光伏并网发电模拟装置(09全国大学生电子设计大赛全国一等奖)

源失真度，Ki 为加上信号源测被测设备产生的失真度。见附件 1.4
7
测量 Ki Ci
失真度
4.2% 0.66% 4.3%
结果
附件 1.4 (5)输入欠压保护功能。动作电压 Ud(th)=(25±0.5)V。 经过测试，欠压保护电路动作电压 Ud=25.3V
(6)输出过流保护功能。动作电流 Io(th)=(1.5±0.2)A. 经过电路动作电流在 1.48A
光伏并网发电模拟装置
全国二等奖 四川理工学院 刘勇 郭振建 李岱 摘要 本光伏并网系统以 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。最大功率点跟踪（MPPT）绝对误差小于 1%，利用 430 单片机软件实现锁相环，用参考频率作为基准频率，对 MSP430 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 88%，，人机接口 LCD 液晶显示器，界面直观、
图 9 欠压保护 (2)过流保护电路。如图 10 所示 ，该过流保护电路，主要解决方案是在输出回路中串 联一自绕的互感线圈，使输出电流变换反映到互感线圈的次级，在送测量放大电路处 理后，送单片机 AD，当输出电流超过 2.
4
图 10 过流保护 3、主程序流程（详细程序见附件 8）
开始
初始化
ADC 采样
(7)过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复正常状态. 电路在排除故障后，都能自恢复。
(8)重要程序。附录 8
#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #include "io430.h" #include "in430.h" #include "LCD.h" #include "show.h"
输出电压（V） 输出电流（A） 输出功率（W） 效率 η=Po/Pi=
14.37 1.77 25.4349
87.9%
附件 1.3 （4)当 Rs=Rl=30Ω 时，输出电压 uo 的失真度 THD≤5%。此次测试使用 ZC4121A 失
真度测试仪，SU3100 DDS 函数信号发生器，其失真度
，其中 Ci 为信号
图 6 LC 滤波
3
三、电路与程序设计
1、DC-AC 主回路与器件 (1)DC-AC 逆变部分如图 7 所示。DC-AC 逆变是本设计的核心，MSP430 单片机输出的 SPWM 波形，由于其 IO 驱动能力不足，不能直接驱动由四个 mosfet 管 IRF540 组成的 H 桥，所以电路加入 IR2110 驱动芯片，该芯片驱动电路简单，成本低，最重要的就是 其输出驱动波形好，有利于提高电源效率，
6
失真度测试仪（测试精度高，操作方便，性能可靠 ■失真测量范 围可打 ％ 0.01 ■电平自动校准，测量时不受输入信号电平的影响，
1
不需 进行满意度校正。 ■频率自动跟踪）ZC4121A
附件 1.1
2. 最大功率点跟踪（MPPT）通过改变 Rs 和 Rl 在给定范围内（30Ω~36Ω）变换时，
使 Ud=1/2Us。使相对偏差的绝对值不大于 1%。
fFEF (Hz) 45 50 55
fF (Hz) 44.9 49.9 54.95
80
相对偏差 0.04 0.2 0.09%
绝对值
%%
(3)当 Rs=RL=30Ω 时，DC-AC 变换器的效率 η≥60%。见附件 1.3
5
(4)当 Rs=Rl=30Ω 时，输出电压 uo 的失真度 THD≤5%。此次测试使用 ZC4121A 失真
施密特整形
参考 精密整流
滤波电路
输
入 过零比较 整形滤波
显示部分
辅助电源
图 4 总体框图
二、理论分析与计算
1、MPPT 的控制方法与参数计算 MPPT 的控制方法很多，如恒定电压控制法、扰动观测法、导纳增量法，模糊控制法， 本题要求 Rs 和 RL 在给定范围内变化时，使 Ud=1/2Us。所以本题为恒定电压控制法。 实现方法如图 5 所示
同步方波信号输入 D S P 的外部中断口，捕捉电网电压的过零点，检测同步信号的上
升沿，可以实现方案。
经过我们小组讨论，最终方案如下图 4 所示
直
欠压保护
