1、毕 业 设 计光伏并网发电模拟装置学生姓名 学 号 090910047学 院 计算机与信息工程学院专 业 电子信息工程班 级 电信 0902 班指导教师 职 称 副 教 授湖 南 商 学 院2013 年 5 月湖 南 商 学 院 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计（论文） ，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本
2、科毕业设计作者签名：年 月 日摘要本设计的光伏并网发电模拟装置系统是以 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 逆变的发电模拟装置。最大功率点跟踪（MPPT ）绝对误差小于 1%，利用 MSP430F160 单片机软件设计实现锁相环，用参考频率作为基准频率，对 MSP430F160 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 80%，采用LCD 液晶显示
3、器显示，能直观、简洁地显示输出电压、电流，具有良好的人机交互性能。本文详细阐述了单片机 MSP430F169 的内部结构，系统硬件电路和软件程序的设计及调试过程以及结果测试，同时给出总体设计的流程图、原理图等。涵盖了从需求分析、系统设计、程序编程、系统原理图、设计 PCB 图以及最后的试验板焊制等产品开发的基本过程。关键词光伏并网 MSP430F169 DC-AC 软件锁相ABSTRACTThe design of the photovoltaic power generation system based on MSP430F169 microcontroller simulator cor
4、e, microcontroller SPWM waveform output by the H-bridge driver IR2110 achieve DC-AC inverter power generation analog devices. Maximum Power Point Tracking (MPPT) absolute error less than 1%, the use of MSP430F160 MCU software design and implementation phase-locked loop, the reference frequency as th
5、e reference frequency of MSP430F160 MCU external interrupt and timer determination phase, when the feedback voltage signal phase lag (ahead of) the phase of the reference signal, the increase (decrease) SPWM frequency; achieve phase and frequency synchronization. Including resistive load, as well as
6、 non-resistive load, to achieve a frequency tracking, phase tracking. DC-AC conversion efficiency of 80%, with LCD display, can directly and succinctly shows the output voltage and current, with good interactive performance.This paper describes the internal structure of MSP430F169 MCU, the system ha
7、rdware and software design and debugging process and results of the test, and gives the overall design flow chart, schematics, etc. Ranging from requirements analysis, system design, programming, system schematics, PCB design diagrams and final test plate welding system and other basic process of pr
8、oduct development.KEY WORDSPV grid MSP430F169 DC-AC software lock目录1 前言 .12. 选题背景 .12.1 设计课题来源及其意义 .12.2 课题设计的主要内容 .23.光伏并网发电模拟装置原理 .23.1 最大功率点跟踪（MPPT) .23.2 DC-AC 逆变原理 .23.3 正弦脉宽调制 SPWM .43.4 单相全桥逆变中的 SPWM 控制 .94.光伏并网发电模拟装置的总体设计 .124.1 系统总体方案设计 .124.2 系统总体方案实现手段 .134.3 正弦逆变器控的制电路设计 .144.4 逆变电路设计 .1
