光伏并网发电模拟装置的设计.docx

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光伏并网发电模拟装置的设计

本科毕业论文

题目：

光伏并网发电模拟装置的设计

学生：

　　XXX　　　

专业：

　　自动化专业　　　

年级：

　　2007级　　

指导教师：

　　XXX　　　

日期：

XXX18日

一、绪论.............................................................1

二、理论分析与算.....................................................2

（一）SPWM的产生.................................................2

（二）相位、频率的控制............................................4

（三）滤波参数的计算.............................................6

三、方案选择.........................................................7

（一）总体介绍...................................................7

（二）光伏电源模拟装置...........................................8

（三）逆变主电路选择.............................................8

（四）调制方式选择...............................................9

（五）MOSFET驱动电路方案........................................10

（六）逆变电路的变频控制方案....................................12

四、硬件设计........................................................14

（一）逆变主电路设计............................................14

（二）驱动电路设计..............................................15

（三）ADC模块...................................................18

（四）保护电路设计..............................................18

（五）反馈电路设计..............................................19

（六）显示电路设计..............................................20

五、软件设计........................................................23

（一）程序总体框图..............................................23

（二）频率相位模块..............................................24

（三）保护模块..................................................24

致谢...............................................................26

参考文献...........................................................27

附录...............................................................28

附录1原理图....................................................28

附录2产生SPWM..................................................29

附录3实物......................................................36

光伏并网发电模拟装置的设计

摘要：

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。

太阳能作为一种巨量的可再生能源，是目前大量应用的化石能源的替代能源之一，是人类可利用的最直接的清洁能源之一，因此开发太阳能具有重大的战略意义。

光伏并网是太阳能利用的发展趋势。

在光伏并网系统中，并网逆变器是核心部分。

DC-AC使输出电压与电网电压同相位、同频率。

在逆变器设计部分，本文总结了通常采用的电路拓扑并比较了各自的优缺点，经过比较，决定采用全桥逆变和LC滤波的设计策略。

控制电路设计采用了STC89C52RC芯片，逆变电路采用单极性SPWM调制方式，驱动电路采用IR2110芯片，主电路采用全桥逆变，算法采用规则采样法。

由于STC89C52芯片计算速度较慢，不能实时在线计算出三角载波与正弦调制波自然交点的控制时刻。

所以，我们采用先计算出正弦信号波与三角载波在一个周期内的交点时刻，做成一个正弦时间表，从而得到控制功率管MOSFET开关时间点的方法。

在实现SPWM时，将死区时间也考虑在内，这样MOSFET不容易短路，提高电路的可靠性。

通过实验测试，直流电压经过逆变得到工频正弦波。

关键词:

光伏并网；逆变器；正弦波调制；LC滤波；STC89C52

PhotovoltaicGrid-ConnectedGenerationSimulator

Abstract:

Withthedeterioratingecologicalenvironment,peoplegraduallyrealizedtheimportanceofsustainabledevelopment.Theenergyofsunisahugeself-bornresource,isoneofthemainsubstituteofpetrifactionresourcelargelyusedatpresent,isoneofcleanlyresourceavailablebyhuman.Therefore,theexploitureoftheenergyofsunhasagreatstrategicmeaning.Intheinversionpart,thethesissummarizesusualcircuitstructureandcompareseachadvantagesanddisadvantages,choosethedesignpolicyof“full-bridgeandLCfiltering”.ControlcircuitdesignusesSTC89C52RCchipunipolarSPWMinvertermodulationcircuit,drivercircuitIR2110chip,full-bridgeinvertermaincircuit,thealgorithmusingregularsamplingmethod.CalculatedasSTC89C52RCslowerchip,cannotbecalculatedinrealtimeonlinetriangularcarrierwaveandsinusoidalmodulationcontrolofthenaturalpointofintersectionofthemoment.Therefore,wefirstcalculatedusingthesinewaveandtriangularcarriersignalattheintersectionofacycletime,makearushedschedule,resultingincontrolofthepowerMOSFETswitchingtimecontrolmethod.IntherealizationofSPWM,itwillalsotakeintoaccountthedeadtime,soshortMOSFETisnoteasytoimprovethereliabilityofthecircuit.Throughexperimentaltesting,theDCvoltageobtainedbyfrequencysinewaveinverter.

