2009光伏并网发电模拟装置_王雨曦等12

光伏并网发电模拟装置
摘要：系统基于光伏发电原理，采用正弦波脉宽调制技术（SPWM），以单片机和大规模可编程阵列逻辑器件（FPGA）作为控制核心，实现了模拟的光伏并网发电功能。

系统采用增量电导法实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，采用频率跟踪法和沿触发补偿跟踪法分别实现了系统的频率跟踪功能和相位跟踪功能。

系统对各路输入输出信号进行实时监测和反馈控制，实现了欠压和过流保护，且具有自动恢复功能。

系统对强弱电进行了隔离，这样既避免两部分电路的相互影响，保证了弱电部分器件的安全，又达到了控制的效果。

主回路DC-AC变换器效率达到80%以上，负载电路输出电压失真度很小，不大于1%。

系统人机界面友好，稳定性高，安全可靠，并具有可实时监测并显示变换器效率、频率等功能。

关键字：SPWM MPPT 频率跟踪相位跟踪
一、方案论证
1、方案比较与选择
1）DC-AC主回路拓扑
鉴于此DC-AC逆变器为电压输出，故我们采用电压型逆变电路。

方案一：半桥式。

半桥式电路中每只开关管只需承受逆变器输入电压幅值大小的电压应力，电路简单，但其需要正负对称供电才能输出无直流偏置的信号。

方案二：全桥式。

两个半桥合并成即为全桥，全桥式电路的输出功率比半桥式大，且效率较半桥式电路高、谐波少，其输出对称性好，供电简单。

综上比较，全桥式电路输出谐波少，则输出端滤波较为容易，在工作频率不是很高的情况下，效率可以达到很高，所以我们选择方案二。

2）SPWM控制波实现方案
方案一:模拟调制法。

用硬件电路产生正弦波和三角波，其中正弦波作为调制信号，三角波作为载波，两路信号经模拟比较器比较后输出SPWM波形。

方案二：数字采样法。

把正弦波波表及三角波波表存入存储器里，通过DDS 生成相应波形，再通过数字比较器产生所需要的波形。

方案一电路简单，响应速度快，但参数漂移大，集成度低，波形易受外界噪声干扰，设计不灵活，且需要很复杂的硬件来控制逆变器功率器件的死区。

但方案二可靠性高，可重复编程，响应快，精度高，控制简单，故选用方案二。

3）MPPT控制方案
方案一：扰动观测法（P&O）。

其原理是每隔一定的时间增加或者减少电压，并观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。

方案二：增量电导法（INC）。

对光伏电池的电压和电流进行采样，通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。

方案二和方案一均是通过扰动逐步使光伏电池逼近最大功率点，但方案二较方案一更具优势，其避免了扰动观测法的盲目性，控制精确，响应速度快，且光伏电池的输出电压能平稳追随环境的变化，稳态振荡小，故选用方案二。

4）同频控制方案
方案一：瞬时比较方式。

对反馈信号和参考信号测频并作比较，偏差通过滞环比较产生控制主电路中开关通断的SPWM信号，从而实现频率跟踪功能。

方案二：频率跟踪法。

通过测周期法测量参考信号的频率，并将DDS 输出的正弦调制信号设置为此频率，经调整SPWM 控制信号使反馈信号u F 的频率等于参考信号的频率。

方案一中外围电路较多，调节相对复杂，而方案二在低频范围可精确测频，电路简单，误差小，故选用方案二。

5）同相控制方案
方案一：测相法。

采用测相法实时跟踪参考信号相位变化从而实时调整DDS 产生的正弦信号的相位。

方案二：沿触发补偿跟踪法。

采用过零比较电路将参考信号整形为方波信号，在其上升沿时刻触发DDS 从零相位点产生正弦信号，经SPWM 调制控制使得逆变电路输出信号与参考信号同相输出，再由相位补偿法实现小范围内快速同相。

方案一可靠性不高，当波形畸变时测量存在较大误差，且硬件较复杂，器件的延迟、漂移等也将引入新的误差。

而方案二控制简单，精度高，故选用方案二。

2、系统总体方案
系统包括光伏电池、DC-AC 变换电路、控制、反馈、测量和显示六个部分。

全桥式逆变电路是核心部分，控制部分利用闭环反馈法实现输出电压的稳定，采用增量导纳法逐步调节SPWM 波的调制比实现MPPT 控制，采用频率跟踪法和沿触发同步跟踪法实现频率和相位的跟踪功能。