9、44.5 MTTP 功能设计 .145. 方案选择与论证 .145.1 DC-AC 逆变方案选择论证 .145.2 控制器方案选择论证 .145.3 滤波器方案选择论证 .155.4 频率、相位跟踪方案选择论证 .155.5 正弦脉宽调制 SPWM 及驱动电路方案选择 .166. 系统实现方案 .166.1 DC-AC 主回路 .176.2 精密整流电路 .186.3 保护电路 .186.4 程序原理图和误差产生和改进 .197. MSP430F169 的单片机简介 .197.1 主要部件及其功能 .207.2 引脚说明 .228.理论分析与计算 .258.1 MPPT 的控制方法与参数计算
10、.258.2 同频、同相的控制方法与参数计算 .268.3 提高效率的方法 .268.4 滤波参数的计算 .279.测试方案与测试结果 .279.1 测试仪器 .279.2 测试步骤 .279.3 测试结果 .289.4 MPPT 功能测试 .299.5 频率跟踪测试 .299.6 相位跟踪测试 .309.7 输出电压 THD 测试 .369.8 效率测试 .369.9 过流、欠压保护测试 .369.10 测试结果分析 .36参考文献 .36致 谢 .38附录 1 主电路原理图 .40附录 2 仿真程序 .40光伏并网发电模拟装置1 前言随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断的增加，世界上的
11、化石能源总有一天会消耗殆尽。同时，由于大量化石能源的燃烧，使得全球生态环境日益恶化，对人类的生存和发展造成了巨大威胁。在这样的背景下，太阳能作为可持续再生能源，引起了人们的重视。而在我国，光伏系统的应用才刚刚起步，市场状况尚不明朗。针对这样的情况，开发太阳能，发展前景广阔的并网发电系统是当今解决自然环境的必经途径。分析了目前光伏市场的瓶颈并预测了未来光伏发电的前景。相信作为当今发展速度最快的高新技术之一，太阳能光伏发电技术，特别是光伏并网发电技术,它将为今后的电力工业以及能源结构带来革命性变化。2. 选题背景2.1 设计课题来源及其意义设计题目是由指导老师下发，经过初选到最终确认的。本设计是光
12、伏并网发电模拟装置，光伏并网发电是一种清洁的能源利用途径，能对环境改善和资源的循环利用起到很大的促进作用 。本设计无论是对自身能力的提高和理论知识的实践运用，在此基础上最终选择了光伏并网发电模拟装置的设计。2.2 课题设计的主要内容 本设计是光伏并网发电模拟装置，由于条件的局限性和设计题目的要求，采用蓄电池模拟光伏电池，作为直流电源，设计的主要内容包括光伏阵列 MTTP控制，逆变并网 DC-AC 转换，逆变器的设计是本设计的重点。具体设计是，用直流稳压电源 US 和电阻 RS 模拟光伏电池，US=60V，R S=3036； uREF 为模拟电网电压的正弦参考信号，频率 fREF 为45Hz55
13、Hz，其峰峰值为 2V， ；T 为工频隔离变压器，变比为n3:n2:n1=1:20:10，将 uF 为输出电流的反馈信号；负载 RL=3036 范围内变化。系统设计的主要能完成的功能为：（1）频率跟踪功能。 （2）醉倒功率（MPPT)跟踪功能。(3)输入欠压保护。 （4）输出过流保护。(5)当 RS=RL=30时，DC-AC 变换器的效率 60%。 （6）当 RS=RL=30 时，输出电压 uo 的失真度 THD5%。其结构框图如图 2.1 所示：图 2.1 光伏并网发电模拟装置框图3.光伏并网发电模拟装置原理 光伏并网发电装置是利用太阳能发电的电力系统，其中光伏电池是利用光能转换层电势能的原
14、理制成的发电装置，经过汇流再将电流送到逆变装置中。由于题目要求整个模拟装置系统主要模拟光伏电池和并网逆变器两部分组成。模拟烦人光伏电池经过并网逆变器将直流电转换成交流电为负载提供所需电力。3.1 最大功率点跟踪（MPPT) 不同的光照强度和环境温度光伏电池的输出电压不同，因此，输出也成非线性，光伏电池只有在某个特定的值时才能产生最大的输出功率，此时产生最大功率为最大功率点（Maximum Power Point ，MPP） 。要提高光伏并网发电模拟装置的整体功率也就是要控制光伏电池的最大功率点，使其工作在最大点附近，这个过程就是最大功率点跟踪（Maximum Power Point Track
15、ing ， MPPT） 。由于设计要求光伏电池由给定直流电源模拟代替，因此改变负载和 RS 的大小来调节最大功率点，使输出保持在最大功率点。当负载 RL 从 0 到无穷大变化时，其负载 V-I 曲线是一条抛物线如图3.1，R s 不变，调节 RL 使其输出工作在最大功率点，设最大功率点为Pm,RL=Rm，曲线上任何一点为工作点，横、纵坐标分别对应此时的工作电压、电流，再调节 Rs，R L 保持不变，作出对应的 V-I 曲线， Pm 对应的 Vm 值即为直流点所提供最大负载的电压，调节 Rs 到对应的电压值，得到最大功率点直流电源电压值，即最大功率点。由于 RS=3036、R L=3036，所以
16、不能完全达到理想化的最大点，只能在变化范围内寻找最大点并进行控制调节。图 3.1 直流电源输出负载特性曲线最大功率点跟踪的目的是将直流电源所提供的电能尽可能的提供给负载，使得整个系统效率尽可能的提高，本设计是使当 RS=RL=30 时，DC-AC 变换器的效率 60% ，MPPT 就是一个动态寻优的过程，通过对输出电流、电压的检测得到当前输出功率，再与被存储的前一时刻的功率比较，舍小取大，依次类比，得到动态工作的最大功率点，控制框图如图 3.2 所示。当负载特性和输入直流电压的焦点在最大功率点电压 Um 的左边时，通过 MPPT 的调节作用使直流电压升高，反之则降低电压，控制过程如图 3.3 所示。图 3.2 MTTP 控制框图
