1、模拟太阳能并网发电装置的设计新毕业设计 模拟太阳能并网发电装置的设计学生姓名：周有铜班 级：09电气2班指导老师：袁力辉系部：电子信息技术系提交时间：2012年5月1日模拟太阳能并网发电装置的设计摘 要:本系统涉及四大关键技术：直流稳压电源、桥式逆变电路、滤波电路、检测及保护电路。采用了一种高性能STC89S52单片机控制实现了模拟太阳能并网发电装置的系统设计。STC89S52单片机产生正弦波与三角波比较得到SPWM波来驱动桥式逆变电路,将直流电逆变为符合并网要求的电压，经滤波送入市电电网，根据输出电压采样值，调整SPWM信号幅度，实现最大功率点跟踪。检测回路的检测信号经MAX197模数转换后
2、输入STC89S52单片机控制核心，经数据处理后实现并网运行，过流欠压保护等功能；此外，通过采集逆变交流侧电压的频率与模拟并网侧标准频率信号送入主控单片机，比较后对SPWM信号做出调整，实现频率相位跟踪。关键词：脉宽调制；逆变电路；频率相位跟踪；STC89S52单片机；MAX197目 录毕业设计 1摘 要: 11.前言 11.1课题研究的意义 11.2课题研究的主要内容及方法 12 原理推导与计算 22.1 SPWM波产生原理 22.2 频率相位检测 33.1 系统总体结构 53.2 桥式逆变主电路 53.3 主控单片机电路 63.4 检测及保护电路 73.5 控制系统程序流程图 83.5.1
3、 总体程序流程设计 83.5.2 频率相位跟踪设计 83.5.3 正弦波程序设计 94 总结 14致 谢 15参考文献 161.前言1.1课题研究的意义随着人类社会的进步，经济的不断发展，人们对电能的需求越来越大，而且对电能质量提出了越来越高的要求。由于煤和石油等传统能源日益减少，寻找新能源己经是当前人们面临的迫切课题。太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。太阳能以其清洁、无污染等优点越来越得到人们的关注。并网发电是光伏利用的发展趋势，是太阳能发电规模化发展的必然方向。太阳能发电及相应的系统将通过大规模并网发电迅速发展并现已成为全球重要的能源产
4、业。本课题通过对逆变并网模拟装置的研究设计，为进一步研究并网发电课题奠定坚实的基础；此次课题设计也将对我的系统综合设计能力和专业技术水平有一定的提高。此外，通过本次的设计，要达到提高我们综合能力的目的，如综合应用所学知识能力、资料查询能力、计算机应用能力、语言表达能力、论文撰写能力等，尤其是要提高我们对于电源逆变技术的理解和实践运用和利用控制芯片进行电源逆变技术的科技革新、开发和创新的基本能力，同时使我们初步掌握单片机应用系统设计、研制的方法。可以缩短我们在未来工作岗位上的适应期，发挥我们的作用。1.2课题研究的主要内容及方法本课题主要研究内容是设计一个逆变并网模拟装置的软件部分。根据技术要求
5、设计DC/AC的逆变器。设计的逆变并网模拟装置，它主要由逆变电路和滤波电路、检测回路、控制系统组成；其中,检测回路的检测信号经模数转换后输入控制系统，通过以单片机为控制核心的控制系统数据处理后以实现频率相位跟踪、并网运行、过流欠压保护等功能。（1）本系统中逆变电路（DC-AC）模块采用调制SPWM波电路，通过正弦波与三角波发生器产生的三角波经过比较以后可以得到调制SPWM波。软件需要编写正弦波程序。（2）调制SPWM波要能直接驱动MOS管的导通，需要加驱动电路。本设计采用IR2110栅极驱动器将用来驱动MOS管。只需加上很少的分立元件和单路电源,IR2110 即可基于自举驱动原理构成MOS管的
6、驱动电路。主电路采用全桥式MOS管电路，系统的无功功率损耗小。此部分由硬件控制，掌握电路基本原理。（3）滤波电路采用简单电路设计：采用LC滤波电路，滤去高频杂波，通过电感L和电容C适当匹配，可以使得输出电压相位和输入电压相位一致，方便电压相位的控制。（4）在欠压过流保护模块中，采用霍尔传感器检测电流电压，将检测的信号经过AD转换后输入单片机，单片机处理之后发出封锁信号进行欠压保护或进行限流。需要编写欠压过流保护程序。（5）频率相位跟踪模块：检测模拟电网信号和输出信号，以模拟电网信号为标准，根据两路信号检测结果，经单片机分析处理，就可以实现频率跟踪；将模拟电网和反馈信号相位接入单片机以后，单片机
