光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬系統(tǒng)模塊方案論證與選擇

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

由戴維南定理可以知道：任何直流穩(wěn)壓電源都可以等效為電壓源Us，串聯(lián)內(nèi)電阻Rs，這里模擬光伏電池，采用Us=60V，Rs=30～36Ω；uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，其峰峰值為2V，頻率fREF為45～55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n1∶n2=2∶1、n3∶n1=1∶10，將μF作為輸出電流的反饋信號(hào)；負(fù)載電阻RL=30～36Ω。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：最大功率點(diǎn)的跟蹤、DC-AC逆變電路主回路的設(shè)計(jì)、逆變回路主控器選型、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、顯示電路的設(shè)計(jì)、SPWM控制波的實(shí)現(xiàn)以及輔助電源部分的設(shè)計(jì)等。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤方案比較

由于工程應(yīng)用的太陽(yáng)能電池是典型的非線性電源，輸出特性受光照、溫度等因素的影響，使得光伏電池的輸出功率隨著環(huán)境的變化不斷發(fā)生變換，其實(shí)際的光電轉(zhuǎn)換效率受到一定的限制。如果希望得到提高光伏系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)特別重要的的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使它始終在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際工作中日漸增多，所以，通過(guò)控制光伏電池的輸出功率，使光伏電池按MPPT工作，提高系統(tǒng)效率，從這種意義上說(shuō)相對(duì)地降低了系統(tǒng)成本，因此可以促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這個(gè)是相當(dāng)必要的。

2.1 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法也稱(chēng)之為爬上法，是目前最常用的MPPT控制方法，它給變換器疊加一個(gè)擾動(dòng)量，通過(guò)檢測(cè)并計(jì)算光伏電池輸出功率的變化情況進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。擾動(dòng)觀測(cè)法具有算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)跟蹤。但是擾動(dòng)觀測(cè)法在跟蹤穩(wěn)定時(shí)，只是在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，從而降低了系統(tǒng)效率。

2.2 增量電導(dǎo)法

由光伏電池輸出特性可知，在光伏電池最大功率點(diǎn)處得電導(dǎo)為零，左側(cè)電導(dǎo)為正，右側(cè)為負(fù)，其表達(dá)式（1）如下：

dP/dV=0 MPP處dP/dV＞0 MPP左側(cè)dP/dV＜0 MPP右側(cè)（1）

通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得：

■=■=I+V■≈I+V■（2）

將式（2）代人（1）得

ΔI/ΔV=-I/V MPP處ΔI/ΔV＞-I/V MPP左側(cè)ΔI/ΔV＜-I/V MPP右側(cè)（3）

因此，以式（3）作為判斷光伏電池是否工作在最大功率點(diǎn)的依據(jù)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，則可以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。增量電導(dǎo)法具有控制穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)能平穩(wěn)地追蹤其變化，并且與光伏電池組件的特性及參數(shù)無(wú)關(guān)。但是，增量電導(dǎo)法存在控制算法較復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)采樣精度要求較高，控制電壓初始化參數(shù)對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中的跟蹤性有較大影響等缺點(diǎn)。

2.3 開(kāi)路電壓法

開(kāi)路電壓法是一種最簡(jiǎn)單的最大功率點(diǎn)跟蹤法，在變化的日照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓VMPP和開(kāi)路電壓VOC成近似線性關(guān)系，如式（4）所示：

VMPPT=K1×VOC（4）

式中K1為比例常數(shù)。由于K1依賴(lài)于光伏電池本身的特性，通過(guò)事先憑經(jīng)驗(yàn)通過(guò)測(cè)試不同的日照強(qiáng)度和溫度條件下的VMPP和VOC計(jì)算得到，一般K1在0.71～0.78之間。因此，開(kāi)路電壓法根據(jù)事先確定的K1，周期性切斷變換器并測(cè)量當(dāng)前VOC，通過(guò)計(jì)算獲得VMPPT。

開(kāi)路電壓法需要切斷變換器以進(jìn)行開(kāi)路電壓測(cè)量，該方法只是對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)的一個(gè)估算，并不是真正意義上的MPPT控制技術(shù)同時(shí)一定會(huì)造成光伏電池短暫的功率損耗。但是由于開(kāi)路電壓法不需要任何控制器就可以實(shí)現(xiàn)，因此在某些應(yīng)用場(chǎng)合，極大降低了成本，這種方法基本上能滿(mǎn)足最大功率點(diǎn)跟蹤的要求。

