光伏并网发电模拟装置

光伏并网发电模拟装置摘要：光伏发电是一种直接将太阳能辐射转换成为电能的新型发电技术。

其系统包括光伏电池、变换器、蓄电池、控制器四大部分。

本文从实验的角度，对光伏并网发电系统进行模拟。

基本思路是在单片机C8051F020控制作用下采用正弦波脉宽调制技术（SPWM）对系统进行控制，主电路采用MOSFET为主要元器件的单相桥式逆变电路，经滤波电路滤波后变压进行输出。

基于此，本设计采用单片机本身的PCA模块，定时器模块，完成相应的控制功能，使光伏发电频率紧跟模拟电网频率，绝对误差小于1%，同时实现光伏最大功率跟踪，在负载变化范围内DC-AC变换效率可达70%以上，该系统性能相对稳定，能够满足本次设计的需要。

关键词：C8051F020；SPWM；最大功率点跟踪；光伏并网发电。

1．方案论证与比较1.1 系统设计框图该系统主要由最小单片机系统，SPWM信号控制，DC-AC变换电路，滤波电路，检测保护电路构成，实现光伏并网发电。

其中以C8051F020为处理器，控制逆变器完成最大功率跟踪下的光伏发电输出。

模拟电网电压输入，频率45-55HZ。

LCD实时显示电压，电流，频率。

图1-1总体设计框图1.2 各模块方案选择和论证1.2.1 DC-AC变换电路方案方案一：采用单相半桥逆变电路，它有单个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成，在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点，该电路简单，使用器件少。

方案二：采用单相全桥逆变电路，它有四个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成成对的两个桥臂同时道通，两对交替各导通180度，，与半桥电路相比，输出波形相同，但其幅值高出一倍，且直流侧无需两个串联电容器来进行电压均衡，适用于移相调压方式，全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。

其性能好，输出稳定，符合本次设计需要。

综上分析考虑，采用方案二作为本次设计的系统方案。

1.2.2 驱动电路方案方案一：利用脉冲变压器直接驱动MOSFET，来自控制脉冲形成单元的脉冲信号经高频晶体管进行功率放大后加到脉冲变压器上，由脉冲变压器隔离耦合，稳压管限幅后来驱动MOSFET，其优点是电路简单，应用廉价的脉冲变压器实现了被驱动MOSFET与控制脉冲形成部分的隔离。

方案二：采用栅极驱动控制专用集成电路IR2113.该芯片可驱动同桥臂的两个MOSFET ，内部自举工作，允许在600V 电压下直接工作，栅极驱动电压范围宽（10V-20V ），施密特逻辑输入，输入电平与TTL 及CMOS 电平兼容，死区时间内置，输出输入同相，最高工作频率可达40KHZ 。

比较以上两种方案，方案一的不足表现在：高平脉冲变压器因漏感及肌肤效应的存在较难绕制且容易产生振荡。

方案二芯片性能好，体积小，满足题目要求，故采用方案二。

2．理论分析与计算2.1 MPPT 的控制方法与参数计算光伏系统中，在一定的光照强度和环境温度下，电池阵列可以工作在不同的输出电压下，但是只有在某一输出电压时阵列的输出功率才能达到最大值，即在该工作点能得到当前温度和日照条件下的最大输出功率。

此点被称为最大功率点（Maximum Power Point ，MPP ）。

因此，如何实时调整光伏阵列的工作点以使其能始终工作在最大功率点，这一直是光伏发电系统研究的重要方向。

这个过程的实现就叫做最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking ，MPPT ）。

功率的计算公式可以作如下的变换：P=U ×I （1）dP/dU=I+U dI/dU （2）若能使（2）式等于零，即dI/dU=-I/U （3）当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，系统处于最大功率点。

这样就可以根据（3）式中dI/dU 与I/U 的关系来调整工作点电压来实现MPPT 。

图3 是电导增量法的流程图。

采用电导增量法，对工作电压的调整不再是盲目的，而是通过每次的测量和比较， 预估出最大功率点的大致位置，再根据结果进行调整，因此可以动态地实现最大功率点的追踪，能够适应于日照强度和环境温度快速变化的地方。

2.2 同频、同相的控制方法与参数计算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。

2.3提高效率的方法2.3.1效率的分析：输入功率计算公式：d d d P U I =⋅， 输出功率计算公式：o o1o1P U I =⋅，由于DC-AC 变换器（控制器）完成光伏发电，要求在不同光照情况下以最大效率输出，且在实际应用中需要在户外利用，这就要求单片机及一些外围电路消耗功耗要尽量的低，这也是此次设计的核心问题。

所以。

为此，在设计本系统时单片机采用低功耗单片机C8051F020,该系统集成了8路12位A/D 。

减少了外加A/D 的损耗。

提高效率主要是要降低变换器的损耗，变换器的损耗主要有MOSFET 导通损耗,开关损耗，驱动损耗，回路电阻的损耗，和控制部分的损耗，这些损耗可以通过降低开关频率，选择低功耗的电阻，合理匹配输出电阻等方法来降低。

影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗，单片机及外围电路供电电路的效率和DC —AC 变换器的效率。