7、可以检测到两路信号的相位差，以模拟电网的相位为标准，经过相应的数据处理，经过反复比较和逐次逼近实现相位跟踪。需要编写频率跟踪和相位跟踪程序。（6）电路设计、仿真和编程分别使用Protel、Multisim和Keil等软件。2 原理推导与计算2.1 SPWM波产生原理由主控快速单片机STC89S52通过程序实现输出数字量正弦波信号，经由D/A转换芯片AD7528转换后输出标准模拟正弦波信号，AD7528内部集成了两片D/A,而且数模转换的精度可以达到1%以内，工作电压5V15V方便使用，输出驱动能力兼容TTL和CMOS电平。此时正弦波信号幅值小，驱动能力弱，需要经过进一步放大。另一路为三角波产生
8、电路：滞回比较器的输出经过积分之后，得到三角波。三角波和正弦波经过过零比较后得到SPWM波。为保证输出的SPWM波准确可靠，在产生三角波的同时采用同频率和周期的方波信号，通过锁存触发器4044后可对输出的SPWM波进行实时监测和封锁信号的保护。PWM的全称是Pulse Width Modulation，也即是脉宽调制，通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压，广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。采样控制理论中的有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性
9、的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础。用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断。使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因
10、此,软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法。通常工业上使用DSP等直接生成SPWM波形。但是由于本人掌握程度不够，所以本设计采用软件产生正弦波，利用硬件产生三角波，二者比较得到SPWM。图2-1波形称为单极性SPWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为图2-2的PWM波，即双极性SPWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。图2-1 单极性PWM控制方式波形图2-2 双极性PWM控制方式波形 图2-3 调制波正弦波和载波三角波 图2-4 合成的SPWM波形从图2-3和图2-4，可以很清楚地看出来，当正弦波电平高于三角波时，SPWM波形输出高电平。反之，当正弦波电
11、平低于三角波时，SPWM波形输出低电平。2.2 频率相位检测将检测的信号经LM339正相过零比较得到方波信号，经过比较以后，LM339输出端的信号为方波信号，将该信号接入反相器反相整形后分别接入连接单片机P3.4（T0）端和P3.5（T1）端，考虑到正弦波的频率较低，采用“T”法测量，当P3.4检测到一个上升沿跳变时，同时启动计数器0，采用方式1计数，考虑到正弦波的周期为在18.2ms22.2ms之间，方式1计数溢出需要65.5ms，故无需打开计数器0中断；当下一个上升沿跳变来临时，停止计数器0，由于计数器每计数一次耗时1us，将计数器0的寄存器TH0和寄存器TL0数据取出后就可以算出频率，公
