原创 【博客大赛】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。

 

关键词：最大效率跟踪（MPPT），并网，DC-DC,  DC-AC.

 

 

 

一、         系统方案

1.1系统框图

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。

 

1.2方案论证与选择

       1.2.1主控芯片的选择

方案1：用一块DSP做主控芯片，以实现发送SPWM和电压，电流，频率相位检测以及保护电路。DSP的成本略高，但是它的频率高速度快，发送SPWM的正弦点数比较多，输出的波形比较稳定。但是由于检测的信号过多，程序中中断的需求比较多，导致做出来的spwm不太稳定，会有畸变。对程序的要求也比较大，要分析程序与程序之间的干扰。

 

方案2：

通过TI的两块MSP430F169为控制芯片，一块用作主机，一块用作从机，主机做电压，电流，相位检测以及保护电路。从机做spwm和频率检测，主机和从机以一组IO直接相连传输相位偏差。在成本方面，两块主控价格略高，但是外围电路需求比较简单，总体成本比低。而且程序之间干扰很少，能做到失真度比较小，频率跟踪稳定。主机还可以做扩展控制。

根据以上的分析，根据成本和失真度，我们选用两块MSP430F169做主控芯片。

 

1.2.2主体电路的选择

 

方案1：一级DC-AC做主体电路。DC-AC电路有升高负载的作用，虽然可调，但是 调整的范围比较小，做的MPPT不是很稳定。但是只有一级变换效率比较高。

 

方案2：用一级升压DC-DC做前级，用DC-AC做后级，两级输出。DC-DC做调整MPPT

，用前级反馈，实现比较简单。后级用DC-AC输出，输出可调。两级变换效率比较低，但电源的功率做到最大。

 

根据以上分析，我们选取第2种方案。

 

 

二：系统理论分析与计算

2.1最大功率点跟踪（MPPT）的分析

根据题目要求，输入电压Ud应该稳定在30V，故我们采用专用PWM控制芯片UC3525组成的DC-DC电路，我们通过前置反馈，通过闭环控制稳定输入电压Ud。稳定过程为，当Ud下降，输入回路Id上升，开关管的导通时间变长，D增大，当Ud升高，输入回路Id下降，开关管的导通时间变短，D下降，故从输入反馈的电压经过一个减法电路，总是让反馈电压为5-Uf（Uf为反馈电压），从而实现输入电压稳定，实现最大功率点的跟踪。

 

2.2DC-DC电路开关管和续流二极管的选择

在本设计中，输出电压最大为40V，开关的实际漏电流为2.5A，但考虑到实际的电压尖峰和冲击，电流和电流分别取2.5和2倍的余量，故开关的耐压最大应该是100V，最大导通电流为6A,基于上述要求，故选择Vds=200V,Id=30A,Rds=85mou的MOSFET管IRFP250，

这完全满足上述要求。

由于本系统是BOOST拓扑结构，因此续流二极管的选择非常重要，在电流中受大电容的影响，续流二极管应该满足最大整流电流为6A，最大反向电压为100V，受储能电感和开关的影响，续流二极管的反向恢复时间尽量短，鉴与此要求，选择肖特基二极管作为本系统的续流二极管，它的反向恢复时间短，导通压降小，可以满足题目的要求。

 

2.3. 升压电感的选择

本系统采用BOOST拓扑结构，BOOST电路工作在连续工作模式，根据BOOST电路输出电压的表达式，可得ＰＷＭ

Ｄ＝１－ＶＩ／Ｖｏ，

本系统采用开关频率为60Khz，最大输出电压为30V时占空比最大，最小输出电压24V时占空比最小

=30*0.5*（1-0.5）/60k*0.2*2.5=0.25mH

故选择0.3mH的线绕电感，导线直径为1mm.

 

2.4输出滤波电容的选择

考虑到输出电流可以达到1A，滤波电容计算如下:

=2*30*20ms/30*30-24*24=3700uF

实际选择5000ｕＦ。

为最大输出功率， 为最大输出电压，

为最低输出电压， 为交流的周期。

 

2.5.DC-AC的MOSFET选择

鉴于电路ＤＣ－ＤＣ电路的输出电压和输出电流，应该留足够的余量，故选择Vds=200V，Id=30A,Rds=85mou,四个同样的IRFP250组成桥式逆变电路，完全满足电流的需要。

 

2.6.DC-AC滤波电感和电容的选择

我们采用20Khz的高频载波，输出频率鉴于在45~55Hz，应该选取截至频率为250Hz的LC低通滤波器，根据f=1/2*pi*√LC,

实际C为26uf，L为15mH。

 

2.7.频率跟踪分析

根据题目要求，通过将参考的正弦波转换为方波，用通过单片机采用其频率，在通过单片机产生与其相同的频率的SPWM波形，从而实现频率跟随。
电路原理图如下：

2.8.相位跟踪分析

根据题目要求，将参考的正弦波和变压器反馈的交流电压转换为二路方波，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。

