光伏并网发电模拟装置设计
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。
光伏并网发电模拟装置设计概要
光伏并网发电模拟装置设计摘要本设计采用凌阳16位单片机SPMC75F2313A工业控制芯片嵌入式系统，通过核心算法动态跟踪实现光生电并网或剩余电回馈，最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使相对偏差的绝对值不大于1%,具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%，当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率≥60%，输出电压uo 的失真度THD≤5%，具有良好的输入欠压保护功能，动作电压Ud（th）=（25±0.5）V，并采用IGBT大功率场效应管，可达到45A的额定电流，有效的实现了光伏并网发电的模拟装置。
关键字：并网，SPMC75F2313A，MPPT，保护电路一、方案论证1.比较与选择(1)主芯片的选择方案一：基于51单片机的光伏并网发电模拟装置51单片机产生高低电平脉冲，经过MOS场效应管实现电源的逆变。
通过基准电压和Ud电压采样经过比较器产生反馈信号，再对反馈信号进行分析，但是51单片机没有PWM功能，对波形的分析不够方便准确。
方案二：基于凌阳SPMC75F2313A的光伏并网发电模拟装置采用凌阳SPMC75F2313A芯片，自带PWM功能，并有增强型定时计数器，能够准确的实现对信号的采集及分析，采用工业控制芯片嵌入式系统。
速度快工作效率高。
并采用JS158实现嵌入式系统的逆变。
经过以上分析论证，SPMC75F2313A MCU具有很强的抗干扰能力、丰富易用的资源以及优良的结构，特别是增强的定时计数器和PWM输出功能。
更准确的实现本设计所要实现的功能。
(2)欠压保护功能方案一：采集输入电压，用LM393比较器比较，输出接MCU引脚，判断高低电平，当检测到低电平时，输入电压为低于25V,MCU禁止PWM的波形输出，实现欠压保护功能。
方案二：采集的电压直接接入SPMC75F2413A，10位模数转换器ADC,用中断方式查询ADC寄存器的值，当判断到输入电压低于25V时，停止输出PWM 波。
(整理)光伏并网发电模拟装置.
光伏并网发电模拟装置摘要:本系统采用单片机（STM32）和FPGA（EP2C5T144C8N）为控制核心，由模拟控制模块、全桥逆变模块、并网模块和人机交互模块4个功能部分组成。
其中，全桥逆变模块与模拟控制模块采用光耦进行强弱电隔离，逆变电路采用具有高端悬浮自举电源的IR2110 进行驱动，最终逆变效率达到75%以上。
并网模块通过反馈调节的方式跟踪上市电电压通过隔离变压器与市电安全并接。
实现最大功率点跟踪，并通过实时监测并网电流实现超1.5A断流的过流保护和25V欠电压保护功能且失真度极低，整个变换并网过程的输入电压﹑输出电压频率，在256*32点阵液晶上实时显示，并能通过键盘加以控制。
关键词：逆变、并网、效率、失真度、MPPT一、方案选择与论证1．题目任务要求及相关指标的分析题目要求该系统逆变输入直流电压范围为60V，且逆变的效率要达到60%以上，具有频率跟踪，相位跟踪，失真度小于1%，且有输入欠电压和输出过流保护功能。
题目重点逆变需要产生SPWM波控制逆变电路进行DC-AC转换来实现。
题目的难点在于转换的效率问题和相位跟踪。
2．方案的比较与选择2.1 逆变器主回路拓扑方案一：采用半桥逆变电路。
其原理图如图一所示，这种电路的优点是简单，使用器件少。
但它输出的交流电压幅值Um 仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。
图一半桥逆变电路图二全桥逆变电路方案二：采用全桥逆变电路。
全桥逆变电路的原理如图二所示，它共有4个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成。