12、式如下： （2-1）当将模拟电网和反馈信号的频率测出以后，以模拟电网信号的频率为标准，通过单片机的数据处理后，调节单片机输出控制的正弦波频率，就可以实现频率跟踪。相位跟踪原理与频率跟踪原理比较类似，不同的是需要将两路输出信号分别接入一个单稳态电路，出来后进入或门，再将或门的输出接入主控单片机的外部中断0；相位检测需要将得到的方波脉冲经触发器得到有效的上升沿信号，接入主控单片机STC89S52的外部中断INT0进行相位检测。其中，限幅电路采用两个二极管1N4148，反相整形器件选择两个74LS14进行信号整形处理。两路信号的信号相位不同，或门输出高电平,使单片机产生中断。此时，P3.4和P3.5
13、作为检测模拟电网的正向过零点和反馈信号的正向过零点，这样模拟电网和反馈信号的相位都可以测出，并且可以计算出两路信号的相位差，以模拟电网的相位为标准，分两种情况实现相位跟踪：1.调相位，实际相位差与标准相位差进行比较，如果实际相位差大，调节输出正弦波相位；2.逐步调频率，如果比较后发现，两者的相位差距不大，通过主控单片机程序控制进行正弦波频率控制。在相位检测跟踪过程中要实现不断的与电网参考相位进行比较，判断两者相位之差是超前还是滞后，将根据差异大小来判断是否要进行正弦波相位调整。所以在检测是否有过零脉冲的同时还需要将两路比较信号分别送入主控单片机进行信号比较，以实现真正的相位检测和跟踪。两个信号
14、频率不同时，没有固定相位差。一般要计算相位差的，都是相同频率的。不同频率的振动，算出来的相位差也没有什么意义。由以下的推导可以看出：（2-2）（2-3）以上为两个不同的正弦波信号，我们假设一个为逆变输出信号，一个是电网信号。所以可以看出两信号的相位差为：（2-4）由此可以得到以下结论：只有当两个信号的角频率相等时，两信号的相位差才是恒值。计算出超前或滞后的时间t，就可以通过单片机进行数据处理后，调节输出正弦波的频率和相位，实现相位跟踪。2.3 过流检测过流大多数是指某种原因引起的负载过载。通过互感变压器连接到电网时，用霍尔电流检测元件检测电网侧电流的变化，以实现过电流检测和保护功能。由于检测单
15、相信号，所以选择单相半波整流电路整流输出直流信号，便于通过A/D转换芯片MAX197转换后送入主控单片机进行数据采集。霍尔电流检测元件采集到的变化的电压信号，经由1N4148进行单相半波整流，信号滤波后送入TL084进行信号的稳定，将输出信号送入MAX197经模数转换后进入主控单片机，通过程序处理完成过流检测。2.4 欠压检测直流电源输出电压的检测，由电阻分压采集到的直流电压信号送入快速A/D转换器MAX197，经转换后将信号送入主控单片机，单片机实时将采集回来的信号与片内程序给定的电压低限值进行比较，当检测值低于程序设定最低电压值时，单片机立刻送出信号封锁逆变桥的输出保护电路。3.系统电路及
16、程序设计3.1 系统总体结构该系统主要由主控制模块，DC-AC逆变模块，SPWM波合成模块，驱动模块，滤波模块，检测模块组成。DC-AC逆变模块实现过程：主控快速单片机输出正弦波信号，此信号经两个D/A转换芯片AD7528的转换成模拟量的正弦波信号。该模拟信号幅值和功率很小，而且不够平滑，经放大电路处理之后幅值和功率得到放大而且波形更加平滑；由两片TL084组成的滞回比较器和积分器产生的三角波信号。正弦信号和三角波信号在LM339进行叠加和过零比较后得到SPWM波脉冲。如果将此SPWM波直接用来驱动桥式电路，可能出现同一桥臂的开关元件同时导通，造成短路，元件损坏，故在输出的SPWM波驱动桥式电
17、路之前先进行上下桥脉冲延时。而且为了进一步保护电路有必要用光耦实现强电和弱点隔离。也即是SPWM波经过延时保护电路，经过光耦，输入驱动芯片IR2110，进而驱动MOS管，从而实现将直流逆变为公网频率的交流。检测模块要实现过程：频率相位检测与跟踪，交流侧过电流检测。频率相位检测实现过程：是检测模拟并网侧的电压的相位和频率，将检测到的电压信号送入LM339进行过零比较，再通过反相器进行整形即可得到同频率的脉冲信号，将此脉冲信号送入主控单片机计数器T0，通过采集和程序处理即可实现对电网侧频率的检测。3.2 桥式逆变主电路根据前文分析和综合资料，得到桥式逆变电路的主回路的结构图，可以设计为图3-1形式
