光伏并网发电模拟装置设计

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光伏并网发电模拟装置设计

【摘要】：本系统采用单级DC-AC+工频变压器的拓扑结构，主电路为

IR2111驱动的半桥式逆变电路。控制电路以ATmega16单片机为核心，由软件生

成SPWM波控制DC-AC逆变，跟踪最大功率点。系统通过反馈信号监测频率、相位，经由A/D采样欠压、过流信号，控制频率、相位的跟踪和欠压、过流保护。经测试，本系统的变换效率可达74.1%。输出正弦波形失真度小（THD=1.5%），实现了同频同相的跟踪控制和欠压保护。能够改变逆变电路的输入阻抗，调节工作点，但MPPT的效果未如理想。

【关键词】：DC-AC；SPWM；MPPT；变换效率；频率相位跟踪

The design of photovoltaic grid-connected power simulator

Abstract:The topology of single-stage DC-AC+ power frequency transformer is used in this system, the main circuit is half-bridge inverter circuit driven by integrated circuit IR 2111. Microcontroller ATmega16 is the core of the control circuit, and the DC-AC inverter is controlled by the SPWM wave which is generated by software to track the maximum power point. Through the frequency and phase being monitored by the feedback signal, and A/D sampling being employed by the under-voltage and over-current signal, frequency and phase tracking and under-voltage and over-current protection are controlled by the system. By testing, the conversion efficiency of this system can reach 74.1%, and the distortion of output sine-wave is small (THD=1.5%), the same frequency and phase control can be achieved, as well as the function of under-voltage protection. The input impedance of inverter circuit can be changed to regulate the operating point, but the effect of MPPT is unsatisfactory.

Key words: DC-AC; SPWM; MPPT；conversion efficiency; frequency and phase tracking.

1 方案论证

1.1总体方案论证

方案一：如图1所示，硬件电路由DC-AC 变换器，滤波电路，变压器组成；系统以ATmega16单片机为控制核心，利用软件生成SPWM 波，通过直接控制SPWM 波的最大占空比来实现MPPT 控制；系统通过反馈信号检测频率、相位，经由A/D 采样欠压、过流信号，控制频率、相位的跟踪和欠压、过流保护。

方案二：在DC-AC 变换器之前增加一级DC-DC 变换器，通过反馈控制确保功率匹配条件，实现MPPT 。

由于系统对效率要求比较高，如果在DC-AC 变换器前插入DC-DC 变换器必然会降低转换效率，所以选择方案一。

1.2 DC-AC 主回路方案的选择

光伏并网装置常采用H 桥逆变电路，桥式电路具有一定的抗不平衡的能力，输出功率范围大。但全桥电路较为复杂，对称性要求较高。考虑到技术难度和时间因素，这里采用半桥式逆变电路，在本系统中，逆变电路效率是主要设计指标，要求开关管损耗较小，只需有两个开关管，电路简单，较易实现。

虽然我们也尝试了制作调试全桥电路，终因时间仓促没有完成。

1.3 SPWM 的产生方案

方案一：利用软件产生SPWM 波，通过查表的方法，产生SPWM 波，该方案较简单。 方案二：利用硬件或软硬结合的方式生成SPWM 波，例如利用软件生成单纯的三角波，利用硬件生成SPWM 波。该方案较为复杂。

由于本系统产生的交流是工频，完全可以由单片机实现SPWM 控制，故选择方案一。

1.4提高效率的方法

影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗和DC —AC 变换器的功耗，其中主要是DC-AC 变换器的效率。变换器的损耗主要有MOSFET 开关损耗, MOSFET 驱动损耗等。故在DC-AC 变换器中采用驱动开关速度快的专用集成电路IR2111作为驱动电路，MOSFET 选择IRF540作为开关管，IRF540导通电阻小，开关速度快，导通压降小，功耗比较低。其次，采用低功耗单片机ATmega16。

2 电路方案设计

2.1 DC-AC 主回路设计与器件的选择

DC-AC 主回路采用半桥式逆变电路，原理如图2所示，由单片机产生的SPWM 波通过IR2111驱动两个MOSFET 开关管，实现DC-AC 逆变。

图1 系统框图 图2 DC-AC 主回路原理图

IR2111.兼有电隔离与体积小、速度快的优点，具有低端和高端输入通道，可驱动同桥臂的两个MOSFET ，内含自举电路，高端工作电压可达500V ，工作频率高，可达500kHz ，开通和关断的延迟时间小。整机性能好，体积小。

IR2111应用电路中自举二极管采用HER208，其反向漏电流极低，浪涌承受能力较强，稳定性高。能够满足电路的需要。

对于自举电容，工程中常用计算公式如下：C1>2Qg/(Vcc-10-1.5)。式中，Qg 为IGBT 门极提供的栅电荷。

本电路选择IRF540作为开关管，由于IRF540导通电阻小，开关速度快，导通压降小，所以功耗比较低。效应管IRF540栅极电荷为72nC ，根据上述自举电容的计算公式可以算出，自举电容的容量C>2*72/(15-10-1.5)，故选择耐压值高，容量为0.1uF 的电容。

2.2检测电路的设计

从本系统的框图中可知检测电路有电压、电流监测电路及频率相位监测电路。控制功能主要由单片机完成。实现MPPT 控制、频相跟踪控制以及欠压、过流保护功能，需要监测输入电压U d 、负载电流I o 、交流反馈信号和参考信号。

● 输入电压检测

在DC-AC 主回路的输入端接入如图3所示的电路，单片机通过对输入电压进行A/D 采样检测，当输入电压U d 正常时，电路正常工作；当检测到输入电压低于25V 时，故障指示灯亮，蜂鸣器报警，单片机停止产生SPWM ，电路停止工作。当欠压故障排除后，电路自动恢复为正常状态。 ● 负载电流检测

在负载端通过电流互感器将负载电流耦合到如图4

所示电路，采样电阻将电流信号转变为电压信号，通过A/D 送单片机处理，当单片机检测到负载电流小于1.5A 时，电路正常工作；当检测到负载电流Io>1.5A 时，蜂鸣器报警，电路停止工作；过流故障排除后，电路自动恢复为正常状态。 ● 频率相位的检测

利用过零比较器把参考信号和反馈信号变换为同频率的方波信号，通过外部中断和计数器来检测频率和相位差。

2.3滤波参数计算

要得到50Hz 的输出正弦交流信号，DC-AC 逆变电路后要接一个滤波电路，把高频滤掉，电路如图6所示。 由公式LC

f π21=

，取Hz f 50= ，L=12mH ，

求得C=0.08uF ，故取C=0.1uF 。

图4 电流检测电路

图3 输入电压检测电路

图5 滤波电路