光伏并网发电模拟装置 2007全国电子设计大赛(详细版)

2007年全国电子设计大赛——光伏并网发电模拟装置摘要：本系统涉及三大关键技术：全桥驱动电路、H桥功率变换电路、低通滤波器。

系统以全桥驱动电路为核心，以TMS320F2808数字信号控制器为主控制器和SPWM信号发生器。

根据输出电压采样值，调整SPWM信号幅度，实现最大功率点跟踪。

根据鉴相器得到的输出信号和参考信号的频率信息和相位信息，对SPWM信号做出调整，实现频率跟踪和相位跟踪。

[关键词] 全桥驱动变频低通滤波器TMS320F2808 SPWMAbstract：The system contains three key technology: full bridge driving circuit、H bridge power converter circuit and variable low pass filter. The core of the system is the full bridge circuit and the main controller is the TMS320F2808. The magnitude of SPWM is adjusted based on the output voltage sampling, so that the output power keep being the largest. The output frequency is following the reference frequency based frequency information and phase information from phase detector.[Key Words] full bridge driving H bridge variable low pass filterTMS320F2808 SPWM1.引言我们的题目是设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，将模拟光伏电池发出的直流电转化为与电网模拟参考信号同频同相的交流电而实现模拟并网。

尽管寻找新能源的工作已经有悠久的历史了，但是能源的日益短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。

在这个过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。

光伏发电就是其中之一。

光伏发电以其能源清洁性、资源的充足性及潜在的经济性等优势，在世界范围内受到高度重视。

随着造价日益降低，其应用越来越广泛。

在工业控制领域，外设丰富，性能强大的通用控制处理器已经成为主流。

TI公司生产的c2000系列DSP便是其中的典型代表，本系统采用TMS320F2808作为主处理器，完成平台的各项处理功能。

2.系统指标本设计达到了该题目要求的所有基本指标和的发挥部分指标，并在此基础上进行了扩展。

其测试记录如表2.1。

3.系统方案3.1 方案论证由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，故光伏并网发电模拟装置主要是完成DC-AC逆变。

1)逆变方案方案一：电压型逆变电路。

以大容量电容为储能元件，直流电源电压稳定，输出电压为矩形波或阶梯波，电流波形根据负载电阻，电感，电容属性而有所不同。

方案二：电流型逆变电路。

直流电源输出端串接大容量电感，电源输出电流稳定。

输出交流电流为矩形波或阶梯波，电压波形近似为正弦波。

方案三：正弦脉冲宽度调制（SPWM）逆变电路。

利用脉冲宽度调制技术，以多个脉冲对应一个周期的交流波形，且按正弦规律控制每个脉冲的宽度，可使负载得到相当接近正弦波的输出电压和电流。

方案比较：一方面由于方案三输出是正弦波，可以减小谐波分量，另一方面其采用开关电源技术，功率因数高，因此本系统采用方案三。

SPWM信号，经过全桥驱动控制H桥电路的MOSFET管的开关实现。

因此SPWM信号的产生决定了整个系统的组成。

SPWM信号产生有以下三种方案。

2)SPWM方案方案一：采用分立元件搭建三角波产生电路，正弦波产生电路，通过比较器比较产生正弦脉宽调制信号，通过逆变电路，完成功率放大，实现逆变。

方案二：采用专用集成SPWM芯片，产生SPWM信号，通过逆变电路，实现逆变。

方案三：采用软件产生SPWM信号，经逆变电路，实现逆变。

方案比较：方案一模块明确，分立元件成本低，但是电路设计复杂，并且不方便对逆变器的控制，调试时间长。

方案二电路简单，易于控制，但是需要控制电路的设计，增加了系统的成本。

方案三硬件少，功耗小，容易实现闭环控制和改善系统性能。

综合考虑成本及效率问题，本系统选用方案三。

系统总体框图如图3.1所示。

本系统采用软件产生SPWM信号，经过全桥驱动控制H桥电路的MOSFET管的开关实现，实现逆变。

处理器采用数字信号控制器（DSC）TMS320F2808，用软件实现正弦脉宽调制（SPWM）。

根据脉宽调制原理，软件计数产生高频三角波，与缓变的正弦波数据进行比较，当计数值大于正弦波数值时，输出高电平，当计数值小于正弦波数值时，输出低电平，从而产生SPWM 信号。

SPWM信号通过浮栅驱动器IR2010驱动MOS管(IRFB23N15D)全桥，实现功率放大，由低通滤波器滤出功率正弦波，即完成了DC-AC逆变。

通过PID算法调节输出脉冲宽度可以改变输出电压的幅值，调节调制信号频率可以改变输出电压的频率，实现了对逆变的控制。

其中TMS320F2808的EPWM模块用来产生SPWM信号；ECAP模块用来接收逆变后正弦信号的频率信息以及其和参考正弦信号之间的相位差；ADC模块用来采样直流源U d 和u f的有效值进行欠压和过流检测；GPIO模块可以和LCD和按键接口实现人机交互。