把桥臂一和四作为一对，桥臂二和三作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两队交替各180o。
其输出电压的波形与半桥电路相同，但幅值提高一倍。
对于半桥电路的分析也完全适用于全桥电路。
采用半桥电路所需的原器件较少，但是相对的其输出电压比全桥小一半，理论上最大输出交流有效值为Uo =0.45Ud难以达到题目要求。
综上考虑，我们组最终采用了相对容易实现且能够满足题目需求的方案二。
光伏发电模拟并网装置
，Us=60V) （测试时间1s内）
46.80 48.50 50.00 52.50 54.00 55.00
ϕ
表4效率测试（RS=RL=30 ，Us=60V，fREF=50Hz）
PO(W) Pd(W) η（%） （ ）
UO失真度测试：在系统正常输出情况下，RS=RL=30 ，Us=60V ，fREF=50Hz。， 保证系统稳定，用GAD-201G 失真度分析仪分多次检测输出电压UO的失真度。记 录数据如表5。
五、测试电路及测试表
测试数据如下： 相位跟踪功能测试：在RS=RL=30 ，Us=60V时，改变信号源输入的参考电压信号 频率，在工频变压器反馈信号端利用数字相位计测量该端口的相位φ与参考信号相 位θ。记录二者差值，则系统输出最大相位偏差绝对值 。加非阻性负载后按上述 步骤记录相位偏差绝对值。
表2 改变 时相位跟踪功能测试（RS=RL=30 ，Us=60V测试时间1s内）
测试次数 失 真 度 （%） ） 1 2 3 4 5
六、结果分析
测试结果 分析
对测试数据进行分析可知频率跟踪相对误差为0.05%，相位 跟踪在阻性负载时保证偏差在3o以内。逆变器效率高达到 92%，输出电压波形失真度THD<1%。欠压、过流保护功能 均可实现并具有自恢复功能。同时还附加输出短路保护电路， 前级电路添加防止反接保护电路，系统安全性非常高。本着 控制功耗、节约成本的思想，电路供电采用自制电源
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光伏发电并网模拟装置
实验目的
光伏并网发电模拟装置的设计
高 新 技 术
光伏并 网发电模拟装置 的设 计
陈 占林 刘 忆
（ 州 交通 大学 电子信 息与 工程 学 院 ， 肃 兰 州 ７ ０ ７ ） 兰 甘 ３０ ０
２ ＣＡＣ逆 变 方 案 ．Ｄ － ２
正弦脉宽调制（ ｗ￣ｔ变器 ， ｓ Ｐ ０ 即每半个周 期内有 多个脉 宽组成 ，并且脉冲宽度符合正 弦 波脉 冲宽度调 制规律 变化 ， 出为正 弦波 ， 则输 其 拓扑结构 主要有半桥式 和全桥式 。光伏发 电系 统并 网运行 时， 为避免对公共 电网的电力污染 ， 也要求 逆变电源输 出正弦波电流 ， 故该 系统 中 选择全桥式正弦脉宽调制逆变器 。 ３ ． 系统总体框图 光 伏并 网逆变器总体框图如 图 １ 所示。
ｆ
一
图 本 系统采用 的是一种两级式 的结构 ，前级 Ｄ — Ｃ变换 器作 为 ＭＰＴ控 制器 实现最 大功 ＣＤ Ｐ 率跟踪功能 ， 后级为全桥逆变 电路 ， 产生与 电网 电压 同频 同相 的电流 ，使整个装 置的并网功率 因数为 １二者通过直流母线 Ｄ ｌ ｋ 。 Ｃｉ 相连 ， ｎ 控制 上相互独立 。在全桥逆变器『与 电网间加人工 ２ ］ 频变压器隔离 ，这样整个系统就不会向 电网输
一
６一
中国新技术新产 品
一
参 考 文献
Ⅲ 赵争鸣 刘建政 孙晓瑛．太阳能光伏发电及 １ 其应 用ｆ ． ： Ｍ１ 北京 科学 出版社， ０ ５年 ７月 ２０ 闳 周 志敏 周 纪 海 纪 爱 华 ．逆 变 电源 实 用技 术 『 ． ： ＭＩ 北京 中国电力 出版社， ０ ５年 １ ２０ １月 『 ３ ］邢岩 肖曦 王莉娜． 电子技术基础ｌ ． 电力 Ｍ１ 北
光伏并网发电模拟装置软件设计初稿
