字节向控制器发送命令控制字,告诉控制器接下来是什么操作,若为写指令则发送11111000,若为写数据则发送11111010.第二个字节的高4位发送指令或数据的高4位,第二字节的低4位补0.第三个字节的高4位发送指令或数据的低4位,第三字节的低4位同样补0.412液晶显示子程序流程图4.1.3 液晶显示子程序:*液晶显示部分* 函数名称:写字节函数函数功能:*/void Lc

28、d_Write_Byte(uchar byte)uchar i;/for(i=0;i8;i+) if(bytei)&0x80)SID=1; else SID=0; SCLK=0; SCLK=1; /*函数名称:读字节函数函数功能:*/uchar Lcd_Read_Byte(void) uchar i,temp1,temp2; temp1 = 0; temp2 = 0; for(i=0;i8;i+) temp1=temp11; SCLK = 0; SCLK = 1; if(SID) temp1+; for(i=0;i8;i+) temp2=temp21; SCLK = 0; SCLK = 1;

29、if(SID) temp2+; return (0xf0&temp1)+(0x0f&temp2);/*函数名称:检测忙函数（可有可无）但最好是有函数功能:*/void Check_Busy( void )do Lcd_Write_Byte(0xfc); /11111,RW(1),RS(0),0while(0x80&Lcd_Read_Byte(); /*函数名称:写入函数函数功能:*/void Lcd_Write(bit dat_com,uchar byt)uchar temp;if(dat_com=0) /为零,写入指令 temp=0xf8; /11111,RS(0),RW(0),0else

30、/否则,写入数据 temp=0xfa; /11111,RS(1),RW(0),0 Check_Busy(); Lcd_Write_Byte(temp); Lcd_Write_Byte(byt&0xf0); /写入高四位 Lcd_Write_Byte(byt=0;i-) youa0=sum0i; youa0=youa0*youa0; youb0=youb0+youa0; youb0=youb0/count; youc0=sqrt(youb0)*0.6436;/0.6436=5.0/1024*131.81; return(youc0); void intserv0(void) interrupt

31、1 using 1 /定时器0的溢出中断函数, /在里面进行电网电压的A/D转换 TH0=0xFE; TL0=0x7A; aa=0; for(k=5;k0;k-) aa+=AD(0); sum0i=(int)(aa/5); i+; （2）作品电压有效值计算子函数的两个部分。float ppint1() /计算作品电压有效值 long youa1,youb1=0; float youc1=0,youd1=0; TH1=0xFE; TL1=0x7A; i=0; while(p33=1); while(p33=0); TR1=1; while(p33=1); TR1=0; count=i; i=i-

32、1; for(;i=0;i-) youa1=sum1i; youa1=youa1*youa1; youb1=youb1+youa1; youb1=youb1/count; youc1=sqrt(youb1)*5.0/1024;/0.6436=5.0/1024*131.81; return(youc1);void intserv1(void) interrupt 3 using 2 /定时器1的溢出中断函数, /在里面进行作品输出电压的A/D转换 TH1=0xFE; TL1=0x7A; aa=0; for(k=5;k0;k-) aa+=AD(1); sum1i=(int)(aa/5); i+;

33、4.6数字PID控制器模块4.6.1基本原理一.过程控制的基本概念过程控制对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。(1).模拟控制系统 图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。 控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。(2).微机过程控制系统 图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。二.PID调节器(1).模拟PID控制系统

34、组成 图514 模拟PID控制系统原理框图(2).模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 1、PID调节器的微分方程 式中 2、PID调节器的传输函数 (3)、PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的

35、变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。三.数字PID控制器(1)模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式(2)数字PID控制器的差分方程式中 称为比例项 称为积分项 称为微分项(3)PID算法的两种类型 1、位置型控制 2、增量型控制 位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式：(n)=(n-1)+这就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。本作品中就是采用这种控制算法。462程序流程图：根据增量型PID算法的算式,得:式中;2=KPTDT;得位置式PID控制算法:(n

36、)=(n-1)+;463子源程序typedef struct PID float SetPoint; /设定目标 Desired Value uchar SumError; /误差累计 double Proportion; /比例常数 Proportional Const double Integral; /积分常数 Integral Const double Derivative; /微分常数 Derivative Const float LastError; /Error-1 float PrevError; /Error-2 PID;int IncPIDCalc(int NextPoint,int set) /增量式PID计算部分 float iError, iIncpid; /当前误差sptr-SetPoint=set;iError = sptr-SetPoint - NextPoint; /增量计算 iIncpid = sptr-Proportion * iError /Ek项 - sptr-Integral * sptr-LastErro