光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置電源逆變器論文

1、光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置摘要本作品采用avrmega16單片機產(chǎn)生spwm信號，控制逆變橋電路產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻、同相的電源信號的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，實現(xiàn)了電路的欠壓和過流保護、最大功率點跟蹤和相頻跟蹤等功能。其主要由雙極性spwm信號生成、橋式逆變電路及其驅(qū)動和輸出顯示電路組成。其中雙極性spwm信號控制開關(guān)管的關(guān)斷，再經(jīng)過濾波電路產(chǎn)生正弦交流信號；逆變電路主回路采用功率開關(guān)管（mosfet），其驅(qū)動電路采用了cmos管直接控制；電壓檢測電路實現(xiàn)最大功率點跟隨；逆變拓撲電路提高了dc-ac的變換效率；并且能利用單片機實現(xiàn)過流、欠壓報警及保護和輸出顯示等其他控制功能。本作品性能優(yōu)越、效率高等優(yōu)點。關(guān)

2、鍵詞:橋式逆變；spwm；avr單片機；相頻跟蹤一、 方案論證1.dc-ac逆變電路方案方案一：采用半橋逆變電路，原理圖如圖1。其電路簡單，使用器件少，開關(guān)較少。但是有直通問題，可靠性低。方案二：采用全橋逆變電路。原理圖如圖2。整個電路容易達到大功率，且損耗低、效率高、工作頻率高、驅(qū)動容易、可靠性大大提高，我們選用方案二。 圖1 半橋逆變電路圖 圖2 全橋逆變電路圖2.mosfet驅(qū)動電路方案方案一：采用mosfet柵極驅(qū)動控制專用集成電路芯片ir2110。該芯片為8引腳封裝，可驅(qū)動同橋臂的兩個mosfet，內(nèi)部自舉工作，允許在600v電壓下直接工作，柵極驅(qū)動電壓范圍寬（1020v）,施密特邏

3、輯輸入，輸入電平與ttl及coms電平兼容，死區(qū)時間內(nèi)置，輸入、輸出同相，低邊輸出死區(qū)時間調(diào)整后與輸入反相，最高可達40khz。方案二：利用分立元件驅(qū)動mosfet。直接用mos管驅(qū)動功率mosfet，他們可以共用一組電源，柵極電壓小于10v時，功率mosfet將處于電阻區(qū)，不需要外接電阻，電路非常簡單。比較上述兩種方案，方案一采用了mosfet專用的集成電路，可以說性能極其優(yōu)越，但由于經(jīng)驗不足，我們沒能把預先設(shè)計的ir2110驅(qū)動電路調(diào)試成功。考慮方案二電路簡單，易于實現(xiàn)控制，我們最終采用了方案二。3逆變電路的變頻控制方案本設(shè)計采用了雙極性spwm技術(shù)來實現(xiàn)正弦波變頻控制。實現(xiàn)spwm有以下

4、兩個方案：方案一：采用規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法一般采樣三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波形，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實現(xiàn)spwm法。方案二：采用自然采樣法。以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進行比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。由于方案二的計算比較繁瑣，難于實現(xiàn)在控制中的在線計算，所以本設(shè)計采用方案一，用數(shù)學軟件matlab生成正弦表（正弦信號采樣表），存儲在單片機中作為調(diào)制信號。4單片機的選擇方案方案一：采用51單片機。采用51單片機和spwm芯片組合實現(xiàn)控制功能。方案二：采用atmega單片機。此單片機具

5、有16kb的系統(tǒng)內(nèi)可編程flash的8位avr微控制器，具有高效能、低功耗的8位微處理器、先進的risc機構(gòu)和具有spwm功能的8位定時器/計數(shù)器0.綜合比較以上兩個方案，方案一的實用性差，成本高，而方案二使用的單片機功能強大、集成度高，實現(xiàn)功能易滿足題目要求，我們認為方案二最佳。系統(tǒng)總體方案框圖如下：圖3 系統(tǒng)方框圖二、 理論分析與計算1. mppt控制方法的計算（軟件實現(xiàn)）電路模型可以等效為圖4所示：要使得輸出端子得到最大功率，則需要阻抗匹配，當和等效阻抗相等時輸出功率最大，根據(jù)題目，則有理論計算：圖4 等效模型當時可以取得最大功率。為了使得電壓等于30v，我們采用了電壓實時采樣監(jiān)控電路，