而提高DC-AC 变换器效率可以实质性的提高效率。

DC-AC 变换器效率odP P η=。

2.4滤波参数计算已知模拟电网的输入频率相对较低，则可选取二阶低通滤波器。

根据题目通过频率在45HZ-55HZ 之间，确定电容大小560pF ，有频率与电阻之间的关系，可以导出R 的取值为470K 。

3．单元电路的设计主回路部分主要包括模拟电源、DC-AC 变换器、滤波块，检测保护模块，及输出模块。

3.1 DC-AC 变换器图3-1单相桥式逆变电路本设计中采用单相全桥式逆变电路，4个MOSFET 管组成逆变电路的桥臂，桥中各臂在控制信号作用下轮流导通，它的基本工作方式为180度导电方式，为了使IGBT 可靠触发导通，，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，并且驱动电路要满足快速转换和高峰值电流的要求，并能提供适当的保护功能，在设计中采用2个IR2113做为驱动电路，单相桥式逆变电路电路如图3-1所示： 3.2驱动电路在驱动回路中，我们采用IR2113，实现驱动，如图3-2所示：图3-2驱动电路3.3 滤波模块的设计电路电路如图3-3所示：图3-3滤波电路3.4 欠电压保护和过电流保护的设计欠电压保护电路：对DC-AC变换器的输入电压进行电阻分压，鉴于单片机耐压值较小，按一定比例取入电压，通过单片机自带的AD转换模块采集输入电压，控制器与低压限值进行比较，若欠压则停止DC-AC变换。

过电流保护电路：对DC-AC变换器的输出电压进行降压，通过单片机自带的AD转换模块采集输入电压，控制器与高压限值进行比较，若过流则停止DC-AC变换。

4.软件设计4.1主控程序图4-1主控程序流程图主控程序首先对系统进行初始化的处理，然后检测基准输入电压频率，根据检测到的不同输入频率，对逆变电路进行控制，使其输出相应频率电压，并完成相应显示。

流程图如图4-1所示。

4.2 SPWM波的实现根据采样控制理论中的冲量等效原理，大小波形不相同的窄脉冲作用于惯性系统时，只要他们的冲量相等，则作用效果基本相同。

将一个正弦波Ｋ等分，其中每一等分所包含的面积均用一个与之面积相等的，等幅而不等宽的的矩形脉冲代替，使每个矩形脉冲的中心线和等分点的中心线重合，这就是SPWM控制理论依据，由此得到的矩形脉冲序列称为SPWM 波形。

该功能主要由C8051F020自身所带的PCA模块产生。

4.3 频率测量程序C8051F020自身所带的定时器模块具有捕捉和自动重装功能，频率检测是基于单片机定时器模块的捕捉功能而实现的，定时器捕捉两次跳变之间的时间，从而得到待检测的频率值。

流程图见附录。

4.4欠电压过电流程序C8051F020自身所带的AD转换器定时采集电压值，并判断是否超限，从而采取相应的保护。

流程图及程序清单见附录。

5、调试及性能分析5.1测试仪器说明1. HONGHUA示波器频率范围40MHz型号：OSCiLLOSCOPE 5040B2. 直流稳压稳流电源型号：WG17323. 数字万用表型号：ViCTOR4. 数字示波器型号：RIGOL DS5202CAE5. 数字合成函数信号发生器/计算器型号：NP F205.2测试方案调试过程中采取先软，硬件分别调试，后整体调试的方案。

硬件检测：先进行电路板的静态调试，检测电路的焊接是否正确然后通电检测。

实验室制作时可以结合信号源，示波器进行综合硬件测试分析。

给逆变电路加方波信号，则输出侧响应输出方波信号。

软件测试：软件分为各个子模块，并对各个模块分别检测，本系统的软件程序完全由C51编写，C语言效率高，但同时也存在一些缺点，比如严格定时比较困难。

在调试过程中采取的是自上至下的调试方法，单独调试好每一个模块，然后在联结成一个完整的系统调试。

对SPWM信号产生模块而言，分别给定45赫兹，50赫兹，55赫兹的模拟电网电压，通过示波器观测输出波形，检测是否达到所需波形，进过多次测试，可知输出波形能够满足本次设计需求。

软硬件结合检测：控制器与硬件电路整合，直流电源模拟光伏电池，通过信号发生器给定模拟电网电压的频率值，观测并记录输出端的频率值。

初步测试时，光伏发电模拟装置能基本工作。

5.3测试数据分析置模拟电网输入频率，记录现实的输出值，通过示波器观察逆变输出侧的波形，读取相应频率值，进行分析，进计算比较与理论值相符。

5.4、总结在本次设计的过程中，我们遇到了许多突发事件与各种困难。

尤其是进行控制回路程序设计时，我们采用了SPWM控制技术，它主要应用于要求有较高精度正弦波输出的逆变电源中。

现代的直交(交直交) 变换技术都是建立在正弦脉宽调制( SPWM)的基础之上的;如何产生SPWM 信号、如何使其最优、如何能以较小的代价实现SPWM 是直交变换技术中的难点。

与一般的PWM法相比虽然输出的各项性能有一定的提高，但是设计方法相对较复杂，经过反复推敲修改，最终完成了编程与调试。

由于受自身实际经验与知识的限制，从一定程度上增加了设计的难度。

由于时间仓促，设计中还有不少欠缺，今后的学习工作中我们会加以注意。

6. 参考文献：[1]马忠梅等。

单片机的C语言应用程序。

北京：北京航空航天出版社，2007[2]黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程. 北京：电子工业出版社，2005[3]王兆安等。