光伏并网发电模拟装置毕业论文.docx

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目录

1 前言1

2. 选题背景1

  2.1设计课题来源及其意义1

  2.2课题设计的主要内容2

3.光伏并网发电模拟装置原理2

3.1最大功率点跟踪（MPPT）2

3.2DC-AC逆变原理2

3.3正弦脉宽调制SPWM4

3.4单相全桥逆变中的SPWM控制9

4.光伏并网发电模拟装置的总体设计12

4.1 系统总体方案设计12

4.2系统总体方案实现手段13

4.3正弦逆变器控的制电路设计14

4.4逆变电路设计14

4.5MTTP功能设计14

5. 方案选择与论证14

5.1DC-AC逆变方案选择论证14

5.2控制器方案选择论证14

5.3滤波器方案选择论证15

5.4频率、相位跟踪方案选择论证15

5.5正弦脉宽调制SPWM及驱动电路方案选择16

6. 系统实现方案16

6.1 DC-AC主回路17

6.2精密整流电路18

6.3保护电路18

6.4程序原理图和误差产生和改进19

7. MSP430F169的单片机简介19

7.1主要部件及其功能

7.2引脚说明

8.理论分析与计算

8.1MPPT的控制方法与参数计算25

8.2同频、同相的控制方法与参数计算26

8.3提高效率的方法26

8.4滤波参数的计算27

9.测试方案与测试结果27

9.1测试仪器27

9.2测试步骤27

9.3测试结果28

9.4MPPT功能测试29

9.5频率跟踪测试29

9.6相位跟踪测试

9.7输出电压THD测试36

9.8效率测试36

9.9 过流、欠压保护测试36

9.10测试结果分析36

参考文献36

致  谢38

附录1主电路原理图

附录2仿真程序

光伏并网发电模拟装置

1 前言

随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断的增加，世界上的化石能源总有一天会消耗殆尽。

同时，由于大量化石能源的燃烧，使得全球生态环境日益恶化，对人类的生存和发展造成了巨大威胁。

在这样的背景下，太阳能作为可持续再生能源，引起了人们的重视。

而在我国，光伏系统的应用才刚刚起步，市场状况尚不明朗。

针对这样的情况，开发太阳能，发展前景广阔的并网发电系统是当今解决自然环境的必经途径。

分析了目前光伏市场的瓶颈并预测了未来光伏发电的前景。

相信作为当今发展速度最快的高新技术之一，太阳能光伏发电技术，特别是光伏并网发电技术,它将为今后的电力工业以及能源结构带来革命性变化。

2. 选题背景

2.1设计课题来源及其意义

  设计题目是由指导老师下发，经过初选到最终确认的。

本设计是光伏并网发电模拟装置，光伏并网发电是一种清洁的能源利用途径，能对环境改善和资源的循环利用起到很大的促进作用      。

本设计无论是对自身能力的提高和理论知识的实践运用，在此基础上最终选择了光伏并网发电模拟装置的设计。

2.2 课题设计的主要内容

  本设计是光伏并网发电模拟装置，由于条件的局限性和设计题目的要求，采用蓄电池模拟光伏电池，作为直流电源，设计的主要内容包括光伏阵列MTTP控制，逆变并网DC-AC转换，逆变器的设计是本设计的重点。

  具体设计是，用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，频率fREF为45Hz~55Hz，其峰峰值为2V，；T为工频隔离变压器，变比为n3:

n2:

n1=1:

20:

10，将uF为输出电流的反馈信号；负载RL=30Ω~36Ω范围内变化。

  系统设计的主要能完成的功能为：

（1）频率跟踪功能。

（2）醉倒功率（MPPT）跟踪功能。

（3）输入欠压保护。

（4）输出过流保护。

（5）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率≥60%。

（6）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。

其结构框图如图2.1所示：

图2.1光伏并网发电模拟装置框图

3.光伏并网发电模拟装置原理

  光伏并网发电装置是利用太阳能发电的电力系统，其中光伏电池是利用光能转换层电势能的原理制成的发电装置，经过汇流再将电流送到逆变装置中。

由于题目要求整个模拟装置系统主要模拟光伏电池和并网逆变器两部分组成。

模拟烦人光伏电池经过并网逆变器将直流电转换成交流电为负载提供所需电力。

 3.1最大功率点跟踪（MPPT）

不同的光照强度和环境温度光伏电池的输出电压不同，因此，输出也成非线性，光伏电池只有在某个特定的值时才能产生最大的输出功率，此时产生最大功率为最大功率点（MaximumPowerPoint，MPP）。

