最新光伏并网发电模拟装置设计.docx
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最新光伏并网发电模拟装置设计
光伏并网发电模拟装置设计
【摘要】:
本系统采用单级DC-AC+工频变压器的拓扑结构,主电路为IR2111驱动的半桥式逆变电路。
控制电路以ATmega16单片机为核心,由软件生成SPWM波控制DC-AC逆变,跟踪最大功率点。
系统通过反馈信号监测频率、相位,经由A/D采样欠压、过流信号,控制频率、相位的跟踪和欠压、过流保护。
经测试,本系统的变换效率可达74.1%。
输出正弦波形失真度小(THD=1.5%),实现了同频同相的跟踪控制和欠压保护。
能够改变逆变电路的输入阻抗,调节工作点,但MPPT的效果未如理想。
【关键词】:
DC-AC;SPWM;MPPT;变换效率;频率相位跟踪
Thedesignofphotovoltaicgrid-connectedpowersimulator
Abstract:
Thetopologyofsingle-stageDC-AC+powerfrequencytransformerisusedinthissystem,themaincircuitishalf-bridgeinvertercircuitdrivenbyintegratedcircuitIR2111.MicrocontrollerATmega16isthecoreofthecontrolcircuit,andtheDC-ACinverteriscontrolledbytheSPWMwavewhichisgeneratedbysoftwaretotrackthemaximumpowerpoint.Throughthefrequencyandphasebeingmonitoredbythefeedbacksignal,andA/Dsamplingbeingemployedbytheunder-voltageandover-currentsignal,frequencyandphasetrackingandunder-voltageandover-currentprotectionarecontrolledbythesystem.Bytesting,theconversionefficiencyofthissystemcanreach74.1%,andthedistortionofoutputsine-waveissmall(THD=1.5%),thesamefrequencyandphasecontrolcanbeachieved,aswellasthefunctionofunder-voltageprotection.Theinputimpedanceofinvertercircuitcanbechangedtoregulatetheoperatingpoint,buttheeffectofMPPTisunsatisfactory.
Keywords:
DC-AC;SPWM;MPPT;conversionefficiency;frequencyandphasetracking.
1方案论证
1.1总体方案论证
方案一:
如图1所示,硬件电路由DC-AC变换器,滤波电路,变压器组成;系统以ATmega16单片机为控制核心,利用软件生成SPWM波,通过直接控制SPWM波的最大占空比来实现MPPT控制;系统通过反馈信号检测频率、相位,经由A/D采样欠压、过流信号,控制频率、相位的跟踪和欠压、过流保护。
方案二:
在DC-AC变换器之前增加一级DC-DC变换器,通过反馈控制确保功率匹配条件,实现MPPT。
由于系统对效率要求比较高,如果在DC-AC变换器前插入DC-DC变换器必然会降低转换效率,所以选择方案一。
1.2DC-AC主回路方案的选择
光伏并网装置常采用H桥逆变电路,桥式电路具有一定的抗不平衡的能力,输出功率范围大。
但全桥电路较为复杂,对称性要求较高。
考虑到技术难度和时间因素,这里采用半桥式逆变电路,在本系统中,逆变电路效率是主要设计指标,要求开关管损耗较小,只需有两个开关管,电路简单,较易实现。
虽然我们也尝试了制作调试全桥电路,终因时间仓促没有完成。
1.3SPWM的产生方案
方案一:
利用软件产生SPWM波,通过查表的方法,产生SPWM波,该方案较简单。
方案二:
利用硬件或软硬结合的方式生成SPWM波,例如利用软件生成单纯的三角波,利用硬件生成SPWM波。
该方案较为复杂。
由于本系统产生的交流是工频,完全可以由单片机实现SPWM控制,故选择方案一。
1.4提高效率的方法
影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗和DC—AC变换器的功耗,其中主要是DC-AC变换器的效率。
