并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(完整版)

　　

【正文】 R Studio 4 和 Proteus仿真軟件。實(shí)際電路如圖 圖 實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路 過零檢測(cè)電路 由于頻率檢測(cè)和相位調(diào)整的需要，要對(duì)正弦波進(jìn)行過零檢測(cè)以產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。 自舉二極管的選擇：自舉二極管是一個(gè)重要的自舉器件，它應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓，二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。假定在 1S 關(guān)斷期間 2C 已充到足夠的電壓（ 1CV ≈ VCC）。50V/ns， 15V 下靜態(tài)功耗僅 116mW；輸出的電源端（腳 3,即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）電壓范圍 10～ 20V；邏輯電源電壓范圍（腳 9） 5～ 15V，可方便地與 TTL， CMOS 電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有177。每個(gè)與非門再由兩個(gè)非門來擴(kuò)展成兩路輸出，以組成 4 路 SPWM 控制全橋逆變電路。 第 20 頁 共 50 頁 關(guān)于 SPWM 的開關(guān)頻率 SPWM 調(diào)制后的信號(hào)中除了含有調(diào)制信號(hào)和頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量之外，幾乎不含其它諧波，特別是接近基波的低次諧波。為了使一相的波形正、負(fù)半周鏡對(duì)稱，同時(shí)使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱，載波比 n應(yīng)取為 3 的整數(shù)倍的奇數(shù)。 （ 1）異步調(diào)制 在異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號(hào)頻率變化時(shí)，通常保持載波頻率固定不變，因而載波比 m是變化的。一般將正弦調(diào)制波的幅值與三角載波的峰值之比定義為調(diào)制度 M(亦稱調(diào)制比或調(diào)制系數(shù) )。 已知，開關(guān)管承受的最高電壓 48?MAXU V，若取一定的裕量，則開關(guān)管的額定電壓 第 18 頁 共 50 頁 為 2～ 3 倍 MAXU ；由于允許最大并網(wǎng)電流為 ?MAXOIA，則低壓側(cè)的最大 輸出 電流28??MAXOI A， 平均電流 562 ???? MAXOd II A， 若取取一定的裕量，則 開關(guān)管的額定電流為～ 2倍 dI? 。 （圖 ） ： 圖 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形 dt 為觸發(fā)引前時(shí)間 ： (36) Oi 超前于 Ou 的時(shí)間為 ： (37) 表示為電角度 ： (38) 第 17 頁 共 50 頁 其中， ? 為電路工作角頻率； ? 、 ? 分別是 ?t 、 ?T 對(duì)應(yīng)的電角度 。 2VT 、 3VT 電流有一個(gè)增大過程。因功率因數(shù)很低，故并聯(lián) C。 （ 2） 交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。 Ou 波形同 圖 （ b）。 電壓型逆變電路 電壓型逆變電路的主要特點(diǎn)： （ 1） 直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有打電容，相當(dāng)于電壓源。 AVCC 與 VCC 之間的偏差不能超過177。單端電壓輸入以 0V (GND)為基準(zhǔn)。但是 如果 PWM 基頻不斷變化 (通過改變 TOP 值 )，OCR1A 的雙緩沖特性使其更適合于這個(gè)應(yīng)用。這些中斷標(biāo)志位可用來在每次計(jì)數(shù)器達(dá)到 TOP 或 BOTTOM 時(shí)產(chǎn) 生中斷。具體的時(shí)序圖為圖 。工作于反向輸出比較時(shí)則正好相反。 要注意的是外部事件的最大時(shí)間間隔不能超過計(jì)數(shù)器的分辨率。 第 12 頁 共 50 頁 普通模式： 普通模式 (WGM13:0=0)為最簡(jiǎn)單的工作模式。通過設(shè)置 MCU 控制寄存器 MCUCR 與 MCU 控制與狀態(tài)寄存器 MCUCSR，中斷可以由下降沿、上升沿，或者是低電平觸發(fā) (INT2 為邊沿觸發(fā)中斷 )。 （ 4） 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 RTC。 公共母線 圖 單級(jí)隔離式 DC AC 逆變并網(wǎng)控制器 公共母線 DC AC 圖 多級(jí)隔離式 DC DC 逆變并網(wǎng)控制器 第 9 頁 共 50 頁 方案控制策略 光伏發(fā)電并網(wǎng)如同一個(gè)恒壓源（電網(wǎng)）與一個(gè)電流源（并網(wǎng)逆變器）并聯(lián)。 為了能與公共電網(wǎng)并網(wǎng)，還應(yīng)該加入頻率和相位跟蹤功能。 （ 4） 當(dāng) RS=RL=30Ω 時(shí)， DCAC變換器的效率 ?≥ 60%。 第 7 頁 共 50 頁 2 方案 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)就是根據(jù)題目的要求而對(duì)硬件和軟件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和軟件程序來達(dá)到目的。 SPWM 波形由單片機(jī)的程序發(fā)生，其是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心電路 。 由于 光伏發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電方式不一樣，它的功率是隨著著光照而改變的，在短時(shí)間內(nèi)的變化也是不定的，同時(shí)存在功率的突變的問題（即需要孤島效應(yīng)偵測(cè)的原因）。 