1、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
2、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国内外发展状况新能源发电技术已经涉及到人类社会的方方面面，其中太阳能利用技术发展快速。逆变器是可再生能源并网发电系统的核心组成部分。并网用逆变器除了能将可再生能源产生的电能输送给公用电网外，还应该具有很高的可靠性、完善的保护功能以及较高的效率。目前，可再生能源并网发电系统的主要研究热点也集中在逆变器这部分。近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界范围内快速、稳定发展的新兴产业之一。据专家预测，到本世纪中期，可再生能源将占到总一次能源50%以上的份额。
3、近几年，全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增，逆变器进入了一个快速增长的阶段。但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，欧洲式全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。我国的光伏产业虽然在近年取得了一定的发展，但由于某些因素的制约，总体上我国的太阳能光伏技术仍处于初级发展阶段：规模小、技术落后、产品单一。但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力。近年来随着我国相关发展政策的出台和市场的发展，我国的新能源利用技术快步向前。1.3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。根据技术要求设计DC/
4、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管的驱动电路。
5、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，单片机可以检测到
6、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。1.4论文的主要内容设计一个逆变并网模拟系统的软件部分，逆变并网模拟系统装置硬件主要由以直流电源、逆变电路、滤波电路、检测及保护电路、控制系统等部分组成。系统由主控W77E58单片机产生正弦波与三角波比较得到SPWM波，经过触发器和光耦，专用的驱动芯片来驱动桥式逆变电路将直流电逆变为符合并网的电压，再经LC滤波送入市电电网；另一方面，检测回路的检测信号经MAX197模数转换后输入单片机
7、控制核心，经数据处理后实现并网运行，过流欠压保护功能；此外，通过采集逆变交流侧电压的信号与模拟并网信号送入主控单片机，比较后实现频率相位跟踪2。所以软件部分主要包括三路正弦波程序；处理检测回路输入的电压电流信号，实现过流欠压保护功能；处理两路频率信号，实现频率相位跟踪。2系统设计方案设计整个硬件系统有：直流逆变模块，滤波电路模块，检测保护模块，控制模块，显示模块，SPWM波合成模块，驱动模块等。对软件设计而言正弦波产生、对电压电流信号处理、对电网模拟信号频率相位跟踪是整个软件系统设计和研究的关键所在。整个硬件系统的大体框架如图2-1所示：图2-1 硬件系统的总体框架图2.1 直流逆变模块（DC
8、-AC）逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种:直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。桥式逆变主电路的开关器件采用快速MOS管6N60A，采用全桥式逆变电路。采用六个MOS管6N60A组成全桥式主电路。两个半桥上两个快速MOS管6N60A不能同时导通，以免发生短路故障烧坏电路和MOS管，驱动部分还需要加入延时电路，采用的是先断后导通的方法。即是先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给相应导通的器件发出开通信号，即是在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短3。图2-
9、2为全桥逆变电路。此全桥逆变电路的电路结构清晰明了，且输出电压有效值大大增加，为半桥式电路的两倍，输出电流大，整个电路的功耗较小。同一桥臂的上管导通时，下管一定处于关闭状态，经过延时之后保证上管关断后才让下管导通。同样下管导通时，上管一定处于关闭状态，延时之后保证下管关断后才让上管导通。导通顺序:上桥臂VT1，VT3，VT5，下桥臂VT2，VT4，VT6。也即是说同一桥臂的导电角度是180，同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120。这样，在任意一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个桥臂和下面两个桥臂，也可能上面两个桥臂和上面一个桥臂同时导通。图2-2 全桥式逆变主电路
10、2.2SPWM波合成模块SPWM（Sinusoidal PWM）,目前使用较广泛的PWM法。采样控制理论中的一个重要结论: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。本设计中控制系统可以输出三路正弦波。由单片机系统产生的正弦波，与三角波发生器产生的三角波经过比较器比较以后就可以得SPWM波。单片机可以通过设定电压值，
