1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 光伏并网发电模拟装置的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 在 能源短缺的今天 ，经常会用到各种各 样的能源来满足人的日常需求 。 作为最环保最光伏的能源 太阳能，对其进行一系列的开发利用已经 不是一件新鲜事了，例如比较常见的即太阳能发电。 我国是世界上主要的能源生产和消费大国之一，提高能源利用效率，调整能源结构，开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会可持续发展在能源方面的重要选择。所以在不久的将来，太阳能将被广泛利用而光伏利用的主要形式将是并网发电系统。 本系统的电
2、路主要由整流滤波、 DC-AC 变换、控制系统等组成。 输入的电压经过整流滤波变成直流电压 60V，然后经过正弦脉宽调整（ SPWM）的方式进行全桥逆变，形成占空比不断变换的 SPWM 波形，再经过 DC-AC 逆变电路经过整理滤波，输出满足题目所 要求的正弦波。该系统的 DC-AC电路采用了全桥逆变电路，驱动芯片采用 IRS2453。控制部分则采用了 ATMEL 的 MEGA128 单片机，用于 SPWM波形产生以及数据的采集和控制功能。实现了对电压进行逆变并且并入模拟电网以达到具有最大功率点跟踪功能 ， 并相对 偏差的绝对值不大于 1% ，具有 频率跟踪 功能，并 具有输 入 欠压保护功能
3、 和 输出过流保护功能 的技术指标。 关键词： SPWM，规则采样法，逆变电路， AVR 单片机 - 2 - Abstract Nowadays is an age of the shortage of energy sources, thus people make every use of various kinds of energy to meet their daily demand. Solar power, as a kind of most environmental and photovoltaic energy, has been exploited and utilize
4、d successively which is not new to the public for example, solar power generation is known to all. As China is one of the worlds major energy producing and consuming countries, it is vital to choose a way to improve energy efficiency, adjust energy structure and exploit new and renewable energy reso
5、urces in order to achieve the sustainable development of our countrys economy and society in the energy sector. Hence, solar PV will be widely used and as the main form of the grid system in the near future. The system mainly consists of the rectifier filter circuit, DC-AC conversion and control sys
6、tem components. Input voltage is rectified and filtered into a DC voltage 60V, and then through the sinusoidal pulse width adjustment (SPWM) means full-bridge inverter, changing the duty cycle of SPWM waveform, and then after a DC-AC inverter circuit through the finishing filter, the output sine wav
7、e required to meet the subject. The system of DC-AC inverter circuit uses a full bridge circuit, the driver chip IRS2453. Control part of the MEGA128 ATMEL microcontroller used for the SPWM waveform generation and data acquisition and control functions. Implementation of PV into the analog voltage i
8、nverter and the grid in order to achieve a maximum power point tracking function, and the absolute value of the relative deviation of less than 1%, with a frequency tracking function, and with input and output over voltage protection Stream protection of technical indicators. Key words: SPWM, Regula
9、r Sampling, Inverter circuits, AVR microcontroller - 3 - 目 录 1 引言 . 1 2 总体设计 . 2 2.1方案的设计和论证 . 2 2.1.1 DC-AC转换方案选择 . 2 2.1.2正弦脉宽调制（ SPWM）的产生方法 . 4 2.1.3 控制模块 MCU的选择 . 6 3 硬件设计 . 8 3.1 微处理器系统 . 8 3.2驱动电路 . 8 3.3 脉冲宽度调制电路 . 10 3.4控制电路 . 11 3.5 电源模块电路设计 . 12 3.6 过压检测、 过流保护电路设计 . 13 4 软件设计 . 14 4.1 总体程序