变换器的损耗主要有MOSFET开关损耗,MOSFET驱动损耗等。
故在DC-AC变换器中采用驱动开关速度快的专用集成电路IR2111作为驱动电路,MOSFET选择IRF540作为开关管,IRF540导通电阻小,开关速度快,导通压降小,功耗比较低。
其次,采用低功耗单片机ATmega16。
2电路方案设计
2.1DC-AC主回路设计与器件的选择
DC-AC主回路采用半桥式逆变电路,原理如图2所示,由单片机产生的SPWM波通过IR2111驱动两个MOSFET开关管,实现DC-AC逆变。
IR2111.兼有电隔离与体积小、速度快的优点,具有低端和高端输入通道,可驱动同桥臂的两个MOSFET,内含自举电路,高端工作电压可达500V,工作频率高,可达500kHz,开通和关断的延迟时间小。
整机性能好,体积小。
IR2111应用电路中自举二极管采用HER208,其反向漏电流极低,浪涌承受能力较强,稳定性高。
能够满足电路的需要。
对于自举电容,工程中常用计算公式如下:
C1>2Qg/(Vcc-10-1.5)。
式中,Qg为IGBT门极提供的栅电荷。
本电路选择IRF540作为开关管,由于IRF540导通电阻小,开关速度快,导通压降小,所以功耗比较低。
效应管IRF540栅极电荷为72nC,根据上述自举电容的计算公式可以算出,自举电容的容量C>2*72/(15-10-1.5),故选择耐压值高,容量为0.1uF的电容。
2.2检测电路的设计
从本系统的框图中可知检测电路有电压、电流监测电路及频率相位监测电路。
控制功能主要由单片机完成。
实现MPPT控制、频相跟踪控制以及欠压、过流保护功能,需要监测输入电压Ud、负载电流Io、交流反馈信号和参考信号。
●输入电压检测
在DC-AC主回路的输入端接入如图3所示的电路,单片机通过对输入电压进行A/D采样检测,当输入电压Ud正常时,电路正常工作;当检测到输入电压低于25V时,故障指示灯亮,蜂鸣器报警,单片机停止产生SPWM,电路停止工作。
当欠压故障排除后,电路自动恢复为正常状态。
●负载电流检测
在负载端通过电流互感器将负载电流耦合到如图4所示电路,采样电阻将电流信号转变为电压信号,通过A/D送单片机处理,当单片机检测到负载电流小于1.5A时,电路正常工作;当检测到负载电流Io>1.5A时,蜂鸣器报警,电路停止工作;过流故障排除后,电路自动恢复为正常状态。
●频率相位的检测
利用过零比较器把参考信号和反馈信号变换为同频率的方波信号,通过外部中断和计数器来检测频率和相位差。
2.3滤波参数计算
要得到50Hz的输出正弦交流信号,DC-AC逆变电路后要接一个滤波电路,把高频滤掉,电路如图6所示。
由公式
,取
,L=12mH,
求得C=0.08uF,故取C=0.1uF。
3理论分析与计算
3.1MPPT的控制方法与参数设计
SPWM波实际上是占空比按正弦规律变化的脉冲序列,通过驱动芯片控制开关管的电流通断,经过滤波就得到正弦交流信号,
A×Sin(i×α)A为振幅;α为对应SPWM波周期的相角;i=0,1,2,…,n。
单片机由正弦脉宽数表产生SPWM波,数表中的最大脉宽值τMAX就对应A×Sin(i×α)的幅值A。
因此可以通过控制τMAX控制正弦波的振幅,也就是控制逆变电路的工作电流。
这样,逆变电路的输入电流也会改变,从而改变Ud。
通过实验证实,当τMAX增大,Ud会下降。
但是降到接近到1/2Us的时候,输出正弦波形底部出现失真。
如果采用全桥电路,效果可能要好些,由于时间仓促,全桥电路还没有完成调试,我们尚未找到解决的方法。
因此MPPT控制的效果不理想。
3.2同频、同相的控制方法与参数计算
反馈信号与参考信号经过过零比较器得到45~55Hz的方波,输入到单片机的外中断引脚,利用两个中断就可以测定两路方波的周期与相位差。
周期检测的算法见图5a),在前一个周期的上升沿(触发中断)启动计时,后一个周期的上升沿停止计时,计数值就是待测的周期。
相位检测的算法稍复杂,由两路脉冲先到者的上升沿启动计时,后到者的上升沿停止计时,计数值就是待测的相位差,或者是π-相位差。
当两路脉冲的周期差大于某个指定值时,启动周期调整程序,具体方法是更换正弦脉宽数表,程序可以在44Hz到56Hz的范围内跟踪参考信号的频率。
当两路脉冲的相位差大于某个指定值时,启动相位跟踪程序,通过相位补偿的方法达到同相控制。
因对时间控制的要求高,所以采用内联汇编的方式实现。
部分汇编代码如下:
.DEFFLAG=R23;第0位为定时器2启动标志;第1位为先后标志
EXT_INT0:
LDIR22,0x01
CPFLAG,R22;判断定时器2是否已经启动
BREQK0;;若定时器2已经启动,转跳
ORIFLAG,0x01;若定时器2未启动,先置位启动标记
LDIR17,1;
OUTTCCR2,R17;开定时器2
RETI
K0:
LDIR17,0;
