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(09全国大学生电子设计大赛全国一等奖)
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。
2009年电赛题目
光伏并网发电模拟装置（A 题）..............................................................................................- 0 - 声音导引系统(B 题)...................................................................................................................- 2 - 宽带直流放大器（C 题）..........................................................................................................- 5 - 无线环境监测模拟装置（D 题）.............................................................................................- 8 - 电能收集充电器（E 题）.........................................................................................................- 11 - 数字幅频均衡功率放大器（F 题）........................................................................................- 13 -光伏并网发电模拟装置（A 题）【本科组】一、任务设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。
用直流稳压电源U S 和电阻R S 模拟光伏电池，U S =60V ，R S =30Ω~36Ω；u REF 为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V ，频率f REF 为45Hz~55Hz ；T 为工频隔离变压器，变比为n 2:n 1=2:1、n 3:n 1=1:10，将u F 作为输出电流的反馈信号；负载电阻R L =30Ω~36Ω。
{7BB56C8D-F49A-4784-A818-3B7635AEEEBE}.2009光伏并网发电模拟装置_王雨曦等
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。
中国地质大学（武汉）_光伏并网发电模拟装置
中国地质⼤学（武汉）_光伏并⽹发电模拟装置C2000参赛项⽬报告（命题组）题⽬：基于TMS320F28027的光伏并⽹发电模拟装置学校：中国地质⼤学（武汉）指导教师：叶敦范（教授）参赛队成员名单（含个⼈教育简历）：张怀、本科⽣、中国地质⼤学（武汉）代红波、本科⽣、中国地质⼤学（武汉）邓巧、本科⽣、中国地质⼤学（武汉）光伏并⽹发电模拟装置张怀、代红波、邓巧（中国地质⼤学（武汉）机械与电⼦信息学院邮编：430074）摘要：该系统采⽤TI公司的C2000处理器TMS320F28027作为光伏并⽹发电模拟装置的控制核⼼。
DC-AC电路采⽤由TMS320F28027产⽣的SPWM波控制的电压型全桥式电路，开关功率元件选⽤功率场效应管IRF3205。
输⼊30V直流电压，经过逆变器DC-AC转换后⽤⼯频隔离变压器进⾏升压。
系统具有最⼤功率点跟踪功能，输出电压的频率与模拟电⽹电压的正弦参考信号的频率以及相位保持⼀致，即具有频率跟踪和相位跟踪功能。
系统具有过流、⽋压保护功能以及故障排除后⾃动恢复功能。
关键字：TMS320F28027；DC-AC；最⼤功率点跟踪；频率跟踪；相位跟踪Abstract:The system chooses TI CompanyC2000 processor TMS320F28027 as photovoltaic grid-connected inverter system control core device. DC-AC circuit uses SPWM wave produced by TMS320F28027 to control the voltage type bridge circuit, and switching power components select the power MOSFET IRF3205. The system Maximum power point tracking system has the function of output voltage, frequency