光伏并网发电模拟装置

光伏并网发电模拟装置*王 维1, 和 伟1, 李 鑫1, 高廷丽2, 冯 迅2(1.云南师范大学物理与电子信息学院,云南昆明650092;2.云南师范大学计算机科学与信息技术学院,云南昆明650092)摘 要: 系统采用HT1112单稳压纯正弦波逆变芯片,结合锁相环技术,选用SPCE061A 凌阳单片机作为辅助控制器,设计并制作了一个光伏并网发电模拟装置。

通过自制基于正弦脉宽调制技术推动的逆变电源系统,并采用数字电路实现大环路锁相,稳定输出频率及相位。

本系统核心部分完全由硬件来实现,单片机部分用来监控整个系统的工作状态及实现保护功能,模拟市电电网部分也由单片机来实现。

通过硬件和单片机之间的配合,实现了逆变电压输出,相位跟踪、频率锁定等技术,最终实现光伏并网发电。

通过键盘输入、液晶显示形成人机交互界面,系统操作简便快捷,功耗低,性价比高,环保可复用,实现效果良好。

关键词: 光伏并网,HT1112芯片,正弦脉宽调制,锁相环,开关电源,SPCE061A 单片机中图分类号:0441 文献标识码: A 文章编号: 1007-9793(2010)01-0056-04近几年国际上光伏发电快速发展,2008年全球光伏市场增至515G W 。

虽然受金融危机影响,但世界上各个国家的政策扶持力度却在逐年加大。

在/光明工程0先导项目和/送电到乡0工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下,中国光伏发电产业迅猛发展[1][2]。

提出了多种光伏发电的方法,系统方案不断改进,并取得了很好经济效益和社会效益[3][4]。

本系统采用HT1112单稳压纯正弦波逆变芯片,结合锁相环技术,选用SPCE061A 凌阳单片机作为辅助控制器,设计并制作了一个光伏并网发电模拟装置。

通过硬件和单片机之间的配合,实现了逆变电压输出,相位跟踪、频率锁定等技术,最终实现光伏并网发电。

1 理论分析与计算111MPPT 的控制方法与参数计算为了使系统得到最大输出功率,必须始终让逆变电源的输入电压值始终保持在光伏电池电压的一半;为了实现最大输出功率点的动态追踪,必须时刻让逆变器的输入电压始终跟随光伏电池电压变化。

在本系统中,采用单片机动态监测光伏电池电压,并做D /A 变换来控制HT1112的12引脚,以达到动态调节输出电压的目的,从而实现功率点的动态追踪。

112(锁相环)PLL图1 基本锁相环组成框图F i g 11 PLL net work第30卷第1期2010年1月云南师范大学学报Journa l ofYunnan Nor m alUn i v ersityV o.l 30No .1Jan.2010*收稿日期:2009-10-22基金项目:国家自然科学基金资助项目(50367001);5信号与系统6校级精品课程建设项目.作者简介:王维(1987-),女,云南省玉溪市人,主要从事电磁场方面研究.通讯作者:和伟,博士,教授.图1是锁相环的基本组成框图,它主要由参考电压输入端,鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成。

压控振荡器的输出Uo (t)接至相位比较器的一个输入控振荡器的输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压U c(t)大小决定。

施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号U i(t)与来自压控振荡器的输出信号U o(t)相比较,如果电压有偏差则输出一个v V来调整VCO的输出频率,从而使输出频率和输入信号频率保持一致,最终达到相位锁定。

在本系统设计中没有单纯的利用PL L来实现某部分频率和相位的跟踪,而是把整个系统设计成一个大的PL L,最终实现整个系统的相位和频率跟踪。

113欠压保护和过流保护[5]通过单片机对光伏电池输入电压进行实时监控,如果发现输入电压跌落,让单片机产生一个低电平脉冲注入HT1112的第十一脚,让整个系统停止工作,并通过液晶屏显示欠压保护警告。

通过单片机对逆变输出电流进行实时监控,如果发现输出电流瞬间大幅度增大,让单片机产生一个低电平脉冲注入HT1112的第十一脚,让整个系统停止工作,并通过液晶屏显示输出端过流保护警告。

114提高效率的方法逆变电源实现的方式当中,目前以SP WM为效率最高。

它通过连续输出取样频率固定、占空比按正弦规律变化的方波,来推动功率桥接开关,进而推动升压变压器输出工频电压,为负载提供电能。

在整个过程中,功率管始终工作在开关状态,效率非常高。

脉冲占空比按正弦规律变化,让谐波成分大大减小。

115开关电源的理论分析由于光伏电池产生60V的电压,而为逆变器工作的设备电压仅为5-12V,压差较大。

为提高效率,本开关电源采用DC/DC的变换方式[6],具体如图2所示。

图2DC/DC变换原理F ig12DC/DC c ircuitJ1为开关管,L1为储能电感,C1为滤波电容,D1为续流二极管。

当开关管导通时,电感被充磁,电流线性增加,电能转换为磁能存储在电感中。

设电感的初始电流为i L0,则流过电感的电流与时间:t iLo=i L1+(Vi-V o-Vs)t/L,V s为T的导通电压。

当T关断时,L1通过D1续流,从而电感的电流线性减小,设电感的初始电流为i L1,则流过电感的t的关系:i L o=iL1-(V o+V f)t/L,V f为D1的正向饱和电压。

2电路与程序设计211电路设计开关电源的效率比线性稳压电源高,而且效率不随输入电压的升高而降低,电源不需要大散热器,体积较小,电路简单且效率满足要求。

由于PJ34063芯片的电源电压范围宽(为3V-18V),动态功耗小,因此,我们用其自制了降压型开关电源,电路图见图3.图3开关电源电路图F ig13Switching Po wer Supp l y212主程序设计本设计采用以HT1112和PL L为主, SPCE061A为辅的系统控制方案。

