太阳能光伏发电并网馈电系统——硬件部分毕业设计论文(编辑修改稿)

太阳能光伏发电并网馈电系统——硬件部分毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

工业级的 C8051F330作为这次设计的微处理器。 C8051F330单片机 概述 模拟外设 − 10位 ADC  转换速率可达 200ksps  可多达 16个 外部单端或差分输入  VREF可在内部 VREF、外部引脚或 VDD中选择  内部或外部转换启动源  内置温度传感器 − 10位电流输出 DAC − 比较器  可编程回差电压和响应时间  可配置为中断或复位源  小电流（ ） 在片调试 − 片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试 − 支持断点、单步、观察 /修改存储器和寄存器 − 比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更优越的性能 − 廉价而完整的开发套件 供电电压 „„„„„„„„„„ − 典型工作电流： @ 25MHz 9μ A @ 32KHz − 典型停机电流： A 温度范围： 40176。 C +85176。 C （工业级 C8051F330） 西安工业大学毕业设计 (论文 ) 7 高速 8051微控制器内核 − 流水线指令结构； 70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期 − 速度可达 25MIPS（时钟频率为 25MHz时） − 扩展的中断系统 存储器 − 768字节内部数据 RAM（ 256+512） − 8KB FLASH；可在系统编程，扇区大小为 512字节 数字外设 − 17个端口 I/O；均耐 5V电压，大灌电流 − 硬件增强型 UART、 SMBus和增强型 SPI串口 − 4个通用 16位计数器 /定时器 − 16位可编程计数器 /定时器阵列（ PCA），有 3个捕捉 /比较模块 − 使用 PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式 时钟源 − 两个内部振荡器：  ，177。 2%的精度，可支持无晶体 UART操作  80/40/20/10 kHz低频率、低功耗振荡器 − 外部振荡器：晶体、 RC、 C、或外部时钟 − 可在运行中切换时钟源，适用于节电方式 C8051F330器件是完全集成的混合信号片上系统型 MCU。 下 面列出了一些主要特性 .  高速、流水线结构的 8051兼容的 CIP51内核（可达 25MIPS）  全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）  真正 10位 200 ksps的 16通道单端 /差分 ADC，带模拟多路器  10位电流输出 DAC  高精度可编程的 25MHz内部振荡器  8KB可在系统编程的 FLASH存储器  768字节片内 RAM  硬件实现的 SMBus/ I2C、增强型 UART和增强型 SPI串行接口  4个通用的 16位定时器  具有 3个捕捉 /比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器 /定时器阵列（ PCA）  片内上电复位、 VDD监视器和温度传感器  片内电压比较器  17个端口 I/O（容许 5V输入） 具有片内上电复位、 VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F330是真正能独立工作的片上系统。 FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051固件。 用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所 西安工业大学毕业设计 (论文 ) 8 有外设以节省功耗。 片内 Silicon Labs二线（ C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。 调 试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。 在使用 C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 两个 C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。 