电子设计竞赛--光伏并网发电模拟装置详细解析

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测试记录与评分表
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测试记录与评分表
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测试记录与评分表
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测试说明
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测试说明
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测试-注意事项
相位差测量：波形不标准，测量波形（过零点）比较有 一定难度 严格按照要求：RS=30，值小电压降不下来 电路形式：有价升压电路的 滤波问题：波形无法测量-不稳、方波（无PWM控制） 功率：散热问题、连线太细等 滤波：RC滤波—不对 接线：所有在实验室接好，不能现场接线 自制信号源：使用实验室仪器
--2009年全国大学生电子设计竞赛题解析
A题--光伏并网发电模拟装置
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题目分析 方案选择 参数计算 测试说明 参赛结果
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题目分析 方案选择 参数计算 测试说明 参赛结果
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光伏并网发电模拟装置（A题）
d S
（2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF 的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。 （3）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率η≥60%。 （4）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。 （ 5 ）具有输入欠压保护功能 , 动作电压 Ud （ th ） =(25±0.5)V 。 （6）具有输出过流保护功能,动作电流Io（th）=(1.5±0.2)A。
绝对值不大于1% 30*1%=0.3V
i dt ∫ C= ∆U
C=6000--10000UF
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直流输入电压极端情况下为60V，逆变器输出交流电流 有效值为2A，桥路上开关管承受的最大反压为直流电源 电压，考虑到一定的余量，选取IRF25O MOS管，其最 大电压为200V，最大电流为30A，最高开关频率可达 40kHz。
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uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值 为2V，频率fREF为45Hz-55Hz；
频率测量 过零点测量 相位的适当修正
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3、信号采集部分
采集信号包括前级直流输入电压、电流，后级交流输出 电压、电流，输入参考和反馈信号的频率、相位。直流 输入电流值采用电流检测放大器INA206 对取样电阻取 样后采用线性光耦HCNR201 隔离，直流输入电压则利用 电阻分压后经过线性光耦隔离取样，通过16 位低功耗 全差分串行Σ-Δ 型A/D 转换器MAX1416 进行采集, 交 流信号经电压电流互感器转换后采用14 位伪差分串行 A/D 转换器TLC3578 采集。
方案二：双极性控制方式
u ur uc
O
ωt
uo Ud O -Ud
u of
uo
ωt
当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号 当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号
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Is
+
RS
Id
+
i o1
滤 波 器
T
io
n1
u o1
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题目分析 方案选择 参数计算 测试说明 参赛结果
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RS
+
Id
+
i o1
滤 波 器
T
io
n1
u o1
n2
uo
RL
US
-
Ud
-
DC- AC
n3
u REF
控制电路
uF
图1
并网发电模拟装置框图
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u u
r
u
c
O
ω t
u U
u
o d
of
u
o
O
ω t
- U
d
当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号 当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号
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方案三：单极倍频正弦脉宽调制
vr>vc时，VA为正，T1通态，T2截止。 vr<vc时，VA为负，T1截止，T2通态。 vr+vc>0时，VB为正，T4通态，T3截止。 vr+vc<0时，VB为负值，T4截止，T3通态。 vr+vc>0 vr>-vc ；
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保护电路设计 优化设计开关管的开通缓冲电路、关断缓冲电路及吸 收电路等，使之工作在安全区内，且可以改变开关轨 迹，减少开关损耗。（软开关） MSP430系列单片机具有多种低功耗模式，在软件设计时 适当的使单片进入低功耗模式，以减少系统的损耗。
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题目分析 方案选择 参数计算 测试说明 参赛结果
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•LC 低通滤波器参数设计
逆变器输出滤波器的截至频率取10倍工频，鉴于系统 功率不大，滤波电感的电感量可以稍大，滤波电容的 容量稍小。实际制作中，滤波电感的电感量为1mH，满 足截至频率的电容量为： 1 1 = = = Cf 100(uF ) −3 2 2 L f ωn 1×10 × (2π × 500) 实际测得，滤波电感的等效电阻为0.13Ω，考虑到桥 路的等效电阻等，取总的等效电阻为0.2Ω，则有 阻尼比： 1 Cf 1 100 ×10−6 = × 0.2 = 31.6 ξ= Rf −3
n2
uo
RL
US
-
C
Ud
-
DC- AC
n3
u REF
控制电路
uF
图1
并网发电模拟装置框图
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U
基 波
感性 电流
Id
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电容电流：Ic=Id-Is
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RS和RL在给定范围内变化时，Ud相对偏差的
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题目分析 方案选择 参数计算 测试说明 参赛结果
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A题测试情况 湖北省A题参赛队：54 （总队数：466）