软件部分主要涉及到模拟电网波形的产生,用查表的方式输出45H Z)55H Z范围内的正弦波并能以1HZ的步进频率进行调整,半个周期内有两百个点作为采样点,可得到非常精确和稳定的正弦波。

同时能显示实时频率值。

主程序流程图如图4.#57#第1期王维,等:光伏并网发电模拟装置图4 主程序流程图F i g 14 M a i n progra m213总体设计图5 总体设计F i g 15 Tota l desi gn根据之前的论证,系统采用HT1112逆变芯片,结合SPCE061A 单片机,并辅以各个功能模块设计制作了一个光伏并网发电模拟装置。

系统主要由SP WM 信号产生、HT1112控制、桥接功率开关管、PL L 锁相环以及开关电源五个模块构成,见图5.3 测试方案与测试结果各项指标均达到要求,并且大部分指标优于题目要求。

测试数据见表1和表2.表1 基本部分测试数据Tab 11 E ssenti a l part of t he test data基本要求目标性能实际性能具有MPPT 功能R S 和RL 在给定范围内变化时,相对偏差的绝对值不大于1%。

基本实现具有频率跟踪功能当f REF 在给定范围内变化时,使uF 的频率f F =f REF ,相对偏差绝对值不大于1%。

实现DC-AC 变换器的效率当RS=RL=308时,DC-AC 变换器的效率\60%。

实现输出电压uo 的失真度当RS=RL=308时,输出电压uo 的失真度T HD [5%。

实现具有输入欠压保护功能动作电压Ud(th)=(25?015)V 实现具有输出过流保护功能动作电流Io(t h)=(115?012)A实现#58#云南师范大学学报(自然科学版)第30卷表2 发挥部分测试数据Tab 12 P lay so m e of the test da ta发挥部分目标性能实际性能提高DC-AC 变换器的效率\80%(R S=R L=308时)实现降低输出电压失真度T HD [1%(RS=RL=308时)实现实现相位跟踪功能当f REF 在给定范围内变化以及加非阻性负载时,均能保证uF 与u REF 同相,相位偏差的绝对值[5b 。

实现装置自动恢复过流、欠压故障排除后,装置能自动恢复为正常状态。

实现由测试结果看出,输出信号频率低的时候有失真,分析其原因,主要是级间耦合和分布参数引起的。

4 结论本系统通过软件编程和电路模块实现了光伏并网发电模拟装置的设计,从总体上看是一个大的PL L 锁相环,实现频率和相位的跟踪;在内部结构设计上,分为主逆变部分和频率锁相部分以及监控保护系统等三个部分。

软件和硬件的设计都采用模块化的结构,便于根据不同的用户要求确定系统的软硬件配置;具有跟踪精度高、耗电量小、可靠性好、性价比高、工作状态稳定、高效率的特点,具有较高的理论价值和应用价值。

参 考 文 献:[1] 何宏1单片机原理及接口技术[M ].北京:国防工业出版社,20061[2] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M ].北京:航空航天大学出版社,20061[3] 沈辉1太阳能光伏发电技术[M ]1北京:化学工业出版社,20051[4] 鲁延武,杨鸿雁.10k W 并网型光伏发电系统示范工程[J].中国建设动态阳光能源,2003,16(2):2-3.[5] 宋开军,杨国渝1基于单片机的智能稳压电源[J]1电子技术,2003,23(5):58-601[6] A M I T J,AVIN AS H I K 1A ne w approach to st udy or2gan i c solar ce ll using La m berW 2functi on[J ]1Solar En2ergy M ater i a l s and Solar C ell s ,2005,86(2):197-2051G r i d -connected PV po w er gen era ti on si m u l a torW ANG W e ,i HE W e ,i LIXi n , GAO T ing -l ,i FENG Xun(1.Institute of Phys i cs and E l ectron i c Infor m ati on of Yunnan Nor m a lUniversity ,Yunnan Kun m i ng 650092;2.School of C o m pnter Science and In f or m ati on technology of Yunnan Nor m al Vniversit y ,Kun m i ng 650092Ch i na)Abstr act :: Th is syste m uses a single regulator HT1112pure si n e wave i n verter chip ,co mb i n ed w it h phase-l o cked l o op technology ,selection of SPCE061A Sunplus as an auxiliary controller ,desi g ned and produced a gri d -connected P V si m ulator 1W ith the se lf-si n e pulse w idt h modu l a ti o n technology based on inverter-dri v 2en syste m s ,and d i g ital circu it to ach ieve large phase-locked loop ,stable output frequency and phase was ob 2tained 1Core part of this syste m was i m p l e men ted w ith hardware 1M icrocontroller used in part to monitor the work of the entire syste m status and ach ieve their protecti v e f unction ,ana l o g electr icity is a lso i n part desi g ned by the m icrocontroller 1Through the i n terf ace bet w een t h e hardware and m icroco mputer to achieve the i n verter voltage outpu,t phase track i n g ,frequency l o ck i n g techn i q ues ,photovoltaic po wer generati o n was ach ieved u lti 2mately 1Through the keyboard i n pu,t liquid crystal d isplay to f or m human-m ach i n e i n terf ace ,the syste m was easy and f ast to operate ,and l o w power consumption ,cost-eff ective ,environmentally friendly reusable were achieved 1K eyword s : Photovoltaic grid ,HT1112Ch i p ,S P WM,PLL ,S w itch i n g Power Supp l y ,SPCE061A S C M#59# 第1期王 维,等: 光伏并网发电模拟装置。