并网发电模拟装置设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

并网发电模拟装置设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

图 电路的拓扑结构 在 图 2电路结构基础上发展出如图 (a)所示的多方阵组合式和图 (b)所示的多方阵协作式拓扑，下面对其做一个简略的介绍。 (a)多方阵组合式 （ b）多方阵协作式 图 新型拓扑结构 多方阵组合式拓扑：由若干个太阳能电池方阵经过各自的 DCDC 环节输出到同一条直流母线上，作为同一个逆变器的输入。 这种拓扑，因为只用一个逆变器，所以在一定程度上降低了变换器的成本，更大的优点在于各个太阳能方阵可以有各自的最大功率跟踪，提高了系统效率，也可以使得由安置在不同倾斜面的或由多种型号的子光伏方阵组成一个较大的光伏系统并网发电成为可能。 多方阵协作式也称作主仆式，此拓扑由若干多个太阳能电池方阵，并要求光伏方阵安装于同一倾斜面，要求每个子方阵具有相同的功率和电压的组件串并联，多个逆变器并联运行。 当早晨阳光由弱变强时，群控器随机先选中一台逆变器投入运行，当第一台逆变器接近满载时再投入一台逆变器，同时群控器通过指令将逆变器负载均分。 当日落时，群控器发出命令，逐台退出逆变器。 逆变器的投入和退出完全由群控器依据光伏方 第 5 页 共 50 页 阵的总功率进行分配，就像是“主人”支配着“仆人”。 这样可最大限度地降低逆变器低负载时的损耗；同 时由于逆变 器轮流投入，不需要时不投运，从而大大延长了逆变器的使用寿命。 当 网络 中某台并网逆变器出现故障时，群控器使其和交直流母线断开，实现整个系统 的冗余运行。 从而大大增加系统的运行可靠性。 群控器同时还可提供友好的人机界面，用户可以直接通过 LCD 液晶屏和按键实现运行参数察看、发电量查询、故障查询、参数设定功能。 光伏发电变换器主要用于长期发电，因此效率也是一个相当重要的性能指光伏发电变换器不可能像一般电源系统那样把最高效率点设计工作在某一个工作点，于是定义了“欧洲效率”来评估光伏发电变换器转换器的效率： euro =5+ 10 + 20 + 30 + 50 + 10 () 其中 xy 为在额定功率的 xy％时变换器的效率。 由于最高效率的提升已经没有 多大的空间，所以现在更加关注的是如何提高在低功率时变换器的效率。 多级式变换器必然带来多次的能量损耗，变压器的存在也加大的损耗，在低功率时对效率的影响更大，于是电路拓扑朝着单级无隔离式发展。 无隔离式的变换器提高了效率、降低了成本，但这使得太阳能电池将直接与电网相连，这会在太阳能电池与地之间产生波动电压，不但使得在太阳能电池周围产生一个电磁场，而且在太阳能电池表面形成一个电容，波动电流给此电容充电，如果有人碰到太阳能电池时，就有触电的隐患。 对于这两个影响的严重性，学术界争论一直没停止过，介于此危害的可能性，欧洲 一些国家（如英国和意大利）明确禁用无变压器隔离的光伏并网发电系统，然而一些研究表明无变压器隔离而引起的影响是可以忽略不计的也不会导致危险，不过还是推荐：电容电流不要超过“危险电流” (大约 10mA)。 光伏发电并网控制技术 关于光伏并网发电技术的讲究，在国内外做了大量的研究。 其中主要集中在最大功率点跟踪（ MPPT）、并网控制技术、并网功率因数矫正、市电并联控制、孤岛效应侦测与保护技术等。 难点主要集中在 MPPT 控制 、孤岛效应侦测 和并网逆变效率上。 虽然，目前已经有产品应用到实际，但是还有许多问题有待完善。 由于 光伏发电与传统发电方式不一样，它的功率是随着着光照而改变的，在短时间内的变化也是不定的，同时存在功率的突变的问题（即需要孤岛效应侦测的原因）。 因此 MPPT 控制对并网 发电的效率影响很大。 概括来说控制技术的关键是： （ 1） MPPT 控制：保证输出功率始终是最大 （ 2） 光伏逆变并网控制：保证输出的交流电流为高质量的正弦波，同时保证与公共电网同压、同频、同相位。 鉴于以上，本文的研究主要在 MPPT 控制、逆变并网和保护技术上。 第 6 页 共 50 页 本文的主要任务 本文利用 AVR 单片机作为主控制器搭建逆变并网控制电路。 