11、从而给其三路正弦波提供幅度的参考值。另单片机可以通过定时控制正弦波频率，通过读取正弦表的数据调节输出正弦波的相位4。单片机控制系统输出三路相位相差120o的正弦波信号用于SPWM波的调制。该设计电路结构简洁，精度高，相位易于控制，波形幅值可以调节且成本比较低，功耗较小。滞回比较器输出方波，方波经过积分器，得到三角波。四个二极管和稳压二极管使方波在高电平和低电平都能稳压，避免畸变影响三角波稳定可靠输出。滞回比较器又称施密特触发器,迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。单片机生成正弦波数字信号，经DA芯片AD7528
12、得到正弦波模拟信号。AD7528是双通道、8位数模转换器。数据通过一个共用的8位TTL/CMOS兼容输入端口,传输至两个DAC数据锁存器中的一个。每个DAC均具有单独的基准电压输入和反馈电阻控制输入DAC A/DAC B确定数据载入哪一个通道DAC。该器件采用+5V至+15V电源供电,功耗小。图2-3为三角波产生电路。图2-3 三角波产生电路图图2-4为AD7528外部引脚图：图2-4 DIP20封装的AD7528引脚图图2-5 AD7528工作时序图图2-5为AD7528工作时序图。当CS和WR都为低电平时，AD7528的模拟输出端OUTA对DB0DB7数据总线输入端的活动作出响应。在此方式
13、下，输入锁存器是透明的，输入数据直接影响模拟输出。当CS或WR为高电平时，DB0DB7输入端上的数据被锁存，直到CS和WR再次变为低电平为止。当CS为高电平时，无论WR状态如何，数据输入被禁止。AD7528工作时序图如上图所示，单片机控制AD7528必须严格按照其工作时序，同时满足各信号的建立和保持时间要求5。2.3 驱动模块由于输出的调制SPWM波驱动能力比较弱，不能用来直接驱动MOS管可靠的导通和关断，所以需要另外加一部分驱动电路，以保障电路的可靠运行。采用先进的集成驱动芯片IR2110驱动桥式电路。该类芯片因为其内部有高端悬浮自举电路，可以大大减少驱动供电电源的数量和种类。采用驱动芯片I
14、R2110驱动，只需单电源供电，且工作电压范围比较宽+10V+20V。IR2110体积小巧，外部接线相对简单，而且不需要对其进行单独供电，使得整个系统的可靠性大大提高。表2-1是其管脚的功能表：表2-1 IR2110管脚的功能表Pin1Pin2Pin3Pin4Pin5Pin6Pin7低端输出公共端低端固定电源电压，输出的电压+10+20V空端高端浮置电源偏移电压高端浮置电源电压高端输出Pin8Pin9Pin10Pin11Pin12Pin13Pin14逻辑电源电压59V逻辑高端输入使能端：当SD为高时，关断两输出逻辑低端输入逻辑电路地电位端，其值可以为0V另外IR2110还有较高信号响应时间，完
15、全满足软件系统的技术要求。图2-6 输入输出信号时序图图2-7 开关时间定义图图2-8 IR2110典型应用电路图图2-6为输入输出时序图。图2-7为开关时间定义图。图2-8为IR2110典型应用电路图。集成驱动型芯片IR2110有以下优点：体积小，驱动能力强，控制方便，电能利用效率高，最为突出的是IR2110芯片采用悬浮电源自举电路，三相桥式变换器仅用一组电源即可6。可充分简化了驱动电路的电源设计。2.4 滤波电路模块经由桥式逆变主电路的输出电流，会含有大量的高频杂波，如果直接并网运行则会对电网的电源质量造成严重干扰，导致电网无功量的增加，效率下降。所以需要在逆变输出端外加滤波电路，以滤除杂
16、波。采用LC滤波电路。图2-9所示为LC滤波电路。利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点，使输出电流波形较为平滑。能够很好的实现滤波功能；电感L和电容C的适当匹配还可以使输出的电压相位和输入的电压相位保持一致，非常方便地实现电压相位的控制；此外L和C的合理搭配还可以降低电源的无功功率，有效地抑制电压和电流的脉动，该方案的缺点是实际中确定电感参数比较繁琐，而且电感体积大,成本高。图2-9 LC滤波电路模型2.5 检测及保护模块检测及保护模块包括：A/D转换电路，频率相位跟踪，过流保护，欠压保护，SPWM波延时驱动电路。在硬件上要求使系统可靠安全工作。此软件系统的设计中，检测及保护模块也是设计的
17、重点部分。2.5.1 A/D转换模块在数据采集系统中，A/D转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。采用快速模数转换芯片MAX197。MAX197是Maxim公司推出的具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，且转换时间很短（6ms），具有8路输入通道，还提供了标准的并行接口：8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。对于模拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于MAX197的数字信号输出引脚是复用的，要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。在一次采样开始前，可以通过单片机的8位数据线把这些控制字写入MAX197来初始化相应的参数。然后按照一定的时序进