DC-AC
LC 滤波 隔离变压器 负
流
载
稳
压 电 MPPT 源
IR2110 驱动电路
反馈绕组
电
波 SPWM
精密整流 流
检
正
过零比较 测
弦 信 号
MSP430F169 单片机
1
方案二：如图 3 所示，用 MSP430 单片机进行过零检测。实现并网发电，关键是输 出的电压要和电网电压同相位。实时检测电源电压的过零点和频率，根据 过零点和频率就可以跟踪输入的电源电压的相位，实现同步，但是用 MSP430 单片机 进行频率、相位跟踪，实现需要很大考验。
图 3 过零检测电路
方案三：采用速度更快的 DSP。将电网电压信号经滤波、 整形产生同步方波信号，
相位偏差绝 3.5
对值
°
3°
3°
(4)过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复正常状态。见附件 1.7 3、测试结果及其完整性
4、测试结果分析
在几天的调试中，我们发现困扰我们前进的做大原因就是干扰，由于相位跟踪、频率 跟踪，在光伏并网中十分难实现的指标，一般做光伏并网都是采用 DSP 等高速的微处 理器，而我们此次设计的光伏并网采用 8M 单片机的 MSP430F169 实现了频率和相位
度测试仪，SU3100 DDS 函数信号发生器，其失真度
，其中 Ci 为信号源
失真度，Ki 为加上信号源测被测设备产生的失真度。见附件 1.4
(5)输入欠压保护功能。动作电压 Ud(th)=(25±0.5)V。见附件 1.5
(6)输出过流保护功能。动作电流 Io(th)=(1.5±0.2)A。见附件 1.6
实现了题目中的大部分要求，能够跟踪相位，频率和转换效率，欠压保护，我们非常
的高兴。感谢组委会跟我们的这次锻炼机会。我们会在以后的学习中更加努力。
参考文献
[1] 王志刚 龚兴华 谢嘉奎 编著《现代电子线路》 北京：清华大学出版社；北京交通 大学出版社，2003.2 [2] 高吉祥 主编，刘希顺 刘菊荣 高勐 编著《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》 北京：电子工业出版社 2007.5 [3] 周志敏 周纪海 纪爱华 编著《逆变电源实用技术》北京：中国电力出版社，2005
简洁，显示输出电压、电流，具有良好的人机交互性能。
关键词：光伏并网 MSP430F169 DC-AC 软件锁相
一、系统方案设计、比较与论证
根据题目要求分以下几部分进行方案设计与论证： 1、正弦脉宽调制 SPWM 的及驱动电路方案选择
方案一：采用可输出 SPWM 波形的控制芯片 SG3525。该芯片能直接驱动功率场效应 管，具有内部基准源、运算放大器和欠压保护功能，外围电路简单。
RS
30Ω
30Ω
36Ω
36Ω
RL
30ΩFra Baidu bibliotek
36Ω
30Ω
36Ω
Ud
30.3
30.25
30.12
30.15
相对偏差绝对值
≤1%
≤1%
≤1%
≤1%
(3)当 Rs=RL=30Ω 时，DC-AC 变换器的效率 η≥60%。
输入电压（V） 输入电流（A） 输入功率（W） 附件 1.2
30.14 0.96 28.9344
的跟踪，在此过程中，学到了很多东西，就是在以后的电路设计中，一定要处理好电 源的退偶，就是在高频电路设计时，PCB 布局，PCB 走线，都是非常重要的。
5、总结：这次能有机会参加电子设计大赛，我们大二的三位同学都非常高兴，这两个 月的磨练和这四天的比赛，使我们学会了很多，也感受了许多，此次我们选择的是 A 题，模拟光伏并网发电装置，我们使用的是 MSP430 单片机，在四天的努力中，我们
方案二：采用 MSP430F169 单片机输出 SPWM 波形，再送 IR2110 驱动 H 桥。此方案 控制电路简单，靠软件产生 SPWM 波，成本低，有调试经验，此方案可取。
方案三:如图所示，用比较器组成的正弦脉宽调制电路，所得 SPWM 波形最接近正弦 波。但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽 表达式是一个超越方程，计算繁琐，调试困难。
6
附件：
序号 1、测试时所用仪器。
仪器
数量
1 三位半数字万用表
VC89D
1
2 LCR 数字电桥
