光伏并网发电模拟装置Word文档下载推荐.docx
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说明
1.为保证本次竞赛评选的公平、公正,将对竞赛设计报告采用二次编码;
2.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订;
3.“作品编号”由组委会统一编制,参赛学校请勿填写;
4.“参赛队编号”由参赛学校编写,其中“学校编号”应按照巡视员提供的组
委会印制编号填写,“组(队)编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排,“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写,例如:
“0105B”或“3318F”。
5.本页允许各参赛学校复印。
摘要
该装置以DC-AC逆变器为核心。
由外部提供的直流稳压电源产生直流输入电压Us,微控制器MSP430F169产生占空比可调的SPWM波通过控制四个开关管的导通和截止构成DC-AC逆变电路使直流输入电压逆变成交流电压,再通过滤波电路后产生正弦交流电,使之经过一个升压变压器产生需要的输出电压。
通过由MSP430F169单片组成的控制电路实现Ud和Us的最大功率点跟踪,即MPPT功能及反馈输出电压与正弦参考电压Uref的功率和相位跟踪功能。
关键词:
DC-AC变换电路,MPPT,MSP430F169单片机,SPWM
目录
引言1
1方案论证与设计1
1.1DC/AC方案2
1.2控制方案2
2原理分析与硬件电路图2
2.1DC/AC模块2
2.1.1模块功能介绍2
2.1.2电路设计3
2.2控制模块3
2.2.1模块功能介绍3
2.2.2电路设计3
3系统软件设计与流程4
3.1系统软件介绍4
3.2程序流程图5
4系统测试与误差分析5
4.1测试环境5
4.2测试仪器5
4.3测试方法5
4.4测试数据5
4.5误差分析6
5设计总结6
参考文献6
引言
人类的发展与能源的利用是紧密相连的,工业高度发展的今天更是如此。
工业革命以来,人类为了自身的发展,对自然进行了毫无节制的索取。
而日益恶化的生态环境使人们逐步认识到,人类必须走可持续发展的道路,大力开发和利用可再生能源是必由之路。
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。
开发和利用丰富、广阔的太阳能,可以对不产生或产生很少污染,太阳能既是近期急需的能源补充,又是未来能源结构的基础。
太阳能光伏利用技术在这种形势下进入了快速发展的阶段。
太阳能的转换和利用方式,从狭义上可分为三类:
即光电转换,光热转换,光化学转换,太阳能光伏发电是其中的一个主要方面,即通过光伏电池将太阳辐射能直接转化为电能,并与储能装置,测量控制装置和直流-交流(即DC/AC)转换装置相配套,构成光伏发电系统。
其中最重要的部分就是直流-交流(即DC/AC)的转换装置。
1方案论证与设计
方案一:
通过MSP430F169产生SPWM波,将该信号接入以全桥电路为主要部件的DC/AC变换器,控制开关管的导通与截止,将外部输入的30V直流电转化为正弦交流电,经滤波后可得到较为理想的正弦交流电,再经过升压变压器得到所需的正弦交流输出电压提供给负载。
变压器的另一个副边得到的交流电压作为反馈信号,将电压降低的正弦交流电采集到单片机中与外部输入的50HZ/1V正弦信号的频率、相位相比较,调节SPWM波的占空比从而使反馈信号与参考信号实现频率和相位的跟踪以及实现Ud和Us的MPPT跟踪功能。
同时通过单片机可实现输入欠压和输出过流保护。
此方案功耗极低,控制精度高,效率可以高达80%以上,且硬件电路和控制电路都很简单,成本较低。
方案二:
采用单片机扩展AD,不断检测电源的反馈电压,根据反馈电压与参考电压之差,输出SPWM波直接控制电源的工作。
这种方式单片机介入电源工作最多,是最彻底的单片机控制方法,对单片机的要求最高,要求单片机运算速度快,而且能够输出足够高频率的SPWM波,这样的单片机显然价格较高。
DSP类单片机速度较高,但目前价格也很高,从成本考虑不宜采用。
廉价单片机中,AVR系列最快,具有PWM输出,但AVR单片机的工作频率仍不够高,只能勉强使用。
经过比较,方案一能满足本次设计的要求,通过软件编程可以非常灵活地控制硬件电路,且由于MSP430系列单片机的功耗极低、处理能力极强、片上外围模块丰富、系统工作稳定、开发环境方便高效、精度高,成本低,所以采用该方案。
其硬件框图如图1所示:
图1硬件方框图
1.1DC/AC方案
DC/AC采用模拟与数字相结合的方法,该方法为:
使用单片机产生占空比可调的SPWM波控制四个开关管组成的全桥电路的导通与截止,将输入的直流电转化成交流电,再加上滤波电路得到所需的正弦波。
其优点是电路简单,易于调试,且只要改变SPWM波的输出速度就可以改变所得正弦波的频率。
1.2控制方案
控制电路部分采用MSP430F169单片产生SPWM波,通过调节SPWM信号的占空比来控制DC/AC电路的正常工作以及实现参考信号和反馈信号的频率和相位跟踪功能。
2原理分析与硬件电路图
根据赛题要求的任务,该装置主要包括DC/AC转换、控制电路两个模块,以下分别对其进行原理分析与电路设计。
2.1DC/AC模块
2.1.1模块功能介绍
使用单片机产生SPWM波控制四个开关管的导通与截止,将输入的直流电转化成交流电,再加上滤波电路得到所需的正弦波。
2.1.2电路设计
DC\AC逆变电路模块原理图如图2所示:
图2DC/AC转换电路
2.2控制模块