设计过程中最关键的两个 部分：系统硬件的设计和控制软件的编写。 这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。 （ 1）硬件问题 逆变并网控制电路主要有 4 大部分，即 SPWM 发生器、逆变电路、频率 与 相位检测电路和保护反馈模块。 SPWM 波形由单片机的程序发生，其是整个设计的核心电路。 逆变电路采用全桥逆变电路。 频率和相位的检测用单片机即定时器来实现。 保护反馈模块用 AD 采样反馈 来进行控制。 （ 2）软件问题 软件设计 是本次设计的重点。 因为所有的控制都是基于数字控制。 主要涉及到SPWM、定时器和 AD 采样编程。 其中 SPWM 发生实时性要求高， 为了 避免 输出 频率误差太大 ，它的中断优先级应该最高。 第 7 页 共 50 页 2 方案 设计 设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。 硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。 并且把这些元器件焊接在一块电路板上。 它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。 软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。 本次设计的具体要求 随着能源危机的进 一步加剧和光伏系统并网发电成本的持续降低 ，光伏并网发电技术应用越来越广泛， 设计并制作 一个 48 伏直流电 并网发电模拟 装置。 （ 1） 具有最大功率点跟踪（ MPPT）功能： RS 和 RL 在给定范围内变化时， 使 （ 2） Sd UU 21， 相对 偏差的绝对值不大于 1%。 （ 3） 具有 频率跟踪 功能 ： 当 fREF 在给定范围内变化时，使 uF 的频率 fF=fREF，相对 偏差绝对值不大于 1%。 （ 4） 当 RS=RL=30Ω 时， DCAC变换器的效率 ≥ 60%。 （ 5） 当 RS=RL=30Ω 时， 输出 电压 uo 的 失真度 THD≤ 5%。 （ 6） 具有输 入 欠压保护功能，动作电压 dU Ud（ th） =（ 25177。 ） V。 （ 7） 具有输出过流保护功能，动作电流 oI （ th） =（ 177。 ） A。 方案 的提出 由于光伏电池组所产生的电能为直流低压（ 12VDC、 24VDC、 48VDC），而我国的工频电压 220V（相电压）、频率为 50Hz。 为此，最基本的电路应该包括逆变和升压两部分。 为了能与公共电网并网，还应该加入频率和相位跟踪功能。 因此，在设计方案时主要考虑逆变器的拓扑结构（如 图 ）。 在此提出两个方案： 方案一： 采用单级隔离式： 第 8 页 共 50 页 方案二 ： 采用多级隔离式： 对比两个方案，方案一必须在逆变的同时完成升压。 而方案二把升压和逆变分开来控制 ，需要额外增加一个高频变压器。 它们同样采用变压与公共母线隔离，方案一的变压器为工频升压变压器，而方案二的变压器可以为升压变压器或隔离变压器，主要视逆变后的电压而定。 在效率上而言 ，高频升压变压器的效率 一般可达 90%以上，而工频升压器则看其容量而定，大容量的可达 90%以上，小容量的则只有 50%左右。 就成本而言，方案一不需要额外增加高频 DC 升压部分 ，成本较低，控制也相对比较简单，无需考虑直流升压控制，只要在逆变的过程中调节调制比就可以调节电压的输出。 综上所述，选取方案一。 公共母线 图 单级隔离式 DC AC 逆变并网控制器 公共母线 DC AC 图 多级隔离式 DC DC 逆变并网控制器 第 9 页 共 50 页 方案控制策略 光伏发电并网如同一个恒压源（电网）与一个电流源（并网逆变器）并联。 其控制目标是：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波，光伏发电并网控制与常规的逆变器控制不同的是： （ 1） 逆变器的输出端连接电网，电网是一个扰动量； （ 2） 作为被控量 的并网 电流 必须 与电网同频同相。 