Keywords:

PhotovoltaicGrid-connected；Inverter；SPWM；LCfiltering；STC89C52

一、绪论

目前人类所利用的石油、天然气和煤炭等化石能源逐步消耗，能源危机已经展现在人类面前。

中国的能源资源储量情况更是危机逼人，中国各种人均一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。

中国的能源开发利用对环境造成的污染非常严重，因此节约能源、发展清洁干净的系能源和再生能源是势在必行的。

太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球的辐射量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。

太阳能是国际公认的理想替代能源。

在中国，太阳能资源较好的地区占国土面积2/3以上，主要集中在西部地区，尤其是西北和青藏高原。

中国拥有丰富的太阳能资源，目前的开发利用量站可开发量的很少一部分，具有广阔的发展前景。

光伏并网发电系统是太阳能利用的最合理方式，是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，向其他类型的发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。

并网是光伏发电发展的最合理方向。

逆变电路的主电路均需要有控制电路来实现，一般有方波和正弦波两种控制方式。

正弦波输出是目前逆变电源的应用趋势，随着有PWM功能的微处理器问世，正弦波输出的逆变技术已经相当成熟[1]。

太阳能逆变电源的研究方向正朝着数字化控制、模块化方向发展。

即采用微处理器软件和采用不同的模块组合，就构成不同的电压、波形变换电源系统。

在光伏并网发电系统中，电力电子器件起着关键的作用。

自第一支晶闸管问世以来至今已经近60年。

现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子技术学向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。

电力电子的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块化是器件发展的必然趋势。

功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）和场控晶闸管已经成为现代高频电力电子技术的主要开关器件。

高性能碳化硅（SiC）功率半导体将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料[2]。

根据以上的论述，本设计的任务是：

设计逆变电路，采用STC89C52芯片产生2个PWM脉冲信号；采用2块IR2110芯片将脉冲控制信放大号放大来驱动逆变主电路MOSFET管；DC-AC的输出电压经LC滤波得到失真度较小的50Hz正弦波；输出的正弦波经隔离变压器带负载，同时采用ADC模块采集输出的电压来稳定输出的交流电压。

二、理论分析与计算

（一）SPWM的产生

本文采用的全桥逆变控制方式为单极性[3]

图2-1单极性SPWM调制方法及SPWM波形

采样原理及计算公式：

为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。

这就要求参考信号的复制不能超过三角载波峰值的某一百分数。

一般定义调制度为

（1）

试中

和

分别为正弦调制波和三角载波的峰值。

在理想的情况下M可在0-1之间变化，以调节输出电压的幅值，实际上M总是小于1的。

有规则采样法定义和图3-1所示计算：

第i个矩形脉冲宽度

为

（2）

试中

为三角载波的周期。

假设把半个正弦波N等分，在半个周期内有N个脉冲，个脉冲不等宽，但中心间距是一样的，都为

，等于三角载波的周期。

令第i个矩形脉冲的宽度为

，其中心点相位角为

，由图3-1可知，

可以写作：

（3）

因输出电压波形正负半波及左右半波均对称，是一个奇次周期函数，按傅里叶级数展开为

（4）

其中

要把N个矩形脉冲所代表的u（t）代入上式，必须球的每个脉冲的其实与终止相位角。

假设全桥逆变的输出电压幅值为

，则根据矩形脉冲的面积与该区段正弦曲线下面积相等的原理，可以近似写为

（5）

故地i个矩形脉冲的起始相位角为

（6）

其终止相位角为

（7）

将起始和终止相位角代入

中，可得

（8）

故

（9）

将k=1代入式（3.5，）可得输出电压的基波幅值，当半个周期内矩形脉冲数N不是太少时，各脉冲的宽度都不大，可以近似地认为

，因此

（10）

可见输出基波电压幅值与各项脉宽有正比关系。

说明调节信号的幅值从而改变各个脉冲的宽度时，就实现了对逆变电路输出电压基波幅值的平滑调节。

（二）相位、频率的控制[4]

