光伏并网模拟（电子设计竞赛专用）.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.68M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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光伏并网发电模拟装置 C2000 参赛项目报告（命题组）题目：光伏并网发电模拟装置学校：重庆大学指导教师：刘和平（教授）参赛队成员名单（含个人教育简历）：张煜欣、本科生、重庆大学谭天诚、本科生、重庆大学谢武阳、本科生、重庆大学

光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置张煜欣谭天诚谢武阳（重庆大学电气工程与自动化学院邮编 400044）摘要：本文实现了一个基于 TMS320F2812 DSP 芯片的光伏并网发电模拟装置，采用直流稳压源和滑动变阻器来模拟光伏电池。通过 TMS320F2812 DSP 芯片 ADC 模块实时采样模拟电网电压的正弦参考信号、光伏电池输出电压、负载电压电流反馈信号等。经过数据处理后，用 PWM 模块产生实时的 SPWM 波，控制 MOSFET 逆变全桥输出正弦波。本文用 PI 控制算法实现了输出信号对给定模拟电网电压的正弦参考信号的频率和相位跟踪，用恒定电压法实现了光伏电池最大功率点跟踪（MPPT），从而达到模拟并网的效果。另外本装置还实现了光伏电池输出欠压、负载过流保护功能以及光伏电池输出欠压、过流保护自恢复功能、声光报警功能、孤岛效应的检测、保护与自恢复功能。系统测试结果表明本设计完全满定设计要求。关键词：光伏并网，MPPT，DSP Photovoltaic Grid-connected generation simulator Zhangyuxin，Tantiancheng，Xiewuyang (College of Electrical Engineering, Chongqing University) Abstract: This paper presents a photovoltaic grid-connected generation simulator which is based on TMS320F2812 DSP, with a DC voltage source and a variable resistor to simulate the characteristic of photovoltaic cells. We use the internal AD converter to real-time sampling the referenced grid voltage signal, outputting voltage of photovoltaic, feedback outputting voltage and current signal. The PWM module generates SVPWM according to the calculation of the real-time sampling data, to control the full MOSFET inverter bridge output sine wave. We realized that the output voltage of the simulator can track the frequency and phase of the referenced grid voltage with PI regulation, and the maximum photovoltaic power tracking with constant voltage regulation, thereby achieved the purpose of grid-connected simulation. Additionally, this device has the over-voltage and over-current protection, audible and visual alarm, islanding detecting and protection, and it can recover automatically. The testing shows that our design is feasible. Keywords: Photovoltaic Grid-connected，MPPT，DSP

光伏并网发电模拟装置目录引言 ................................................................................................................................................. 1 1. 方案论证 ................................................................................................................................... 1 1.1. 总体介绍 ........................................................................................................................ 1 1.2. 光伏电池模拟装置 ........................................................................................................ 1 1.3. DC-AC 逆变桥 ............................................................................................................... 1 1.4. MOSFET 驱动电路方案 ................................................................................................ 2 1.5. 逆变电路的变频控制方案 ............................................................................................. 2 2. 理论分析与计算 ....................................................................................................................... 2 2.1. SPWM 产生 .................................................................................................................... 2 2.1.1. 规则采样法 .......................................................................................................... 2 2.1.2. SPWM 脉冲的计算公式 .................................................................................... 3 2.1.3. SPWM 脉冲计算公式中的参数计算 ................................................................ 3 2.1.4. TMS320F2812 DSP 控制器的事件管理单元 .................................................... 4 2.1.5. 软件设计方法 ...................................................................................................... 6 2.2. MPPT 的控制方法与参数计算 ..................................................................................... 7 2.3. 同频、同相的控制方法和参数计算 ............................................................................. 8 2.3.1. 频率跟踪 .............................................................................................................. 8 2.3.2. 相位跟踪 .............................................................................................................. 9 2.4. 提高效率的方法 .......................................................................................................... 11 2.4.1. 选择高效的拓扑结构 ........................................................................................ 11 2.4.2. 提高开关频率 .................................................................................................... 11 2.5. 滤波参数计算 .............................................................................................................. 12 3. 电路与程序设计 ..................................................................................................................... 13 3.1. DC-AC 主回路与器件选择 ......................................................................................... 13 3.1.1. DC-AC 逆变电路 .............................................................................................. 13 3.1.2. MOSFET 选型及驱动电路设计 ....................................................................... 14 3.1.3. 电源管理电路 .................................................................................................... 15 3.1.4. 信号检测电路 .................................................................................................... 16 3.1.5. 电网参考电压检测 ............................................................................................ 16 3.1.6. 输出电流测量电路 ............................................................................................ 17 3.2. 控制程序 ...................................................................................................................... 17 3.2.1. 软件总体框图 .................................................................................................... 17 3.2.2. 初始化模块 ........................................................................................................ 18 3.2.3. ADC 模块 .......................................................................................................... 18 3.2.4. 最大功率点跟踪（MPPT）模块 ..................................................................... 18 3.2.5. 频率跟踪模块 .................................................................................................... 19 1

