光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置

1、光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置摘要:本系統(tǒng)采用單片機(jī)（STM32）和FPGA（EP2C5T144C8N）為控制核心，由模擬控制模塊、全橋逆變模塊、并網(wǎng)模塊和人機(jī)交互模塊4個(gè)功能部分組成。其中，全橋逆變模塊與模擬控制模塊采用光耦進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離，逆變電路采用具有高端懸浮自舉電源的IR2110 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，最終逆變效率達(dá)到75%以上。并網(wǎng)模塊通過(guò)反饋調(diào)節(jié)的方式跟蹤上市電電壓通過(guò)隔離變壓器與市電安全并接。實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)電流實(shí)現(xiàn)超1.5A斷流的過(guò)流保護(hù)和25V欠電壓保護(hù)功能且失真度極低，整個(gè)變換并網(wǎng)過(guò)程的輸入電壓輸出電壓頻率，在256*32點(diǎn)陣液晶上實(shí)時(shí)顯示，并能通過(guò)鍵盤(pán)加以控制。關(guān)鍵詞：逆

2、變、并網(wǎng)、效率、失真度、MPPT一、方案選擇與論證1題目任務(wù)要求及相關(guān)指標(biāo)的分析題目要求該系統(tǒng)逆變輸入直流電壓范圍為60V，且逆變的效率要達(dá)到60%以上，具有頻率跟蹤，相位跟蹤，失真度小于1%，且有輸入欠電壓和輸出過(guò)流保護(hù)功能。題目重點(diǎn)逆變需要產(chǎn)生SPWM波控制逆變電路進(jìn)行DC-AC轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。題目的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)換的效率問(wèn)題和相位跟蹤。2方案的比較與選擇2.1 逆變器主回路拓?fù)浞桨敢唬翰捎冒霕蚰孀冸娐贰Ｆ湓韴D如圖一所示，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，使用器件少。但它輸出的交流電壓幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。圖一 半橋逆變電路圖二 全橋逆變電路方案

3、二：采用全橋逆變電路。全橋逆變電路的原理如圖二所示，它共有4個(gè)橋臂，可以看成兩個(gè)半橋電路組合而成。把橋臂一和四作為一對(duì)，橋臂二和三作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩隊(duì)交替各180o。其輸出電壓的波形與半橋電路相同，但幅值提高一倍。對(duì)于半橋電路的分析也完全適用于全橋電路。 采用半橋電路所需的原器件較少，但是相對(duì)的其輸出電壓比全橋小一半，理論上最大輸出交流有效值為Uo=0.45Ud難以達(dá)到題目要求。綜上考慮，我們組最終采用了相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)且能夠滿足題目需求的方案二。2.2 系統(tǒng)控制模塊方案一：使用STM32和FPGA的結(jié)合作為系統(tǒng)的控制核心。方案二：使用STM32作為控制核心。STM32本身帶有

4、大量口資源，且功耗很低。本系統(tǒng)需要產(chǎn)生SPWM波進(jìn)行逆變控制，需求的口資源不多，并且題目附錄說(shuō)明控制電路可采用輔助電源單獨(dú)提供，因此STM32的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。STM32配合FPGA里面豐富的門(mén)電路和存儲(chǔ)單元的資源可以產(chǎn)生更精確的三角波和正弦波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的SPWM波，而且運(yùn)行速度更快，完全能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)需求。所以選擇方案一。2.3 SPWM波形產(chǎn)生方案根據(jù)SPWM基本原理，計(jì)算SPWM脈寬需要求解復(fù)雜的超越方程，在采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)運(yùn)算時(shí)間過(guò)大無(wú)法做到實(shí)時(shí)控制。因此我們需要另尋方案。方案一：采用規(guī)則采樣法。取三角波兩個(gè)正峰值之間的時(shí)間間隔為一個(gè)采樣周期，在三角波的負(fù)峰值時(shí)刻tD對(duì)

5、正弦信號(hào)波采樣而得到D點(diǎn)，過(guò)D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A、B兩點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻和B點(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷。方案二：數(shù)字調(diào)制法。按照SPWM 基本原理，在FPGA內(nèi)部形成正弦波和三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM波，其框圖如圖四。方案一為通用方式，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，是一種帶有近似的SPWM生成方式，并非準(zhǔn)確的SPWM波形，在載波比較低的情況下脈寬誤差較大，且不太適于異步調(diào)制。方案二需要在FPGA內(nèi)部采用DDS技術(shù)生成正弦波和三角波，較為復(fù)雜，但其具有產(chǎn)生靈活，精度可控的優(yōu)勢(shì)，生成的SPWM波形更接近于正弦波，且不受調(diào)制方式的限制，而且可以通過(guò)改變?nèi)遣ǖ狞c(diǎn)數(shù)來(lái)方便的改變調(diào)制深度，從而改變輸出電壓的幅度