 

2.9.提高效率的方法

鉴与本系统的效率要达到0.8，故要提出提高效率的方法，为了降低开关管的功耗，选择导通电阻小的MOSFET，降低续流二极管的压降，故选择反向恢复时间短，导通压降低的肖特基二极管，为了降低升压电感的损耗，采用1mm的漆包线，采用磁导率不易饱和的铁氧体磁环，输出滤波电感应该选择高频铁氧体磁环，为了降低逆变回路MOSFET的损耗，用单片机产生2路20KHz的高频spwm波，和2路50Hz的方波，让二个管子一个工作在高频，一个工作在低频，这样大大的降低了开关损耗。

 

2.10.DC—AC的编码延时驱动

为了避免MOSFET同一桥臂的两个MOS管同时导通，故要设置死区，通过与非门和非门让每路波形的高电平缩小一点，从而实现死区设置。原理图如下：`

 

 

三、电路与程序设计

3.1电路设计

主体电路图见附录1

 

3.2软件设计

软件流程图如下；

3.2.1 SPWM的实现

       本逆变器的SPWM的实现是在PWM的基础上，周期性的变化占空比的比值，

在单片机内部 反映占空比的就是计数器的数值。在捕获到标准正弦波的零点时

单片机也开始发出周期相同、占空比不同的PWM的正弦信号零点。同时捕获到的正弦波的频率值，改变SPWM正弦信号的周期值。

相位跟随是由主机检测到的标准的正弦波和反馈得来的正弦波的相位差来决定SPWM的相位偏移。

具体程序见附录。

四.测试方案与测试结果

4.1测试仪器及结果

4.1.1测试仪器

60M  400Msa/s采样速率的双通道示波器  一台

DDS函数发生器（30M）                一台

KH4116B低失真度测量仪                一台

SS1792C直流稳压电源（2*30V）         一台

41/2数字万用表                         二块

4.1.2测试结果

①MPPT功能测试结果见表1。

表1 MPPT功能测试结果

 

电源电阻 （ ）	负载电阻 （ ）	（V）	(V)
30-36	30-36	30.1	29.0

②频率与相位跟踪测试

测试结果如图5所示。

 

图5频率与相位跟踪波形图

 

 

③DC-AC变换器效率测试结果见表2。

表2 效率测试

 

输入电压 （V）	输入电流 （A）	输出电压 （V）	输出电流 （A）	效率
30.0	0.90	20.1	1.10	81.9%
29.5	0.91	19.8	1.06	78.2%
29.0	0.92	19.5	1.05	76.8%

    ④过流与欠压保护测试

表3 欠压保护功能测试

 

Us变化方向	动作电压（V）	是否自恢复
从高到低	25.8	能
从低到高	24.8	能

表4 过流保护功能测试

 

动作电流（A）	是否自恢复
1.76	能
1.48	能
1.51	能

四、测试结果分析

经测量，各项指标均达到基本要求，部分指标达到发挥部分要求。其中MPPT功能，频率、相位跟踪功能，变换器的效率，欠压保护测试，过流保护测试等均已达到任务的基本要求。

 

 

 

 

五．参考文献

王兆安等.《电力电子技术》. [M].北京.：机械工业出版社.2000

王曾福等.《关电源原理与运用》.[M].北京：机械工业出版社.2003

陈永真等.《全国大学生电子设计竞赛试题精选》.北京：电子工业出版社.2005

秦龙.《MSP430单片机C语言运用程序设计》.北京：电子工业出版社.2005

 

 

 

 

 

附录1

 

系统的主电路图

 

交流采样电路图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附录2

 

/*****************************************************************************

    定时器B中断0  每次进中断改变占空比

******************************************************************************/

#pragma vector= TIMERB0_VECTOR

__interrupt void Time_B0()

{

 

  n++;

  if(n==N0)

  {   

   n=0;

   i++;

   TBCCR1=tab2;

   if(i==40)

   {

     i=0;

     P5OUT ^=0xff;

   }

  }

}

 

#pragma vector=TIMERA0_VECTOR

__interrupt void TimerA0(void)

{ 

 

    CCTL0&=~CCIE; // 关闭捕获中断0。

    TACTL |=TACLR;   

    i=35+m;           //设置点位初值，为延迟值+相位差

 

    CCTL1 |= CCIE; // 开捕获中断1

}

#pragma vector=TIMERA1_VECTOR

__interrupt void Timer_A1(void)

{

 

  switch( TAIV )

  {

  case  2:  CCTL1 &=~ CCIE; // 关闭捕获中断1。

            old_cap = TACCR1;

            bzfre = old_cap/200;

            old_cap =20000000/old_cap;

            ti[1]=old_cap;

            CCTL0 |= CCIE; // 开启中断0

            break;

  case  4:

            break;

  case 10:  break;

 }

}