2009_王雨曦等12.doc

I光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置 摘要：摘要：系统基于光伏发电原理，采用正弦波脉宽调制技术（SPWM） ，以单片机和 大规模可编程阵列逻辑器件（FPGA）作为控制核心，实现了模拟的光伏并网发 电功能系统采用增量电导法实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，采用频率跟 踪法和沿触发补偿跟踪法分别实现了系统的频率跟踪功能和相位跟踪功能系 统对各路输入输出信号进行实时监测和反馈控制，实现了欠压和过流保护，且 具有自动恢复功能系统对强弱电进行了隔离，这样既避免两部分电路的相互 影响，保证了弱电部分器件的安全，又达到了控制的效果主回路 DC-AC 变换 器效率达到 80%以上，负载电路输出电压失真度很小，不大于 1%系统人机界 面友好，稳定性高，安全可靠，并具有可实时监测并显示变换器效率、频率等 功能关键字：关键字：SPWM MPPT 频率跟踪 相位跟踪一、方案论证一、方案论证1、方案比较与选择、方案比较与选择1））DC-AC 主回路拓扑主回路拓扑 鉴于此 DC-AC 逆变器为电压输出，故我们采用电压型逆变电路 方案一：半桥式半桥式电路中每只开关管只需承受逆变器输入电压幅值 大小的电压应力，电路简单，但其需要正负对称供电才能输出无直流偏置的信 号。

方案二：全桥式两个半桥合并成即为全桥，全桥式电路的输出功率比半 桥式大，且效率较半桥式电路高、谐波少，其输出对称性好，供电简单 综上比较 ，全桥式电路输出谐波少，则输出端滤波较为容易，在工作频率 不是很高的情况下，效率可以达到很高，所以我们选择方案二 2））SPWM 控制波实现方案控制波实现方案 方案一:模拟调制法用硬件电路产生正弦波和三角波，其中正弦波作为调 制信号，三角波作为载波，两路信号经模拟比较器比较后输出 SPWM 波形 方案二：数字采样法把正弦波波表及三角波波表存入存储器里，通过 DDS 生成相应波形，再通过数字比较器产生所需要的波形 方案一电路简单，响应速度快，但参数漂移大，集成度低，波形易受外界 噪声干扰，设计不灵活，且需要很复杂的硬件来控制逆变器功率器件的死区 但方案二可靠性高，可重复编程，响应快，精度高，控制简单，故选用方案二3））MPPT 控制方案控制方案 方案一：扰动观测法（P&O） 其原理是每隔一定的时间增加或者减少电压， 并观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号 方案二：增量电导法（INC） 对光伏电池的电压和电流进行采样，通过比 较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。

方案二和方案一均是通过扰动逐步使光伏电池逼近最大功率点，但方案二 较方案一更具优势，其避免了扰动观测法的盲目性，控制精确，响应速度快， 且光伏电池的输出电压能平稳追随环境的变化，稳态振荡小，故选用方案二II4）同频控制方案）同频控制方案 方案一：瞬时比较方式对反馈信号和参考信号测频并作比较，偏差通过 滞环比较产生控制主电路中开关通断的 SPWM 信号，从而实现频率跟踪功能 方案二：频率跟踪法通过测周期法测量参考信号的频率，并将 DDS 输出 的正弦调制信号设置为此频率，经调整 SPWM 控制信号使反馈信号 uF的频率 等于参考信号的频率 方案一中外围电路较多，调节相对复杂，而方案二在低频范围可精确测频， 电路简单，误差小，故选用方案二 5）同相控制方案）同相控制方案 方案一：测相法采用测相法实时跟踪参考信号相位变化从而实时调整 DDS 产生的正弦信号的相位 方案二：沿触发补偿跟踪法采用过零比较电路将参考信号整形为方波信 号，在其上升沿时刻触发 DDS 从零相位点产生正弦信号，经 SPWM 调制控制 使得逆变电路输出信号与参考信号同相输出，再由相位补偿法实现小范围内快 速同相 方案一可靠性不高，当波形畸变时测量存在较大误差，且硬件较复杂，器 件的延迟、漂移等也将引入新的误差。

