光伏并网发电模拟装置(09全国大学生电子设计大赛全国一等奖)

1光伏并网发电模拟装置全国二等奖全国二等奖全国二等奖全国二等奖四川理工学院四川理工学院四川理工学院四川理工学院刘勇刘勇刘勇刘勇郭振建郭振建郭振建郭振建李岱李岱李岱李岱摘要摘要摘要摘要本光伏并网系统以MSP430F169单片机为核心，单片机输出SPWM波形经IR2110驱动H桥，实现DC-AC逆变。最大功率点跟踪（MPPT）绝对误差小于1%，利用430单片机软件实现锁相环，用参考频率作为基准频率，对MSP430单片机的外中断和定时器测定相位，当反馈的电压信号相位滞后（超前）于参考信号的相位时，就增大（减小）SPWM的频率；达到相位和频率同步。包括阻性负载，以及非阻性负载，实现了频率跟踪，相位跟踪。DC-AC转换效率达88%，，人机接口LCD液晶显示器，界面直观、简洁，显示输出电压、电流，具有良好的人机交互性能。关键词：光伏并网MSP430F169DC-AC软件锁相一、系统方案设计系统方案设计系统方案设计系统方案设计、、、、比较与论证比较与论证比较与论证比较与论证根据题目要求分以下几部分进行方案设计与论证：1、正弦脉宽调制SPWM的及驱动电路方案选择方案一：采用可输出SPWM波形的控制芯片SG3525。该芯片能直接驱动功率场效应管，具有内部基准源、运算放大器和欠压保护功能，外围电路简单。方案二：采用MSP430F169单片机输出SPWM波形，再送IR2110驱动H桥。此方案控制电路简单，靠软件产生SPWM波，成本低，有调试经验，此方案可取。方案三:如图所示，用比较器组成的正弦脉宽调制电路，所得SPWM波形最接近正弦波。但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，调试困难。图1SPWM产生电路综合题目要求，为实现方案，选择单片机输出SPWM波，选择方案二。2、频率、相位跟踪方案选择方案一：如图所示，采用锁相环芯片CD4046的相位控制系统，能够自动跟踪输入信号的频率和相位。但是有效的锁相要求芯片对输入波形、PCB布局、滤波网络参数要求较高。图2锁相环电路2方案二：如图3所示，用MSP430单片机进行过零检测。实现并网发电，关键是输出的电压要和电网电压同相位。实时检测电源电压的过零点和频率，根据过零点和频率就可以跟踪输入的电源电压的相位，实现同步，但是用MSP430单片机进行频率、相位跟踪，实现需要很大考验。图3过零检测电路方案三：采用速度更快的DSP。将电网电压信号经滤波、整形产生同步方波信号，同步方波信号输入DSP的外部中断口，捕捉电网电压的过零点，检测同步信号的上升沿，可以实现方案。经过我们小组讨论，最终方案如下图4所示图4总体框图二二二二、、、、理论分析与计算理论分析与计算理论分析与计算理论分析与计算1、MPPT的控制方法与参数计算MPPT的控制方法很多，如恒定电压控制法、扰动观测法、导纳增量法，模糊控制法，本题要求Rs和RL在给定范围内变化时，使Ud=1/2Us。所以本题为恒定电压控制法。实现方法如图5所示直流稳压电源DC-ACLC滤波隔离变压器MSP430F169单片机MPPT欠压保护IR2110驱动电路SPWM波波波波反馈绕组负载电流检测精密整流过零比较施密特整形滤波电路正弦信号参考输入精密整流过零比较整形滤波显示部分辅助电源3如图5MPPT跟踪如图所示：我们得Ud=Us-Ul，为使Ud=1/2Us，通过取样电阻网络，用MSP430F169内部12位AD采样，控制单片机输出SPWM的占空比，改变输出电压，使Ud稳定在1/2Us，此方案简单，容易实现。2、同频、同相的控制方法与参数计算用MSP430单片机软件实现锁相环，用参考频率作为基准频率，用430单片机的外中断和定时器测定相位，当反馈的电压信号相位滞后于参考信号的相位时，就增大SPWM的频率；否则就减小SPWM的频率，使最后达到相位和频率同步。但是，我们在实际测试中发现，真正要实现同频、同相，对电路的要求非常高，对PCB布局，对PCB布线都是很有讲究的，由于程序靠查询430单片机外部中断，所以，当外部输入信号包含尖峰脉冲或者是非标志波形时，很难实现方案。