由于最高效率的提升已經(jīng)沒有 多大的空間，所以現(xiàn)在更加關(guān)注的是如何提高在低功率時(shí)變換器的效率。當(dāng)早晨陽光由弱變強(qiáng)時(shí)，群控器隨機(jī)先選中一臺(tái)逆變器投入運(yùn)行，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)逆變器接近滿載時(shí)再投入一臺(tái)逆變器，同時(shí)群控器通過指令將逆變器負(fù)載均分。 理想光伏電池的 shR 很大 ， 可近似為無窮大 。 其中 ，德國(guó)以 的安裝量仍穩(wěn)居世界各國(guó)首位。 光伏發(fā)電的成本在逐年下降。 如果結(jié)合飛速發(fā)展的單片機(jī)技術(shù)，可以研究出低成本的光伏并網(wǎng)發(fā)電 控制器 ，適合小容量的光伏發(fā)電廠的應(yīng)用。 MPPT control。s largest producer of photovoltaic cells accounted for one third of global production, while China to install solar cells is only 160MWp, only 4% of the national output of the year, only the world39。截止到 20xx 年底，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量也只有300MW。其可以作為獨(dú)立電源供電，也可以并網(wǎng)發(fā)電，具有很高的靈活性。通過對(duì)相位跟蹤方法的研究，最終采用軟件鎖相環(huán)技術(shù)來進(jìn)行并網(wǎng)相位跟蹤控制；采用等面積算法實(shí)現(xiàn) SPWM 控制；分析了多種最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）方法，著重分析了擾動(dòng)觀察法的算法；同時(shí) ,并應(yīng)用數(shù)字采樣實(shí)現(xiàn)逆變器欠壓、過流保護(hù)。 It39。隨著國(guó)家加大對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的扶持力度，光伏產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，使光伏發(fā)電的成本進(jìn)一步的降低，達(dá)到了可規(guī)模應(yīng)用的范圍 （如 上海崇明前衛(wèi)村太陽能光伏電站 ） 。 為此， 我國(guó)在 哥本哈根世界氣候大會(huì)提出了到 20xx 年實(shí)現(xiàn)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比 20xx 年降低 20%左右、到 20xx 年努力實(shí)現(xiàn)森林覆蓋率達(dá)到 20%、 2020 年可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例爭(zhēng)取達(dá)到 16%等一系列目標(biāo) 。總之，隨著光伏發(fā)電成本的下降，實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了。 因此，研究光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)具有廣闊的前景和實(shí)際的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 (a)多方陣組合式 （ b）多方陣協(xié)作式 圖 新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 多方陣組合式拓?fù)洌河扇舾蓚€(gè)太陽能電池方陣經(jīng)過各自的 DCDC 環(huán)節(jié)輸出到同一條直流母線上，作為同一個(gè)逆變器的輸入。從而大大增加系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。其中主要集中在最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）、并網(wǎng)控制技術(shù)、并網(wǎng)功率因數(shù)矯正、市電并聯(lián)控制、孤島效應(yīng)偵測(cè)與保護(hù)技術(shù)等。設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵的兩個(gè) 部分：系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和控制軟件的編寫。因?yàn)樗械目刂贫际腔跀?shù)字控制。 本次設(shè)計(jì)的具體要求 隨著能源危機(jī)的進(jìn) 一步加劇和光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電成本的持續(xù)降低 ，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛， 設(shè)計(jì)并制作 一個(gè) 48 伏直流電 并網(wǎng)發(fā)電模擬 裝置。 ） A。在效率上而言 ，高頻升壓變壓器的效率 一般可達(dá) 90%以上，而工頻升壓器則看其容量而定，大容量的可達(dá) 90%以上，小容量的則只有 50%左右。微處理器 。 （ 1） 中斷介紹 表 單片機(jī)的中斷源 向量號(hào) 程序地址 中斷源 中斷定義 1 $000 RESET 外部引腳電平引發(fā)的復(fù)位，上電復(fù)位，掉電檢測(cè)復(fù)位，看門狗復(fù)位，以及 JTAG AVR 復(fù)位 第 11 頁 共 50 頁 2 $002 INT0 外部中斷請(qǐng)求 0 3 $004 INT1 外部中斷請(qǐng)求 1 4 $006 TIMER2 COMP 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 比較匹配 5 $008 IMER2 OVF 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 溢出 6 $00A TIMER1 CAPT 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1事件捕捉 7 $00C TIMER1 COMPA 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 比較匹配 A 8 $00E TIMER1 COMPB 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 比較匹配 B 9 $010 TIMER0 OVF 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 溢出 10 $012 TIMER1 OVF 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 溢出 11 $014 SPI, STC SPI 串行傳輸結(jié)束 12 $016 USART, RXC USART， Rx 結(jié)束 13 $018 USART, UDRE USART 數(shù)據(jù)寄存器空 14 $01A USART, TXC USART， Tx 結(jié)束 15 $01C ADC ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束 16 $01E EE_RDY EEPROM 就緒 17 $020 ANA_COMP 模擬比較器 18 $022 TWI 兩線串行接口 19 $024 INT2 外部中斷請(qǐng)求 2 20 $026 TIMER0 COMP 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 比較匹配 21 $028 SPM_RDY 保存程序存儲(chǔ)器內(nèi)容就緒 外部中斷使用說明： 外部中斷通過引腳 INT0、 INT1 與 INT2 觸發(fā)。 下面著重介紹 16 為定時(shí)器的使用。但由于定時(shí)器中斷服務(wù)程序能夠自動(dòng)清零 TOV1，因此可以通過軟件提高定時(shí)器的分辨率。與相位修正模式類似，相頻修正 PWM 模式基于雙斜坡操作。最小分辨率為 2 比特 (ICR1 或 OCR1A 設(shè)為 0x0003)，最大分辨率為 16位 (ICR1 或OCR1A 設(shè)為 MAX)。比較匹配發(fā)生時(shí)， OC1x 中斷標(biāo)志將被置位。因此輸出脈沖為對(duì)稱的，確保了頻率是正確的。輸出的 PWM 頻率可以通過如下公式計(jì)算得到： T O PN ff c lkO C R x P F C P W M *2? (32) 變量 N 代表分頻因子 ( 6 256 或 024)。 如果使用 200x 增益，可得到 7 位分辨率。逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)不 同可以分為兩類：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)為電流源的稱為電流型逆變電路。 我們只采用單相全橋結(jié)構(gòu)不考慮半橋的情況 。 電流型逆變電路 直流電源為電流源的逆變電路 —— 電流型逆變電路。1VT 、 4VT 和 2VT 、 3VT 以 1000～ 2500Hz 的中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電。 t1t2： 1VT 和 4VT 穩(wěn)定導(dǎo)通階段， dO Ii ? ， 2t 時(shí)刻前在 C 上建立了左正右負(fù)的電壓。 Oi 在 3t 時(shí)刻，即 21 VTVT ii ? 時(shí)刻過零， 3t 時(shí)刻大體位于 2t 和 4t 的中點(diǎn)。 為了能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng) ， 則逆變橋 在最小電壓 25V 輸入仍能通過變壓器升壓到 312V 的幅值。 SPWM 即正弦波脈寬調(diào)制，其脈沖寬度按正弦波規(guī)律變化和正弦波等效。 而單極性則不存在此類問題。因此，在采用異步調(diào)制方式時(shí)的高頻段，希望盡量提高載波頻率。在輸出頻率的低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低而對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不利影響。因此，選擇適當(dāng)開關(guān)頻率非常重要。它兼有光耦隔離（體積小）和電磁隔離（速度快）的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝 置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，三相橋式變換器，僅用一組電源即可。如此循環(huán)反復(fù)。 其相關(guān)參數(shù) gQ =72nC。 當(dāng) AD 的參考電壓為 +5V，則 被測(cè)電量的最大允許值要相應(yīng)地轉(zhuǎn)換成小于 +5V 的 AD 輸入信號(hào)，這樣才能實(shí)現(xiàn)過流，過壓保護(hù)。鎖相環(huán)就是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的頻 率和相位。其基本組成如圖 所示，在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，則選用電網(wǎng)電壓過零信號(hào)作為同步信號(hào)來做頻率修正和檢測(cè)相位差再來做 鎖相過程的超調(diào)量與鎖相速度之間存在矛盾，為了既保證并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性又保證鎖相的快速性，必須選擇合適的算法，下面先介紹兩種較常見的基本的算法。鑒相器的輸入是市電電壓的采樣信號(hào) acV和 VCO 的輸出 outV ，鑒相器的輸出為誤差信號(hào)，該信號(hào)為和 outV 相位差的線性函數(shù)。當(dāng)測(cè)量交流電量時(shí)，需要使 用峰值保持器，整流橋的壓降通過軟件來補(bǔ)償。 由 )(21 ??? VC CQC g 得： 41)(72*21 ????C nf 因此自舉電容應(yīng) 47nf。（ gQ 為 IGBT 充分導(dǎo)通時(shí)所需要的柵電荷） 。圖中 1C 、 1D