光伏并发电模拟装置报告书.docVIP

2009年全国大学生电子设计竞赛 光伏并网发电模拟装置 （A题） 设计报告书 二零零九年九月二日—五日 光伏并网发电模拟装置 摘要：太阳能作为一种高效无污染的新能源，一种未来世纪常规能源的替代品。目前，太阳能光伏并网发电是太阳能光伏的重要应用之一。文中采用了一种高性能MC9S12XS128单片机控制实现了光伏并网发电模拟装置的系统设计。正弦逆变系统作为并网发电系统的核心部分，实现将光伏直流电逆变成工频交流电，送入电网，实现并网目的。在分析光伏并网发电正弦逆变器的工作原理后，提出了基于模糊控制的自适应PI控制策略，并采用恒定电压跟踪法实现了最大频率点跟踪（MPPT）功能。实验测试表明，该模拟装置能较好的满足并网发电系统的各项指标要求。 关键词： 光伏并网发电；正弦逆变电路；最大频率点跟踪；模糊控制的自适应PI调节  光伏并网发电是通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池的储能，而直接通过并网逆变器，把电能送上电网。据有关专家们估计，到2020年全球太阳能光伏发电将占世界发电量的1.1％，2040年将占26％，2050年以后将成为世界能源的支柱[1]。 下图1所示并网发电模拟。 图1 并网发电模拟装置框图 光伏并网发电模拟装置设计方案 1．逆变电路方案 根据设计要求，为一小功率光伏并网发电模拟装置，故选用电压型单相逆变电路。 方案一：采用电压型单相半桥逆变电路。半桥逆变电路电路结构简单，在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点负载联接在直流电源中点和两个桥臀联结点之间。 2．正弦逆变电路控制方案 在本次设计中，正弦逆变电路的控制方案为该模拟装置的核心部分。 方案一：采用PI控制。比例（P）环节对给定信号和反馈信号之间的误差进行实时放大，一旦有误差信号产生，控制立即起作用，以减少误差。积分（I）环节，对误差进行连续累加，具有积累和记忆特性，主要用来消除静态误差。PI控制兼顾了系统的动、静态性能。 方案二：采用模糊控制。模糊控制技术基于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提高 方案三：采用重复控制。重复控制理论是一种基于内模原理的控制理论，是在重复信号发生器的作用下，控制器进行着逐周期积分控制，通过对波形误差的逐周期补偿，以抑制周期性的扰动信号[2]。 比较以上三种方案， 方案一PI控制概念清晰，容易数字化实现，并具有参数易整定等特点。方案二模糊控制器的设计不依赖于受控对象的精确的数学模型，它有着非常强的鲁棒性和自适应性。方案三重复控制稳态时可以近似实现无静差跟踪效果。但本身却无法克服其固有的滞后调节特性，由理论分析可知，其动态性能至少滞后一个基波周期。根据题目中的正弦逆变装置是一个多变量、非线性、时变的系统，系统的复杂性和模型的精确性总是相互矛盾的，故提出采用基于模糊控制的PI自适应调节控制策略。 3．MPPT（最大功率点跟踪）实现方案 (Perturb Observe Algorithms, PO)。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[3]。 方案二：采用恒定电压跟踪(Constant Voltage Trace, CVT)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。 4．主控单片机选型方案 设计中，正弦逆变电路的控制电路为装置的核心部分，而选择性能优良的控制器则能起到事半功倍的效果。 方案一：采用51系列单片机。51系列单片机拥有基于复杂指令集（CISC）的单片机内核，虽然其速度不快，12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。51的内部硬件预设，可用特殊功能寄存器对其进行编辑。ARM? CortexTM-M3 的控制器。如LM3S615具有32为RISC功能，16位定时器模块具有捕获和比较功能；并带有10位ADC通道，以及PWM发生器，可以通过软件编程进行PWM波形输出等特点。 方案三：采用MC9S12系列单片机。MC9S12XS128该