6、對采樣值送入單片機a/d后再和單片機存儲的理論值進行比較，如果不等，則修改占空比使功率達到最大值，這些控制均可由軟件來實現(xiàn)。2. 同頻同相控制方法(1)同頻的控制（軟件實現(xiàn)）：我們引入載波頻率（開關(guān)頻率）為，輸出正弦信號的頻率為，做spwm的調(diào)制信號頻率為，在調(diào)制信號的一個周期內(nèi)采樣點數(shù)為n，則有關(guān)系：，于是有：,所以要對輸出頻率控制，那么只要選擇合適的和合適的n，使得=即可。此時在采樣n個點后可以計算出生成正弦表的誤差率r：(2)同相控制（軟件實現(xiàn)）：硬件電路采集輸出電流，轉(zhuǎn)換成電壓,再通過過零比較使之產(chǎn)生方波；同時也將采集的參考電壓信號通過過零比較。首先采集過零生成的方波上升沿，再立刻采集

7、過零生成的方波的高低電平，若正好是上升沿，那么就開啟計數(shù)器，直到采集到下一個過零生成的方波上升沿時就停止計數(shù)，這時，算出兩方波的相位差，再通過差值來產(chǎn)生修正值，以調(diào)整相位，最終達到二者同相。（詳見程序流程圖）3. 提高效率的方法分析(1)選擇好的拓撲：一個好的拓撲可以有效地降低電路的損耗，提高輸出效率。我們采用的是工頻變壓器升壓型拓撲，效率通?？蛇_90%以上，可靠性也很高。(2)提高開關(guān)頻率：讓開關(guān)管的導通角減小可以讓開關(guān)處于高速開通、關(guān)斷狀態(tài)，這樣，功率開關(guān)管的損耗就會大大減小，而整個逆變電源損耗主要在功率開關(guān)管部分，這部分損耗減小后效率將會得到一定的提高。4. 濾波器參數(shù)的計算共模濾波器參

8、數(shù)計算：設(shè)計在輸出級的共模濾波器可以抑制串摸、共模干擾，具體設(shè)計如下：因為輸出ac頻率在4555hz，取輸出頻率為50hz，在這個頻率時在開關(guān)頻率處需要的衰減分貝數(shù)為，于是共模濾波器的轉(zhuǎn)折頻率可以用下式計算：設(shè)線纜阻抗為rl，由于認證機構(gòu)用lisn進行 圖5 共模濾波電路測試時，所用線路阻抗為50，故通常取。又阻尼系數(shù)不小于0.707是比較合適的，這樣在轉(zhuǎn)折頻率處只有-3db的衰減量，就不會因震蕩產(chǎn)生噪聲。于是可以計算出共模電感l(wèi)的值和“y”型連接的電容c的值。共模電感l(wèi)：y型電容c：三、 電路與程序設(shè)計1.逆變電路分析與設(shè)計（1）dc-ac主回路與mosfet的驅(qū)動電路電路圖如圖7所示。圖中

9、m5和m6組成逆變電路開關(guān)管的驅(qū)動電路，單片機產(chǎn)生的spwm信號通過m5和m6控制開關(guān)管的開斷，實現(xiàn)輸出為50hz的正弦調(diào)制波。 （2）檢測電路的設(shè)計檢測電路分為輸入電壓、電流和輸出電流檢測電路。圖7 dc-ac逆變拓撲及驅(qū)動電路待添加的隱藏文字內(nèi)容2 圖8 輸入電壓檢測電路 圖9 輸入端電流檢測電路圖8電壓檢測電路將測得的數(shù)值送入單片機，實現(xiàn)了輸入電壓的監(jiān)測和欠壓保護功能。具體計算公式為：。圖9輸入端電流檢測電路將測得的數(shù)值送單片機，單片機將它與測得的輸入電壓相乘，來獲得輸入功率，進而求得逆變電路的效率。因為采樣的是交流電壓，故需要加一低通濾波器，以減小換流紋波和emi影響，濾波器的傳輸函數(shù)

10、為：圖10 輸出端電流檢測電路圖10輸出端電流檢測電路測得的電流實現(xiàn)兩個功能：一個是上半部分的過流保護電路，它將電流信號送入單片機，來實現(xiàn)過流保護功能；一個是下半部分的過零比較電路，它將比較后的信號送入單片機，以實現(xiàn)輸出正弦波的相位跟蹤。2.軟件設(shè)計實現(xiàn)同頻、同相位跟蹤子程序流程圖 圖11頻率跟蹤流程圖 圖12 相位跟蹤流程圖四、 測試方案與測試結(jié)果1. 測試儀器及型號信號發(fā)生器：fg1617信號發(fā)生器示波器：tds1002示波器萬用表：vc890c+萬用表測試電源：td1717-2三路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源負載電阻=302. 測試方法（1）電壓、電流的測試方法。利用萬用表的表筆直接測試輸入電流和電壓以及輸出電壓、電流。（2）用信號發(fā)生器測量輸入?yún)⒖夹盘柡洼敵龅念l率。（3）利用示波器顯示參考信號波形和輸出檢測的波形，用以觀察兩個信號是否同相。3