所以，我们在送单片机中断口时，加入施密特触发器，和滤波电路，而且要尽量靠近此中断口，这样很有效的实现了，频率和相位的追踪，无需任何相关电路，真正由一个8M单片机实现光伏并网。3、提高效率的方法（1）采用环形变压器。由于其内部结构用优质冷轧硅钢片无缝地卷制而成，线圈均匀地绕在铁心上，线圈产生的磁力线方向与铁心磁路几乎完全重合，与叠片式相比激磁能量和铁心损耗将减小25％，漏磁最小，效率可达95%左右，其效率优于传统变压器。（2）采用IR2110驱动芯片。由于IR2110驱动芯片驱动mosfet管驱动波形的正向边缘陡直，幅度大，能减小开关管趋于导通时的上升时间。使H桥中的mosfet管能够可靠的交替导通，开关损耗降低，非常有利用提高整板效率。4、滤波参数的计算由于H桥以高频的SPWM波形工作，输出滤波器的作用是滤出高次谐波分量，使输出波形接近于正弦波。滤波器的设计应使输出电压谐波少、阻频特性好、滤波功耗小，但是实际LC滤波电路，计算相对复杂，最重要的是算出的电感值一般不易购买到，所以我们参考经验公式，选用常见LC滤波电路，此处滤波电路如图6所示。图6LC滤波4三三三三、、、、电路与程序设计电路与程序设计电路与程序设计电路与程序设计1、DC-AC主回路与器件(1)DC-AC逆变部分如图7所示。DC-AC逆变是本设计的核心，MSP430单片机输出的SPWM波形，由于其IO驱动能力不足，不能直接驱动由四个mosfet管IRF540组成的H桥，所以电路加入IR2110驱动芯片，该芯片驱动电路简单，成本低，最重要的就是其输出驱动波形好，有利于提高电源效率，图7DC-AC主回路(2)精密整流电路图8所示。该电路实现把隔离变压器的交流反馈信号变换成直流信号，方便数字部分即单片机处理，此外该电路还实现了阻抗变换，降低输入阻抗。图8精密整流电路2、保护电路(1)欠压保护电路。电路如图9所示，该电路通过对电阻R1,R2上分压进行AD采样，送MSP430单片机处理，判断R2上的电压值，当输入电压小于25v，此时R2上电压值小于1.2V时，单片机驱动继电器断开后极电路，起到欠压保护功能。图9欠压保护(2)过流保护电路。如图10所示，该过流保护电路，主要解决方案是在输出回路中串联一自绕的互感线圈，使输出电流变换反映到互感线圈的次级，在送测量放大电路处理后，送单片机AD，当输出电流超过2.5图10过流保护3、主程序流程（详细程序见附件8）四、测试方案与测试结果1、测试时所用仪器。见附件1.12、测试方案及测试条件2.1基本要求测试(1)最大功率点跟踪（MPPT）见附件1.2(2)频率跟踪当fREF在45Hz~55Hz范围内变化时，使uF的频率fF=Fref,相对偏差绝对值不大于1%。fFEF(Hz)455055fF(Hz)44.9849.9054.95相对偏差绝对值0.04%0.2%0.09%(3)当Rs=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率η≥60%。见附件1.3开始初始化ADC采样最大功率跟踪是否欠压欠压保护是否过流过流保护更新显示6(4)当Rs=Rl=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。此次测试使用ZC4121A失真度测试仪，SU3100DDS函数信号发生器，其失真度，其中Ci为信号源失真度，Ki为加上信号源测被测设备产生的失真度。见附件1.4(5)输入欠压保护功能。动作电压Ud(th)=(25±0.5)V。见附件1.5(6)输出过流保护功能。动作电流Io(th)=(1.5±0.2)A。见附件1.62.2发挥部分测试(1)提高DC-AC变换器的效率，使η≥80%（Rs=Rl=30Ω）。(2)降低输出电压失真度，使THD≤1%(Rs=Rl=30Ω)。(3)实现相位跟踪功能：当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证uf与uref同相，相位偏差的绝对值≤5°°°°。fREF（Hz）455055相位偏差绝对值3.5°°°°3°°°°3°°°°(4)过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复正常状态。