控制模块通过MSP430F169微控制器与模拟电路共同实现,可方便的实现SPWM、Ud和Us的最大功率点跟踪、Uref和Ur的频率及相位跟踪等功能。
2.2.1模块功能介绍
(1)MPPT的控制
(2)单片机输出SPWM波,控制开关管的导通截止
(3)参考信号和反馈信号同时送入单片机,在单片机内部进行频率和相位比较并调整。
(4)将采回的Ud与25V电压比较,当Ud>
25V时正常工作,当Ud<
25V时单片机停止输出SPWM波,实现欠压保护。
(5)在反馈电路中采样出电流If,将其与7.5A比较,当If>
7.5A时说明电路的输出电流超过了1.5A,应调节SPWM波的占空比,使输出电压减小,这样就实现了过压保护功能。
2.2.2电路设计
1、反馈输出模块如图3所示
图3反馈电路
2、关健器件说明:
本系统的关键模块我们使用了IR2110和MSP430F169单片机。
IR2110的说明:
IR2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器,具有自居浮动电源,驱动电路十分简单,只用一个电源可同时驱动上下桥臂。
IR2110包括:
逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂侧输出和下桥臂侧输出。
MSP430F169的说明:
16位MSP430F16X系列单片机,是新型的超低功耗、高速度、高性价比单片机的典范。
本系统中使用的是MSP430F169,该芯片内置2个带捕捉/比较寄存器功能的16位定时器Timer-A和Timer-B,通过定时器的定时中断可实现占空比可调的PWM波输出;
2个具有中断功能的8位并行端口P1和P2;
4个8位并行端口P3~P6;
A/D转换模块可以实现对模拟量Ud、Uref及Ur的采集及向数字量的转换,并通过调SPWM波的占空比实现Ud和Us的最大功率点跟踪及Uref和Ur的频率和相位跟踪功能。
MSP430F16X系列单片机的开发相当简便。
利用单片机本身具有的JTAG接口,可以在PC上通过小巧的JTAG控制接口实现程序的下载、调试,并且对C语言有良好支持,大大缩短了软件开发周期。
3系统软件设计与流程
3.1系统软件介绍
针对MSP430的开发平台全称为IAREmbeddedWorkbenchEW430,以下简称EW430。
EW430的功能非常强大,其中包含C编译器ICC430、汇编编译器A430、调试器C-SPY。
EW430支持ANSIC并包含对EmbeddedC++的支持,并有内建MSP430特性扩展优化、代码长度和速度多级优化、支持32位和64位浮点数、支持硬件乘法器、内部函数支持低功耗模式以及支持C和汇编混合编程的优点。
3.2软件流程图
4系统测试与误差分析
4.1测试环境
本系统的测试结果是在实验室环境下测量得出的,但是由于时间紧迫,所以PCB板只能做成半成品,稳定性比较差,导致测量结果没有达到理想的效果。
毫无疑问,稳定和可控的测试环境,可以使测试人员花费较少的时间就完成测试的执行,并可以对测试工作的效率和质量的提高产生积极的作用。
4.2测试仪器
测试仪器如表一所示
仪器
用途
LSD-TEST430F16X_V2.0A学习板
程序编程、调试
数字万用表VC9807
检查电路的接线正确与否及电流电压的测量
直流稳压电源MPS-3003L-3
提供电路稳定的直流电源
数字示波器
显示电路的输出波形
表一测试仪器
4.3测试方法
4.4测试数据
①DC-AC模块的测试:
将单片机产生的SPWM信号接入DC-AC电路,在示波器上观察输出信号,测试输入输出相位和失真度。
②控制模块的测试:
通过控制SPWM波信号的占空比来调节反馈输出电压与正弦参考信号的频率与相位跟踪和Ud与直流稳压电源Us的MPPT跟踪。
4.4.1DC-AC变换器效率
将60V直流电接入光伏并网发电模拟装置上,改变负载RL的值,测量下表中的数据并计算DC-AC变换器的效率
=(Ud×
Id)/(Uo1×
Io1)
4.5误差分析
本系统理论上能够实现将光伏电池的光能转化成交流电能的功能。
由于实验仪器的不精确性、测试环境的不稳定性以及竞赛者本人各方面知识和综合能力的欠缺,测出的数据都会有一些误差;
而且电阻在温度上升时阻值会变小,使计算结果产生偏差;
整个电路板由手工焊接完成,其余器件在双面板上完成布局和布线,无法避免线路之间与外界的电磁干扰,从而导致一定的误差。
5设计总结
在这次竞赛设计的过程中,我们加深了对单片机理论知识的掌握,特别是对TI公司的MSP430系列单片机的原理及应用有了深刻的理解,对其良好的性能有了深刻的认识。
虽然这次我们的参赛题目不是非常的复杂,但在实践过程中我们也遇到了很多没有想到的困难,深刻的体会到理论与实践的巨大差别,然而,在我小组成员积极对待,分工合作,合理规划的共同努力下,我们最终完成了这次设计的要求。
最后,非常感谢竞赛的主办人员给我们提供这次竞赛学习的机会。
参考文献
[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.电子工业出版社,2007.
[2]刘涛.通信电源设备使用维护手册之通信用UPS逆变器.人民邮电出版社,2008.
[3]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社,2006.
[4]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社,2005.
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- 关 键 词:
- 并网发电 模拟 装置