光伏并网发电模拟装置

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1、光伏并网发电模拟装置摘要:本系统采用单片机（STM32）和FPGA（EP2C5T144C8N）为控制核心，由模拟控制模块、全桥逆变模块、并网模块和人机交互模块4个功能部分组成。其中，全桥逆变模块与模拟控制模块采用光耦进行强弱电隔离，逆变电路采用具有高端悬浮自举电源的IR2110进行驱动，最终逆变效率达到75%以上。并网模块通过反馈调节的方式跟踪上市电电压通过隔离变压器与市电安全并接。实现最大功率点跟踪，并通过实时监测并网电流实现超1.5A断流的过流保护和25V欠电压保护功能且失真度极低，整个变换并网过程的输入电压﹑输出电压频率，在256*

2、32点阵液晶上实时显示，并能通过键盘加以控制。关键词：逆变、并网、效率、失真度、MPPT一、方案选择与论证1．题目任务要求及相关指标的分析题目要求该系统逆变输入直流电压范围为60V，且逆变的效率要达到60%以上，具有频率跟踪，相位跟踪，失真度小于1%，且有输入欠电压和输出过流保护功能。题目重点逆变需要产生SPWM波控制逆变电路进行DC-AC转换来实现。题目的难点在于转换的效率问题和相位跟踪。2．方案的比较与选择2.1逆变器主回路拓扑方案一：采用半桥逆变电路。其原理图如图一所示，这种电路的优点是简单，使用器件少。但它输出的交流电压幅值Um仅

3、为Ud/2，且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。图一半桥逆变电路图二全桥逆变电路方案二：采用全桥逆变电路。全桥逆变电路的原理如图二所示，它共有4个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成。把桥臂一和四作为一对，桥臂二和三作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两队交替各180o。其输出电压的波形与半桥电路相同，但幅值提高一倍。对于半桥电路的分析也完全适用于全桥电路。采用半桥电路所需的原器件较少，但是相对的其输出电压比全桥小一半，理论上最大输出交流有效值为Uo=0.45Ud难以达到题目要求。综上考虑，我们组最终采用了相对容易

4、实现且能够满足题目需求的方案二。2.2系统控制模块方案一：使用STM32和FPGA的结合作为系统的控制核心。方案二：使用STM32作为控制核心。STM32本身带有大量口资源，且功耗很低。本系统需要产生SPWM波进行逆变控制，需求的口资源不多，并且题目附录说明控制电路可采用辅助电源单独提供，因此STM32的优势得不到体现。STM32配合FPGA里面丰富的门电路和存储单元的资源可以产生更精确的三角波和正弦波进行比较，从而产生更加准确的SPWM波，而且运行速度更快，完全能够实现系统需求。所以选择方案一。2.3SPWM波形产生方案根据SPWM基本

5、原理，计算SPWM脉宽需要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术时运算时间过大无法做到实时控制。因此我们需要另寻方案。方案一：采用规则采样法。取三角波两个正峰值之间的时间间隔为一个采样周期，在三角波的负峰值时刻tD对正弦信号波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A、B两点，在A点时刻和B点时刻控制功率开关器件的通断。方案二：数字调制法。按照SPWM基本原理，在FPGA内部形成正弦波和三角波进行比较产生SPWM波，其框图如图四。方案一为通用方式，实现简单，是一种带有近似的SPWM生成方式，并非准确的SPWM波形，在载波比较低的

6、情况下脉宽误差较大，且不太适于异步调制。方案二需要在FPGA内部采用DDS技术生成正弦波和三角波，较为复杂，但其具有产生灵活，精度可控的优势，生成的SPWM波形更接近于正弦波，且不受调制方式的限制，而且可以通过改变三角波的点数来方便的改变调制深度，从而改变输出电压的幅度，方案二能够更好的达到题目要求，本题采用方案二。图四SPWM产生电路2.4采样方案选择方案一：采用电压互感器采集信号。方案二：采用线性光耦采集信号。方案三：采用隔离变压器采集信号。方案四：采用电阻分压的方式采集信号。由于全桥逆变属于浮地输出，采用电阻分压的方式也需要两路一起

7、分压，并用差动方式采样，此方案电阻的精度会直接影响采样精度，考虑到普通电阻都是5%的精度，这个方案的精度会大大降低。隔离变压器方案比较理想，能够精确的采样并放大电压信号，但此系统输出达到36VAC，隔离变压器无法对信号进行衰减，且大输出的隔离变压器非常昂贵，会加大电路成本。线性光耦同样能对信号进行隔离输出，且线性度良好，但其交流特性不太理想，随着频率改变，输出增益也随之改变且价格昂贵。综合上述理由，电压互感器是最理想方案，能够在对电路造成干扰最小的情况下采出真实的电压波形。因此选择方案一。2.5提高效率的方法及方案（1）死区控制。全桥电路

8、需要两路开关管交替导通进行逆变，当开关管的导通时间Ton与关断时间Toff不相同时，会出现上下两路同时导通的情况，逆变电路处在短路状态，既容易损毁器件，又会产生大量额外功耗，降低逆变效率。采用