光伏并网发电模拟装置报告.

光伏并网发电模拟装置（A题）摘要：整个光伏发电逆变系统确定采用全桥作为逆变器的拓扑结构，通过比较选择单极性正弦脉宽调制作为逆变器的调制方式。

整个系统的硬件部分包括主电路、驱动电路、采样调理电路和保护电路，以及数字控制系统的硬件电路。

基于MSP430F5529平台的逆变器软件设计则包括最大频率跟踪的数字PI实现以及SPWM的数字生成和ADC的软件校正等。

最后的作品测试结果表明，逆变器的输出功率、系统效率、负载调整率等各项指标均满足要求，仅波形畸变率较大，系统具有优异的稳态性能但动态性能略差。

关键词：逆变器，正弦脉宽调制, 最大频率跟踪，光伏并网Abstract：The Photovoltaic Inverter System is developed with full-bridge topology. The hybrid SPWM modulation is chosen by comparing several classic modulation methods. The whole system consists of hardware designs such as main circuits, driver circuits, sample and signal conditioning circuits, protecting circuits and the software designs such as the realization of PI control strategy and the rectification of the ADC precision in MSP430F5529. Finally, the experiments on the system indicate that all the performance including the output power, the efficiency and load regulation of the experimental prototype proves to be qualified, only waveform distortion rate is too large. The PV inverter system has excellent steady-state characteristics but dynamic performance slightly worse.Key words：inverter, SPWM, MPPT, grid photovoltaic1方案论证与比较1.1 设计需求1.1.1 基本要求（1）具有最大功率点跟踪（MPPT ）功能：R S 和R L 在给定范围内变化时，使d S 12U U =，相对偏差的绝对值不大于1%。

（2）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%。

（3）当RS=RL=30Ω时，DC-AC 变换器的效率η≥60%。

（4）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo 的失真度THD ≤5%。

（5）具有输入欠压保护功能，动作电压Ud （th ）=（25±0.5）V 。

（6）具有输出过流保护功能，动作电流Io （th ）=（1.5±0.2）A 。

1.1.2 发挥部分（1）提高DC-AC 变换器的效率，使η≥80%（RS=RL=30Ω时）。

（2）降低输出电压失真度，使THD ≤1%（RS=RL=30Ω时）。

（3）实现相位跟踪功能：当fREF 在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证uF 与uREF 同相，相位偏差的绝对值≤5°。

（4）过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。

（5）其他。

1.2 总体方案及框图针对系统指标要求，本项目设计组成见图1所示。

逆变器部分包括单片机主控制单元、信号采样调理电路、逆变器主电路、低通滤波器、驱动保护电路等。

逆变器部分的主要功能为：在功率电路方面，前一级直流电压输入经过桥式逆变器成为高频矩形脉冲形式的交流电压，再经过后一级的低通滤波器，成为光滑的50Hz 正弦交流电输出。

在控制电路方面，采样电路采样输出电压、电流信号，并通过调理电路，将采样信号调理至数字控制部分的电平幅值范围内。

如系统出现过载或过流的情况，则产生保护信号，关闭四路开关管的驱动输出。

数字控制部分主要负责运算处理环节，运用合适的算法实现闭环控制策略，产生相应的控制信号经过驱动电路，控制全桥电路的开关管，从而实现整个逆变器的闭环控制，使输出满足系统设计的性能要求。

图1 总设计框图1.3实现方案的分析1.3.1DC-AC逆变拓扑结构逆变器常用拓扑结构主要包括如下几类：（1）单相半桥逆变器这种逆变器所用的功率管数目少，主电路结构简单，广泛应用于单相和三相逆变器中，但是也存在如下缺点：a. 直流电压利用率低；b. 输出谐波含量大；c. 必须设置死区时间，输出电压波形发生畸变；d. 续流二级管为功率开关管的体二级管，性能较差，很难得到优化设计。

（2）全桥逆变器全桥式逆变器需要用四个功率开关管，其特点包括：a. 功率开关管的电压应力为U d，适合用于高压输入场合；b. 输出为两态+1，－1或者三态+1，0，-1，可分别实现双极性和单极性调制；c. 必须设置死区时间，输出电压波形会发生畸变。

半桥电路结构简单，但它需要外接正负直流母线电压，其幅值超过输出电压最大值的两倍，器件电压应力大，直流电压利用率低；桥臂只能输出+1和-1两态电平，工作于双极性调制方式，桥臂输出波形谐波含量大，需要高的开关频率和大的滤波器。

以上几点也是半桥型逆变器的缺点。

全桥电路结构相对复杂，但控制灵活，且输出电压是半桥电路的两倍，开关管所承受的电压、电流应力均相对较低，且控制方式灵活，尽管所用的功率管的数量较多，但容易进行多种组合实现软开关技术，因而在各种场合尤其较高功率输出的情况得到十分广泛的应用。

整个光伏发电逆变系统确定采用全桥作为逆变器的拓扑结构1.3.2光伏逆变器的SPWM控制波形产生方案方案一：用分立器件电路产生，主要由三角波发生器、正弦波发生器和比较器组成，但由于其电路复杂、灵活性差、调试困难等缺点，因此一般很少采用。