而方案二控制简单，精度高，故选用方 案二 2 2、系统总体方案、系统总体方案 系统包括光伏电池、DC-AC 变换电路、控制、反馈、测量和显示六个部分 全桥式逆变电路是核心部分，控制部分利用闭环反馈法实现输出电压的稳定， 采用增量导纳法逐步调节 SPWM 波的调制比实现 MPPT 控制，采用频率跟踪法和 沿触发同步跟踪法实现频率和相位的跟踪功能当系统检测到输入欠压或输出 过流动作时，通过控制继电器切断光伏电池输出，当故障解除后，系统利用试 触法实现自动恢复正常工作状态的功能体统总体框图如图 1 所示光耦隔离直流 稳压 源MAX197采样负 载放大 整形 电路驱动电路全桥逆变 电路LC 滤 波Rs变压 器保护电路 继电器频率跟踪控制模块电压、电流 取样电路并网 反馈电压、电流 取样电路MAX197采样参考 信号 相位跟踪控制模块SPWM波 产生MPPT控制跟踪法效率计算失真度测试键盘单片机LCDDC-AC光伏电池总线FPGA并网 反馈图 1 系统整体框图二、理论分析与计算二、理论分析与计算1、、MPPT 的控制方法与参数计算的控制方法与参数计算 1）实现）实现 MPPT 的算法采用增量电导法，简称的算法采用增量电导法，简称 IncCond 法。

法对于光伏阵列某一III固定 P-U 曲线如图 2 所示，在其最大值 Pm 处的斜率为零，所以有： =0，即 （1）dUdIUIdUUIddUdP// )(/UIdUdI// 当 U=Um时，有=0；当 U>Um时，有0dUdP/ 即： (UUm) （3）UIdUdI// (U=Um) （4）UIdUdI// 可以根据与之间的关系来调整工作电压而达到 MPPT 的目的dUdI /UI /当 dU=0 时，光伏电池的工作点电压没变，此时 外界条件可能会发生变化，导致工作点在不同的 输出特性曲线之间转移若 dI=0，说明外界条件 没有变化，仍工作于最大功率点；若 dI>0，说明 工作点向功率增大的方向变化，输出特性曲线上 移，原来的工作点位于当前最大功率点的左侧， 此时应增大电压，即增加 SPWM 波的调制比 α； 反之，若 dI-I/U?dI=0?dI>0?Ub=Un Ib=In返回NNNNNYYYYY增大a增大a增大a增大a开始初始化采入uREF频率改变DDS频率 控制字uF与uREF同频SPWM波调制DC-AC主回路开始初始化uREF过零比较 上升沿触发 DDS产生零相 位正弦调制波实现同相SPWM波调制相位补偿uF与uREF同相DC-AC主回路开始SPWM波调制DDS输出正弦 信号相位调节确定相位增量否是相位补偿算法测量相位差图 4 MPPT 控制方法图 5 同频测试流程 图 6 同相测试流程3 3、保护电路、保护电路 本系统采用单片机实时监控输入电压和输出电流的值，在输入电压降低到 Ud=（25±0.5）V 或输出电流上升到 IO=（1.5±0.2）A 时启动控制程序切断继电器 使光伏电池输出开路，从而实现输入欠压保护和输出过流保护功能，采用试触 法实现欠压、过流故障排除后，装置自动恢复正常状态的功能。

