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1、光伏并网发电模拟装置摘要本作品采用AVRmega16单片机产生SPWM信号，控制逆变桥电路产生与电网同频、同相的电源信号的光伏并网发电模拟装置，实现了电路的欠压和过流保护、最大功率点跟踪和相频跟踪等功能。其主要由双极性SPWM信号生成、桥式逆变电路及其驱动和输出显示电路组成。其中双极性SPWM信号控制开关管的关断，再经过滤波电路产生正弦交流信号；逆变电路主回路采用功率开关管（MOSFET），其驱动电路采用了CMOS管直接控制；电压检测电路实现最大功率点跟随；逆变拓扑电路提高了DC-AC的变换效率；并且能利用单片机实现过流、欠压报警及保护和输出显示等其他控制功能。本作品性能优越、效率高等优点。关
2、键词:桥式逆变；SPWM；AVR单片机；相频跟踪一、 方案论证1.DC-AC逆变电路方案方案一：采用半桥逆变电路，原理图如图1。其电路简单，使用器件少，开关较少。但是有直通问题，可靠性低。方案二：采用全桥逆变电路。原理图如图2。整个电路容易达到大功率，且损耗低、效率高、工作频率高、驱动容易、可靠性大大提高，我们选用方案二。 图1 半桥逆变电路图 图2 全桥逆变电路图2.MOSFET驱动电路方案方案一：采用MOSFET栅极驱动控制专用集成电路芯片IR2110。该芯片为8引脚封装，可驱动同桥臂的两个MOSFET，内部自举工作，允许在600V电压下直接工作，栅极驱动电压范围宽（1020V）,施密特逻
3、辑输入，输入电平与TTL及COMS电平兼容，死区时间内置，输入、输出同相，低边输出死区时间调整后与输入反相，最高可达40KHZ。方案二：利用分立元件驱动MOSFET。直接用MOS管驱动功率MOSFET，他们可以共用一组电源，栅极电压小于10V时，功率MOSFET将处于电阻区，不需要外接电阻，电路非常简单。比较上述两种方案，方案一采用了MOSFET专用的集成电路，可以说性能极其优越，但由于经验不足，我们没能把预先设计的IR2110驱动电路调试成功。考虑方案二电路简单，易于实现控制，我们最终采用了方案二。3逆变电路的变频控制方案本设计采用了双极性SPWM技术来实现正弦波变频控制。实现SPWM有以下
4、两个方案：方案一：采用规则采样法。规则采样法一般采样三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波形，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。方案二：采用自然采样法。以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。由于方案二的计算比较繁琐，难于实现在控制中的在线计算，所以本设计采用方案一，用数学软件MATLAB生成正弦表（正弦信号采样表），存储在单片机中作为调制信号。4单片机的选择方案方案一：采用51单片机。采用51单片机和SPWM芯片组合实现控制功能。方案二：采用ATmega单片机。此单片机具
5、有16KB的系统内可编程FLASH的8位AVR微控制器，具有高效能、低功耗的8位微处理器、先进的RISC机构和具有SPWM功能的8位定时器/计数器0.综合比较以上两个方案，方案一的实用性差，成本高，而方案二使用的单片机功能强大、集成度高，实现功能易满足题目要求，我们认为方案二最佳。系统总体方案框图如下：图3 系统方框图二、 理论分析与计算1. MPPT控制方法的计算（软件实现）电路模型可以等效为图4所示：要使得输出端子得到最大功率，则需要阻抗匹配，当和等效阻抗相等时输出功率最大，根据题目，则有理论计算：图4 等效模型当时可以取得最大功率。为了使得电压等于30V，我们采用了电压实时采样监控电路，