18、行采样和转换。MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式（控制位置0）中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔（芯片时钟为2MHz时，采样间隔为3ms），即开始A/D转换。在外部采样模式（D5=1）中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出现时，写入ACQMOD为1，开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时，写入控制字ACQMOD为0，MAX197停止采样，开始/转换。这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读
19、取转换结果。内部采样模式的数据转换时序对于模拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于MAX197的数字信号输出引脚是复用的，要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。MAX197与其它A/D芯片不同之处在于它的很多软件功能都是利用内部控制字来实现的，如通道选择、模拟信号量程、极性等。MAX197的输出数据采用无符号二进制模式（单极性输入方式）或二进制补码形式（双极性输入方式）。当CS和RD都有效时，HBEN为低电平，低8位数据被读出，HBEN为高电平,复用的高4位被读出，另外4位保持低电平（在单极性方式下），或另外4位为符号位（在双极性方式下）。以MAX197为核心的数据采集/转换电路具有外围电路
20、简单、与处理器并口兼容性好、时序控制简单易懂的特点，其变换时间短（6ms），可靠性和性价比高，并且编程简单，比较适合实时性要求较高的大数据量数据采集与高速A/D转换使用。有8个模拟信号输入端口，可通过程序选择输入通道，而且转换速度快，转换时间最短仅需6us，完全能够满足单片机每隔90.9us采样一次的要求，微秒级的转换速度完全满足设计的要求。MAX197的控制字功能如表2-2：表2-2 MAX197的控制字功能表MAX197的控制字D7（MSB）D6D5D4D3D2D1D0（LSB）PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0工作模式选择控制字PD1&PD0为“00、01、10、11”时分
21、别对应以下四种工作模式：外部时钟模式、内部时钟模式、等待模式、掉电模式。捕获方式控制字。此位置“0”为内部控制捕获方式，置“1”为外部控制捕获方式。量程选择控制字。RNG&BIP为“00、01、10、11”时对应的量程分别为：0V5V、-5V+5V、0V10V、-10V+10V。模拟信号输入通道选择控制字。A2&A1&A0的二进制码值即为所选模拟信号输入通道。如“110”即表示选择模拟信号输入通道“CH6”。MAX197有8位控制字，分别控制着此芯片的工作模式、捕获方式、量程选择、模拟输入通道选择，其中内部采集和外部采集模式较为常用。内部采集模式：通过写入清零ACQMOD位（ACQMOD=0）
22、的控制字选择内部采集模式。在这种模式下，一个写脉冲将触发一个内部捕获周期，并且此捕获周期是内部定时的，为6个时钟周期。当这六时钟周期的捕获间隔结束时转换开始。转换时间是12个时钟周期，不论内部或外部采集模式。外部采集模式：用两个独立的写脉冲控制捕获和转换的开始。第一脉冲，与ACQMOD=1一起，开始一个不确定长度的捕获间隔；第二个写脉冲与ACQMOD=0一起终止捕获并在写脉冲的上升沿开启一次转换。然而，如果第二个控制字包含ACQMOD=1，一个不确定的捕获间隔时间将被重新触发。外部采集模式可以更加精确的控制采样间隔并可独立控制捕获和转换时间。2.5.2 频率相位跟踪频率和相位的信号采集原理：频
23、率相位跟踪的实质就是锁相环。锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路7。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。由在交流输出侧互感产生的正弦信号变换为方波脉冲，这时的方波脉冲还不是标准的方波，再通过反向器进行整形，即可得到标准方波脉冲用于频率的检测，将此方波脉冲通过单稳态电路，这样以来可以使交流侧
24、采集的信号与标准公网信号进行同时采集送入单片机的外部中断，这样可以用来进行相位跟踪。图2-10为频率相位检测电路原理图。图2-10 频率相位检测电路原理图由模拟电网电压的参考电压信号接入比较器LM339的同相端，LM339的反相端接地以实现过零比较，经过比较的输出信号为方波信号，将该方波信号接入反相器，经整形后再接入主控单片机的计数器0，通过主控单片机的计数器0，测出模拟电网信号的频率；同时通过另一检测回路，反馈信号的频率也能够轻松测得。以模拟电网信号的频率为标准，通过主控单片机的数据处理后，输出相位的控制信号即可实现频率跟踪检测。相位跟踪原理与频率跟踪原理较为类似，不同的是从反相器LM339输出的信号接入主控单片机的外部中断INT0端口，通过中断服务检测到信号的下降沿，即就是模拟电网的正向过零点，这样以来模拟电网的相位轻松测出。同理，反馈信号的相位也可以通过该检测电路检测实现。将模拟电网和反馈信号与相位信号接入主控