除了上述幾種較常見(jiàn)的MPPT控制方法外，還有短路電流法（與開(kāi)路電壓法類(lèi)似）、模糊邏輯控制法（Fuzzy Logic Control）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（Neural Network）、直流電容下降控制法、負(fù)載電流或負(fù)載電壓最大法、滑?？刂品ā顟B(tài)空間模型法等。

3 系統(tǒng)模塊論證與選擇

3.1 DC-AC逆變器主回路拓?fù)浞桨副容^與選擇

方案一：用電流型DC-AC逆變回路作為系統(tǒng)功率變換的核心，將前級(jí)直流輸入變換成交流輸出。電流型逆變電路主要特點(diǎn)是直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流基本無(wú)脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源；交流輸出電流為矩形波，含有較多諧波，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同，電阻性負(fù)載的電壓為矩形波。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路應(yīng)用較多，換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。電流型DC-AC逆變電路控制電路復(fù)雜，且輸出電壓難以滿(mǎn)足題目要求。

方案二：用電壓型DC-AC逆變回路作為系統(tǒng)功率變換的核心，將前級(jí)直流輸入變換成交流輸出。電壓型逆變電路主要特點(diǎn)是輸入端并接大電容，提供恒壓源，電路逆變功率脈動(dòng)波形由直流電流體現(xiàn)，輸出電壓是矩形波，幅值為電容電壓，輸出電流大小由負(fù)載決定，波形由負(fù)載性質(zhì)決定。電阻型負(fù)載的電壓和電流波形均為矩形波；當(dāng)采用RLC諧振負(fù)載，且開(kāi)關(guān)頻率與諧振頻率一致，負(fù)載上的波形電壓和電流都是正弦波。電壓型逆變電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換；包括半橋式和全橋式電路，全橋式電路輸出功率比半橋式大，且效率較半橋式電路高、諧波少、輸出特性好、供電簡(jiǎn)單，且輸出端濾波較為容易。

綜上比較：根據(jù)題目所給條件和要求，我們選擇方案二所述的電壓型全橋逆變電路為DC-AC變換核心。

3.2 DC-AC逆變回路主控器選型方案比較與選擇

設(shè)計(jì)中，正弦逆變電路的控制電路為裝置的核心部分，而選擇性能優(yōu)良的控制器則能起到事半功倍的效果。

方案一：采用51系列單片機(jī)。51系列擁有基于復(fù)雜指令集（CISC）的單片機(jī)內(nèi)核，雖然其速度不快，12個(gè)振蕩周期才執(zhí)行一個(gè)單周期指令，但其端口結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)雙向并行口，可兼有外部并行總線，故使其擴(kuò)展性能非常強(qiáng)大。51系列單片機(jī)外接A/D和D/A比較簡(jiǎn)單，操作方便，但是由于本題的功耗要求特別嚴(yán)格，對(duì)效率的提高不利。

方案二：采用低功耗單片機(jī)C8051F020，這是一個(gè)完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片。內(nèi)部含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，4352B的RAM、8個(gè)I/O端口共64根I/O口線、一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)雙12位D/A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)比較器、5個(gè)16位通用定時(shí)器、5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器陣列、看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機(jī)支持雙時(shí)鐘，其工作電壓范圍為2.7～3.6V（端口I/O，RST和JTAG引腳的耐壓為5V）。與以前的51系列單片機(jī)相比，C8051F020增添了許多功能，同時(shí)其可靠性和速度也有了很大提高。且這個(gè)單片機(jī)管腳豐富，操作完全與51單片機(jī)兼容。采用JTAG方式，可通過(guò)USB口在線下載調(diào)試，使用十分方便，并且低功耗便于整體效率的提高。

方案三：采用主流16位單片機(jī)作為控制器，我國(guó)目前常用的16 位單片機(jī)主要有Motorola 的68HC16 系列、PHILIPS 的P51XA-S3 系列、西門(mén)子的SAB80C166 系列、凌陽(yáng)機(jī)SPCE061A系列等。Motorola 的68HC12的CAN 總線接口的功能使其在汽車(chē)電子上得到了較好的應(yīng)用，加上強(qiáng)大的定時(shí)/計(jì)數(shù)、I/O功能使其在通信、計(jì)算機(jī)外設(shè)、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等方面有廣泛的應(yīng)用；凌陽(yáng)的16位機(jī)主要用于MP3、DVD等語(yǔ)音識(shí)別領(lǐng)域。但是這些單片機(jī)價(jià)位都比較高。