要提高光伏并网发电模拟装置的整体功率也就是要控制光伏电池的最大功率点，使其工作在最大点附近，这个过程就是最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）。

由于设计要求光伏电池由给定直流电源模拟代替，因此改变负载和RS的大小来调节最大功率点，使输出保持在最大功率点。

当负载RL从0到无穷大变化时，其负载V-I曲线是一条抛物线如图3.1，Rs不变，调节RL使其输出工作在最大功率点，设最大功率点为Pm,RL=Rm，曲线上任何一点为工作点，横、纵坐标分别对应此时的工作电压、电流，再调节Rs，RL保持不变，作出对应的V-I曲线，Pm对应的Vm值即为直流点所提供最大负载的电压，调节Rs到对应的电压值，得到最大功率点直流电源电压值，即最大功率点。

由于RS=30Ω~36Ω、RL=30Ω~36Ω，所以不能完全达到理想化的最大点，只能在变化范围内寻找最大点并进行控制调节。

图3.1直流电源输出负载特性曲线

最大功率点跟踪的目的是将直流电源所提供的电能尽可能的提供给负载，使得整个系统效率尽可能的提高，本设计是使当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率≥60%，MPPT就是一个动态寻优的过程，通过对输出电流、电压的检测得到当前输出功率，再与被存储的前一时刻的功率比较，舍小取大，依次类比，得到动态工作的最大功率点，控制框图如图3.2所示。

当负载特性和输入直流电压的焦点在最大功率点电压Um的左边时，通过MPPT的调节作用使直流电压升高，反之则降低电压，控制过程如图3.3所示。

图3.2MTTP控制框图

图3.3MTTP的控制过程

 3.2DC-AC逆变原理

将直流电变换成交流电的设备。

由光电池发出的是直流电，无法直接提供给负载设备，需要逆变器来实现此功能。

本设计用蓄电池代替，有于模拟装置是个小型的模拟发电装置，逆变器是整个系统的主要部件不可或缺，逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器，由于设计要求采用输出为交流正弦信号。

直流输入由蓄电池直接输入到逆变器，再由逆变器将60V直流电转换成220V的交流电供用电设备用电。

整个逆变器由逆变桥、滤波电路、控制逻辑组成。

其中逆变桥采用全桥和单桥实现。

图3.4逆变电路原理图

图3.5不同负载上的电流和电压波形

  图3.4为单桥式逆变器原理图，S1，S2、S3、S4由电力电子器件以及辅助电路组成。

当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo=-Ud；S1、S4合上，S2、S3断开时，uo=Ud，当桥中各臂以频率f断开、闭合时，输出uo电压变为交变的方波电压，幅值Ud，频率为f，波形图如图3.5所示，从而将电压有直流变为交流，由于交变电的变相频率与开关闭合频率相关，通过改变开关闭合频率改变交流电频率。