工业级 C8051F330器件 可在工业温度范围（ 45℃到 +85℃）内用 作。 端口 I/O 和 /RST 引脚都容许 5V 的输入信号电压。 C8051F330 采用 20脚 DIP 封装（见图 ） 图 C8051F330 封装图 太阳能光伏发电并网馈电 系统 硬件 各部分的介绍 对于电源的设计有一些总的规则，但是在实际应用中，还需要根据实际要求灵活的选择电源方案。 一部分是蓄电池 12V/15V的直流电，另一部分是 C8051F330系统及外部扩展3V～ 5V 直流供电电压。 故采用 3V的 三端稳压器 HT7130A。 逆变部分 逆变器主要负责将控制器输出的直流电能变换成稳压稳频的交流电能馈送电网。 传统逆变器 分 为电压型和电流型逆变器， DC/AC的功率变换技术就是基于两 种传统的逆变拓扑。 电压源逆变器输入直流电压而输出交流电 压 ， 根据应用场合的不同，输出电压的幅值和频率可 以 恒定也可以变化。 电压源型逆变器拓扑可以看做是 由 BUCK变换电路拓展而来的， 西安工业大学毕业设计 (论文 ) 9 电压源逆变器也可以称为电压源变流器 ， 而且电压源逆变器必须具有恒定的输入电压源 ，也就是说它的戴维南等效阻抗应当是理想的为 0， 如果电源电压不够恒定 ， 可以在输入侧接入一个大的用来储能的电容器。 直流电压可 以 恒定或可变 ， 可以有电网或旋转交流电机经过整流器和滤波器而得到 ， 也可以由蓄电池 ， 燃料电池或光伏电池组得到。 逆变器的输出电压可以是三相或多相 ， 也可以是方波， 正弦 波， PWM波， 阶梯波等。 对于电流源 逆变器来 说， 同一个电路既可工作在逆变状态 ， 也可以工作在整流状态，它的输入侧需要一个恒定的电流，即理想的情况是具有无穷大的戴维南阻抗， 这与电压源的情况正好相反。 如果电源电流不够恒定，可以在输入侧接入一个大的用来储能的电感器。 可以看出，电流源逆变器其实是电压源逆变器的对偶电路。 电压源逆变器和电流源逆变器存在着一些概念上和理论上的局限性和障碍在许多应用场合会造成电力电子装置造价高 ， 效率低。 图 图。 于 DC/AC逆 变 器， 一个直流电压源向逆变器主电路三相逆变桥供电，将直流电能变换为交流电 能， 供给交流负载。 电压源逆变器应用十分广泛， 但是存在下列概念上和理论上的不足和局限性： （ 1） 电压源逆变器交流负载只能是电感性或串联电抗器， 以保证电压源逆变器 能够正常工作。 （ 2） 电压源逆变器是一种降压式逆变器，其交流输出电压被限制只能低于而不能超过直流母线电压，因此对于直流电压较低，同时又需要较高的交流输出电压的 DC/AC 功率变换应用场合 ， 则必须加一个额外的 DC /DC变换器，如升压电路或者升压变压器等，这就增加了系统的成 本、 体积和控制复杂性， 降低了变换效率。 （ 3） 每个桥臂上、下器件不允许直通，否则会损坏器件，引起系统崩溃。 因此它的抗电磁干扰能力较 差， 容易由于干扰而产生开关管误开通误关断而影响系统可靠性。 图 西安工业大学毕业设计 (论文 ) 10 图 是一个 传统的三相电流源变流器原理的电路结构。 对于 DC/AC 逆变器 ， 一个直流电流源为逆变器主电路 —— 三相逆变桥供电，通过其将直流电能转 换为交流电能向交流负载供电。 这里的直流电流源通常是一个电感量相对较大的电抗器，由电池 、 燃料电池堆、 二极管整流器或晶闸管 整流器等电压源供电。 同电压源逆变器一样，电流源逆变器存在下列概念上和理论上的局限性和不足： （ 1） 传统的电流型逆变器电路其交流负载不得不为电容性或必需并联电容，以保证电流源逆变器能够正常工作。 （ 2） 其交流输出电压只能高于为直流电感供电的直流电压，因此电流源逆变器是一个升压型逆变器。 因此对于需要宽电压范围的应用场合，需要一个额外的 DC/DC降压式变换器。 如降压电路或者降压变压器，这个额外的功率变换级增加了系统成本 ， 降低了变换效率。 （ 3） 电流型逆变器的逆变桥不能开路，否则会损坏器件，引起系统崩溃。 由此它 的抗电磁干扰的能力较差，影响了它们的可靠性。 综上所述，电压源逆变器和电流源逆变器存在下述共同的缺陷： （ 1） 它们可得到的输出电压范围是有限的，或低于、或高于输入电压，使得它们的应用场合受到限制。 （ 2） 它们的抗电磁干扰能力较差，影响了它们的可靠性。 新型 Z源逆变器的提出为功率变换提供了一种新的逆变器拓扑和理论 ， 可以克服前述的传统电压源和电流源逆变器的不足。 