R L图3.1 系统总体框图3.2 SPWM 产生算法图3.2 SPWM 产生示意图为了驱动后级H 桥电路，SPWM 采用双节性调制方法，如图3.2所示。

通过缓变的正弦和高频锯齿波比较产生一对互补对称的SPWM 波，然后送往后级电路。

正弦波数据可以直接由F2808的BOOTROM 的正弦表查出，三角波的载波频率可以通过设置F2808的EPWM 模块的周期寄存器（TBPRD ）来实现，在每个三角波周期结束将新的正弦数据置入计数比较器（CMPA ），并采用增减计数和互补模式产生对称的PWM 波形，这样可以方便正弦信号的调整和提高电路的效率。

本系统中采用F2808的EPWM4通道产生一对互补对称的SPWM 信号。

3.3 MPPT 的控制方法图3.1中的电压检测模块用来实现最大功率点跟踪（MPPT ）功能，由F2808的AD 采样输入电压Ud ，与最大功率点（30V ）进行比较，采用PI 算法进行调节。

当Ud 大于30V 时，减小SPWM 调制信号的幅度，当Ud 小于30V 时增大SPWM 调制信号的幅度，从而使实现最大功率点跟踪功能。

图3.3 PI 控制器的原理框图PI 控制器的原理框图如3.2所示。

PI 控制算法采用增量式PI 控制算法，它的目标输入量是输入电压Ud 的幅值为30V 时的AD 输入，实际输入量是输入的电压Ud 的AD 输入，它们之间的相减得到偏差信号e （t ），然后用PI 算式（式3-1）得到控制量的偏差，最后将控制量转换为SPWM 的控制数据，使整个系统成为一个闭环系统，实现对SPWM 的控制。

()()(1)()(1)()u k P e k I e k u k u k u k ∆=⨯-⨯-⎧⎨=-+∆⎩ （式3-1）其中：)(k u 表示控制量，k 表示时间；)(k u ∆表示两次控制量的偏差；)(k e 表示目标输入和实际输入偏差，k 表示时间；P 表示比例系数；I 表示积分系数。

比例系数P 加大，可以使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。

P 偏大，振荡次数加多，调节时间加长。

P 太大时，系统会趋于不稳定。

P太小，又会使系统的动作缓慢。

积分系数I 使系统的稳定性下降，I 小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。

因此实际中根据具体的数据不断调节比例系数P 和积分系数I ，使系统达到要求的指标。

3.4 同频同相的控制方法图3.4 频率相位信息图鉴相器模块可实现同频同相的控制。

同频同相的控制方法如图3.3所示，鉴相器通过硬件电路将反馈信号u f 和参考信号U ref 的频率和相位信息通过矩形脉冲的形式反映出来，然后送往F2808的捕捉单元模块（ECAP ），ECAP 对上升沿和下降沿，以及上升沿到上升沿的时间进行计数，上升沿和下降沿的时间差就是u f 和U ref 的相位差，上升沿到上升沿的时间就是u f 的频率信息，然后通过软件不断的改变SPWM 步长与累加器的数值，便可实现频率跟踪，通过对SPWM 输出起始地址不断进行修正，实现相位跟踪。

3.5 提高效率的方法1）选用合适的MOS 管，其中MOSFET 选用IR 的IRFB23N15D ，它具有较低的栅漏极电流，可以有效的减小开关损耗。

2）使用较低的开关频率，因为功率管开关和磁性材料的磁通变化会带来损耗，使用可以满足DCAC 逆变需求的尽可能低的PWM 频率，本系统采用12.8KHz ，可以有效降低开关管和滤波电感的损耗，3）本系统采用铁硅铝磁芯制作的电感，铁硅铝磁芯是一种高频损耗较低的磁性材料用它做滤波电感可以降低系统的损耗。

4）本设计使用了低损耗的0.35mm 硅钢片的C 型变压器。

变压器的损耗包含铜损和铁损，采用电流密度较低的绕组可以降低变压器的铜损，而是用较薄硅钢片的变压器可以降低铁损，从而降低了变压器损耗。

3.6 滤波参数计算图3.5 频率相位信息图经过H 桥后的SPWM 信号含有大量的高频谐波，一般采用LC 滤波器滤除输出电压中的高频谐波成分，从而可以降低输出电压的总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD ）。

有用信号频率为45Hz~55Hz 。

为使有用信号输出衰减小，需使滤波器在低频时输出幅度衰减极小，采用LC 型滤波器，其3dB 带宽频率为LCf π2533.1=，选截止频率为2KHz ，得810529.1-⨯。

由于LC 的参数计算复杂并且准确度低，所以决定采用软件模拟的方法来选择电感和电容的参数，模拟软件用NI 公司的Multisim ，最后实际选择L=1.6mH ，C=9.4uF 。

4.系统硬件设计4.1 处理器模块以TMS320F2808作为核心的小系统板，加上外围的LCD及键盘等人机交互设备组成了处理器模块。

其中处理器板主要将所有引脚引出，并通过接口和扩展板进行通信。

一．扩展板扩展板主要实现了对处理器子板的供电和各种接口和功能的扩展其中包括±12V和5V 的电源接口，LCD接口，4×4按键管理，双路ADC/DAC接口，UART接口，PWM接口，GPIO接口，蜂鸣器，等扩展接口。