并网发电必须满足同期（即同压、同频率、同相位）条件。 因此，在 这里提出了如图 6 所示的控制框图。 DC AC 升压 MPPT 数据处理与控制 SPWM 锁相环 公共母线 并网开关 oU Of Nf OI dU dI 图 逆变并网控制框图 第 10 页 共 50 页 3 硬件 设计 主控 芯片介绍 本次设计用到的主控芯片为 ATMEL 公司生产的 Atmage16 单片机，其引脚说明 （ 如图 ） 图 Atmage16 的引脚配置图 主要性能参数 ： （ 1） 高性能、低功耗的 8位 AVR174。 微处理器。 （ 2） 采用 先进的 RISC 结构。 （ 3） 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 /计数器 和 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 /计数器。 （ 4） 具有独立振荡器的实时计数器 RTC。 （ 5） 四通道 PWM。 （ 6） 8路 10 位 ADC，具有 8 个单端通道。 （ 7） 片内 /片外中断源 （ 8） 工作电压 :ATmega16L： ； ATmega16：。 本次设计应用到的单片机资源有 片内定时器、 ADC 和 外部 中断。 （ 1） 中断介绍 表 单片机的中断源 向量号 程序地址 中断源 中断定义 1 $000 RESET 外部引脚电平引发的复位，上电复位，掉电检测复位，看门狗复位，以及 JTAG AVR 复位 第 11 页 共 50 页 2 $002 INT0 外部中断请求 0 3 $004 INT1 外部中断请求 1 4 $006 TIMER2 COMP 定时器 /计数器 2 比较匹配 5 $008 IMER2 OVF 定时器 /计数器 2 溢出 6 $00A TIMER1 CAPT 定时器 /计数器 1事件捕捉 7 $00C TIMER1 COMPA 定时器 /计数器 1 比较匹配 A 8 $00E TIMER1 COMPB 定时器 /计数器 1 比较匹配 B 9 $010 TIMER0 OVF 定时器 /计数器 0 溢出 10 $012 TIMER1 OVF 定时器 /计数器 1 溢出 11 $014 SPI, STC SPI 串行传输结束 12 $016 USART, RXC USART， Rx 结束 13 $018 USART, UDRE USART 数据寄存器空 14 $01A USART, TXC USART， Tx 结束 15 $01C ADC ADC 转换结束 16 $01E EE_RDY EEPROM 就绪 17 $020 ANA_COMP 模拟比较器 18 $022 TWI 两线串行接口 19 $024 INT2 外部中断请求 2 20 $026 TIMER0 COMP 定时器 /计数器 0 比较匹配 21 $028 SPM_RDY 保存程序存储器内容就绪 外部中断使用说明： 外部中断通过引脚 INT0、 INT1 与 INT2 触发。 只要使能了中断，即使引脚 INT0..2 配置为输出，只要电平发生了合适的变化，中断也会触发。 这个特点可以用来产生软件中断。 通过设置 MCU 控制寄存器 MCUCR 与 MCU 控制与状态寄存器 MCUCSR，中断可以由下降沿、上升沿，或者是低电平触发 (INT2 为边沿触发中断 )。 当外部中断使能并且配置为电平触发 ( INT0/INT1)，只要引脚电平为低，中断就会产生。 若要求 INT0 与 INT1 在信号下降沿或上升沿触发， I/O 时钟必须工作。 （更多的资料参考 Atmage16使用说明） （ 2）定时器说明： Atmage16 的 8 位和 16 为定时器都具有 PWM 功能。 在本次设计中主要用到的是 16位 定时器（ T/C1） 作为 SPWM 发生器。 下面着重介绍 16 为定时器的使用。 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 模式和相位与频率修正模式。 我们需要的是普通模式 和相。