欧美一些先进国家目前正在普遍开展应用“光电玻璃幕墙制品”。这是一种能将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃中，从而平安地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。美国的“光伏建筑打算”、欧洲的“百万屋顶光伏打算”、日本的“朝日打算”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大的增进了太阳能在新型建材产品中的应用。
SPWM
自然采样法生成SPWM波
在我国，太阳能的利用也一直是最热点的话题[12]。通过量年的进展，我国国内的集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为普遍、产业化最迅速的产业之一。1998年销售总额达到了35亿元，其产量位居世界榜首。我国的太阳能产业已开始运作。中国科学院宣布启动西部行动打算，将在两年内投入亿元人民币开展研究，成立假设干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。但从整体上分析，国内太阳能利用整体起步较晚，尤其是在各类新型产品的开发、生产上还掉队于国际水平，整体上仍比较掉队。但随着我国政府的大力支持，目前我国在太阳能利用方面有了长足的进展。2020年的奥运会，北京成了我国在太阳能应用方面的最大展现窗口，“新奥运”充分表现了“环保奥运、节能奥运”的新概念，奥运会场馆周围80％～90％的路灯利用的是太阳能光伏发电技术；采纳全玻璃真空太阳能集热技术，供给奥运会90％的洗浴热水。在整个奥运会期间，太阳能路灯、太阳能，太阳能电话、太阳能无冲洗洗手间等一系列太阳能技术的应用充分表现出了我国在太阳能应用领域的进展功效。
关键词：脉宽调制，逆变，频率相位跟踪，STC12C5A32S2单片机，MAX197，并网运行
新能源发电综合实践光伏并网发电模拟装置
光伏并网发电模拟装置摘要本设计以dsPIC30F2010单片机为控制器，采用全桥DC/AC逆变电路和双极性SPWM 控制构建模拟光伏并网发电系统。
设计的系统绝大部分指标满足设计指标要求，不仅具有性能优良的模拟光伏电池的最大功率跟踪、数字锁频锁相功能，而且有低的输出电压THD，高的效率和可靠性，以及采用打嗝方式的欠压和过载保护和故障排除后自恢复功能。
关键词：太阳能，并网光伏发电系统,MPPT,数字锁相ABSTRACTA grid photovoltaic inverter was proposed and designed with MCU dsPIC30F2010, DC/AC power topology and SPWM control scheme. The inverter can almost meet the design specifications, and had not only good performance MPPT, phase lock，but also low THD,high efficiency and reliability. The hip protection scheme was adopted for undervoltage andover-current.Keywords:Solar energy，grid photovoltaic inverter, MPPT, digital phase lock一、方案论证与比较太阳能电池板价格昂贵，且光电转换效率低，因此并网型光伏发电系统的效率、最大功率跟踪MPPT、输出电压/电流的THD、锁频锁相等性能为关键核心指标。
根据设计任务要求，以上述指标为方案评估指标，论证系统关键的方案如下：1.1 光伏逆变器的SPWM控制波形产生方案评估方案一：用分立器件电路产生，主要由三角波发生器、正弦波发生器和比较器组成，但由于其电路复杂、灵活性差、调试困难等缺点，因此一般很少采用。