10、流程图 . 14 4.2 产生 SPWM信号的流程图 . 15 4.2.1输出频率计算子程序 . 15 4.2.2输出频率设置子程序 . 16 4.2.3显示程序 . 17 4.3AD转换子程序 . 20 5 制作和调试 . 23 5.1硬件电路的布局与焊接 . 23 5.1.1 电路组成 . 23 5.1.2 电路焊接 . 23 5.2调试电路 . 23 5.2.1调试过程 . 23 5.2.2调试结果 . 24 5.3开发工具概述 . 25 6 结论 . 26 致 谢 .错误 !未定义书签。 附录 1 系统实物图 . 28 附录 2 实验主要原理图 . 29 附录 3 程序代码 . 30
11、- 1 - 1 引言 我国是世界上太阳能资源丰富的国家之一，太阳能理论总储量为147100000000 吉千瓦 /年，从理论上讲，除去农田、草原、森林、河流、湖泊、道路等，在任何荒地和建筑上都可以安装光伏组件 1。 我国的并网光伏发电起步较晚，近年发展很快，截止 2003 年底，全国共有大中型太阳能光伏电站 800 多座，我国己初步掌握了并网光伏发电系统的关键技术，但是用于光伏并网发电中还有一些需要改善的地方。 为此， 本课题的目的是设计一个能够提高太阳能利用率减少电能损耗的光伏电网 模拟装置。 本方案的电路主要由模拟光伏电池、整流滤波、 DC-AC变换、控制系统等组成。 输入的电压经过整流滤
12、波变成直流电压 60V，然后经过正弦脉宽调整（ SPWM）的方式进行全桥逆变，经过 DC-AC 逆变电路进行整流滤波，输出满足题目所要求的正弦波。硬件部分的驱动芯片是 IRS2453，其特点是导通损耗低，开关效率高，是一个自振全桥驱动器，提高了开关电源的效率，符合当前全世界所提倡的节能标准。控制芯片则是使用 ATMEL 的 MEGA128 单片机。所有的 AVR单片机都带有 PWM 输出 ,AD， USART 等常用的资源，并且价格 相对低廉，且对于本课题的要求，产生 SPWM 波以及进行参考电压的频率测量，已经需要 2 个 16位的定时器了，同时考虑到系统软件设计所需要的资源，通过选择，故采
13、用MEGA128 单片机作为本系统的控制部分的 MCU。 - 2 - 2 总体设计 2.1 方案的设计和论证 根据此课题的要求，总体思路为 ，通过一个整波电路，模拟光伏发电产生的 60v 电压，再通过一个 30 欧姆的电阻连入 DC-AC全桥逆变电路，最后通过滤波后接入负载（如图 2-1）。 6 0 V 输 入全 桥 逆 变D C - A C滤 波变 压器负 载过 流 保 护控 制 电 路电 压 反 馈图 2-1 光伏并网模拟装置系统框图 2.1.1 DC-AC 转换电路 采用全桥型带变压器的 DC-AC 转换 。前级为功率因数校正（ PFC）电路，由Boost 变换器构 成（如图 2-2）
14、，用于提高 电 网测功率因数、降低网侧电流的 THD值，并为逆变部分提供一个合适的直流母线电压。后级的全桥逆变电路 （如图2-3） 完成正弦波逆变、快速调压稳流功能。逆变输出的高频 SPWM 波经过 LC 滤波，得到平滑正弦波。 EL V DVCR图 2-2 Boost 电路 - 3 - 升压斩波电路在工作时，当电路中 V 处于通态时， 电压向电感充电，充电电流基本恒定，同时电容 C 上的电压向负载充电 ，因为电容的值很大，基本能持输出电压为恒值。假设当 V 处于通态的时间为 t1，此时 E和 L都向电容 C充电，并向 R提供能量； V处于断态的时间为 t2，此期间电感 L释放能量 u0如公式
15、（ 2-1）。 0 12u 22t t TEEtt(2-1) 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是 L储能只具有使电压上升的作用，二是电容 C可将输出的电压保持住。 由图可以看出当 V处于通态时因为电容的作用使得输出的电压 U 不变，但实际上 C值不可能无穷大，此时其向负载放电， U必然会有所下降。 单相电压型全桥逆变电路共有 4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。4个桥臂交叉组对，即桥臂 1、 4和桥臂 2、 3各组成一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 180 9。其输出电压幅值比半桥电路高出一倍。 V 1V 2V 3V 4RV D 1V D 2V
16、D 3V D 4图 2-3 单相电压型桥式逆变电路 工程设计时，通常要在带宽、频率精度、频率切换 时间、相位噪声等要求中综合考虑。因此，出现多种技术结合起来构成的混合频率合成技术。采用变压器，可起到隔离输入输出信号，且做到输入输出电压宽，占空比合适；采用双管推挽自耦变压器，使得两个晶闸管轮流导通，提高效率；同时起着开关作用；另外这可降低对开关器件的要求，且全波整流纹波系数低。 - 4 - 2.1.2 正弦脉宽调制（ SPWM）的产生方法 在模拟电子电路中，采用正弦波发生器，三角波发生器和比较器来实现上述的 SPWM 波。利用三角波发生器产生的等腰三角波作为载波，当它与正弦波调制信号相交时，通过
17、比较器进行比较出的波形就是 SPWM波。虽然本方案产生的 SPWM波信号具有连续性好，控制方式相对简单。但是在本题中，需要对产生的 SPWM波做到精细的控制，所以该方案在本题中难以得到应用。 规则采样法是一种应用较广的工程使用方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。取三角波两个正峰值之间为一个采样周期 TC。在自然采样法中，每个脉冲的中点不和三角波一周期的中点重合。而规则采样法使两者重合，也就使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点对称，这样就使计算大大简化，易于进行数字控制。 由 脉宽调制技术方式构成的逆变器，其输入为 一个 固定不变 的直流电压 源。这种逆变器 由于 只有一个