6、，方案二能夠更好的達(dá)到題目要求，本題采用方案二。圖四 SPWM產(chǎn)生電路2.4 采樣方案選擇方案一：采用電壓互感器采集信號(hào)。方案二：采用線性光耦采集信號(hào)。方案三：采用隔離變壓器采集信號(hào)。方案四：采用電阻分壓的方式采集信號(hào)。 由于全橋逆變屬于浮地輸出，采用電阻分壓的方式也需要兩路一起分壓，并用差動(dòng)方式采樣，此方案電阻的精度會(huì)直接影響采樣精度，考慮到普通電阻都是5%的精度，這個(gè)方案的精度會(huì)大大降低。隔離變壓器方案比較理想，能夠精確的采樣并放大電壓信號(hào)，但此系統(tǒng)輸出達(dá)到36VAC，隔離變壓器無(wú)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減，且大輸出的隔離變壓器非常昂貴，會(huì)加大電路成本。線性光耦同樣能對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離輸出，且線性度良好

7、，但其交流特性不太理想，隨著頻率改變，輸出增益也隨之改變且價(jià)格昂貴。綜合上述理由，電壓互感器是最理想方案，能夠在對(duì)電路造成干擾最小的情況下采出真實(shí)的電壓波形。因此選擇方案一。2.5提高效率的方法及方案（1）死區(qū)控制。全橋電路需要兩路開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通進(jìn)行逆變，當(dāng)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Ton與關(guān)斷時(shí)間Toff不相同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)上下兩路同時(shí)導(dǎo)通的情況，逆變電路處在短路狀態(tài)，既容易損毀器件，又會(huì)產(chǎn)生大量額外功耗，降低逆變效率。采用死區(qū)控制，在SPWM波的每個(gè)開(kāi)啟信號(hào)前加一定時(shí)間的延時(shí)死區(qū)，可以提升逆變效率。（2）提升功率因素。逆變器效率h=PO/ PIN，其中POUO*IO*PF。因此提升功率因素PF將有效的提

8、升逆變效率。（3）外圍電路的節(jié)能。逆變需要許多外圍電路，這些電路與控制系統(tǒng)不在同一供電系統(tǒng)，會(huì)算在逆變的功率損耗中，減小這部分電路的損耗將提高逆變效率。二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方框圖圖五 系統(tǒng)總框圖本系統(tǒng)以STM32為控制核心，CPLD為輔助。通過(guò)FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的DDS產(chǎn)生SPWM同步調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)全橋式逆變電路進(jìn)行DC-AC轉(zhuǎn)換。其中，SPWM波通過(guò)高驅(qū)動(dòng)能力光耦從控制部分耦合到逆變主回路。系統(tǒng)對(duì)輸出的交流電流進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。并測(cè)量輸入電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率電跟蹤，經(jīng)過(guò)工頻隔離變壓器將逆變電壓并入市電。整體系統(tǒng)框圖如圖五。三、主要功能電路的設(shè)計(jì)1SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路 圖六 IR21

9、10驅(qū)動(dòng)電路全橋逆變電路需要使用高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)，若是采用普通光耦隔離驅(qū)動(dòng)則需要3路單獨(dú)電源為光耦供電。IR2110具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道，具有高端懸浮自舉電源，可以單電源驅(qū)動(dòng)整個(gè)全橋電路，且功耗15V下靜態(tài)功耗僅116mW，開(kāi)通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns 和94ns。是較為理想的全橋驅(qū)動(dòng)芯片。我們采用了兩片IR2110為全橋電路供電。其信號(hào)輸入由光耦給出，電路原理如圖六。 2 光耦隔離電路圖七 光耦隔離電路光耦用來(lái)隔離強(qiáng)電與弱電，用來(lái)減少逆變?cè)肼暩蓴_，同時(shí)防止意外中控制回路被損壞。6N137具有一定驅(qū)動(dòng)能力，且輸出擺率很高，能達(dá)2MHz比特率的數(shù)字信號(hào)隔離輸出。FPGA輸出的信號(hào)直接