and voltage reference signal frequency sine wave and consistent with phase frequency tracking and phase track function. System with the flow, protection functions and troubleshooting automatically restore function.Keywords:TMS320F28027；DC-AC; maximum power point trace; frequency tracking; Phase track1、引⾔我们所选的是题⽬⼀，要求是制作模拟光伏电⽹装置，⽤直流稳压电源U S 和电阻R S模拟光伏电池，u REF为模拟电⽹电压的正弦参考信号，要求完成输出信号与参考信号同频同相，并实现最⼤频率跟踪。
光伏并网发电模拟装置
光伏并网发电模拟装置介绍光伏并网发电模拟装置是一种可以模拟光伏发电系统并将其与电网进行互联的设备。
它可以用于教育培训、实验研究以及光伏系统性能测试等领域。
该文档将介绍光伏并网发电模拟装置的组成、工作原理以及使用方法。
组成光伏并网发电模拟装置由以下部分组成：1.光伏组件：模拟光伏发电系统的光伏组件，一般包括多个光伏电池片组成的光伏阵列。
2.逆变器：将光伏阵列输出的直流电转换为交流电，并确保与电网的电压频率和相位相匹配。
3.电网连接器：用于将逆变器的交流电连接到电网中，实现光伏发电系统与电网的互联。
4.控制器：用于控制光伏并网发电模拟装置的工作模式和输出功率。
5.传感器：用于监测光伏阵列的输入功率、电流、电压等参数，并反馈给控制器。
工作原理光伏并网发电模拟装置的工作原理如下：1.光伏阵列接收阳光辐射，光伏电池片将光能转化为直流电。
2.直流电经过逆变器进行电压和频率的转换，并输出交流电。
3.控制器接收来自传感器的参数反馈，根据设定的工作模式和输出功率要求，调节逆变器的工作方式，使其输出符合要求的交流电功率。
4.电网连接器将逆变器的输出连接到电网上，实现光伏发电系统与电网的并联。
5.光伏并网发电模拟装置将模拟光伏发电系统并联到电网上，实现了光伏发电的实时模拟。
使用方法以下是光伏并网发电模拟装置的使用方法：1.将光伏组件安装在光伏并网发电模拟装置上。
2.使用适当的工具将逆变器连接到光伏组件的输出端。
3.将逆变器的输入端与电源连接，确保逆变器正常工作。
4.将逆变器的输出端与电网连接器相连接。
5.使用控制器设置光伏并网发电模拟装置的工作模式和输出功率要求。
6.使用传感器监测光伏阵列的输入功率、电流、电压等参数，并确保其在安全范围内。
7.执行光伏并网发电模拟装置的启动程序，确保其能够正常工作。
8.在装置运行期间，及时监测光伏并网发电模拟装置的工作状态，并根据需要进行调整和维护。
总结光伏并网发电模拟装置是一种可以模拟光伏发电系统并将其与电网进行互联的设备。
光伏并网发电模拟装置设计
光伏并网发电模拟装置设计设计光伏并网发电模拟装置旨在模拟真实的光伏发电系统的运行情况，使用户能够通过该装置进行光伏发电系统的操作和维护实践，提高对光伏发电系统的了解和应用能力。
下面将从装置的组成部分、主要功能和使用方法三个方面对光伏并网发电模拟装置进行详细设计。
一、装置的组成部分光伏并网发电模拟装置主要由电源箱、光伏模拟电池板组、变流器以及光伏发电系统控制器等几个部分组成。
其中，电源箱提供电源供电，光伏模拟电池板组产生太阳能光伏电流，变流器将直流电转换为交流电，光伏发电系统控制器实现对各个部分的控制和监测。
1.电源箱：负责为整个模拟装置提供电源供电，并具备过载保护和短路保护等功能。
2.光伏模拟电池板组：由若干块光伏模拟电池板组成，光伏模拟电池板具备光伏电池特性，能够产生太阳能光伏电流，为发电模拟装置提供能量。
3.变流器：将光伏模拟电池板组产生的直流电转换为交流电，并输出给外部负载使用。
4.光伏发电系统控制器：用于监测光伏模拟电池板组的工作状态，实现对系统的控制，如输出电压、电流的调节、光伏电池板组的连接与断开等功能。
二、主要功能1.模拟光伏发电系统的工作状态：装置能够通过模拟电池板组产生光伏电流，模拟真实光伏发电系统的工作状态，包括光伏电池板的接收太阳能光照产生电流、电流的变化随外界环境的改变等。
2.进行光伏发电系统的操作实践：通过装置，用户可以对光伏发电系统进行操作和维护实践，如接线、参数调节、电流监测等。
3.提供对光伏发电系统的学习环境：装置的输出电流和电压可由控制器进行调节，提供不同工况下的电流和电压输出，使用户能够在实践过程中了解和理解光伏发电系统的工作原理、特性和各种参数。
三、使用方法1.将电源箱连接到交流电源上，开启电源箱的电源供电。
2.连接光伏模拟电池板组，并将其放置在适当的位置接受阳光照射。
3.连接光伏模拟电池板组的输出端到变流器的输入端。
4.连接变流器的输出端到外部负载。
5.打开光伏发电系统控制器，设置想要的输出电流和电压。
光伏并网发电模拟装置软件设计初稿