CB-2812
1
3 直流稳压电源
YB1732A3A
1
4 函数信号发生器（100M）
SU3100
1
5
2数5G字S存a/s储等示效波采器样（率1）00
MHz
双通道
250MSa/s
实时采样率和
GDS-1102
1
是否欠压
最大功率跟踪
欠压保护
是否过流
过流保护
更新显示
四、测试方案与测试结果
1、测试时所用仪器。见附件 1.1
2、测试方案及测试条件
2.1 基本要求测试
(1)最大功率点跟踪（MPPT）见附件 1.2
(2)频率跟踪
当 fREF 在 45Hz~55Hz 范围内变化时，使 uF 的频率 fF=Fref,相对偏差绝对值不大于 1%。
2
如图 5 MPPT 跟踪 如图所示：我们得 Ud=Us-Ul，为使 Ud=1/2Us，通过取样电阻网络，用 MSP430F169 内 部 12 位 AD 采样，控制单片机输出 SPWM 的占空比，改变输出电压，使 Ud 稳定在 1/2Us， 此方案简单，容易实现。 2、同频、同相的控制方法与参数计算 用 MSP430 单片机软件实现锁相环，用参考频率作为基准频率，用 430 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于参考信号的相位时，就增大 SPWM 的 频率；否则就减小 SPWM 的频率，使最后达到相位和频率同步。但是，我们在实际测试 中发现，真正要实现同频、同相，对电路的要求非常高，对 PCB 布局，对 PCB 布线都 是很有讲究的，由于程序靠查询 430 单片机外部中断，所以，当外部输入信号包含尖 峰脉冲或者是非标志波形时，很难实现方案。所以，我们在送单片机中断口时，加入 施密特触发器，和滤波电路，而且要尽量靠近此中断口，这样很有效的实现了，频率 和相位的追踪，无需任何相关电路，真正由一个 8M 单片机实现光伏并网。 3、提高效率的方法 （1）采用环形变压器。由于其内部结构用优质冷轧硅钢片无缝地卷制而成，线圈均匀 地绕在铁心上，线圈产生的磁力线方向与铁心磁路几乎完全重合，与叠片式相比激磁 能量和铁心损耗将减小 25％，漏磁最小，效率可达 95%左右，其效率优于传统变压器。 （2）采用 IR2110 驱动芯片。由于 IR2110 驱动芯片驱动 mosfet 管驱动波形的正向边缘 陡直，幅度大，能减小开关管趋于导通时的上升时间。使 H 桥中的 mosfet 管能够可靠 的交替导通，开关损耗降低，非常有利用提高整板效率。 4、滤波参数的计算 由于 H 桥以高频的 SPWM 波形工作，输出滤波器的作用是滤出高次谐波分量，使输出 波形接近于正弦波。滤波器的设计应使输出电压谐波少、阻频特性好、滤波功耗小， 但是实际 LC 滤波电路，计算相对复杂，最重要的是算出的电感值一般不易购买到，所 以我们参考经验公式，选用常见 LC 滤波电路，此处滤波电路如图 6 所示。
图 1 SPWM 产生电路 综合题目要求，为实现方案，选择单片机输出 SPWM 波，选择方案二。 2、频率、相位跟踪方案选择
方案一：如图所示，采用锁相环芯片 CD4046 的相位控制系统，能够自动跟踪输入 信号的频率和相位。但是有效的锁相要求芯片对输入波形、PCB 布局、滤波网络参数 要求较高。
图 2 锁相环电路
2.2 发挥部分测试 (1)提高 DC-AC 变换器的效率，使 η≥80%（Rs=Rl=30Ω）。 (2)降低输出电压失真度，使 THD≤1%(Rs=Rl=30Ω) 。 (3)实现相位跟踪功能：当 fREF 在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证 uf 与 uref 同相，相位偏差的绝对值≤5°。 fREF（Hz） 45 50 55
图 7 DC-AC 主回路 (2)精密整流电路图 8 所示。该电路实现把隔离变压器的交流反馈信号变换成直流信号， 方便数字部分即单片机处理，此外该电路还实现了阻抗变换，降低输入阻抗。
图 8 精密整流电路 2、保护电路 (1)欠压保护电路。电路如图 9 所示，该电路通过对电阻 R1,R2 上分压进行 AD 采样， 送 MSP430 单片机处理，判断 R2 上的电压值，当输入电压小于 25v，此时 R2 上电压 值小于 1.2V 时，单片机驱动继电器断开后极电路，起到欠压保护功能。