光伏并网发电模拟装置 (二)(09全国大学生电子设计大赛全国一等奖)
光伏并网发电模拟装置全国二等奖四川理工学院四川理工学院 刘勇刘勇刘勇 郭振建郭振建 李岱李岱摘要 本光伏并网系统以MSP430F169单片机为核心，单片机输出SPWM 波形经IR2110驱动H 桥，实现DC-AC 逆变。
最大功率点跟踪（MPPT ）绝对误差小于1%，利用430单片机软件实现锁相环，用参考频率作为基准频率，对MSP430单片机的外中断和定时器测定相位，当反馈的电压信号相位滞后（超前）于参考信号的相位时，就增大（减小）SPWM 的频率；达到相位和频率同步。
包括阻性负载，以及非阻性负载，实现了频率跟踪，相位跟踪。
DC-AC 转换效率达88%，，人机接口LCD 液晶显示器，界面直观、简洁，显示输出电压、电流，具有良好的人机交互性能。
关键词：光伏并网 MSP430F169 DC-AC 软件锁相 一、系统方案设计系统方案设计、、比较与论证根据题目要求分以下几部分进行方案设计与论证： 1、正弦脉宽调制SPWM 的及驱动电路方案选择方案一：采用可输出SPWM 波形的控制芯片SG3525。
该芯片能直接驱动功率场效应管，具有内部基准源、运算放大器和欠压保护功能，外围电路简单。
方案二：采用MSP430F169单片机输出SPWM 波形，再送IR2110驱动H 桥。
此方案控制电路简单，靠软件产生SPWM 波，成本低，有调试经验，此方案可取。
方案三:如图所示，用比较器组成的正弦脉宽调制电路，所得SPWM 波形最接近正弦波。
但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，调试困难。
图 1 SPWM 产生电路综合题目要求，为实现方案，选择单片机输出SPWM 波，选择方案二。
2、频率、相位跟踪方案选择方案一：如图所示，采用锁相环芯片CD4046的相位控制系统，能够自动跟踪输入信号的频率和相位。
但是有效的锁相要求芯片对输入波形、PCB 布局、滤波网络参数要求较高。
光伏并网发电模拟装置研制
光伏并网发电模拟装置研制
文中研制了一套模拟并网发电系统，实现了频率跟踪、最大功率跟踪、相位跟踪、输入欠压保护、输出过流保护、反孤岛效应等功能；采用Atmega16高速单片机，实现了内部集成定时、计数器功能；利用定时器T／C2的快速PWM功能，实现SPWM信号的产生；采用T／C1的输入捕获功能，实现了频率相位监测和跟踪以及对失真度、输入电压、输出电流等物理量的检测与控制。
随着国际工业化的进程，全球未来能源消耗预计以3％的速度增长，常规能源面临日益枯竭的窘境。
人们开始了可再生能源与新能源技术的开发，最具发展前景的当属风力发电和太阳能发电，即光伏并网发电。
1 整体方案设计
设计采用Atmega16单片机为主体控制电路，工作过程为：与基准信号同频率、同相位正弦波经过SPWM调制后，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电胳放大，驱动H桥功率管工作，经过滤波器和工频变压器产生于基准信号通频率、同相位的正弦波电流。
其中，过流、欠压保护由硬件实现，同步信号采集、频率的采集、控制信号的输出等功能，均由Atmega16完成。
系统总体设计框图如图1所示。
电路设计+光伏并网发电模拟装置
【电路设计】＋光伏并网发电模拟装置本系统采用两块TI的MSP430F169单片机为主控芯片, 一块主机，一块从机，并采用专用的PWM控制芯片UC3525采用前置反馈的第一级DC-DC电路，稳定输入电压Ud，实现最大效率跟踪(MPPT)，主机检测输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、和反馈波形与标准波形的相位差。
从机跟踪标准频率，并发出与标准正弦波同频同相的两路驱动波形。
第二级DC-AC电路根据从机发出来的驱动波形实现全桥逆变，输出与标准波形同频同相的正弦波，保证并网安全。
根据主机采样来的电压电流信号进行处理，实现过流保护和欠压保护。