当系统检测到输入欠压或输出过流动作时，通过控制继电器切断光伏电池输出，当故障解除后，系统利用试触法实现自动恢复正常工作状态的功能。

体统总体框图如图1所示。

光耦隔离
直流
稳压
源MAX197采样负载放大整形电路驱动电路
全桥逆变电路
LC 滤波Rs 变压器保护电路继电器频率跟踪控制模块电压、电流取样电路并网反馈电压、电流取样电路MAX197采样参考信号
相位跟踪控制模块SPWM 波
产生MPPT 控制跟踪法效率计算失真度测试键盘单片机LCD
DC-AC 光伏电池
总线
FPGA 并网
反馈 图1 系统整体框图
二、理论分析与计算
1、MPPT 的控制方法与参数计算
1）实现MPPT 的算法采用增量电导法，简称IncCond 法。

对于光伏阵列某一固定P-U 曲线如图2所示，在其最大值P m 处的斜率为零，所以有：
dU dI U I dU U I d dU dP //)(/⋅+=⋅==0，即U I dU dI //-= （1）
当U=U m 时，有dU dP /=0；当U>U m 时，有dU dP /<0；当U<U m 时，有dU dP />0。

即： U I dU dI //->(U<U m ) （2）
<(U>U m) （3）
U
dI/
/-
I
dU
/-
=(U=U m) （4）dI/
I
U
dU
可以根据dU
-之间的关系来调整工作电压而达到MPPT的目的。

I/
dI/与U
当dU=0时，光伏电池的工作点电压没变，此时外
界条件可能会发生变化，导致工作点在不同的输出
特性曲线之间转移。

若dI=0，说明外界条件没有变
化，仍工作于最大功率点；若dI>0，说明工作点向
功率增大的方向变化，输出特性曲线上移，原来的
工作点位于当前最大功率点的左侧，此时应增大电
压，即增加SPWM波的调制比α；反之，若dI<0，
应增大调制比α。

图2 光伏电池P-U曲线当U
>时，说明工作点正处于最大功率点的左侧，应该继续增大I
/-
dU
dI/
工作电压，即增加SPWM波的调制比α，反之，若U
dI/
<，则应减小调
/-
I
dU
制比α，若U
=，则维持在最大功率点。

/-
I
dU
dI/
2）扰动步长Δα的调整。

要准确快速的实现MPPT功能，Δα的设置很关键，设置过大，会导致跟踪过程可能跨越最大功率点，使工作点在P m点处震荡，甚至始终无法达到最大功率点；Δα过小，会导致跟踪速度减慢，系统的动态效应差，且可能不满足题目指标。

本系统采用可变扰动步长Δα，根据每次I、U测量和计算的结果不断调整步长Δα，当工作点离最大功率点较远时，增大Δα，使工作点电压变化加快，当工作点在最大功率点附近时，减小Δα，减少震荡。

Δα的确认可采用模糊控制法。

2、同频、同相的控制方法与参数计算
1）同频的控制方法与参数计算
我们采用频率跟踪法来实现参考信号与反馈信号的同频控制。

在频率跟踪法中，我们采用测周期法来测量参考电压的频率。

错误！未找到引用源。

将参考信号作为门限，在FPGA中用计数器记录在此门限内的FPGA时钟脉冲数N，从而确定参考信号的频率f x＝f o/N，其中f o为FPGA的时钟频率为40M，当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时可以获得很高的精度。

由于参考信号与时钟信号的上升沿（或下降沿）不能保证同步，因而此方法存在的量化误差为一个基准信号周期T o，测量相对误差为：δ＝T o/T xδ<10-5。

错误！未找到引用源。

当测得参考信号的频率f后，调节DDS使其输出正弦调制信号频率为f，则DC-AC的输出电压的频率为f，因为变压器三绕组上信号同频，故反馈信号的频率为f，即实现参考信号与反馈信号同相。