6、对采样值送入单片机A/D后再和单片机存储的理论值进行比较，如果不等，则修改占空比使功率达到最大值，这些控制均可由软件来实现。2. 同频同相控制方法(1)同频的控制（软件实现）：我们引入载波频率（开关频率）为，输出正弦信号的频率为，做SPWM的调制信号频率为，在调制信号的一个周期内采样点数为N，则有关系：，于是有：,所以要对输出频率控制，那么只要选择合适的和合适的N，使得=即可。此时在采样N个点后可以计算出生成正弦表的误差率R：(2)同相控制（软件实现）：硬件电路采集输出电流，转换成电压,再通过过零比较使之产生方波；同时也将采集的参考电压信号通过过零比较。首先采集过零生成的方波上升沿，再立刻采集
7、过零生成的方波的高低电平，若正好是上升沿，那么就开启计数器，直到采集到下一个过零生成的方波上升沿时就停止计数，这时，算出两方波的相位差，再通过差值来产生修正值，以调整相位，最终达到二者同相。（详见程序流程图）3. 提高效率的方法分析(1)选择好的拓扑：一个好的拓扑可以有效地降低电路的损耗，提高输出效率。我们采用的是工频变压器升压型拓扑，效率通常可达90%以上，可靠性也很高。(2)提高开关频率：让开关管的导通角减小可以让开关处于高速开通、关断状态，这样，功率开关管的损耗就会大大减小，而整个逆变电源损耗主要在功率开关管部分，这部分损耗减小后效率将会得到一定的提高。4. 滤波器参数的计算共模滤波器参
8、数计算：设计在输出级的共模滤波器可以抑制串摸、共模干扰，具体设计如下：因为输出AC频率在4555HZ，取输出频率为50HZ，在这个频率时在开关频率处需要的衰减分贝数为，于是共模滤波器的转折频率可以用下式计算：设线缆阻抗为RL，由于认证机构用LISN进行 图5 共模滤波电路测试时，所用线路阻抗为50，故通常取。又阻尼系数不小于0.707是比较合适的，这样在转折频率处只有-3dB的衰减量，就不会因震荡产生噪声。于是可以计算出共模电感L的值和“Y”型连接的电容C的值。共模电感L：Y型电容C：三、 电路与程序设计1.逆变电路分析与设计（1）DC-AC主回路与MOSFET的驱动电路电路图如图7所示。图中
9、M5和M6组成逆变电路开关管的驱动电路，单片机产生的SPWM信号通过M5和M6控制开关管的开断，实现输出为50HZ的正弦调制波。 （2）检测电路的设计检测电路分为输入电压、电流和输出电流检测电路。图7 DC-AC逆变拓扑及驱动电路 图8 输入电压检测电路 图9 输入端电流检测电路图8电压检测电路将测得的数值送入单片机，实现了输入电压的监测和欠压保护功能。具体计算公式为：。图9输入端电流检测电路将测得的数值送单片机，单片机将它与测得的输入电压相乘，来获得输入功率，进而求得逆变电路的效率。因为采样的是交流电压，故需要加一低通滤波器，以减小换流纹波和EMI影响，滤波器的传输函数为：图10 输出端电流
10、检测电路图10输出端电流检测电路测得的电流实现两个功能：一个是上半部分的过流保护电路，它将电流信号送入单片机，来实现过流保护功能；一个是下半部分的过零比较电路，它将比较后的信号送入单片机，以实现输出正弦波的相位跟踪。2.软件设计实现同频、同相位跟踪子程序流程图 图11频率跟踪流程图 图12 相位跟踪流程图四、 测试方案与测试结果1. 测试仪器及型号信号发生器：FG1617信号发生器示波器：TDS1002示波器万用表：VC890C+万用表测试电源：TD1717-2三路稳压稳流电源负载电阻=302. 测试方法（1）电压、电流的测试方法。利用万用表的表笔直接测试输入电流和电压以及输出电压、电流。（2）用信号发生器测量输入参考信号和输出的频率。（3）利用示波器显示参考信号波形和输出检测的波形，用以观察两个信号是否同相。3. 测试数据及结论（1） 输入电压、电流和输出电流测试结果如表1：表1 电压、电流测试结果及功率计算测试目标12345输入电压（V）输入电流（A）输出电流（A）输入功率（W）结论：（2）当参考电压的频率从45HZ-50HZ变化时，测对应的输出频率，测试结果如表2：表2频率测试结果参考电压的（HZ）输出电压的（HZ）结论：7