OUTTCCR2,R17;关定时器2
ANDIFLAG,0xFE;定时器2启动标记复位
ANDIFLAG,0xFD;根据条件标记是参考信号超前于反馈信号
INR16,TCNT2;读取计数值,通过R16返回
RETI
EXT_INT1:
…………
如代码所示,当FLAG标记寄存器中位1为0时,中断程序返回的R16为参考信号超前于反馈信号的计数值;当FLAG中位1为1时,R16为参考信号滞后于反馈信号的计数值。
4系统参数的测试
在本系统中,我们对DC-AC变换器效率、输出波形失真度、过压、过流保护功能,频率相位跟踪功能,MPPT功能进行了测试。
测试结果如下:
4.1DC-AC变换器效率的测量
如图8所示,当US=60V,RS=RL=30Ω时,用数字万用表直流电压、电流档测量Ud和Id,用万用表交流电压、电流档测量Io1和Uo1,则DC-AC变换器效率为
。
其中
,
。
图7DC-AC变换器效率的测量框图
调试结果与分析:
Ud=30V,Id=0.5A,Io1=1.09A,Uo1=10.2V
故
=
=
=74.1%。
可见DC-AC变换器效率较高,最高可达到74.1%。
满足
≥60%的要求。
(详细测试数据见附件2,表2.)
4.2输出电压失真度的测量
利用失真度仪测量输出电压失真度,如图9接线。
测试条件为RS=RL=30Ω。
经测试:
输出电压Uo的失真度为THD=1.5%,满足题目THD≤5%的要求。
4.3频率跟踪功能的测试
电路正常工作时,用信号发生器输入fREF为45Hz~55Hz的参考信号,用数字示波器观察反馈信号的频率
。
与此同时,液晶显示器同时显示fREF、
。
经测试:
当用信号发生器输入fREF为45Hz~55Hz的参考信号时,示波器观察到反馈信号的频率跟随信号发生器显示的频率变化,液晶显示器同时显示fREF、
值一样。
故本系统实现了频率跟踪的功能。
如图12所示,为液晶显示器显示频率跟踪实拍图。
Fre=49.7Hz为参考信号的频率,Fout=49.7Hz为反馈信号跟踪频率。
4.4相位跟踪功能的测试
调试时,当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时,能够保证uF与uREF同相,故本系统实现了相位跟踪功能。
如图10所示为示波器显示的相位跟踪实拍图,图中上一个波形为参考信号波形,下一个波形为反馈信号波形。
4.5欠压保护功能的测试
测试条件和方法:
输入电压Ud从30V调到低于25V,观察现象。
当单片机检测到输入电压低于25V时,欠压指示灯亮,蜂鸣器报警,电路停止工作。
当输入电压高于25V时,即故障排除外,系统恢复工作。
4.6过流保护功能的测试
测试条件和方法:
用数字万用表交流测量输出电流,同时减小负载电阻,当万用表显示Io>1.5A时,观察现象。
当单片机检测到输出电流大于1.5A时,过流指示灯亮,蜂鸣器报警,电路停止工作。
4.7显示功能
本系统具有显示功能,液晶显示器能够显示电压值和频率值。
实现了题目的发挥部分的要求。
5结论
经过四天三夜的努力,我们实现了题目大部分的要求。
所设计的系统变换效率可达74.1%。
输出正弦波形失真度小(THD=1.5%),实现了同频同相的跟踪控制和欠压保护。
由于时间仓促,系统有些功能未能完善,很遗憾。
6参考文献
[1]黄智伟主编,王彦,陈文光,朱卫华等编著.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:
电子工业出版社,2005年第1版
[2]郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用[M].北京:
清华大学出版社1995年第2版
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高等教育出版社,2001年第3版
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西安电子科技大学出版社,2005.10
附件
附件1硬件电路主要原理图如图11所示。
图11硬件电路主要原理图
附件2表1其中电压单位为V,电流单位为A。
表1效率的测量数据
次数
Ud
Id
Uo1
Io1
Uo2
1
30
0.50
10.2
1.09
18.2
2
30
0.472
9.65
1.08
17.2
3
30
0.476
9.64
1.075
17.79
附件3重要源程序
#include
#include
#include
#include
#include"LCD1602.h"
#defineSetLED()
#defineClrLED()
unionADCtype
{
unsignedintADCWord;
unsignedcharADCByte[2];
};
……..