本测频跟踪法是一种实时测量。

2）同相的控制方法与参数计算
我们采用沿触发同步跟踪法，其包括沿触发和相位补偿两部分。

对参考信号进行过零比较获得方波信号，以其过零点上升沿作为触发信号读取正弦波表零地址进行SPWM波的调制，则逆变器输出端电压与参考信号同相，又在负载端接线性负载时，变压器三绕组上信号基本同相，且当负载端接非线性负载时，变压器三绕组上信号有相位差，差值极小，即参考信号与反馈信号存在一定范围内的相位差，故可利用软件算法在小范围内进行相位补偿，则可快速实现同相控制。

此相位补偿是依据参考信号与反馈信号有一较小范围的相位差而采用的快
速补偿法。

我们可根据这一范围大致得出SPWM控制波中正弦调制波应改变的相移大小，进而有方向的调节DDS输出信号的相位值进行相位补偿而实现同相。

3、提高效率的方法
该系统内部的损耗主要集中在变压器、开关管等器件，因此，做好这些器件的吸收缓冲电路和正确的参数选择是提高此系统效率的有效途径。

实现方案是：（1）在开关管后加RC吸收缓冲回路。

合理的吸收缓冲回路，不但降低了功率器件的浪涌电压和浪涌电流，而且还降低了器件的开关损耗和电磁干扰，避免了器件的二次击穿。

（2）选择导通电阻小的开关管，减小开关管的导通损耗。

我们采用IRF540Z,它是功率MOSFET管，其R DS≤77mΩ,导通压降小，开关速度快。

（3）选择合适的SPWM载波频率。

开关管的导通损耗会随着系统的工作频率的增大而增大，为降低开关损耗，同时又避开音频噪声，选取SPWM载波频率30KHz。

4、滤波参数计算
SPWM波形中所含的谐波主要是载波角频率ω及其奇次谐波。

本系统采用载波频率为30kHz，远大于调制信号角频率，滤波较易实现。

系统中逆变器输出频率为45~55Hz， LC滤波器截止频率)
1LC
=，元件参数取L=1mH，C=10µF，
fπ
/(
2
计算截止频率为1.59kHz，满足设计要求。

三、电路与程序设计
1、DC-AC主回路与器件选择
由此系统知MOSFET管漏源两端的最大电压为60V，直流母线上的最大电流为3A。

故我们选用N沟道功率MOSFET管IRF540，它具有开关速度快、导通电阻小、栅极电容小和无二次击穿等显著特点。

其耐压100V，漏极最大电流28A，导通电阻为0.077Ω，栅极电容为1700PF，充分满足题目要求。

另外选用IR2110作为半桥驱动芯片，它具有自举浮动电源，最大驱动电流2A，驱动电压10-20V,能驱动的最大直流母线电压为500V,最大工作频率500KHz，具有电源欠压保护关断逻辑和低压延时封锁功能。

VD1、VD2采用肖特基二极管，加快充放电速度，并采用RC缓冲吸收回路对MOSFET管进行保护，逆变器主回路电路图如图3所示。

图3 全桥逆变电路
2、控制电路或控制程序
本系统中控制电路实现最大功率点跟踪（MPPT）功能、频率跟踪功能和相位跟踪功能。

其中最大功率点跟踪采用增量电导法，其具体算法程序流程如图4所示。

采用频率跟踪法实现频率跟踪功能，通过测周法测量参考电压的频率，调节DDS频率控制字，使其产生的正弦调制信号以此频率输出，则逆变器的输出电压与参考电压同频，经工频变压器得到的反馈信号与参考信号同频，实现系统的频
率跟踪功能。

采用沿触发补偿跟踪法实现系统的输出与输入同相。

其具体的同频同相调制流程如图5和6所示。

输入Un 、In
dU=Un-Ub
dI=In-Ib
dU=0?
dI/dU=-I/U?
dI/dU>-I/U?
dI=0?dI>0?Ub=Un
Ib=In
返回N
N
N
N N Y Y Y Y Y 增大a 增大a 增大a 增大a 开始
初始化采入u REF 频率改变DDS 频率控制字u F 与u REF 同频SPWM 波调制DC-AC 主回路开始初始化u REF 过零比较上升沿触发DDS 产生零相位正弦调制波实现同相SPWM 波调制相位补偿
u F 与u REF 同相DC-AC 主回路开始SPWM 波调制
DDS 输出正弦
信号相位调节
确定相位增量否是相位补偿算法测量相位差
图4 MPPT 控制方法图 5 同频测试流程 图6 同相测试流程
3、保护电路
本系统采用单片机实时监控输入电压和输出电流的值，在输入电压降低到Ud =（25±0.5）V 或输出电流上升到I O =（1.5±0.2）A 时启动控制程序切断继电器使光伏电池输出开路，从而实现输入欠压保护和输出过流保护功能，采用试触法实现欠压、过流故障排除后，装置自动恢复正常状态的功能。