1.2总体方案设计根据题目要求，输入电压是有直流稳压电源提供的60V直流电压，通过一个电压源模拟内阻Rs，在通过DC-DC升压电路，采用UC3525为PWM控制芯片，采用前置反馈，使Ud两端的电压稳定在30V，实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，MSP430单片机对Ud和输入回路的电流进行AD采样，可以时时检测Ud 的变化，如果Ud欠压，就继电器关断主回路，并且再次检测，如果Ud大于24.5V，可以实现输入欠压的自动恢复。
题目要求频率，相位跟随，故采用全桥逆变后经过LC滤波，工频变压器输出和反馈。
输出交流电压的采样，输出交流电流的采样，输出保护，如果输出电流大于1.3A，输出保护继电器断开，继电器两端的30欧的电阻工作，再次检测输出电流小于0.65A，输出继电器闭合，电路正常工作，从而实现输出过流保护，再通过MSP430单片机采样标准的2V Vpp的正弦信号，通过过零比较器转换为方波，测量出标准正弦信号的频率，在通过软件生成同频率的SPWM波形，从而来实现频率跟踪，在将标准的正弦波信号和变压器反馈电压信号转换为两路方波信号，测量出其相位差，在将相位差转换为对应的点数，从而将反馈电压的相位向左或向右移动相应的点数，从而实现相位跟随。
液晶来显示一些被检测的值和关键参数，辅助系统调试。
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光伏并网发电模拟装置设计
设计光伏并网发电模拟装置旨在模拟真实的光伏发电系统的运行情况，使用户能够通过该装置进行光伏发电系统的操作和维护实践，提高对光伏
发电系统的了解和应用能力。
下面将从装置的组成部分、主要功能和使用
方法三个方面对光伏并网发电模拟装置进行详细设计。
一、装置的组成部分
光伏并网发电模拟装置主要由电源箱、光伏模拟电池板组、变流器以
及光伏发电系统控制器等几个部分组成。
其中，电源箱提供电源供电，光
伏模拟电池板组产生太阳能光伏电流，变流器将直流电转换为交流电，光
伏发电系统控制器实现对各个部分的控制和监测。
1.电源箱：负责为整个模拟装置提供电源供电，并具备过载保护和短
路保护等功能。
2.光伏模拟电池板组：由若干块光伏模拟电池板组成，光伏模拟电池
板具备光伏电池特性，能够产生太阳能光伏电流，为发电模拟装置提供能量。
3.变流器：将光伏模拟电池板组产生的直流电转换为交流电，并输出
给外部负载使用。
4.光伏发电系统控制器：用于监测光伏模拟电池板组的工作状态，实
现对系统的控制，如输出电压、电流的调节、光伏电池板组的连接与断开
等功能。
二、主要功能
1.模拟光伏发电系统的工作状态：装置能够通过模拟电池板组产生光
伏电流，模拟真实光伏发电系统的工作状态，包括光伏电池板的接收太阳
能光照产生电流、电流的变化随外界环境的改变等。
2.进行光伏发电系统的操作实践：通过装置，用户可以对光伏发电系
统进行操作和维护实践，如接线、参数调节、电流监测等。
3.提供对光伏发电系统的学习环境：装置的输出电流和电压可由控制
器进行调节，提供不同工况下的电流和电压输出，使用户能够在实践过程
中了解和理解光伏发电系统的工作原理、特性和各种参数。
三、使用方法
1.将电源箱连接到交流电源上，开启电源箱的电源供电。
2.连接光伏模拟电池板组，并将其放置在适当的位置接受阳光照射。
3.连接光伏模拟电池板组的输出端到变流器的输入端。
4.连接变流器的输出端到外部负载。
5.打开光伏发电系统控制器，设置想要的输出电流和电压。
6.监测和调节光伏发电系统的工作状态，进行相应的操作和维护实践。
总结：
光伏并网发电模拟装置能够为用户提供一个实际操作和维护光伏发电
系统的环境，使用户能够通过实践了解和理解光伏发电系统的工作原理和
特性，并提高对光伏发电系统的应用能力。
通过装置的设计和制造，能够
提高设计人员对光伏发电系统的理解和技能。
此外，该装置还具备一定的
教育和科研应用价值。