见附件1.73、测试结果及其完整性4、测试结果分析在几天的调试中，我们发现困扰我们前进的做大原因就是干扰，由于相位跟踪、频率跟踪，在光伏并网中十分难实现的指标，一般做光伏并网都是采用DSP等高速的微处理器，而我们此次设计的光伏并网采用8M单片机的MSP430F169实现了频率和相位的跟踪，在此过程中，学到了很多东西，就是在以后的电路设计中，一定要处理好电源的退偶，就是在高频电路设计时，PCB布局，PCB走线，都是非常重要的。5、总结：这次能有机会参加电子设计大赛，我们大二的三位同学都非常高兴，这两个月的磨练和这四天的比赛，使我们学会了很多，也感受了许多，此次我们选择的是A题，模拟光伏并网发电装置，我们使用的是MSP430单片机，在四天的努力中，我们实现了题目中的大部分要求，能够跟踪相位，频率和转换效率，欠压保护，我们非常的高兴。感谢组委会跟我们的这次锻炼机会。我们会在以后的学习中更加努力。参考文献[1]王志刚龚兴华谢嘉奎编著《现代电子线路》北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2003.2[2]高吉祥主编，刘希顺刘菊荣高勐编著《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》北京：电子工业出版社2007.5[3]周志敏周纪海纪爱华编著《逆变电源实用技术》北京：中国电力出版社，20057附件：1、测试时所用仪器。附件附件附件附件1.12.最大功率点跟踪（MPPT）通过改变Rs和Rl在给定范围内（30Ω~36Ω）变换时，使Ud=1/2Us。使相对偏差的绝对值不大于1%。RS30Ω30Ω36Ω36ΩRL30Ω36Ω30Ω36ΩUd30.330.2530.1230.15相对偏差绝对值≤1%≤1%≤1%≤1%(3)当Rs=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率η≥60%。输入电压（V）30.14输入电流（A）0.96输入功率（W）28.9344附件附件附件附件1.2输出电压（V）14.37输出电流（A）1.77输出功率（W）25.4349效率η=Po/Pi=87.9%附件附件附件附件1.3（4)当Rs=Rl=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。此次测试使用ZC4121A失真度测试仪，SU3100DDS函数信号发生器，其失真度，其中Ci为信号源失真度，Ki为加上信号源测被测设备产生的失真度。见附件1.4序号仪器数量1三位半数字万用表VC89D12LCR数字电桥CB-281213直流稳压电源YB1732A3A14函数信号发生器（100M）SU310015数字存储示波器（100MHz双通道250MSa/s实时采样率和25GSa/s等效采样率）GDS-110216失真度测试仪（测试精度高，操作方便，性能可靠■失真测量范围可打0.01％■电平自动校准，测量时不受输入信号电平的影响，不需进行满意度校正。■频率自动跟踪）ZC4121A18测量结果Ki4.2%Ci0.66%失真度4.3%附件附件附件附件1.41.41.41.4(5)输入欠压保护功能。动作电压Ud(th)=(25±0.5)V。经过测试，欠压保护电路动作电压Ud=25.3V(6)输出过流保护功能。动作电流Io(th)=(1.5±0.2)A.经过电路动作电流在1.48A(7)过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复正常状态.电路在排除故障后，都能自恢复。(8)重要程序。附录8#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#includeio430.h#includein430.h#includeLCD.h#includeshow.huintadc_0;uintadc_1;uintD_SPWM;//用来控制SPWM的总体占空比uintF_SPWM;//用来控制SPWM的频率uintP_SPWM;//用来控制SPWM的相位uintREF1;//记录上一次参考信号周期uinttime0,time1