负载为阻感时io相位滞后uo，波形不同，负载为电阻时，io相位和uo相同，波形也相同。

  逆变器可根据各不同性能指标来分类。

根据直流端可分为电压型和电流型，即直流侧为电流源逆变电路为电流型逆变器，只留段为电压源的则为电压型逆变器。

根据交流侧逆变器有有源和无源两种，是根据电能去向而分，如果将逆变交流侧直接送到电网，电网为负载，这样的逆变器为有源逆变器，逆变过程可归结为：

直流→逆变器→交流→交流电网，这种电路常用在直流可逆调速系统、可变速电机。

如果将逆变交流端变为可调频率交流电直接送到交流负载，这样的逆变器为无源逆变器。

根据输出波形分为正弦和非正弦逆变器，正弦开关功耗小，适合工作频率较高，非正弦开关损耗大，适合低频率。

根据相数分为单相和多相逆变器。

根据逆变电路器件可分为由无关端能力的半控器件组成的半控型逆变器和有控断能力的全控型逆变器。

由逆变电路结构又可分为全桥、半桥和推挽式逆变器。

  设全控型开关器件V1、V2信号在一周期内各半周正偏、反偏，两者互补，负载为感性时，工作波形相位不一致，如图3.5所示，输出电压uo为矩形，幅值Um=Ud/2,输出电流io根据负载的变化而变化，设t2时刻，V1为通态，V1为断态，此时给V1断态信号V2通态信号，但感性负载中io不能立即改变方向，保持原来的导通方式，在t3时刻io降为零时，VD2截至，V2开通，io开始反向。

图3.6单相半桥电压型逆变电路及工作波形

  在t4时刻，给V2关断信号，V1开通信号，此时VD1先导通，t5时刻V1开通。

V1或V2导通时，负载电压电流同相，由直流侧提供电能，VD1或VD2导通时，输出电流电压方向相反，负载中储存的能量向直流侧反馈并将能量暂时储存在电容中，直流侧电容就起到了缓冲反馈的无功能量的作用。

图3.7电压型全桥逆变原理图及波形

  电压型全桥逆变器可看成2个半桥组合构成，其中1、4桥臂为一对，2、3为另一对，分别成对导通和断开，且两对交替各导通半个周期，其输出电压波形图8（b）的半桥相同为矩形，幅值Um=Ud，输出电流和图3.6（b）i0相同，幅值增大一倍。

VD1、V1、VD2、V2相继导通区间对应VD1和VD1、VD2和VD3、V1和V4、V2和V3的导通区间。

  全桥逆变电路在单相逆变电路应用比较广泛，可对电压波形幅值U0和矩形波u0展开傅立叶级数，得

其中基波幅值U01m和基波有效值U01分别为U01m=4Ud/π=1.27Ud，U01=2√2U0/π=0.9Ud。

负载为RL时，输出电流的基波分量为

  当u0正负电压各为180°脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压U0来改变。

  单相全桥逆变电路中，各栅极信号180°正偏和反偏，每对力臂信号互补，V3的基信号比V1落后α，V3、V4栅极信号比V1、V2的栅极信号前移180°－α，输出电压u0的正负各位α的脉冲，调节α即可调节输出电压有效值。

  综上所述，全桥逆变电路优点可归结为：

要求电压低，输出功率大；缺点为：

驱动复杂，开关器件过多。

所以全桥逆变适合在大功率器件中逆变器。

 3.3正弦脉宽调制SPWM

  PulseWidthModulation即PWM（脉冲宽度调制），通过调节输出方波的占空比改变输出电压。

SPWM即PWM的基础上改变调制方式，把脉冲宽度的时间占空比按正弦排列完成的。

由采样控制理论可得出，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统上时，它们的输出响应基本相同，惯性系统的输出响应取决于系统的冲量，即与窄脉冲的面积有关而与形状无关。

图3.8为例举的几种形状不同冲量相同的几种窄脉冲函数图，其中图3.8（d）为单位脉冲函数，即脉冲过渡函数图。

图3.8形状不同冲量相同的几种窄脉冲

将正弦波的正半部分波形划分为n等分，将每部分用等面积的矩形波代替，得到一组等效于正弦波等幅不等宽的矩形脉冲波，这种方法即为逆变器的正弦脉冲调制（SPWM），方法如图10所示。

图3.9SPWM代替正弦波

  由SPWM调制后的信号除频率很高的载波信号和调制信号以及载波倍频附近的信号外，基本没有其他谐波信号，所以，正弦脉冲调制的信号频率越高，谐波含量越少，载波频率越高，正弦脉冲调制的基波的谐波含量越少越接近期望值。

正弦脉冲调制受功率器件允许开关频率限