欧美一些先进国家目前正在普遍开展应用“光电玻璃幕墙制品”。这是一种能将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃中，从而平安地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。美国的“光伏建筑打算”、欧洲的“百万屋顶光伏打算”、日本的“朝日打算”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大的增进了太阳能在新型建材产品中的应用。
SPWM
自然采样法生成SPWM波
在我国，太阳能的利用也一直是最热点的话题[12]。通过量年的进展，我国国内的集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为普遍、产业化最迅速的产业之一。1998年销售总额达到了35亿元，其产量位居世界榜首。我国的太阳能产业已开始运作。中国科学院宣布启动西部行动打算，将在两年内投入亿元人民币开展研究，成立假设干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。但从整体上分析，国内太阳能利用整体起步较晚，尤其是在各类新型产品的开发、生产上还掉队于国际水平，整体上仍比较掉队。但随着我国政府的大力支持，目前我国在太阳能利用方面有了长足的进展。2020年的奥运会，北京成了我国在太阳能应用方面的最大展现窗口，“新奥运”充分表现了“环保奥运、节能奥运”的新概念，奥运会场馆周围80％～90％的路灯利用的是太阳能光伏发电技术；采纳全玻璃真空太阳能集热技术，供给奥运会90％的洗浴热水。在整个奥运会期间，太阳能路灯、太阳能，太阳能电话、太阳能无冲洗洗手间等一系列太阳能技术的应用充分表现出了我国在太阳能应用领域的进展功效。
关键词：脉宽调制，逆变，频率相位跟踪，STC12C5A32S2单片机，MAX197，并网运行
光伏并网发电模拟装置
光伏并网发电模拟装置简介光伏并网发电是指将太阳能光伏发电系统的直流电能转换为交流电能，并与公共电网进行连接并实现电能的互相补充。
为了更好地理解并掌握光伏并网发电的原理和过程，我们可以通过光伏并网发电模拟装置进行实践和学习。
装置原理光伏并网发电模拟装置主要由太阳能光伏模块、逆变器、电池组和并网控制器组成。
1.太阳能光伏模块：模拟装置中的光伏发电部分，将太阳能光线转换为直流电能。
2.逆变器：用于将光伏模块产生的直流电能转换为交流电能，使其能够与公共电网连接。
3.电池组：模拟装置中的能量储存部分，用于储存光伏发电系统产生的电能。
4.并网控制器：用于控制光伏发电系统的输出功率，将其与公共电网的频率和电压保持一致。
装置操作以下是使用光伏并网发电模拟装置的基本操作步骤：1.连接光伏模块：将光伏模块的正负极分别与逆变器的直流输入端相连。
2.连接电池组：将电池组的正负极分别与逆变器的直流输出端相连。
3.连接并网控制器：将并网控制器的输入端与逆变器的交流输出端相连。
4.连接公共电网：将并网控制器的输出端与公共电网进行连接。
5.开启装置：按照装置的操作说明，将模拟装置开启并设置所需的发电功率。
6.监控功率输出：通过并网控制器上的显示屏或其他监测设备，实时监控光伏发电系统的输出功率。
注：在使用光伏并网发电模拟装置时，需要严格按照操作说明进行操作，以确保设备安全和正常运行。
应用场景光伏并网发电模拟装置的使用场景主要包括以下几个方面：1.学术研究：通过模拟装置可以更好地理解光伏并网发电的原理和过程，为相关领域的研究和开发提供实验支持。
2.教育培训：在光伏并网发电的教育培训中，模拟装置可以作为辅助工具，帮助学生更好地理解和掌握相关知识。
3.技术展示：光伏并网发电模拟装置可以用于展示相关技术和产品，向公众普及有关可再生能源的知识。
4.公共政策制定：通过实际操作和观察模拟装置的运行情况，可以为制定相关政策提供真实的数据和参考依据。
浙江大学_光伏并网发电模拟装置_顾云杰
(2.2)
其中 ucmd 表示计算得到的正弦指令值，A 代表 ucmd 的幅度。A 的作用将在 2.6 中具体阐述。 通过上述方法， 实现了仅用少量的存储器资源和简单的计算，在载波频率不变的条件下得到 不同频率正弦指令值的方法。这一方法支持较宽的输出频率范围，远远覆盖题目要求的 45Hz～55Hz。 2.4 PLL（锁相环）控制策略 PLL（锁相环）的控制目标是保持控制器内部软件电压指令值 ucmd 与 uref 保持同频同相。 考虑到 uref 频率变化相对缓慢，两个相邻周期之间不会有剧烈变化，因此 PLL 控制策略采用 以下方法。
S1
S3 Lf
Ud
Ci n S2 S4
Cf
RL
图 2.2 逆变拓扑 2.1.1 输出滤波器 输出滤波器采用 LC 滤波。参数计算[1]如下 （1） L f 参数 电感电流纹波最大值：
∆iL max =
Ud Ud ，由此可得 L f = ，其中倍频之后等效开关频率 fS=40kHz。关于 4Lf fS 4∆iL max f S
α
