并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 圖 電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在 圖 2電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展出如圖 (a)所示的多方陣組合式和圖 (b)所示的多方陣協(xié)作式拓?fù)洌旅鎸ζ渥鲆粋€簡略的介紹。 (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€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，作為同一個逆變器的輸入。這種拓?fù)洌驗(yàn)橹挥靡粋€逆變器，所以在一定程度上降低了變換器的成本，更大的優(yōu)點(diǎn)在于各個太陽能方陣可以有各自的最大功率跟蹤，提高了系統(tǒng)效率，也可以使得由安置在不同傾斜面的或由多種型號的子光伏方陣組成一個較大的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電成為可能。 多方陣協(xié)作式也稱作主仆式，此拓?fù)溆扇舾啥鄠€太陽能電池方陣，并要求光伏方陣安裝于同一傾斜面，要求每個子方陣具有相同的功率和電壓的組件串并聯(lián)，多個逆變器并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)早晨陽光由弱變強(qiáng)時，群控器隨機(jī)先選中一臺逆變器投入運(yùn)行，當(dāng)?shù)谝慌_逆變器接近滿載時再投入一臺逆變器，同時群控器通過指令將逆變器負(fù)載均分。當(dāng)日落時，群控器發(fā)出命令，逐臺退出逆變器。逆變器的投入和退出完全由群控器依據(jù)光伏方 第 5 頁 共 50 頁 陣的總功率進(jìn)行分配，就像是“主人”支配著“仆人”。這樣可最大限度地降低逆變器低負(fù)載時的損耗；同 時由于逆變 器輪流投入，不需要時不投運(yùn)，從而大大延長了逆變器的使用壽命。 當(dāng) 網(wǎng)絡(luò) 中某臺并網(wǎng)逆變器出現(xiàn)故障時，群控器使其和交直流母線斷開，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng) 的冗余運(yùn)行。從而大大增加系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。群控器同時還可提供友好的人機(jī)界面，用戶可以直接通過 LCD 液晶屏和按鍵實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)察看、發(fā)電量查詢、故障查詢、參數(shù)設(shè)定功能。 光伏發(fā)電變換器主要用于長期發(fā)電，因此效率也是一個相當(dāng)重要的性能指光伏發(fā)電變換器不可能像一般電源系統(tǒng)那樣把最高效率點(diǎn)設(shè)計(jì)工作在某一個工作點(diǎn)，于是定義了“歐洲效率”來評估光伏發(fā)電變換器轉(zhuǎn)換器的效率： euro? =5?+ 10? + 20? + 30? + 50? + 10? () 其中 xy? 為在額定功率的 xy％時變換器的效率。 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變換器的效率。多級式變換器必然帶來多次的能量損耗，變壓器的存在也加大的損耗，在低功率時對效率的影響更大，于是電路拓?fù)涑鴨渭墴o隔離式發(fā)展。無隔離式的變換器提高了效率、降低了成本，但這使得太陽能電池將直接與電網(wǎng)相連，這會在太陽能電池與地之間產(chǎn)生波動電壓，不但使得在太陽能電池周圍產(chǎn)生一個電磁場，而且在太陽能電池表面形成一個電容，波動電流給此電容充電，如果有人碰到太陽能電池時，就有觸電的隱患。對于這兩個影響的嚴(yán)重性，學(xué)術(shù)界爭論一直沒停止過，介于此危害的可能性，歐洲 一些國家（如英國和意大利）明確禁用無變壓器隔離的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，然而一些研究表明無變壓器隔離而引起的影響是可以忽略不計(jì)的也不會導(dǎo)致危險(xiǎn)，不過還是推薦：電容電流不要超過“危險(xiǎn)電流” (大約 10mA)。 光伏發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù) 關(guān)于光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的講究，在國內(nèi)外做了大量的研究。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)偵測與保護(hù)技術(shù)等。 難點(diǎn)主要集中在 MPPT 控制 、孤島效應(yīng)偵測 和并網(wǎng)逆變效率上。