频率检测既检测模拟电网频率，又检测光伏发电频率，这是完成并网运行的关键，设模拟电网电压频率在赫兹范围内变化，经过零比较器送单片机确定其大小为f0,检测输出侧电压频率f1,通过单片机的定时器模块进行计时,若系统时钟为f,计得时钟个数为n,则相应频率为n倍的时钟频率,单片机对两个频率进行比较，完成对DC-AC变换电路的调整。

图2-2比较单元框图

比较单元和相关PWM电路的时钟由定时器1提供。

这些定时器可以设置为计数模式，只要比较操作使能，比较输出就发生跳变。

图2-3死区模块单元框图

图2-4使用比较单元和PWM电路产生的对称PWM波形

利用事件管理器（EVA）模块的2个全比较单元产生SPWM波形，对全比较单元编程使其工作于PWM模式，用定时器1产生一定周期的载波信号，改变定时器1周期寄存器的值就改变了载波频率。

在定时器1不断计数的同时，全比较单元的比较逻辑也在不断地将定时器1计数器的值和比较寄存器的值进行比较，当两个值相等时将产生比较匹配信号。

该信号被送到PWM电路中的对称/非对称波形发生器，由它产生一路PWM脉冲信号，再经过死区单元就产生了可以驱动同一桥臂的MOSFET互补的PWM1/2和PWM3/4信号，为了防止上下桥臂的直通，在互补信号间加入了死区，最后通过输出逻辑产生两路PWM波形。

比较寄存器中存放的是代表脉宽的计数值，定时器1连续增减计数模式（使载波为三角波），增计数和减计数各有一次计数器的值和比较寄存器的值相等，这两次匹配都会导致PWM输出在引脚上的翻转，因此，通过改变比较寄存器的值就可以控制在一个载波周期内两次匹配发生的时刻，即控制每个载波周期中输出的PWM脉冲的宽度。

（三）滤波参数的计算[6]

逆变全桥输出的是20kHz的SPWM方波，其基波为工频50Hz，还含有低次和高次谐波，其中幅值最大的是20kHz的谐波。

若采用常K型LC低通滤波器对全桥输出进行滤波，设逆变器的效率为90%，则其等效负荷电阻为：

（11）

为使滤波器的效果最佳，令滤波器的特性阻抗与负荷电阻相匹配，即

。

取滤波器的截止频率为500Hz，则滤波电感：

（12）

滤波电容：

（13）

图2-5LC滤波

三、方案选择

（一）总体介绍

本装置的DC-AC逆变环节既要有较高的效率，同时又要使输出电压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。

这就需要采集输出电压电流信号构成闭环控制来控制脉冲信号的宽度从而稳定输出交流电压。

驱动电路还要带一定的保护装置[5]。

总体框图如图3-1示。

图3-1总体框图

（二）光伏电源模拟装置

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本来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。

在实验室中找不到60V的直流电源，也为了安全起见，我们采用12V的直流稳压源来模拟光伏电池。

（三）逆变主电路选择

方案Ⅰ：

采用半桥逆变电路，半桥逆变电路如图3-2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。

图3-2半桥逆变电路图

方案Ⅱ：

采用全桥逆变电路，全桥逆变电路如图3-3所示，该电路能解决这个问题。

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，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。