結(jié)合題目設(shè)計(jì)功能要求，若采用51系列單片機(jī)將需要添加大量的A/D芯片，以及PWM發(fā)生電路等，電路復(fù)雜，可靠性低。主流16位單片機(jī)雖含有豐富的片內(nèi)資源，但應(yīng)用領(lǐng)域具有較強(qiáng)的針對(duì)性，編程復(fù)雜，且性?xún)r(jià)比較低。故綜合考慮下，由于C8051F020單片機(jī)具有片內(nèi)A/D采集功能，且處理速度能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，性?xún)r(jià)比較高，故選用為主控制器。

3.3 顯示模塊方案比較與選擇

方案一：采用LCD液晶顯示器顯示。采用128×64 點(diǎn)陣LCD 液晶顯示，可視面積大，畫(huà)面質(zhì)量好，對(duì)抗外界干擾強(qiáng)，使用方便簡(jiǎn)單，而且節(jié)省了軟件中斷資源。其缺點(diǎn)在于顯示內(nèi)容需要存儲(chǔ)字模信息，需要一定存儲(chǔ)空間，并且點(diǎn)陣型液晶功耗比較大，不適合本設(shè)計(jì)。

方案二：采用LED顯示器。LED顯示器是由LED發(fā)光二極管發(fā)展過(guò)來(lái)的一種顯示器件，它具有高亮度。寬視角反應(yīng)速度快，可靠性高，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中只顯示電壓，電流，頻率值，且顯示數(shù)據(jù)的精度不需要很高，無(wú)需顯示繁瑣的文字，字母等。

考慮到效率的要求采用方案二。

3.4 驅(qū)動(dòng)電路方案選擇與比較

方案一：利用脈沖變壓器直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，來(lái)自控制脈沖形成單元的脈沖信號(hào)經(jīng)高頻晶體管進(jìn)行功率放大后加到脈沖變壓器上，由脈沖變壓器隔離耦合，穩(wěn)壓管限幅后來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用廉價(jià)的脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)了被驅(qū)動(dòng)MOSFET與控制脈沖形成部分的隔離。

方案二：采用柵極驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)用集成電路IR2113。該芯片可驅(qū)動(dòng)同橋臂的兩個(gè)MOSFET，允許在600V電壓下直接工作，柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍寬（10～20V），死區(qū)時(shí)間內(nèi)置，最高工作頻率可達(dá)40kHz。

比較上面兩種方案，方案一的不足表現(xiàn)在：高平脈沖變壓器因漏感及肌膚效應(yīng)的存在較難繞制且容易產(chǎn)生振蕩。方案二芯片性能好，體積小，滿(mǎn)足題目要求，故采用方案二。

3.5 SPWM控制波實(shí)現(xiàn)方案比較與選擇

方案一：模擬調(diào)制法。用硬件電路產(chǎn)生正弦波和三角波，其中正弦波作為調(diào)制信號(hào)，三角波作為載波，兩路信號(hào)模擬比較器比較后輸出SPWM波形，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)全橋，完成功率放大，實(shí)現(xiàn)逆變。

方案二：采用專(zhuān)用集成SPWM芯片，產(chǎn)生SPWM信號(hào)，通過(guò)全橋驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)逆變。

方案三：采用單片機(jī)內(nèi)部PCA模塊和自編程軟件產(chǎn)生SPWM信號(hào)，經(jīng)MOS管全橋功率驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)逆變。

方案一電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但參數(shù)漂移大，集成度低，波形易受外界噪聲干擾，設(shè)計(jì)不靈活，且需要很復(fù)雜的硬件來(lái)控制逆變器功率器件的死區(qū)。方案二雖易于控制，但增加硬件電路復(fù)雜程度，且?guī)?lái)不必要的硬件成本。綜合成本及效率問(wèn)題，本系統(tǒng)選用方案三，利用C8051F020單片機(jī)內(nèi)部自帶的PCA模塊，并配以軟件編程實(shí)現(xiàn)SPWM波控制，可靠性高、可重復(fù)編程、響應(yīng)快、精度高、控制簡(jiǎn)單。

3.6 輔助電源設(shè)計(jì)方案比較與選擇

方案一：采用穩(wěn)壓集成電路78XX系列和79XX系列組成的組合電路實(shí)現(xiàn)不同電壓的輸出，這種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)給單片機(jī)和芯片供電，但是功率損耗較大。

方案二：采用以MC34063a控制器為核心的多輸出直流穩(wěn)壓電源，該輔助電源外圍元件較少，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可以有效減小損耗功率，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中需要的低功耗、高效率要求。

考慮題目的效率要求，選擇方案二。同時(shí)盡量選擇和單片機(jī)供電電壓相同的芯片，以減少路數(shù)。

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