雖然，目前已經(jīng)有產(chǎn)品應(yīng)用到實(shí)際，但是還有許多問題有待完善。 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，在短時間內(nèi)的變化也是不定的，同時存在功率的突變的問題（即需要孤島效應(yīng)偵測的原因）。因此 MPPT 控制對并網(wǎng) 發(fā)電的效率影響很大。概括來說控制技術(shù)的關(guān)鍵是： （ 1） MPPT 控制：保證輸出功率始終是最大 （ 2） 光伏逆變并網(wǎng)控制：保證輸出的交流電流為高質(zhì)量的正弦波，同時保證與公共電網(wǎng)同壓、同頻、同相位。 鑒于以上，本文的研究主要在 MPPT 控制、逆變并網(wǎng)和保護(hù)技術(shù)上。 第 6 頁 共 50 頁 本文的主要任務(wù) 本文利用 AVR 單片機(jī)作為主控制器搭建逆變并網(wǎng)控制電路。設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵的兩個 部分：系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和控制軟件的編寫。這也是在設(shè)計(jì)過程中需要解決的最關(guān)鍵的問題。 （ 1）硬件問題 逆變并網(wǎng)控制電路主要有 4 大部分，即 SPWM 發(fā)生器、逆變電路、頻率 與 相位檢測電路和保護(hù)反饋模塊。 SPWM 波形由單片機(jī)的程序發(fā)生，其是整個設(shè)計(jì)的核心電路 。逆變電路采用全橋逆變電路。頻率和相位的檢測用單片機(jī)即定時器來實(shí)現(xiàn)。保護(hù)反饋模塊用 AD 采樣反饋 來進(jìn)行控制。 （ 2）軟件問題 軟件設(shè)計(jì) 是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。因?yàn)樗械目刂贫际腔跀?shù)字控制。主要涉及到SPWM、定時器和 AD 采樣編程。其中 SPWM 發(fā)生實(shí)時性要求高， 為了 避免 輸出 頻率誤差太大 ，它的中斷優(yōu)先級應(yīng)該最高 。 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。 硬件設(shè)計(jì)是通過對設(shè)計(jì)要求的分析，對各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。它包括對各種元器件的功能和接法的了解，以及對各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。軟件設(shè)計(jì)是分析設(shè)計(jì)的硬件用程序?qū)崿F(xiàn)其功能，并且調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。 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 48 伏直流電 并網(wǎng)發(fā)電模擬 裝置。 （ 1） 具有最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）功能： RS 和 RL 在給定范圍內(nèi)變化時， 使 （ 2） Sd UU 21?， 相對 偏差的絕對值不大于 1%。 （ 3） 具有 頻率跟蹤 功能 ： 當(dāng) fREF 在給定范圍內(nèi)變化時，使 uF 的頻率 fF=fREF，相對 偏差絕對值不大于 1%。 （ 4） 當(dāng) RS=RL=30Ω 時， DCAC變換器的效率 ?≥ 60%。 （ 5） 當(dāng) RS=RL=30Ω 時， 輸出 電壓 uo 的 失真度 THD≤ 5%。 （ 6） 具有輸 入 欠壓保護(hù)功能，動作電壓 dU Ud（ th） =（ 25177。 ） V。 （ 7） 具有輸出過流保護(hù)功能，動作電流 oI （ th） =（ 177。 ） A。 方案 的提出 由于光伏電池組所產(chǎn)生的電能為直流低壓（ 12VDC、 24VDC、 48VDC），而我國的工頻電壓 220V（相電壓）、頻率為 50Hz。為此，最基本的電路應(yīng)該包括逆變和升壓兩部分。 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。因此，在設(shè)計(jì)方案時主要考慮逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如 圖 ） 。 在此提出兩個方案： 方案一： 采用單級隔離式： 第 8 頁 共 50 頁 方案二 ： 采用多級隔離式： 對比兩個方案，方案一必須在逆變的同時完成升壓。而方案二把升壓和逆變分開來控制 ，需要額外增加一個高頻變壓器。它們同樣采用變壓與公共母線隔離，方案一的變壓器為工頻升壓變壓器，而方案二的變壓器可以為升壓變壓器或隔離變壓器，主要視逆變后的電壓而定。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。 