图 2.3 如图 2.3 所示，将一个标准正弦函数 0° ~ 90° 均分成 100 等分，将每个等分线处的函数 值制作成一张表，保存在一个数组内 int sintab[101]。 程序中两个变量 count 和 period 分别表示当前输出波形的周期和相位，以载波周期 TC 为单位。由此可以计算出对应表中的第几个点，即
1
引言
TI 公司的 C2000 系列微控制器既具有 DSP 的高速运算性能，也具有 MCU 的界面管理 能力。最近 C2000 系列推出的 F2802x/F2803x Piccolo 子系列控制器结构更加精简，工作频 率能达到 40MHz~60MHz，具有功能强大的 EPWM 模块，ADC 模块和 ECAP 模块，性价比 极高，非常适合在中小型电力电子系统中的应用。本文基于 TMS320F28027 微控制器设计 了一个光伏并网模拟装置。该装置实现了 MPPT 和模拟并网功能，且具有良好的界面，系 统的各种状态在 LCD 中显示。 本文以下部分共分四个方面进行介绍：第 2 部分讲述系统方案，包括系统框图、主电路 拓扑、SPWM 调制方式、各种控制策略；第 3 部分讲述系统硬件设计；第 4 部分讲述系统 软件设计；第 5 部分给出了系统的测试结果。
基于MSP430单片机控制的光伏并网发电模拟装置的设计
基于MSP430单片机控制的光伏并网发电模拟装置的设计杜世超
【期刊名称】《科技创新导报》
【年(卷),期】2009(000)031
【摘要】本文设计了一种基于MSP430单片机控制的光伏并网发电模拟装置,该装置采用16位单片机MSP430F2417作为控制核心,由MSP430F2417单片机产生的SPWM波控制的电压型全桥式电路构成DC-AC电路,转换后电压利用工频隔离变压器进行升压.测试结果表明,该装置功能强大,性能指标优良,具有较高的实用价值.【总页数】1页(P52)
【作者】杜世超
【作者单位】中国地质大学(武汉)机电学院通信工程系,湖北武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TM7
【相关文献】
1.基于 MSP430单片机的无线环境检测模拟装置的设计 [J], 党智乾
2.基于MSP430单片机的光伏并网模拟装置设计 [J], 占文兵;王文虎
3.基于MSP430单片机的LED显示屏控制器设计 [J], 张秋艳;马海洋
4.基于MSP430单片机的四轴飞行器飞行控制系统设计 [J], 李想; 亢洁
5.基于MSP430单片机和蓝牙的智能家居控制系统设计 [J], 李兆亮;张靖宇;李立刚
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光伏并网发电模拟装置研制
过 流保护、反孤 岛效应等功能 ；采用 Ａｍ ｇｌ ｔｅａ６高速 单片机 ，实现 了 内部 集成定 时、计数器功 能；利 用定 时器 Ｔ Ｃ ／ ２的
快速 Ｐ ＷＭ功能 ，实现 Ｓ ＷＭ信 号的产 生 ；采 用 Ｔ Ｃ Ｐ ／ １的输入 捕 获功能 ，实现 了频 率相位 监 测和跟踪 以及 对失真 度 、
输 入 电压 、输 出 电流 等 物 理 量 的 检 测 与 控 制 。
关键词
并 网发 电；单 片机 ；Ｓ ＷＭ；Ｄ ／ Ｃ Ｐ ＣＡ Ｔ ７ ０ Ｍ １ Ｎ １ ；Ｔ ６ ５ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０ ０ ７—７２ （０ １ ０ ８ ０ ２ １ ）６—００— ４ ３ ０
中图分类号
２ 硬 件 电 路设 计
分为 Ｄ ／ Ｃ驱动 电路 、Ｄ ／ Ｃ 电路 和滤 波 电路 ＣＡ ＣＡ ３部 分 和平 滑 电容 Ｃ ，电路 原理 如 图 ２所示 。 。
２１ Ｄ ． Ｃ．Ａ Ｃ驱动 电路
是 由 Ｒ 、 ２ ３ ４ ５ ６ ３ ４ ３和 １ 、Ｒ 、 、Ｒ 、Ｒ 、Ｑ 、Ｑ 、Ｐ
ａ 叶弑２１ 第４ 第 期 ０ 年 ２卷 ６ １
Ｅ ｅｔｏ ｉ ｃ． Ｔ ｃ ． Ｊ ｎ ． ５．２ １ ｌｃｒｎｃＳ ｉ＆ ｅ ｈ ／ ｕ ｅ １ ００
光 伏 并 网发 电模 拟 装 置 研 制
傅 莉
（ 景德镇 陶瓷学院 机械电子工程学院 ，江西 景德镇 摘 要 ３ ３０ ） ３ ０ ２ 文 中研制 了一套模拟并 网发 电系统 ，实现 了频率跟踪 、最 大功 率跟 踪、相位跟踪 、输入 欠压保护 、输 出
Ａｂｓｒ ｃ Ａ ｉ ｌｔｏ ｔａ ｔ ｓｍｕａｉｎ ｄ ｓ ｓｅ ｉ ｅ ｅｏ ｅ ｏ ａ ｈ ｅ ｅ ￣ｅ ｕ ｎ ｙ ｔａ ｋ ｎ ｙ ｔｍ ｓ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｔ ｃ ｉｖ ｑ ｅ ｃ ｒ ｃ ｉｇ， ｍａ ｉ ｍ ｏ ｒ ｔａ ｋ ｎ ｘ ｍｕ ｐ ｗｅ ｒｃ ｉ ｇ，
光伏并网发电模拟装置 (一) (09全国大学生电子设计大赛全国一等奖)
光伏并网发电模拟装置全国二等奖西安电子科技大学沈敏郝爽任腊梅本系统涉及三大关键技术：全桥驱动电路、H桥功率变换电路、变频低通滤波器。