光伏并网发电模拟装置 3.2.6. 相位跟踪模块 .................................................................................................... 19 3.2.7. 输入欠压保护系模块 ........................................................................................ 20 3.2.8. 输出过流保护流程图 ........................................................................................ 20 3.2.9. 中断模块 ............................................................................................................ 21 3.3. 保护电路 ...................................................................................................................... 22 3.3.1. 输入欠压保护电路 ............................................................................................ 22 3.3.2. 输出过流保护电路 ............................................................................................ 22 3.3.3. 其它保护电路 .................................................................................................... 23 4. 测试方案与测试结果 ............................................................................................................. 23 4.1. 测试仪器及测试方案................................................................................................... 23 4.1.1. 测试仪器 ............................................................................................................ 23 4.1.2. 测试方案 ............................................................................................................ 23 4.2. 测试结果及其完整性................................................................................................... 30 4.2.1. 最大功率点跟踪功能 ........................................................................................ 30 4.2.2. 频率跟踪功能 .................................................................................................... 30 4.2.3. 效率测量 ............................................................................................................ 30 4.2.4. uo 的失真度(THD)测量 ..................................................................................... 30 4.2.5. 欠压保护及自动恢复功能 ................................................................................ 31 4.2.6. 过流保护及自动恢复功能 ................................................................................ 31 4.2.7. 相位跟踪功能 .................................................................................................... 31 4.2.8. 其他 .................................................................................................................... 31 4.3. 测试结果分析 .............................................................................................................. 32 4.3.1. 最大功率点跟踪 ................................................................................................ 32 4.3.2. 频率跟踪 ............................................................................................................ 32 4.3.3. 效率测量 ............................................................................................................ 32 4.3.4. THD 测量 .......................................................................................................... 32 4.3.5. 欠压保护 ............................................................................................................ 32 4.3.6. 过流保护 ............................................................................................................ 32 4.3.7. 相位跟踪 ............................................................................................................ 33 5. 参考文献 ................................................................................................................................. 33 6. 附录 ......................................................................................................................................... 33 6.1. PCB 板照片及现场设备 .............................................................................................. 34 6.2. 测试记录与评分表 ...................................................................................................... 34 2

光伏并网发电模拟装置引言随着生态环境的日益恶化，人们逐渐认识到必须走可持续发展的道路，太阳能等清洁能源作为替代能源是必须的。光伏并网是太阳能利用的发展趋势，光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。在光伏并网系统中，并网逆变器是核心部分。DC-AC 逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获得单位功率因数。 DSP 是对数字信号进行高速实时处理的专用处理器。在当今的数字化的背景下， DSP 以其高性能和软件可编程等特点，已经成为电子工业领域增长最迅速的产品之一。人们既利用 DSP 的高性能来实现各种复杂算法，也能利用 DSP 片内丰富的外设来实现各种控制功能。在 DC-AC 逆变器中，SPWM(正弦脉冲宽度调制)技术得到了广泛应用。SPWM 波常用于控制逆变器功率开关器件的开关时刻，该波形的产生就是利用一系列连续的三角波和正弦波相交，从而得到一系列宽度和正弦波幅值成正比的方波信号。本文介绍了采用 TI 公司的 DSP 芯片—TMS320LF2812 用于 SPWM 波发生模块的使用方法。本设计制作了一台光伏并网发电模拟装置，可以用来跟踪参考正弦信号的频率和相位，控制逆变桥输出与参考信号同频、同相的电压，从而达到模拟并网的目的。本设计基于 TMS320F2812 DSP 平台，完成了光伏并网发电模拟装置的设计、制作与测试。 1

光伏并网发电模拟装置 1. 方案论证 1.1. 总体介绍本装置的 DC-AC 逆变环节既要通过阻抗匹配完成光伏电池最大功率点的跟踪，同时又要使输出电流与电网电压同频同相位。因此 DC-AC 主电路及其控制是本装置设计的要点。总体框图如图 1 示。图 1 总体框图 1.2. 光伏电池模拟装置虽然光伏电池本质上是相当于恒流源，但由于受模拟装置条件的限制，再加上题目的条件已经明确用实验室的直流稳压电源 US 和可变电阻 RS 来模拟光伏电池。因此我们采用可调直流稳压源来提供 60V 的直流电压，使用 30Ω~36Ω 的滑动变阻器来调节内阻 RS。 1.3. DC-AC 逆变桥方案Ⅰ：采用半桥逆变电路，半桥逆变电路如图 2 所示，其电路简单，使用器件少，驱动控制容易，开关损耗较少。但是直流电压利用率低，其输出的交流电压最大幅值为 Ud/2。方案Ⅱ：全桥逆变电路（如图 2 所示）却能解决这个问题。其电路拓扑也不复杂，控制也较容易，输出电压调节范围大大提高，故我们选用四个功率 MOSFET 组成全桥逆变电路，其开关频率达 20kHz 时损耗仍很小。图 2 半桥逆变电路图图 3 全桥逆变电路图 1 DC-ACUdIdio1uouREF+-RLuFuo1滤波器控制电路n1n2n3USRS+-Tio