其电路如图 6 所示VI单 片 机 控 制2N3904100Ω42351、、、510ΩGNDI/O、、、、、、、、、、、+12VDC-AC、、 、、、、、、M A X 1 9 7 采 样电流互感 放大电路电压互感 放大电路光伏电池 输出Ud负载电路 Io图 6 保护电路 4、系统其它部分的电路见附录图 1~11 图 5、系统弱电地与强电地隔离，避免两部分电路的相互影响，保证了弱电部分器 件的安全，又减少电路信号噪声的干扰在对交流取样之前，用互感器进行隔 离取样，在对直流取样时，用线性光耦对地线进行隔离，使得系统测量安全准 确 系统地线连线图如图 7 所示系统板电源1DC-AC信号采集隔离变压器负载电源2光耦隔离互感器隔离图 7 系统地线连接图 四、测试方案与测试结果四、测试方案与测试结果 1、测试方法及测试条件 用直流稳压源 Us 和电阻 Rs 模拟光伏电池，由数字信号源提供正弦参考电 压，其峰峰值为 2V，频率为 45Hz~55Hz，RL在=30Ω~36Ω当 Rs 和 RLREFuREFf在给定的范围内变化时观察最大功率点跟踪功能；调节，观察频率跟踪功REFf 能；在给定电阻条件下测试 DC-AC 变换器的效率及输出电压的失真度；当 在给定范围内变化以及加非阻性负载时观察相位跟踪功能；调节 Us 和 RsREFf 观察 Ud 和 Io，观测系统的欠压和过流保护功能及自动恢复功能。

2、使用仪器及使用设备 直流稳压稳流电源 SG1733SB3A 万用表 FLUKE 17B 60M 数字存储示波器 TEKTRONIX TDS1002失真度测试仪 数字信号源 AGILENT 33120A普通频率计 3、测试数据 1）最大功率点跟踪功能 测试方法：Us=60V,使 Rs 和 RL均在 30Ω~36Ω 范围内变化，用四位半万用表测 量 Ud 和 Us 的值测试数据如表一所示，具体测试数据如附录表一所示 表一：最大功率点跟踪功能测试VIIRs、RLRs=RL=30ΩRs=RL=36ΩRs=30Ω，RL=36ΩRs=36Ω，RL=30Ω Ud/V29.8529.9229.8829.97 误差0.5%0.27%0.4%0.1% 2）频率跟踪功能 测试方法：调节在 45Hz~55Hz 范围内变化，用示波器或普通频率计观测反REFf馈信号的频率。

测试数据如表二所示，具体测试数据如附录表二所示Fu 表二：频率跟踪功能测试 /HzREFf454850 55/HzFf44.9947.9950.0054.99误差0.022%0.021%00.018% 3）DC-AC 变换器的效率 测试方法：使 Rs=RL=30Ω，用四位半万用表测试逆变器的输入电压、电流和输 出电压、电流的有效值，计算 DC-AC 变换器的效率 实测数据为：Ud=30.29V，Id=0.9983A，U01=15.03V，I01=1.856A 效率 η= U01*I01/Ud*Id=92.25%>80% 4）输出电压的失真度ou测试方法：使 Rs=RL=30Ω，用失真度测试仪测试输出电压的失真度ou经测量输出电压失真度<1%ou5）相位跟踪功能 测试方法：使在 45Hz~55Hz 范围内变化以及加非阻性负载时，用示波器观REFf测参考信号和反馈信号的相位差REFuFu 经示波器观测，持续改变条件时，两者相位偏差的绝对值小于 5o 6）保护电路 ①输入欠压保护功能调节 Us，测试 Ud降低到（25±0.5）V 时，继电器能否关 断系统测试结果在输入电压为 25.03V 时系统便进入输入欠压保护功能状态， 光伏电池输出开路。

②输出过流保护功能调节 RL在，测试 IO上升到（1.5±0.2）A 时,继电器能否 关断系统测试结果在输出电流为 1.492A 时系统便进入输出过流保护功能状态， 光伏电池输出开路 ③在过流、欠压故障排除后，观察到装置能自动恢复为正常状态 4、测试结果分析 由测试结果可知本系统较好的完成了题目中的各项指标，并扩展了效率和 失真度的测量计算和显示功能但在测试中我们发现最大功率点跟踪精度不高， 速度较慢，虽达到题目要求但还是不能实现快速跟踪；工频变压器对系统的效 率影响较大，因其产生较大损耗而使系统效率难以大幅度提高所以系统若采 用损耗较小的变压器则可进一步提高效率系统频率、。