系统以全桥驱动电路为核心，以MSP430F1611单片机为主控制器和SPWM 信号发生器。
根据输出电压采样值，调整SPWM信号幅度，实现最大功率点跟踪。
根据负载电压采样，对SPWM信号做出调整，实现频率跟踪相位跟踪。
系统功能完善，达到了所有指标。
关键词：并网SPWM 跟踪AbstractThe system contains three key technology :full bridge driving circuit 、H bridge power converter circuit and variable low pass filter .The core of the system is the full bridge circuit and the main controller is the MSP430F1611.The magnitude of SPWM is adjusted based on the output voltage sampling ,so that the output power keep being the largest .The output frequency is following the reference frequency based the sampled load voltage .The system is full functional ,meets all the target of the basic and exent demands .一、方案论证光伏发电主要是完成DC-AC逆变，通常逆变有几种方案。
方案一：采用分立元件搭建三角波产生电路，正弦波产生电路，通过比较器比较产生正弦脉宽调制信号，通过功率驱动全桥，完成功率放大，实现逆变。
一种光伏并网装置[实用新型专利]
![一种光伏并网装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/ae6e5b9cf46527d3250ce069.png)
专利名称：一种光伏并网装置专利类型：实用新型专利
发明人：胡碧波,宫龙飞
申请号：CN201420021855.8申请日：20140114
公开号：CN203896296U
公开日：
20141022
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提供了一种光伏并网装置，包括盒体、保护模块、升压模块和逆变模块和盒盖组成，所述的保护模块的输入端连接光伏发电设备的输出端，保护模块的输出端连接升压模块的输入端，升压模块的输出端连接逆变模块的输入端，所述的逆变模块的输出端直接供电。
本实用新型将保护、绝缘、升压和逆变功能一体化，将光伏组件的直流电变成高压交流电，并设置了光伏组件的反压保护模块，解决了由于部分光伏组件功率低导致的整体串接的光伏组件功率低、光伏系统的故障不易维护、低压直流光伏发电输送系统电能消耗大等问题，本实用新型提供的光伏并网装置轻盈，体积小，并且采用模块化，接线简单，减少了外接线路的复杂性，减少因组件串并联造成的功率损失，提高了光伏组件的输出功率。
申请人：保利协鑫(苏州)新能源运营管理有限公司
地址：215028 江苏省苏州市工业园区圆融时代广场国际金融中心19楼
国籍：CN
代理机构：广州华进联合专利商标代理有限公司
代理人：唐清凯
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西南交通大学_光伏并网模拟发电装置_贺雨璇
3
目录
1 2 5 引言................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................5 5 系统指标......................................................................................................................................... .........................................................................................................................................5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3 方案比较与论证 .................................................................................................................................. 6 3.1 主电路拓扑........................................