18、。图3-1 （a）桥式逆变主电路图其中所用开关器件可以是晶体管、MOS管，也可以是IGBT，而且不论P型或N型，P沟或N沟。应用中也可以采用图3-2所示电路形式：图3-2 （b）桥式逆变主电路图3.3 主控单片机电路控制方案中由于考虑到信号的采集和反馈的响应电间，采用了快速单片机STC89S52。该单片机不仅处理快速而且与8051兼容的微控制器，此外，在相同的吞吐量及低频时钟情况下，电源功耗也降低。这也就为整个系统的快速性和准确性提供了可靠的保障，图3-3和图3-4为STC89S52单片机与其它外围设备的连接。 图3-3 STC89S52外围接线图 图3-4 MAX外围接线图3.4 检测及保护
19、电路这一部分共有四个部分，分别为：直流电源电压检测；逆变交流输出侧的电流检测；逆变交流输出侧的频率检测；逆变交流输出侧的相位检测。(1)直流电源供电的直流侧电压检测，使用霍尔传感器或者利用电阻分压检测进行检测。(2)逆变交流输出侧的电流检测，此部分同样可以采用霍尔电流检测元件进行检测。霍尔元件检测电流如图3-5所示。图3-5 霍尔元件电流检测(3)逆变交流输出侧的频率检测、逆变交流输出侧的相位检测，这两个部分是采用同一电路进行不同运算处理，经过处理后进行频率和相位的检测。下图为频率相位检测电路。 图3-6 频率相位检测电路3.5 控制系统程序流程图3.5.1 总体程序流程设计 整个系统采用ST
20、C89S52单片机为控制核心，按照时序分别完成：过电流检测、欠电压检测、按键扫描、频率跟踪检测、相位跟踪检测、最大功率跟踪检测、正弦信号调节输出。 3.5.2 频率相位跟踪设计频率相位跟踪的过实质程就是锁相。锁相可分为模拟锁相和数字锁相。与传统的模拟锁相相比，数字锁相不仅能简化硬件电路的设计，降低成本，还可解决模拟电路中需要调整电路参数，以及器件的老化和温漂等问题，大大提高了电路的可靠性和锁相精度。在此，讨论了逆变器的输出电压数字锁相技术。普通的模拟锁相环由鉴相器(PD)、低通滤波器 (LPF)和压控振荡器(VCO)组成。通过将VCO的输出电压信号uout(t)和电网电压的采样信号uin(t)
21、这两路频率与相位不同的信号送入鉴相器，生成误差信号Ue(t)，该信号是相位差的线性函数。ue(t)经过低通滤波器后输出电压信号UD(t)。VCO在uc(t)的控制下将改变uout(t)的频率和相位，以减小uout(t)的频率和相位差。将检测的信号经LM339过零比较得到方波信号。将该信号接入反相器反相整形后分别接入连接单片机P3.4（T0）端和P3.5（T1）端。考虑到正弦波的频率较低，采用“T”法测量，当P3.4检测到一个上升沿跳变时，同时启动计数器0，采用方式1计数；当下一个上升沿跳变来临时，停止计数器0，由于计数器每计数一次耗时1us，将计数器0的寄存器TH0和寄存器TL0数据取出后就可
22、以算出频率，公式如下：（3-1）当将模拟电网 和反馈信号 的频率测出以后，以模拟电网信号的频率为标准，通过单片机的数据处理后，调节单片机输出控制的正弦波频率，就可以实现频率跟踪。相位跟踪原理与频率跟踪原理比较类似，不同的是需要将两路输出信号分别接入一个单稳态电路，出来后进入或门，再将或门的输出接入主控单片机的外部中断0；相位检测需要将得到的方波脉冲经触发器得到有效的上升沿信号，接入主控单片机STC89S52的外部中断INT0进行相位检测。两路信号的信号相位不同，或门输出高电平,使单片机产生中断。此时，P3.4和P3.5作为检测模拟电网的正向过零点和反馈信号的正向过零点，这样模拟电网和反馈信号的