其电路如图6所示。

单片机控制M A X 197采样电流互感放大电路
电压互感放大电路光伏电池
输出Ud 负载电路
Io 图6 保护电路
4、系统其它部分的电路见附录图1~11图。

5、系统弱电地与强电地隔离，避免两部分电路的相互影响，保证了弱电部分器件的安全，又减少电路信号噪声的干扰。

在对交流取样之前，用互感器进行隔离取样，在对直流取样时，用线性光耦对地线进行隔离，使得系统测量安全准确。

系统地线连线图如图7所示。

系统板电源1DC-AC 信号采集隔离变压器负载
电源2
光耦隔离互感器隔离
图7 系统地线连接图 四、测试方案与测试结果
1、测试方法及测试条件
用直流稳压源Us 和电阻Rs 模拟光伏电池，由数字信号源提供正弦参考电压REF u ，其峰峰值为2V ，频率REF f 为45Hz ~55Hz ，R L 在=30Ω~36Ω。

当Rs 和R L 在给定的范围内变化时观察最大功率点跟踪功能；调节REF f ，观察频率跟踪功能；在
给定电阻条件下测试DC-AC 变换器的效率及输出电压的失真度；当REF f 在给定范
围内变化以及加非阻性负载时观察相位跟踪功能；调节Us 和Rs 观察Ud 和Io ，观测系统的欠压和过流保护功能及自动恢复功能。

2、使用仪器及使用设备
直流稳压稳流电源SG1733SB3A 万用表FLUKE 17B
60M 数字存储示波器TEKTRONIX TDS1002 失真度测试仪
数字信号源AGILENT 33120A 普通频率计
3、测试数据
1）最大功率点跟踪功能
测试方法：Us=60V,使Rs 和R L 均在30Ω~36Ω范围内变化，用四位半万用表测量Ud 和Us 的值。

测试数据如表一所示，具体测试数据如附录表一所示。

表一：最大功率点跟踪功能测试
Rs 、R L Rs=R L =30Ω Rs=R L =36Ω Rs=30Ω，R L =36Ω Rs=36Ω，R L =30Ω Ud/V 29.85 29.92 29.88 29.97 误差 0.5% 0.27% 0.4% 0.1%
2）频率跟踪功能
测试方法：调节REF f 在45Hz ~55Hz 范围内变化，用示波器或普通频率计观测反馈
信号F u 的频率。

测试数据如表二所示，具体测试数据如附录表二所示。

表二：频率跟踪功能测试
REF f /Hz
45 48 50 55 F f /Hz
44.99 47.99 50.00 54.99 误差 0.022% 0.021% 0 0.018%
3）DC-AC 变换器的效率
测试方法：使Rs=R L =30Ω，用四位半万用表测试逆变器的输入电压、电流和输出电压、电流的有效值，计算DC-AC 变换器的效率。

实测数据为：Ud=30.29V ，Id=0.9983A ，U 01=15.03V ，I 01=1.856A
效率η= U 01*I 01/Ud*Id=92.25%>80%
4）输出电压o u 的失真度
测试方法：使Rs=R L =30Ω，用失真度测试仪测试输出电压o u 的失真度。

