西安电子科技大光伏并网发电模拟装置王超_New

西安电子科技大光伏并网发电模拟装置王超————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：C2000参赛项目报告（命题组）题目：光伏并网发电模拟装置学校：西安电子科技大学指导教师：郭万有（教授）参赛队成员名单（含个人教育简历）：王超、研究生、西安电子科技大学郝爽、本科生、西安电子科技大学白谱伟、研究生、西安电子科技大学光伏并网发电模拟装置王超郝爽白谱伟（西安电子科技大学电子工程学院邮编710071）摘要：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、低通滤波器。

系统以全桥驱动电路为核心，以TMS320F2808数字信号控制器为主控制器和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。

根据鉴相器得到的输出信号和参考信号的频率信息和相位信息，对SPWM信号做出调整，实现频率跟踪和相位跟踪。

[关键词] 全桥驱动H桥功率变换变频低通滤波器TMS320F2808 SPWM Grid simulator based on TMS320F2808Wangchao, haoshuang, baipuwei(School of Electrical Engineering, Xidian University)Abstract：The 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 TMS320F2808. 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 frequency information and phase information from phase detector.[Key Words] full bridge driving H bridge variable low pass filterTMS320F2808 SPWM1.引言我们的题目是设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，将模拟光伏电池发出的直流电转化为与电网模拟参考信号同频同相的交流电而实现模拟并网。

尽管寻找新能源的工作已经有悠久的历史了，但是能源的日益短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。

在这个过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。

光伏发电就是其中之一。

光伏发电以其能源清洁性、资源的充足性及潜在的经济性等优势，在世界范围内受到高度重视。

随着造价日益降低，其应用越来越广泛。

在工业控制领域，外设丰富，性能强大的通用控制处理器已经成为主流。

TI公司生产的c2000系列DSP便是其中的典型代表，本系统采用TMS320F2808作为主处理器，完成平台的各项处理功能。

2.系统指标本设计达到了该题目要求的所有基本指标和的发挥部分指标，并在此基础上进行了扩展。

其测试记录如表2.1。

类型序号项目与指标测试记录基本要求(1)最大功率点跟踪功能R L=30Ω时，测量R S=30Ω和R S=36Ω时的U d，分别记为U d1和U d2U S= 60.0 VU d1= 29.8 V，U d2= 29.8 V R S=30Ω时，测量R L=30Ω和R L=36Ω时的U d，分别记为U d1和U d2U S= 60.0 VU d1= 29.8 V，U d2= 29.8 V (2)频率跟踪功能：R S=R L=30Ω时，测量不同f REF下的f Ff REF=45Hz f F= 44.75 Hzf REF=50Hz f F= 50.30 Hzf REF=55Hz f F= 55.25 Hz(3)R S=R L=30Ω时，测量效率：η≥60%满分，每降低1%扣1分U o1= 29.4 V I o1= 0.86 AU d= 29.9 V I d= 0.95 Aη= 82.9 %(4)R S=R L=30Ω时，测量u o的失真度：THD≤5%满分，每增加1%扣1分THD= 0.77 %(5) 欠压保护欠压保护功能（有）；动作电压U d（th）= 24.9 V(6) 过流保护功能过流保护功能（有）；动作电流I o（th）= 1.45 A 工艺基本要求总分发挥部分(1) η≥80%满分，每降低1%扣0.5分η=82.9 %(2) THD≤1%满分，每增加1%扣1分THD= 0.77 %(3)相位跟踪功能：R S=R L=30Ω时，测u F与u REF的相位差∆ϕ测量不同f REF下的∆ϕREF45Hz=f：1∆ϕ=(<3°)=REF50Hzf：2∆ϕ=(<3°)=REF55Hzf：3∆ϕ=(<3°)测量容性负载下的∆ϕREF45Hz=f：1∆ϕ=(<3°)=REF50Hzf：2∆ϕ=(<3°)=REF55Hzf：3∆ϕ=(<3°)(4) 自动恢复功能有(5) 其他参数显示，异常报警表2.1 光伏并网发电模拟装置测试记录3.系统方案3.1 方案论证由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，故光伏并网发电模拟装置主要是完成DC-AC逆变。