光伏并网发电模拟装置 1.4. MOSFET 驱动电路方案功率 MOSFET 为电压控制型开关器件，其最简单的驱动电路可由两个小功率 MOS 管组成推挽式结构，通过主控芯片的输出逻辑和集成门电路控制小功率 MOS 管的开断来驱动大功率 MOSFET，电路简单，控制容易。但是在驱动上半桥时需要信号隔离和电源隔离，而且驱动电路集成度低，易受干扰。若用两片半桥 MOSFET 栅极集成驱动控制芯片 IR2102，可解决以上问题。该芯片为 8 引脚封装，内部有自举电路，允许在 600V 直流电压下无需隔离即可直接驱动同桥臂的上下两个 MOSFET；栅极驱动电压范围宽（10～20V）；施密特逻辑输入，输入电平与 TTL 及 COMS 电平兼容，可有效防止干扰；内置死区保护，可防止上下桥直通；输入、输出同相，低边输出死区时间调整后与输入反相，最高可达 40kHz。本设计采用三相 MOSFET 全桥集成驱动控制电路 IR21363S，其三相可独立控制，每一相都有 IR2102 的所有功能，而且还增加了过流保护，欠压自锁，逻辑使能，故障输出等功能，可有效提高电路的可靠性和稳定性。由于本设计是单相逆变，故有一相的上下桥臂输入端分别接高电平和地，输出悬空。 1.5. 逆变电路的变频控制方案本文用正弦脉冲调制波（SPWM 波）控制四个 MOSFET 的开通时间按正弦规律变化，SPWM 波的基本原理为面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果近似相同，通过 LC 滤波和隔离变压器之后即得到含有高次谐波的工频电压。 SPWM 有两种调制方式：单极式和双极式，两种调制方式输出电压的大小和频率都是通过改变正弦调制信号的幅值和频率而改变，但功率开关器件通断的情况不一样。采用单极式 SPWM 控制时，正弦波的半个周期内左右桥臂各只有一个开关元器件开通或关断，而双极式 SPWM 控制时逆变器两桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补工作方式。双极式调制时功率开关器件的开关次数比单极式的多，开关损耗大，但控制方便灵活，易于实现。本设计采用了双极性 SPWM 技术来实现正弦波变频控制。实现 SPWM 有以下两种方法：一、规则采样法。规则采样法一般采用三角波作为载波，用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波形，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断。二、自然采样法。以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。由于 DSP 内部的事件管理器有比较定时器，能很方便的在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，所以我们采取规则采样法。 2. 理论分析与计算 2.1. SPWM 产生 2.1.1. 规则采样法规则采样法如图 4 所示。其方法是把 1 个三角载波 Uc 周期内的正弦调制波 Ut 看成不变，在 1 个三角波周期只需取样 1 次(B 点) ，这样可使生成的 SPWM 脉冲的中点与对应三角波的中点(负峰点 A) 重合，从而使 SPWM 脉冲的计算大为简化。下面介绍有关算法。 2

光伏并网发电模拟装置图 4 生成 SPWM 波形的规则采祥法 2.1.2. SPWM 脉冲的计算公式设三角载波 UC 幅值为 1 ，正弦调制信号为 ,其中调制度。。从图 4 中可以看出: (1) 由式(1)可得取样时刻 SPWM 的脉冲宽度: (2) 2.1.3. SPWM 脉冲计算公式中的参数计算（1） SPWM 脉冲的周期(即三角载波周期) TC，频率为 fC。（2）同步调制，载波比其中 ft 为调制波频率，故 TC =1/fC=1/(N*ft) (3) （3）调制度 M 的选取从式(2)可知 SPWM 脉冲的脉宽 t2 与调制度 M 成正比，而脉宽又决定了 SPWM 脉冲序列的电压的幅值，即 M 决定了变频器正弦电压的幅值。一般来说,M 选取的越大，总谐波失真越小，整个系统的性能越好。但是，从功率管的开关特性、开关电源的频率和充分利用 SPWM 调制优点的角度考虑， M 不能无限地增大，更不可能达到 100% 调制。由功率管的器件特性可知，两个脉冲之间的间隔应大于两倍的死区时间，按最小的情形考虑，应为两倍的死区时间和一个开关频率脉冲时间 1/ fs 之和。同时，假定前一个脉冲的下降到这个脉冲的起始点的时间长度和相等，从图 4 和上述关系可以得出 (4) (5) (6) 3 UUctTcUcBCE)sin(*tMUtADt1t3t2t2/2t2/200tMsinUt1M0222Msin12CTtt21Msint2CTtconstCtffNt2t1tNt2//M-11/1sft/12tt1sft2/12N/-1M

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