综合考虑本文选择全桥逆变结构。

图3-3全桥逆变电路图

（四）调制方式选择

方案Ⅰ：

单极性控制方式

图3-4单极性控制方式

ur正半周，V1保持通，V2保持断；当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud；

当ur

方案Ⅱ：

双极性控制方式

图3-5双极性控制方式

当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号；当ur

方案Ⅲ：

单极倍频正弦脉宽调制

图3-6单极倍频正弦脉宽调制

vr>vc时，VA为正，T1通态，T2截止；vr0时，VB为正，T4通态，T3截止；vr+vc<0时，VB为负值，T4截止，T3通态；vr+vc>0vr>-vc。

综合考虑本文采用方案Ⅰ：

单极性控制方式

（五）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。

[6]

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。

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。

美国IR公司生产的IR2110驱动器。

它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。

IR2110是一种性能比较优良的驱动集成电路。

无需扩展可直接用于小功率的变换器中，使电路更加紧凑。

在应用中如需扩展，附加硬件成本也不高，空间增加不大。

然而其内部高侧和低侧通道

图3-7IR2110驱动电路

（六）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。

实现SPWM有以下两种方法

方法Ⅰ：

规则采样法[7]

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。

规则采样法如图3-8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。

图3-8规则采样法

方法Ⅱ：

自然采样法[8]

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，这就是自然采样法如图3-9所示。

图3-9自然采样法

由于STC89C52芯片计算速度较慢，不能实时在线计算出三角载波与正弦调制波自然交点的控制时刻。

所以，我们采用先计算出正弦信号波与三角载波在一个周期内的交点时刻，做成一个正弦时间表，从而得到控制功率管MOSFET开关时间点的方法。

在实现SPWM时，将死区时间也考虑在内，这样MOSFET不容易短路，提高电路的可靠性。

如图3-10所示。

图3-10控制MOSFET关断时间点

四、硬件设计

（一）逆变主电路设计

MOSFET选型根据题目分析，逆变器的最大输出功率为30W，额定工作时MOSFET承受的电压为30，直流侧最大电压60V，留一定裕量取MOSFET额定电压为100V。

流过MOSFET的电流有效值

（14）

考虑启动时的浪涌电流，取I=5A为了提高逆变器的转换效率，降低MOSFET的功耗和限制温升，使逆变器额定工作时单个MOSFET的功耗小于0.2W。

由于MOSFET开通和关断速度快，开关损耗远小于导通损耗，若忽略开关损耗，则其导通电阻：

（15）

根据以上要求，本设计选择国际半导体（InternationalRectifier）公司的IRFZ44N型号[9]的功率MOSFET，其主要参数如图4-1所示：

图4-1IRFZ44N参数

图4-2IRFZ44N输出特性

由上图可知，温度为25摄氏度时，门极电压达到6.5V时IRFZ44N即完全开通，4.0V时完全关断。

设SPWM波为理想方波，幅值为15V，门极电阻为R，则其开通时可等效为一阶跃信号加到R、C串联电路上，则可得：

（16）

式中

关断时，当

时完全关断。

当门极电阻越小，驱动电压越高，门极电压上升越快，开通时间越短。

但是门极电阻太小时，门极电压会因为引线电感而有振荡现象，且在关断时会承受很高的电压上升率

。

参考生产厂商提供的实验数据资料，取

。

（二）驱动电路设计

IRFZ44N的驱动信号电压脉冲需达到10V如图4-3所示，而芯片的输出SPWM达不到10V，因此要将SPWM放大来驱动MOSFET。

图4-3IRFZ44N驱动脉冲

在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。

采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。

隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。

光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。

快速光耦的速度也仅几十kHz。

电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快（脉冲的前沿和后沿），原副边的绝缘强度高，dv/dt共模干扰抑制能力强。

但信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输。

而且最大占空比被限制在50％。

而且信号的最小宽度又受磁化电流所限。

脉冲变压器体积大，笨重，加工复杂。

凡是隔离驱动方式，每路驱动都要一组辅助电源，若是三相桥式变换器，则需要六组，而且还要互相悬浮，增加了电路的复杂性。

随着驱动技术的不断成熟，已有多种集成厚