方案二：用专有集成芯片产生，虽然功能较强，输出波形质量较高，但是灵活性差、采用性能优良的控制方法能力差、成本较高，不适合小系统的设计需要。

方案三：用单片机或者数据信号处理器等数字控制器实现，目前许多单片机都具有产生SPWM波的功能。

采用单片机具有电路简单可靠、灵活性好、可以采用性能优良的控制方法，而且方便实现系统状态监控、显示和处理，使整个系统控制非常方便。

鉴于上述分析，选用方案三。

1.3.3MPPT的实现方案根据题目要求，需实现MPPT（Maximum Power Point Trace）即最大功率点跟踪功能。

方案一：采用扰动观察法。

把输出电压值的变化量△U称之为扰动，通过不断施加扰动△U，并测量比较其功率的变化，使太阳能阵列的输出功率趋于最大。

方案二：采用恒定电压跟踪法。

根据在不同日照强度时其IV曲线，可以说明其最大功率输出点大致对应于某个恒定电压Um，则使太阳能电池阵列的输出电压箝位于Um的值即可，实际上是把MPPT简化成稳压控制，这就构成了CVT 式的MPPT控制。

上述两种方案，方案一扰动观察法是实现MPPT常用的方法之一，其结构简单，被测参数少，但由于始终有士△U的存在，故只能在最大功率点附近振荡运行，导致了有部分功率会损失。

而且初始值及跟踪步长的给定对于跟踪精度和速度都有较大的影响。

方案二恒压跟踪法控制简单，易于实现，可靠性高；且系统不会出现振荡，具有良好的稳定性，硬件电路设计简单，方便实现。

另根据题目光伏模拟电池为实验室可调直流稳压电源，故选用方案二。

1.3.4SPWM的控制方法逆变器采用SPWM方式，可以有效地抑制谐波，在频率、效率各方面都有明显的优点，使逆变电路的性能与可靠性有明显的提高。

SPWM调制的工作原理是采用正弦控制信号m与高频三角波载波c相交截，产生正弦脉宽调制信号，再经过逻辑变换、功率放大等，得到功率管的驱动信号，控制功率管的开通与关断，从而在逆变器的输出端得到正弦调制输出。

由于三角载波的频率通常较高，理论上其输出电压波形的谐波频率主要集中在较高的频段上，所以经过一级低通滤波器就可以得到较为理想的正弦波输出电压。

这也是正弦脉宽调制技术得到广泛应用的原因之一。

根据每发生一次开关时输出电压的脉冲极性变化情况，正弦脉宽调制可以分为双极性调制（Bipolar PWM）方式和单极性调制（Unipolar PWM）方式。

（1）双极性调制方式双极性调制时，逆变全桥电路的对角功率管（S1/S4，S2/S3）同时开通和关断，两组互补导通，所有功率管均为高频开关。

如图2所示，每发生一次开关，逆变桥的输出电压U AB为正输入电压或负输入电压，从而在输出电压的半个周期内，U AB在+U d和-U d电平之间切换，即+1/-1（或-1/+1）切换方式，整个输出电压周期内得到两态的输出电压波形。

-Uu图2 双极性SPWM生成机制图3 单极性SPWM生成机制（2）单极性调制方式传统的单极性调制方式原理如图3所示，逆变桥的两个桥臂分别通过三角载波c与正负正弦调制信号（m、-m）相交截分开调制，当对角功率管开通时（S1/S4或S2/S3），逆变桥输出U AB为+U d或-U d；当桥臂上部两只功率管（S1、S2）或下部两只功率管开通时，逆变桥的输出U AB为零。

这样，每发生一次开关，输出电压U AB在0与+U d或0与-U d之间变化，从而在输出电压的半个周期内，U AB为+U d 和0或-U d和0，即+1/0（0/+1）或-1/0（0/-1）切换方式，整个输出电压周期内所得到三态的输出电压波形。

在传统的单极性调制方式中，所有的功率管仍为高频开关。

与双极性调制相比，其开关频率在“实效上”增加一倍，同时，每次开关输出电压的变化从前者的2U d降低到U d，其输出电压波形的谐波频谱会有所改善。

同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。

死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。

死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。

2理论分析与计算2.1MPPT控制策略及实现在本题条件下对光伏电池进行模拟，要使得DC/AC逆变器具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，就是要使得U d=U s/2；利用两个电压采样电路对直流稳压电源U s和输入电压值U d同时进行采样，计算采样值AD_averag0(输入电压值U d对应的采样值)与电压计算值AD_PI_OUT_REF(根据直流稳压电源U s对应采样值AD_averag2计算得到的基准值)的误差；将其误差转化为调制载波比的误差，对调制载波比采用增量式PI算法∆u(k)= u(k)-u(k-1)= K p*[e(k)-e(k-1)]+K i*e(k)进行调节，目的即是使得U d=U s/2；通过调节调制载波比来调节功率输出的大小，实现：当输出电压U d>U s/2时，增大调制载波比，使输出电流增大，从而使U d(U s-I d*R s)下降；当输出电压U d<U s/2时，减小调制载波比，使输出电流减小，从而使U d(U s-I d*R s)上升。