东南大学_光伏并网发电模拟装置_仲浩
C2000参赛项目报告（命题组）题目：基于TMS320F28027的光伏并网模拟装置学校：东南大学指导教师：胡仁杰（教授）参赛队成员名单（含个人教育简历）：仲浩、研究生、东南大学刘千杰、研究生、东南大学谢倩、研究生、东南大学基于TMS320F28027的光伏并网模拟装置仲浩刘千杰谢倩（东南大学电气工程学院邮编210096）摘要：本系统由SPWM信号的产生、逆变回路及其控制、欠压过流保护、键盘和显示等部分组成。
选择DSP TMS320F28027芯片产生SPWM信号；逆变器主回路是由功率场效应晶体管构成的全桥逆变电路，其控制部分采用基于DSP控制的最大功率跟踪和输出电流跟踪控制策略，使逆变输出电流与参考信号同频同相；并从软硬件两方面进行输入欠压、输出过流保护，增强系统的稳定性和可靠性。
对系统的转换效率、畸变率等各项指标的测试结果表明，本光伏并网模拟装置是比较稳定可靠的。
关键词：光伏并网模拟装置、最大功率跟踪、频率相位跟踪、F28027Rid-connected Pphotovoltaic Simulator based on TMS320F28027Zhonghao，Liuqianjie，Xieqian(School of Electric Engineering, Southeast University)Abstract：The system includes modules of generating SPWM signals, inverter circuit and its control tactic, undervoltage and overcurrent protection, keyboard and display. DSP TMS320F28027 is used to generate SPWM signals. The inverter composed of MOSFET is of full-bridge construction and the maximum power point tracking and current tracking strategy based on DSP is applied to the controller of it, making the frequency and phase of the export current the same as the reference signal. Protection is realized by means of hardware and software, which improves the stability and reliability of the entire system. The result of the tests including indexes such as conversion efficiency and aberration rate shows the stability and reliability of this grid-connected photovoltaic simulator.Key words：grid-connected photovoltaic simulator; maximum power point tracking; frequency and phase tracking; F28027目录1引言 (1)2系统指标分析 (1)3系统方案 (2)3.1 总体方案 (2)3.2正弦波信号产生方案 (2)3.3 MPPT跟踪原理及提高效率方案 (3)3.4 频率和相位跟踪方案 (4)3.5 过流和欠压保护方案 (4)3.6 驱动及逆变主回路方案 (4)4理论分析与计算 (5)4.1 SPWM相关分析与参数计算 (5)4.2 电压电流数据的分析与算法 (6)4.3 MPPT算法分析 (7)4.4 频率相位跟踪分析与参数计算 (8)4.5 滤波电路的分析与参数计算 (9)4.6 FFT变换及THD计算 (10)5系统硬件设计 (13)5.1 逆变主电路及DSP最小系统 (13)5.2 驱动及其保护电路 (14)5.3 频率和相位检测电路 (14)5.4 电源管理电路 (15)5.5 电压和电流相关检测电路 (17)6系统软件设计 (18)6.1 软件总体方案 (18)6.2 SPWM产生程序 (19)6.3 MPPT程序 (20)6.4 频率相位跟踪程序 (21)6.5 系统保护及自恢复程序 (22)6.6 DIT-FFT变换程序 (22)7系统关键技术及创新 (23)8测试方案及结果分析 (24)8.1 测试方案及测试条件 (24)8.2 测试结果及其完整性 (24)8.3 测试结果分析 (26)结论 (27)参考文献 (28)附录 (29)1引言本设计选择A题，根据题目要求需设计光伏并网模拟发电装置，可以对给定的光伏模拟电源实施最大功率跟踪，以达到高效传输电能的目的。
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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LCDDC-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）UdI//-IdU/-=(U=U m) （4）dI/IUdU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/-dUdI/工作电压，即增加SPWM波的调制比α，反之，若UdI/<，则应减小调/-IdU制比α，若U=，则维持在最大功率点。
/-IdUdI/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。