新能源发电综合实践光伏并网发电模拟装置

光伏并网发电模拟装置

摘要

本设计以dsPIC30F2010单片机为控制器，采用全桥DC/AC逆变电路和双极性SPWM 控制构建模拟光伏并网发电系统。设计的系统绝大部分指标满足设计指标要求，不仅具有性能优良的模拟光伏电池的最大功率跟踪、数字锁频锁相功能，而且有低的输出电压THD，高的效率和可靠性，以及采用打嗝方式的欠压和过载保护和故障排除后自恢复功能。

关键词：太阳能，并网光伏发电系统,MPPT,数字锁相

ABSTRACT

A grid photovoltaic inverter was proposed and designed with MCU dsPIC30F2010, DC/AC power topology and SPWM control scheme. The inverter can almost meet the design specifications, and had not only good performance MPPT, phase lock，but also low THD,high efficiency and reliability. The hip protection scheme was adopted for undervoltage and

over-current.

Keywords:Solar energy，grid photovoltaic inverter, MPPT, digital phase lock

一、方案论证与比较

太阳能电池板价格昂贵，且光电转换效率低，因此并网型光伏发电系统的效率、最大功率跟踪MPPT、输出电压/电流的THD、锁频锁相等性能为关键核心指标。根据设计任务要求，以上述指标为方案评估指标，论证系统关键的方案如下：

1.1 光伏逆变器的SPWM控制波形产生方案评估

方案一：用分立器件电路产生，主要由三角波发生器、正弦波发生器和比较器组成，但由于其电路复杂、灵活性差、调试困难等缺点，因此一般很少采用。

方案二：用专有集成芯片产生，虽然功能较强，输出波形质量较高，但是灵活性差、采用性能优良的控制方法能力差、成本较高，不适合小系统的设计需要。

方案三：用单片机或者数据信号处理器等数字控制器实现，目前许多单片机都具有产生SPWM波的功能。采用单片机具有电路简单可靠、灵活性好、可以采用性能优良的控制方法，而且方便实现系统状态监控、显示和处理，使整个系统控制非常方便。

鉴于上述分析，选用方案三。

1.2 SPWM控制方法及功率电路评估

方案一：单极性控制方式，该控制方式仅用到一对高频开关，相对于双极性逆变具有损耗低、电磁干扰少；但其控制方式较为复杂。

方案二：双极性控制方式，该控制方式电流谐波分量小、易于消除，且其控制方式简单得到广泛应用。虽然本发电模拟装置功率小，但由于全桥电路不存在半桥电路的中点电压可能不平衡问题（如果中点电压不平衡，将使逆变输出的正弦波有直流偏量），所以功率电路采用全桥电路。

鉴于上述分析，选用方案二以及全桥功率电路。

全桥DC/AC 驱动电路LC

滤

波

器

负

载

两路PWM

互补输出

控制芯片

dsPIC30f201

Uf信号

采样电路

Us、Ud 采样电路

Io Uo

采样电路模拟正弦信

号Uref

Ud Us

Rs

模拟光伏电池

u f

u o1

n1n2

n3

T

隔离变压器图1.光伏发电模拟装置系统框图

1.3 单片机选型

微控制器运算能力对系统性能有关键影响，方案评估如下：

方案一：采用PIC16F877A，该单片机为Microchip八位单片机，性价比高，但由于无硬件乘法器，运算速度较慢，很难满足该系统高性能数字控制要求。

方案二：采用dsPIC30F2010，该单片机嵌入DSP引擎，具有一个高速的硬件乘法器，拥有数字信号处理器的计算能力和数据吞吐能力，指令执行速度可达30MIPS，且性价比高，适合作为该系统的核心控制器件。

鉴于上述分析，选用方案二。

根据论证的方案，设计的光伏发电模拟装置系统框图如图1。系统各模块分析设计和实现如第二部分。

二、理论分析与计算

2.1 MPPT控制策略及实现

在本题条件下对光伏电池进行模拟，要使得DC/AC逆变器具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，就是要使得U d=U s/2；利用两个电压采样电路对直流稳压电源U s和输入电压值U d同时进行采样，计算采样值AD_averag0(输入电压值U d对应的采样值)与电压计算值AD_PI_OUT_REF(根据直流稳压电源U s对应采样值AD_averag2计算得到的基准值)的误差；将其误差转化为调制载波比的误差，对调制载波比采用增量式PI算法∆u(k)= u(k)-u(k-1)= K p*[e(k)-e(k-1)]+K i*e(k)进行调节，目的即是使得U d=U s/2；通过调节调制载波比来调节功率输出的大小，实现：当输出电压U d>U s/2时，增大调制载波比，使输出电流增大，从而使U d(U s-I d*R s)下降；当输出电压U d

本设计采用试凑法得到PI调节的参数：比例系数K p、积分系数K i。经过不断的调整，得到了较为满意的控制效果。

(1) 确定比例系数K p：去掉PI的积分项，可以令K i=0使之为纯比例调节。比例系数K p由0开始逐渐增大，直至U d出现振荡；再反过来，从此时的比例系数K p逐渐减小，直至U d振荡消失。记录此时的比例系数K p，设定PI比例系数K p为当前值的60％~70％。

(2) 确定积分系数K i：比例系数K p确定之后，设定一个较大的积分系数K i，然后逐渐减小K i，直至U d出现振荡，然后再反过来，逐渐增大K i，直至U d振荡消失。记录此时的K i，设定PI的积分系数K i为当前值的150％～180％。

(3) 对PI参数进行微调，直到满足性能要求。

2.2 数字锁相（同频、同相）控制策略及实现

并网部分要求工作时的负载电流必须与电网电压信号严格的同频同相，才能保证整个系统的安全运转，为了实现这个目标，通常使用锁相环来实现，本次设计用软件方式实现锁相，具体实现方法为：

利用两个正弦电压过零检测电路将模拟电网电压的正弦参考基准信号和电流反馈u f正弦信号分别转换为与其同频同相的方波信号，再利用dsPIC30F2010单片机的输入捕捉功能（引脚IC2/IC1）分别对两个方波信号的下降沿双次捕捉后进行中断处理。

锁频的实现：利用dsPIC30F2010单片机的IC2口对模拟电网电压对应的方波信号的两次下降沿进行捕获（其以dsPIC30F2010内部的TIMER2为时基），在中断子程序中读取捕捉缓冲器中IC2BUF的值两次，并保存在IC2BUF_reslut1、IC2BUF_result2中，计算此时的模拟电压正弦信号的周期（IC2BUF_result2 -IC2BUF_result1），得到每个PWM波的周期值PTPER，产生新的正弦输出周期，实现同频。

锁相的实现：在程序里面有个作为逆变器正弦波输出计数点的指针sin_v_n，为了防止波形的畸变，可以在一定范围内通过连续改变sin_v_n的值来实现相位的调整。利用dsPIC