10、進(jìn)入光耦，其電路如圖七所示。圖中輸入部分串聯(lián)510電阻保護(hù)發(fā)射LED不會(huì)過(guò)流，并能正常工作。 3電流采樣電路電壓通過(guò)在輸出回路串聯(lián)交流互感器進(jìn)行取樣，采用INA282放大50倍和高精度有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電流的檢測(cè)。電流測(cè)量電路如圖八所示。 圖八 電壓測(cè)量電路4過(guò)電流和欠電壓保護(hù)電路：圖九 保護(hù)電路對(duì)輸入電壓和輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)基準(zhǔn)源設(shè)定輸入電流和輸出電壓允許的值，但輸出電流高于設(shè)定值和輸入電壓低于設(shè)定值時(shí)輸出高電平給單片機(jī)控制繼電器進(jìn)行動(dòng)作。四、理論分析與計(jì)算1效率分析與運(yùn)算本系統(tǒng)最大輸出電流有效值為IM2A，最大輸出電壓有效值US36V，。我們選取了導(dǎo)通電阻較小的MOS

11、管IRF540Z，其導(dǎo)通電阻RDS為0.027。則系統(tǒng)最大MOS管導(dǎo)通損耗為： Pc=4*0.5* IDsmax2RDS=2*22*0.077=0.216W對(duì)于純阻性負(fù)載，MOS管的開(kāi)關(guān)損耗為PS=（Ton + Toff）f. IRF540上升時(shí)間為51ns，下降時(shí)間為39ns。f為調(diào)制時(shí)三角波的頻率。我們?nèi)〉娜遣l率為33KHz。則系統(tǒng)最大MOS管導(dǎo)通損耗為:PS=4*（Ton + Toff）f=2*36*2*（51+39）*10-9*330000.426W則MOS管的總功耗約Pc+ PS=0.645W。光耦TLP250在+5V供電情況下輸出端電流有50mA， IR2110工作電流200m

12、A，電路一個(gè)光耦兩個(gè)驅(qū)動(dòng)共消耗0.1*1*5+0.2*2*12=5.3W功率。濾波電感等效ESR為1，則總共損耗P=1*22=4W功率。外圍一共損耗功率P總=0.645+5.3+4=9.945W。則理論上逆變效率h=75.2%。2死區(qū)時(shí)間MOS管IRF540的上升時(shí)間Ton為51ns，下降時(shí)間為39nsToff，。我們?cè)诿恳宦房刂菩盘?hào)的上升沿到來(lái)之時(shí)，都會(huì)留出0.5us的低電平死區(qū)，再給出高電平，這樣就能夠保證上下橋臂不同時(shí)導(dǎo)通。5、 軟件流程圖十 軟件流程圖結(jié)合FPGA內(nèi)部的資源大小，本系統(tǒng)在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生2K的ROM用于存儲(chǔ)一個(gè)周期正弦波的1024個(gè)點(diǎn)。三角波在FPGA內(nèi)部通過(guò)寄存器的累

13、加來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保證三角波的最小精度，三角波采取每次加1的操作，通過(guò)改變累加速度調(diào)節(jié)三角波的頻率。由于要盡量保證三角波的比較精度，在改變SPWM波的調(diào)制深度時(shí)，通過(guò)改變?nèi)遣ǖ睦奂哟螖?shù) (產(chǎn)生三角波的寄存器仍保持每次變化1)來(lái)改變?nèi)遣ǖ姆?。而通過(guò)改變累加的速度來(lái)保證三角波的頻率為33KHz。為了實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)，軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)市電壓的過(guò)零點(diǎn)來(lái)隨時(shí)改變SPWM波的相位。6、 系統(tǒng)測(cè)試和誤差分析1測(cè)試使用儀器及型號(hào)60M雙信道數(shù)字存儲(chǔ)示波器：型號(hào) Tektronix TDS 1002數(shù)字萬(wàn)用表（3位半）：型號(hào)DT92052 測(cè)試方案及結(jié)果1.測(cè)試方案及測(cè)試條件 3 主要測(cè)試結(jié)果 表1 最大功率點(diǎn)跟蹤相對(duì)偏差（絕對(duì)值）序號(hào)Rs/Rl/Us/VUd/V變換效率 1303660.029.676.2% 2363660.029.775.4% 3303060.029.876.0% 表2 頻率跟蹤相對(duì)偏差 （fREF：45Hz55Hz）序號(hào)/HZ/H