基本部分 50.00 50.00 45.33 45.00 38.00 47.00 43.00 46.00 39.33 发挥部分 39.00 37.00 37.00 33.50 36.00 31.00 27.00 23.00 30.50 测试总分 89.00 87.00 82.33 78.50 74.00 78.00 70.00 69.00 69.83 设计报告 29.00 25.33 27.00 23.50 26.33 21.00 27.17 23.17 18.83 总分 118.00 112.33 109.33 102.00 100.33 99.00 97.17 92.17 88.66 2015/6/30 47
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US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V， RS=30Ω-36Ω； uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频 率fREF为45Hz-55Hz； T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将 uF作为输出电流的反馈信号； 负载电阻RL=30Ω-36Ω。
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2．发挥部分 (1) 提高 DC-AC 变换器的效率，使 η ≥ 80% （ RS=RL=30Ω时）。 (2)降低输出电压失真度，使THD≤1%（RS=RL=30Ω时）。 (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°。 (4)过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。 (5)其他。
φs= φd + φ= 1.16 + 1.8 = 2.96° ≤ 5° i
由于课题要求的频率跟踪范围不大（45～55Hz），在整 个频率变化的范围内，都可以满足相位跟踪指标要求。
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•效率分析
影响逆变器效率的主要因素是开关损耗和滤波电感损耗 开关损耗与开关频率的平方成正比 滤波电感损耗主要取决于绕制电感的导线铜损和磁芯 的损耗 为降低损耗，选用导通电阻为85mΩ的开关管IRF250, SPWM载波频率为10KHZ，对桥路开关管的控制采用单极 倍频方法，可以降低一倍的开关损耗。 滤波电感的磁芯采用非晶态磁芯，大大降低高频涡流损 耗和磁滞损耗，并且由于高的导磁率，绕线较短，铜耗 也大为降低，用直径为1.8mm的铜丝绕制电感。
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RS
+
Id
+
i o1
滤 波 器
T
io
n1
u o1
n2
uo
RL
US
-
Ud
-
DC- AC
n3
u REF
控制电路
uF
图1
并网发电模拟装置框图
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1．基本要求 （ 1 ）具有最大功率点跟踪（ MPPT ）功能： RS 和 RL 在给定范 U 相对偏差的绝对值不大于1%。 围内变化时，使 U = 1 2
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题目分析 方案选择 参数计算 测试说明 参赛结果
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《电子制作》 2010/02
武汉大学-闻长远 王雨曦 江 光伏并网发电模拟装置(1) 超
福州大学-张锦吉 戴荣东 吴家彪 光伏并网发电模拟装置(2) 武汉理工大学、三峡大学报告
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RS
+
Id
+
i o1
滤 波 器
T
io
Hale Waihona Puke Baidun1
u o1
n2
uo
RL
US
-
Ud
-
DC- AC
n3
u REF
控制电路
uF
图1
并网发电模拟装置框图
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1.DC-AC主回路选择
DC-AC 回路为系统功率变换的核心，负责将前级直流输 入变换成交流输出。根据电路控制参量的不同可分为电 压型和电流型。 电流型逆变电路交流输出电流为矩形波，控制电路较 为复杂。 电压型逆变电路包括半桥式和全桥式电路，电路逆变 功率脉动波形由直流电流体现，输出电压为矩形波， 输出电流因负载阻抗不同而不同。电压型控制电路对 输出电压进行调节，便于进行功率转换，所以最终选 用电压型全桥逆变电路为DC-AC 的功率变换核心。
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4.保护电路
系统具有欠压保护、过流保护以及故障后的自恢复功能。 利用单片机监测输入电压Ud和输出电流IO，采用试触方 式实现自动恢复功能。当检测到欠压状态和过流状态时， 单片机断开继电器，经过4s延时后再次导通电路进行检 测，直到故障排除为止。此外系统还附加短路保护和过 热保护功能，短路保护电路具有自锁功能。
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方案一：单极性控制方式
u uc ur
O
ωt
uo Ud
uo u of
O
ωt
-U d
ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0 。
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方案二：双极性控制方式
2 Lf 2 1× 10
基波相移： 2 × 31.6 × (2π × 500) −1 2ξωn φd tg 1.16° = = = 2 2 2 2 ωn − ω (2π × 500) − (2π × 50)
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•频率、相位同步方案
由于逆变器开关频率取10kHz，从调制信号（电网电压 信号）到逆变桥的输出最多一个开关周期的延迟0.1ms （1.8°）。所以，逆变器输出总相位延迟：
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2.正弦波脉宽调制（SPWM）方式
正弦波脉宽调制，根据其调制方式不同可分为模拟调制 和数字调制。 模拟调制制方式基于自然采样原理，在三角波和正弦 波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。 数字调制法同样基于自然采样原理，以可编程逻辑器 件为载体将正弦波表存入存储器，经过数字比较产生 对应波形。数字调制方式生成波形相位分辨率可以达 到很高精度，改变调制比（正弦波与三角波幅度比） 即可改变输出电压。 由于数字调制方式控制简单，实现方便，故选用数字 调制方式产生逆变电路的控制信号。
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三、说明 1．本题中所有交流量除特别说明外均为有效值。 2．US采用实验室可调直流稳压电源，不需自制。 3．控制电路允许另加辅助电源，但应尽量减少路数和损耗。 4．DC-AC变换器效率 η = Po ，其中 P = U d ⋅ Id ， = Po U o1 ⋅ I o1 。 d Pd 5．基本要求（1）、（2）和发挥部分（3）要求从给定或条件发生变 化到电路达到稳态的时间不大于1s。 6．装置应能连续安全工作足够长时间，测试期间不能出现过热等故障。 7．制作时应合理设置测试点（参考图1），以方便测试。 8．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程 图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的 测试结果用附件给出。