18、可控的功率级， 大大 简化了主电路和控制回路的结构，且具有 体积小、重量轻、可靠性高 的优点。 又因为 此种逆变器 集调压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好。此外，采用脉宽调制技术不仅能够提供较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。 按正弦规律变化和正弦波等效的 PWM 波形来确定 SPWM 脉冲宽度。它是一种使用的比较多的 脉冲宽度调制控制方法 ，也是 目前在单相正弦逆变电源的逆变器中普遍采用 的 脉冲宽度调制 (PWM)技术。 然而在 工程实际中应用最多的是正弦PWM(SPWM)法。 此法通常采用等腰 三角 形或者锯齿波作为 PWM 波的载波，等腰
19、三角形应用最多，因为其任意一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称，与任一平缓变化的调至信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合 PWM 的要求 10 。 SPWM 调制是指按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效 3。 图 2-4示三角波调制法的能量等效图。 为了得到 更加 接近于正弦波的脉宽调制波形，我们可以将 一个 正弦波的周期在时间上划分为 A 等分 (A是偶数 )，每一等分的脉宽都是 2 /A。这样就可以分别计算出在各个时间间隔 段内 所包含的面积 ， 如图 2-5在特定的时间间隔中，我-
20、5 - 们都可以用一个脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例。 用 脉冲幅度都等于 U的一个矩形脉冲来分别代替相应的正弦波部分 ， 这样 由 A份 宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形 ，即 SPWM 波 。 按 SPWM 控制 方式 ， 全桥逆变器的控制脉冲可分为双极性 控制 方式 和 单极性控制 方式 。当三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，在正弦调制波的半个周期内，所得到的 SPWM 波也只处于一个极性的范围 内，叫做单极性控制方式如图 2-7。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM 波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式如图
21、2-6 tOua )b )图 6 - 3Ou t图 2-4PWM 调制原理 图 2-5 极性 SPWM 原理 图 2-6 双 极性 SPWM 原理 基于上面 SPWM 基本原理的分析，通过 正弦 调制波对载波的脉宽进行调节，我们 就能 得到 等 幅值 不等脉宽 的正弦波电压 8。 此 脉宽调制的一个重要特点是输出波形中基本不 包 含 有 低次谐波，在脉宽输出波中仅 仅 存在与载波频率相近的高次谐波。实现正弦波脉宽调制 波形有多种方法，主要有模拟方法，数字方法等。 在模拟电子电路中，采用正弦波发生器，三角波发生器和比较器来实现上述的 SPWM 波。利用三角波发生器产生的等腰三角波作为载波，当它与
22、正弦波调制信号相交时，通过比较器进行比较出的波形就是 SPWM 波 9。 如图 2-7 虽然本方案产生的 SPWM 波信号具有连续性好，控制方式相对简单。但是在本题中，需要对产生的 SPWM 波做到精细的控制，所以在本题中难以得到应用。 图 6-5u ru cuO tO tu ou ofu oU d-U d图 6-6u r u cuO tO tu ou ofuoU d-U d- 6 - 图 2-7 模拟电路之比较器 实现 SPWM 2.1.3 控 制模块 MCU 的选择 51 单片机廉价并且供货充足。但是在本题所需要的控制系统中需要实时产生SPWM 波形已经进行实时的计算，由于传统的 51 单
23、片机没有 PWM 输出模块，且资源相对较少，难以进行控制。虽然市面上有“增强型”的 51 单片机带有 PWM输出及 AD 检测等功能，但是供货相对紧张，价格较贵，且多数并不具有很好的IDE 环境。因此，在本设计方案中不采用 51 单片机进行控制。 AVR 单片机是具有精简指令结构的单片机，且采用哈佛总线结构，具有较高的运算速度，最高可以达到 16MIPS。一般来说所有的 AVR 单片机都带有 PWM 输出 ,AD， USART 等常用的资源，并且价格相对低廉。 目前较通用的单片机系统有 ，AT89 系列 、 PIC16F87 系列 、 C8051 系列、 AVR 系列单片机 ，如表 2-1 表
24、 2-1 89C51 系列 PIC16F87 系列 8051 系列与 AVR 单片机的比较 闪存空间 DAC个数 ADC有无 最高时钟频率 时钟周期与指令周期比 指令执行速度（ MIPS） 矢量中断 AT89C51 4KB 0个 无 无 12MHz 20MHz 1/12 1/1 1 20 6个 14个 PIC16F873 8KB 0个 C8051F005 MEGA128 32KB 2个 有 25MHz 1/1 25 21个 35个 4KB 0个 有 16MHZ 1/1 16 具体比较： MEGA128 高性能 8 位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器 CPU、存储器、寄存器、 I/O 接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机。高性能、低功耗具有先进的 RISC 结构，大多数可以在一个时钟周期内完成 133 条指令有 32 x 8 通用工作寄存器外设控制寄存器且全静态工作，工作于 16 MHz 时性能高达 16 MIPS 只需两个时钟周期的 硬件乘法器非易失性的程序和数据存储器，其具有独立锁定位、可选择的启动代码区能通过片内的SPWM 三角波发生器 正弦波发生器 比较器
