7BB56C8D—F49A—4784—A818—3B7635AEEEBE.2009光伏并网发电模拟装置王雨曦等.doc

光伏并网发电模拟装置 摘要：系统基于光伏发电原理，采用正弦波脉宽调制技术（SPWM），以单片机和大规模可编程阵列逻辑器件（FPGA）作为控制核心，实现了模拟的光伏并网发电功能。系统采用增量电导法实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，采用频率跟踪法和沿触发补偿跟踪法分别实现了系统的频率跟踪功能和相位跟踪功能。系统对各路输入输出信号进行实时监测和反馈控制，实现了欠压和过流保护，且具有自动恢复功能。系统对强弱电进行了隔离，这样既避免两部分电路的相互影响，保证了弱电部分器件的安全，又达到了控制的效果。主回路DC-AC变换器效率达到80%以上，负载电路输出电压失真度很小，不大于1%。系统人机界面友好，稳定性高，安全可靠，并具有可实时监测并显示变换器效率、频率等功能。 关键字：SPWM MPPT 频率跟踪 相位跟踪一、方案论证 1、方案比较与选择 1）DC-AC主回路拓扑 鉴于此DC-AC逆变器为电压输出，故我们采用电压型逆变电路。 方案一：半桥式。半桥式电路中每只开关管只需承受逆变器输入电压幅值大小的电压应力，电路简单，但其需要正负对称供电才能输出无直流偏置的信号。 方案二：全桥式。两个半桥合并成即为全桥，全桥式电路的输出功率比半桥式大，且效率较半桥式电路高、谐波少，其输出对称性好，供电简单。 综上比较 ，全桥式电路输出谐波少，则输出端滤波较为容易，在工作频率不是很高的情况下，效率可以达到很高，所以我们选择方案二。 2）SPWM控制波实现方案 方案一:模拟调制法。用硬件电路产生正弦波和三角波，其中正弦波作为调制信号，三角波作为载波，两路信号经比较器比较后输出SPWM波形。 图1 系统整体框图 二、理论分析与计算 1、MPPT的控制方法与参数计算 1）实现MPPT的算法采用增量电导法，简称IncCond法。对于光伏阵列某一固定P-U曲线如图2所示，在其最大值Pm 处的斜率为零，所以有： =0，即 （1） 当U=Um时，有=0；当UUm时，有0；当UUm时，有0。 即： (UUm) （2） (UUm) （3） (U=Um) （4） 可以根据与之间的关系来调整工作电压而达到MPPT的目的。 当dU=0时，光伏电池的工作点电压没变，此时外界条件可能会发生变化，导致工作点在不同的输出特性曲线之间转移。若dI=0，说明外界条件没有变化，仍工作于最大功率点；若dI0，说明工作点向功率增大的方向变化，输出特性曲线上移，原来的工作点位于当前最大功率点的左侧，此时应增大电压，即增加SPWM波的调制比α；反之，若dI0，应增大调制比α。 图2 光伏电池P-U曲线 当时，说明工作点正处于最大功率点的左侧，应该继续增大工作电压，即增加SPWM波的调制比α，反之，若，则应减小调制比α，若，则维持在最大功率点。 2）扰动步长Δα的调整。 要准确快速的实现MPPT功能，Δα的设置很关键，设置过大，会导致跟踪过程可能跨越最大功率点，使工作点在Pm点处震荡，甚至始终无法达到最大功率点；Δα过小，会导致跟踪速度减慢，系统的动态效应差，且可能不满足题目指标。本系统采用可变扰动步长Δα，根据每次I、U测量和计算的结果不断调整步长Δα，当工作点离最大功率点较远时，增大Δα，使工作点电压变化加快，当工作点在最大功率点附近时，减小Δα，减少震荡。Δα的确认可采用模糊控制法。 2、同频、同相的控制方法与参数计算 1）同频的控制方法与参数计算 我们采用频率跟踪法来实现参考信号与反馈信号的同频控制。在频率跟踪法中，我们采用测周期法来测量参考电压的频率。 ①将参考信号作为门限，用计数器记录在此门限内的时钟脉冲数，从而确定的频率当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时可以获得很高的精度②当测得参考信号的频率f后，调节DDS使其输出正弦调制信号频率为f，则DC-AC的输出电压的频率为f，因为变压器三绕组上信号同频，故反馈信号的频率为f，即实现参考信号与反馈信号同相。本测频跟踪法是一种实时测量。 2）同相的控制方法与参数计算 我们采用沿触发同步跟踪法，其包括沿触发和相位补偿两部分。对参考信号进行过零比较获得方波信号，以其过零点上升沿作为触发信号读取正弦波表零地址进行SPWM波的调制，则逆变器输出端电压与参考信号同相，又在负载端接线性负载时，变压器三绕组上信号基本同相，且当负载端接非线性负载时，变压器三绕组上信号有相位差，差值极小，即参考信号与反馈信号存在一定范围内的相位差，故可利用软件算法在小范围内进行相位补偿，则可快速实现同相控制