图 给 出了 Z源功率 逆 变器的一般拓扑结构，它是一个包含电感 L L2和电容器 C C2的二端口网络接成 X形，以提供一个 Z源，这个 Z源网络 ， 将逆变器主电路与电源或负载耦合。 阻抗源电路是阻抗逆变器的能量存储和滤波元件，它有第二级滤波器，比传统的逆变器中单独使用的电感器和电容器能有效的抑制电压电流脉动。 Z 源逆变器与传统的电压源或电流源最大的不同和独特之处是它允许逆变桥臂瞬时开路和短路 ， 这为逆变器主电路根据需要升压或降压提供了一种机制。 在 Z 网络 中， 当两个电感器都很小时，接近于零时， Z网络相当于两个电容器并联，成为传统的电压源逆变器，因此，对于传统的电压源逆变器电容器的要求和物理尺寸相当于阻抗源电路最坏的情况时的要求，考虑到电感器提供 附加滤波和能量存储，相比传统电压源逆变器，阻抗源电路要求电容小，其尺寸也小。 同理如果这两个电容器很小接近于零，Z 网络中相当于两个电感串联 ，构 成传统电流源逆变 器，因 此阻抗源电路要求 电感和尺寸都不大。 西安工业大学毕业设计 (论文 ) 11 图 变器的一般拓扑 与传统的电压逆变器或电流源逆变器不同的 Z变器既可以以电压型逆变器模 式工作，也可以以电流型逆变器模式工作，它具有以下的独特点： （ 1） 从电路结构上，以电压型逆变器模式工作， Z 源逆变器的输入电源为电压源，主电路为传统的电压源逆变器结构， Z 源网路输入阻抗较小，所采用的开关是开关器 件和二极管反并联的组合，负载为感性，输入阻抗较小。 以电流型逆变器模式工作时， Z 源逆变器的输入电源为电流源，主电路为传统的电流源逆变器结构， Z 源网络输入阻抗较大，所采用的开关器件和二极管串联的组合，负载为容性，输出阻抗较小。 （ 2） 从控制方法上，以电压型逆变器模式工作时， Z 源逆变器主电路可以承受瞬时短路 ， 并通过特殊的控制方式引入短路零矢量而为逆变器的升压提供可能。 以电流型逆变器模式工作时， Z 源逆变器主电路可以承受瞬时开路，并通过特殊的控制方式引入开路零矢量而为逆变器的降压提供了可能性。 Z源逆变器可以应用 于许多工业应用的场合：从家用电器如微波炉、感应炊具到航空航天工业，从个人电脑电源到工业自动化如燃料电池和混合电动汽车。 前面提到， Z 源逆变器的输入源可以是电压源形式，也可以是电流源形式，相应的逆变主电路既可以和传统电压源型逆变器相同，也可以和传统电流源型逆变器相同。 因电压源型逆变电路和电流源型逆变电路本身就具有对偶的拓扑结构，所以电压型 Z源逆变器工作原理分析以及调制策略等相关的方法都可以应用对偶原理延伸到电流型 Z源逆变器中。 我 最终 没有选择 Z型逆变器，虽然它与传统的逆变器相比存在很多的优越性，可是考虑到我 知识的有限和 采用这种逆变器将给软件方面增加一些难度，再加之在技术上的不成熟，也将会带来一些新的问题，因此 ,我选择 在 电路拓扑结构上属于电压型控制逆变电路 ，而在 控制方式上 用 电流控制型电路 ， 以尽量弥补只用一种逆变器所造成的缺陷。 逆变电路如图 ，逆变器原打算采用两个 IGBT,通过对 IGBT的通断控制 DC12V转换 AC7V,可是查阅相关资料 后发现如果采用 IGBT后设计的成本将增会增加因为这里面既包括 IGBT本身市场价格较高（相对于 MOSFET）而且还要加驱动，鉴于系统的主要设计思路是在满足要求的情况下， 尽可能使得电路结构简单化，在保证可靠性的 前提下尽量的降低成本，最后决定逆变电路采用两个 NMOSFET内部复合的二极管 与 原边构成一个典型的共阳极推挽逆变电路。 图中 T0、 T1直接由 C8051F330的 SPWM控制交替工作，最终实现交流电正负半周的输出。 西安工业大学毕业设计 (论文 ) 12 图 逆变电路 检测 、保护 部分 主要作用有： ，需要设定合理的保护措施保护发电设备的安全以及电网的安全； ，光伏系统作为分布式发电系统的典型代表，如 何准确测定孤岛效应也是监控保护单元的重要作用； ，智能电量管理和系统状况检测上报也是光伏发电系统需要重点考虑的因素。 并网保护 装置主要实现以下保护功能：低电压保护、过电压保护、低频率保护、高 频率保护、过电流保护以及孤岛保护策略等内容。 通常大型光伏电站需要设置冗余保护装置，保证系统故障时及时处理。 孤岛效应是指并网逆变器在电网断电时，并网装置仍然保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态。 当电网 的某一区域处于光伏发电的孤岛状态时 ， 电网将不再控制这个电力孤岛的电压和频率。 孤岛效应会对光伏发电系统与电网的重连接制造困难，同时可能引起电气元件以及人身安全危害，因此孤岛效应必须避免。 目前常用的孤岛效应检测方法主。