就成本而言，方案一不需要額外增加高頻 DC 升壓部分 ，成本較低，控制也相對比較簡單，無需考慮直流升壓控制，只要在逆變的過程中調(diào)節(jié)調(diào)制比就可以調(diào)節(jié)電壓的輸出。綜上所述，選取方案一。 公共母線 圖 單級隔離式 DC AC 逆變并網(wǎng)控制器 公共母線 DC AC 圖 多級隔離式 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)如同一個恒壓源（電網(wǎng)）與一個電流源（并網(wǎng)逆變器）并聯(lián)。其控制目標(biāo)是：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波，光伏發(fā)電并網(wǎng)控制與常規(guī)的逆變器控制不同的是： （ 1） 逆變器的輸出端連接電網(wǎng)，電網(wǎng)是一個擾動量； （ 2） 作為被控量 的并網(wǎng) 電流 必須 與電網(wǎng)同頻同相。 并網(wǎng)發(fā)電必須滿足同期（即同壓、同頻率、同相位）條件 。因此，在 這里提出了如圖 6 所示的控制框圖 。 DC AC 升壓 MPPT 數(shù)據(jù)處理與控制 SPWM 鎖相環(huán) 公共母線 并網(wǎng)開關(guān) oU Of Nf OI dU dI 圖 逆變并網(wǎng)控制框圖 第 10 頁 共 50 頁 3 硬件 設(shè)計(jì) 主控 芯片介紹 本次設(shè)計(jì)用到的主控芯片為 ATMEL 公司生產(chǎn)的 Atmage16 單片機(jī)，其引腳說明 （ 如圖 ） 圖 Atmage16 的引腳配置圖 主要性能參數(shù) ： （ 1） 高性能、低功耗的 8位 AVR174。微處理器 。 （ 2） 采用 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) 。 （ 3） 兩個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 /計(jì)數(shù)器 和 一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器 。 （ 4） 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時計(jì)數(shù)器 RTC。 （ 5） 四通道 PWM。 （ 6） 8路 10 位 ADC，具有 8 個單端通道 。 （ 7） 片內(nèi) /片外中斷源 （ 8） 工作電壓 :ATmega16L： ； ATmega16： 。 本次設(shè)計(jì)應(yīng)用到的單片機(jī)資源有 片內(nèi)定時器、 ADC 和 外部 中斷。 （ 1） 中斷介紹 表 單片機(jī)的中斷源 向量號 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 外部中斷請求 0 3 $004 INT1 外部中斷請求 1 4 $006 TIMER2 COMP 定時器 /計(jì)數(shù)器 2 比較匹配 5 $008 IMER2 OVF 定時器 /計(jì)數(shù)器 2 溢出 6 $00A TIMER1 CAPT 定時器 /計(jì)數(shù)器 1事件捕捉 7 $00C TIMER1 COMPA 定時器 /計(jì)數(shù)器 1 比較匹配 A 8 $00E TIMER1 COMPB 定時器 /計(jì)數(shù)器 1 比較匹配 B 9 $010 TIMER0 OVF 定時器 /計(jì)數(shù)器 0 溢出 10 $012 TIMER1 OVF 定時器 /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 外部中斷請求 2 20 $026 TIMER0 COMP 定時器 /計(jì)數(shù)器 0 比較匹配 21 $028 SPM_RDY 保存程序存儲器內(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)。只要使能了中斷，即使引腳 INT0..2 配置為輸出，只要電平發(fā)生了合適的變化，中斷也會觸發(fā)。這個特點(diǎn)可以用來產(chǎn)生軟件中斷。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 )。當(dāng)外部中斷使能并且配置為電平觸發(fā) ( INT0/INT1)，只要引腳電平為低，中斷就會產(chǎn)生。若要求 INT0 與 INT1 在信號下降沿或上升沿觸發(fā)， I/O 時鐘必須工作。 （更多的資料參考 Atmage16使用說明） （ 2）定時器說明： Atmage16 的 8 位和 16 為定時器都具有 PWM 功能。在本次設(shè)計(jì)中主要用到的是 16位 定時器（ T/C1） 作為 SPWM 發(fā)生器 。 下面著重介紹 16 為定時器的使用。 T/C1 的工作模式有普通模式、 CTC 模式、快速 PWM 模式、相位修正 PWM 模式和相位與頻率修正模式。我們需要的是普通模式 和相