/外部中断初始化
voidInt0Init(void)
{
DDRD&=~(1< PORTD|=(1< MCUCR|=(1< DDRD&=~(1< PORTD|=(1< //GICR|=(1< sei(); } //PWM初始化 voidPWMInit(void) { DDRD|=(1< ICR1=1024;//初始要输出50Hz的频率 TCCR1A|=(1< TCCR1B|=(1< TIMSK|=(1< } //测量参考电压频率 unsignedlongintCheckFreqCount(void) { GICR|=(1< while(! CheckFreqIsOk);//等待测量参考频率完成 CheckFreqIsOk=0;//清除完成标记 returnFreqCount; } //频率比较 voidFreqCom(void) { TenFre=CheckFreqCount(); TenFout=CheckFreqCount(); TenFre=80000000/1024/TenFre;//频率的10倍,方便整数比较 TenFout=80000000/1024/TenFout; if(TenFre! =TenFout) { PhaseNotEqual=1; SetFout(TenFre/10);//设置输出频率 GICR|=(1< } } //显示频率 voidfDisplay(void) { unsignedchari; fdis[6]=TenFre/100+'0'; fdis[7]=TenFre%100/10+'0'; fdis[9]=TenFre%100%10+'0'; fdis[22]=TenFout/100+'0'; fdis[23]=TenFout%100/10+'0'; fdis[25]=TenFout%100%10+'0'; LCD1602Input(CODE,0x80); for(i=0;i<16;i++) { LCD1602Input(DATA,fdis[i]); } LCD1602Input(CODE,0xc0); for(i=16;i<32;i++) { LCD1602Input(DATA,fdis[i]); }} 处理顾客拒绝实战情景训练 销售是从拒绝开始的。 只有真正面对顾客的拒绝,才能真正了解顾客的想法、看法和做法,从而促使导购采取正确的策略和做法;并不是去说服对方。 而是让顾客领悟到自己真实的需求。 顾客必将放弃拒绝。 情景46: 我已经有个类似的手机,还是不买了 常见应对 1.怎么会呢,这可是刚出的新款! (没有针对性。 说服不了顾客) 2.这是哪里的话,两款手机之间肯定不一样。 (语言太过直接,很容易引起顾客的反感) 3.现在的手机都是这样的。 哪里有那么多的特别款式啊? (自动放弃销售。 并且对顾客进行冷嘲热讽) 引导策略 人们一旦形成了一种习惯,以后的行为就会受到这一习惯的影 响。 顾客提出已经有类似的手机,而现在又看中同样风格的手机,那 就说明顾客已经深深受到这一审美习惯的影响。 导购可以抓住顾客的 这一心理,处理顾客的拒绝。 很明显,这只是顾客不想立即购买而提出的虚假拒绝。 从表面上 来看,已经有类似产品是顾客拒绝购买的理由,实际上即使导购给顾 客推荐其他款式也很难引起顾客的兴趣。 因此,导购应该强调顾客喜 欢的这种风格很适合顾客,并说明手机是一种更新换代非常快的产 品,也是现代职场人士身份的象征,不及时更新就会过时,从而说服 顾客购买。 话术范例 话术范例一导购: “啊,小姐,从外形上看,两款手机确实有相 识之处。 不过既然您对这个款式一见钟情,说明这款手机确实符合您 的审美观,而且这款新机更能衬托出您高贵典雅的气质。 说真的,现 在手机款式的设计风格相当多变,让人眼花缭乱的,能够找到自己最 喜欢的款式,并且能在基本风格上不断改良,与时俱进,相当得不容 易。 所以您一定不能错过它哦,还是换款新的吧? ” 话术范例二导购: “是哦,您不说,我还没发现,您正在使用的 这个手机也是滑盖的。 滑盖手机可是经典款式,再过多久都不会过时。 我们这新款的滑盖手机设计上更富有神秘感,而且还新增加了音乐、 娱乐、健康管理、多媒体网络、GPS导航等最新功能,拥有它就等于 随身携带了一台小型笔记本,与您的老款滑盖手机可以说有天壤之别 啊。 来一台新的吧? ”(强调产品的内在的功能特点)
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