23、相位都可以测出，并且可以计算出两路信号的相位差，并与上次的相位差相比较，得到相位变化的趋势，以模拟电网的相位为标准，分两种情况实现相位跟踪：1 .逐步调频率；2 .调相位。 通过反复比较，跟踪，使输出波形的频率和相位基本和电网达到同步，实现输出波形接近电网实际波形，达到并网需要。3.5.3 正弦波程序设计SPWM正弦脉宽调制法是采用调制波为正弦波、载波为三角波的一种脉宽调制方法，可广泛应用于逆变器电源上。SPWM的输出波形控制算法有面积等效法、自然采样法、对称规则采样法、不对称规则采样法等，本文采用脉宽调制波的自然采样法法来实现SPWM波形控制。以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两
24、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。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。单片机输出正弦波信号是设计的一个重点。其输出依靠单片机读取256个数据的正弦波数据表。三路正弦波电压参考值由第二片DA的B通道输出提供，该值可以由单片机设定，所以可以方便地调节三路正弦波的幅值。另通过调节定时t，由T=256*t可知，可以调节正弦波的频率。按照电网频率为50Hz来计算，得到T为0.02s，也即是定时器可以设定定时为t为78.125us。正弦波频率的变化可以由改变输出点之
25、间的延时来实现。因为每一相正弦波都互差120，所以在每次输出数据时每一相输出的数据在正弦波数据表中次序互差85个。设计采用的STC89S52单片机是一个快速单片机，内含32KB的EPROM和 1KB的RAM，在相同的时钟频率下，其指令执行速度是标准8051的1.53倍；若采用40MHz晶振时，单条指令最快仅需0.1us。所以实际上定时延时最高可以设定为78.1us。图3-7为总体程序流程图。图3-8为正弦波程序流程图。图3-9为频率跟踪程序流程图。图3-10 为相位跟踪程序流程图。 图3-7总体程序流程图 图3-8正弦波程序流程图 图3-9频率跟踪程序流程图 图3-10 相位跟踪程序流程图4
26、总结本设计将整个程序划分为正弦波程序，频率跟踪程序，相位跟踪程序，欠压过流保护程序四大模块。四大模块之间的关系是：单片机产生正弦波数字信号，经过处理后得到正弦波模拟信号。正弦波和三角波比较之后得到SPWM波。用SPWM波经过延时电路，输送到专用驱动芯片IR2110，IR2110驱动MOS管。为了使输出电压能顺利并网，必须对逆变输出电压进行频率跟踪处理和相位跟踪处理，经过以上处理，逆变输出电压可以与市电电网保证同步。在输入电压不足的情况下，单片机可以控制输出封锁信号，不进行逆变过程，当输入电压恢复之后正常进行逆变过程。当出现过流的情况，可以控制输出电压，实现限流。通过对设计的学习，对相关的软件有
27、了进一步的掌握。通过对电路的仿真，对电路有了更深的认识。通过画电路图，制版等过程，对该工艺流程已经基本掌握。在设计中还有一些不可克服的问题，比如如何将理论与实际具体的相结合，运用与实际的生产中，由于所学知识的限制，这一点很难做到。致 谢感谢我的指导老师。本篇论文的研究和写作工作从始至终都是在导师的悉心指导和帮助下完成的。导师孜孜不倦的教诲、严谨求实的治学态度和兢兢业业的工作作风，将使我终生受益，激励我在今后的学习和工作中更加努力地进取。老师亦师亦友，他渊博的知识、敏锐的洞察力和正直的为人，都给我留下了深刻的印象。在论文即将完成之际，谨向尊敬的袁老师致以我最诚挚和衷心的感谢!参考文献1.谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计（第2版）.北京：清华大学出版社，20092.李良仁.变频调速技术与应用（第2版）.北京：电子工业出版社，2010.3.王刚.2007年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M .北京：北京理工大学出版社.2003.4.郑诗程.光伏发电系统及其控制的研究J.合肥：合肥工业大学.2004.