经测量输出电压o u 失真度<1%。

5）相位跟踪功能
测试方法：使REF f 在45Hz ~55Hz 范围内变化以及加非阻性负载时，用示波器观测
参考信号REF u 和反馈信号F u 的相位差。

经示波器观测，持续改变条件时，两者相位偏差的绝对值小于5o 。

6）保护电路。

错误！未找到引用源。

输入欠压保护功能。

调节Us ，测试Ud 降低到（25±0.5）V 时，继电器能否关断系统。

测试结果在输入电压为25.03V 时系统便进入输入欠压保护功能状态，光伏电池输出开路。

错误！未找到引用源。

输出过流保护功能。

调节R L在，测试I O上升到（1.5±0.2）A时,继电器能否关断系统。

测试结果在输出电流为1.492A时系统便进入输出过流保护功能状态，光伏电池输出开路。

错误！未找到引用源。

在过流、欠压故障排除后，观察到装置能自动恢复为正常状态。

4、测试结果分析
由测试结果可知本系统较好的完成了题目中的各项指标，并扩展了效率和失真度的测量计算和显示功能。

但在测试中我们发现最大功率点跟踪精度不高，速度较慢，虽达到题目要求但还是不能实现快速跟踪；工频变压器对系统的效率影响较大，因其产生较大损耗而使系统效率难以大幅度提高。

所以系统若采用损耗较小的变压器则可进一步提高效率。

系统频率、相位跟踪中由于器件和测频算法的误差使得其存在一定的偏差而无法实现绝对的同频同相。

我们可以通过提高系统的抗干扰性来提高系统的性能。

附录：
1、交流电压、电流采样电路
采用电流互感器TA12-200和电压互感器TV19E进行电流, 电压的提取，并送入A/D转换器进行采样，如附录图1、图2所示。

MAX197是具有很高数据分辨率的数据采集芯片（它的输入范围软件可调，具有0–5V ,0–10V,±5V , ±10V四种范围），有8路可编程模拟量输入通道，（可以巡回测量）具有12位分辨率以及1/2LSB的线性度，同时具有两种时钟、电源模式，和最高200ksps的采样速率。

本设计中MAX197工作于内部时钟和内部参考电源方式，并采用时分复用方式采样。

附图1 电流测量电路图附图2 电压测量电路
我们采用了Maxim公司的12位A/D转换器MAX197，它的输入范围软件可调，具有0–5V ,0–10V,±5V , ±10V四种范围，同时具有八个模拟通道，可以巡回测量，大大简化了电路设计。

在FPGA内部模拟MAX197的采样时序，由FPGA 输出控制信号CS,RD,WR,HBEN，送入控制字后，软件延时一段时间，再读取数据。

每次采样之前需要重新写入控制字。

外围电路简单，连接电路如下图所示：
附图3 MAX197外围电路
2、SPWM波控制电路
FPGA内控制S PWM控制信号产生的内部顶层模块如附录图4所示，其中正弦波、三角波发生器的模块图如附录图5所示。

附图4 SPWM波产生模块
附图5 SPWM波中正弦波、三角波发生器
5、光耦隔离电路
隔离电路利用高速光耦6N136把FPGA控制部分的弱电部分与功率输出的强电部分隔离开来，并将SPWM控制波形传送到强电部分以控制逆变芯片中开关管IGBT的通断。

这样既避免两部分电路的相互影响，保证了弱电部分器件的安全，又达到了控制的效果。

光耦隔离电路如附录图6所示。

附图6 光耦隔离电路
6、测频整形电路
图7所示为输出一相交流电的测频电路，其余两相的测频与此电路相同。

在测频电路中加入一级放大限幅电路，后级的LM311和两个电阻构成迟滞比较器将正弦波整形成方波，此比较器能够很好的抑制比较器输出脉冲沿上的抖动，使输出的脉冲具有干净而陡峭的沿，便于FPGA测频。

附图7 放大整形电路
7、峰值检波电路
附图8 AD637峰值检波电路
8、直流电流、电压取样
我们采用高边电流检测放大器和INA118对直流电流进行采样，可获得较为
理想的数值，电路如图9所示。

采用电阻分压法去直流电压进行取样，如图10所示。

在进行取样之前，要用线性光耦对光伏电池和采样电路的地线进行隔离，使强弱电的地线隔离，电路如图11所示。

附图9 高边电流检测放大器对直流电流取样
附图10 直流电压取样
图11 线性光耦电路
9、完整测试数据
2）频率跟踪功能
表一：频率跟踪功能测试
f/Hz 45 47 49 50 51 53 54 55 REF
f/Hz 44.99 46.99 48.99 49.99 50.99 52.99 53.99 54.99 F
误差0.022% 0.021% 0.020% 0 0.020% 0.018% 0.018% 0.018。