1)逆变方案方案一：电压型逆变电路。

以大容量电容为储能元件，直流电源电压稳定，输出电压为矩形波或阶梯波，电流波形根据负载电阻，电感，电容属性而有所不同。

方案二：电流型逆变电路。

直流电源输出端串接大容量电感，电源输出电流稳定。

输出交流电流为矩形波或阶梯波，电压波形近似为正弦波。

方案三：正弦脉冲宽度调制（SPWM）逆变电路。

利用脉冲宽度调制技术，以多个脉冲对应一个周期的交流波形，且按正弦规律控制每个脉冲的宽度，可使负载得到相当接近正弦波的输出电压和电流。

方案比较：一方面由于方案三输出是正弦波，可以减小谐波分量，另一方面其采用开关电源技术，功率因数高，因此本系统采用方案三。

SPWM信号，经过全桥驱动控制H桥电路的MOSFET管的开关实现。

因此SPWM信号的产生决定了整个系统的组成。

SPWM信号产生有以下三种方案。

2)SPWM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，通过逆变电路，完成功率放大，实现逆变。

方案二：采用专用集成SPWM芯片，产生SPWM信号，通过逆变电路，实现逆变。

方案三：采用软件产生SPWM信号，经逆变电路，实现逆变。

方案比较：方案一模块明确，分立元件成本低，但是电路设计复杂，并且不方便对逆变器的控制，调试时间长。

方案二电路简单，易于控制，但是需要控制电路的设计，增加了系统的成本。

方案三硬件少，功耗小，容易实现闭环控制和改善系统性能。

综合考虑成本及效率问题，本系统选用方案三。

系统总体框图如图3.1所示。

本系统采用软件产生SPWM信号，经过全桥驱动控制H桥电路的MOSFET管的开关实现，实现逆变。

处理器采用数字信号控制器（DSC）TMS320F2808，用软件实现正弦脉宽调制（SPWM）。

根据脉宽调制原理，软件计数产生高频三角波，与缓变的正弦波数据进行比较，当计数值大于正弦波数值时，输出高电平，当计数值小于正弦波数值时，输出低电平，从而产生SPWM 信号。

SPWM信号通过浮栅驱动器IR2010驱动MOS管(IRFB23N15D)全桥，实现功率放大，由低通滤波器滤出功率正弦波，即完成了DC-AC逆变。

通过PID算法调节输出脉冲宽度可以改变输出电压的幅值，调节调制信号频率可以改变输出电压的频率，实现了对逆变的控制。

其中TMS320F2808的EPWM模块用来产生SPWM信号；ECAP模块用来接收逆变后正弦信号的频率信息以及其和参考正弦信号之间的相位差；ADC模块用来采样直流源U d 和u f的有效值进行欠压和过流检测；GPIO模块可以和LCD和按键接口实现人机交互。

T n 1n 2R Li oi o1u ou o1LC 滤波器DC-ACH 电桥TMS320F2808DSC有效值检测电路鉴相器电压检测电路IR2010开关驱动器U SR S I dU du fn 3SPWM过流关断开启EPWM ADCECAPADCGPIOLCD 按键U d U ref图3.1 系统总体框图3.2 SPWM 产生算法tttPWM1PWM2图3.2 SPWM 产生示意图为了驱动后级H 桥电路，SPWM 采用双节性调制方法，如图3.2所示。

通过缓变的正弦和高频锯齿波比较产生一对互补对称的SPWM 波，然后送往后级电路。

正弦波数据可以直接由F2808的BOOTROM 的正弦表查出，三角波的载波频率可以通过设置F2808的EPWM 模块的周期寄存器（TBPRD ）来实现，在每个三角波周期结束将新的正弦数据置入计数比较器（CMPA ），并采用增减计数和互补模式产生对称的PWM 波形，这样可以方便正弦信号的调整和提高电路的效率。

本系统中采用F2808的EPWM4通道产生一对互补对称的SPWM 信号。

3.3 MPPT 的控制方法图3.1中的电压检测模块用来实现最大功率点跟踪（MPPT ）功能，由F2808的AD 采样输入电压Ud ，与最大功率点（30V ）进行比较，采用PI 算法进行调节。

当Ud 大于30V 时，减小SPWM 调制信号的幅度，当Ud 小于30V 时增大SPWM 调制信号的幅度，从而使实现最大功率点跟踪功能。

积分环节，I比例环节，P输入电压UduPuI30Vu(t)c(t)e(t)图3.3 PI 控制器的原理框图PI 控制器的原理框图如3.2所示。

PI 控制算法采用增量式PI 控制算法，它的目标输入量是输入电压Ud 的幅值为30V 时的AD 输入，实际输入量是输入的电压Ud 的AD 输入，它们之间的相减得到偏差信号e （t ），然后用PI 算式（式3-1）得到控制量的偏差，最后将控制量转换为SPWM 的控制数据，使整个系统成为一个闭环系统，实现对SPWM 的控制。

()()(1)()(1)()u k P e k I e k u k u k u k ∆=⨯-⨯-⎧⎨=-+∆⎩ （式3-1）其中：)(k u 表示控制量，k 表示时间；)(k u ∆表示两次控制量的偏差；)(k e 表示目标输入和实际输入偏差，k 表示时间；P 表示比例系数；I 表示积分系数。