电子设计竞赛--光伏并网发电模拟装置学习资料.ppt

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1、电子设计竞赛-光伏并网发电模拟装置题目分析题目分析方案选择方案选择参数计算参数计算测试说明测试说明参赛结果参赛结果11/12/20222光伏并网发电模拟装置（光伏并网发电模拟装置（A题）题）一、任务一、任务 设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1 1所示。所示。用直流稳压电源用直流稳压电源U US S和电阻和电阻R RS S模拟光伏电池，模拟光伏电池，U US S=60V=60V，R RS S=30-36=30-36；u uREFREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V2V，频，频

2、率率f fREFREF为为45Hz-55Hz45Hz-55Hz；T T为工频隔离变压器，变比为为工频隔离变压器，变比为n n2:2:n n1=2:11=2:1、n n3:3:n n1=1:101=1:10，将，将u uF F作为输出电流的反馈信号；作为输出电流的反馈信号；负载电阻负载电阻R RL L=30-36=30-36。11/12/20223图图1 1 并网发电模拟装置框图并网发电模拟装置框图 11/12/202241 1基本要求基本要求（1 1）具具有有最最大大功功率率点点跟跟踪踪（MPPTMPPT）功功能能：R RS S和和R RL L在在给给定定范范围围内变化时，使内变化时，使 相对

3、偏差的绝对值不大于相对偏差的绝对值不大于1%1%。（2 2）具具有有频频率率跟跟踪踪功功能能：当当f fREFREF在在给给定定范范围围内内变变化化时时，使使u uF F的频率的频率f fF F=f fREFREF，相对偏差绝对值不大于，相对偏差绝对值不大于1%1%。（3 3）当）当R RS S=R RL L=30=30时，时，DC-ACDC-AC变换器的效率变换器的效率 60%60%。（4 4）当）当R RS S=R RL L=30=30时，输出电压时，输出电压u uo o的失真度的失真度THDTHD5%5%。（5 5）具有输入欠压保护功能）具有输入欠压保护功能,动作电压动作电压U Ud d

4、（thth）=(250.5)V=(250.5)V。（6 6）具有输出过流保护功能）具有输出过流保护功能,动作电流动作电流I Io o（thth）=(1.50.2)A=(1.50.2)A。11/12/202252 2发挥部分发挥部分(1)(1)提高提高DC-ACDC-AC变换器的效率，使变换器的效率，使 80%80%（R RS S=R RL L=30=30时）。时）。(2)(2)降低输出电压失真度，使降低输出电压失真度，使THDTHD1%1%（R RS S=R RL L=30=30时）。时）。(3)(3)实实现现相相位位跟跟踪踪功功能能：当当f fREFREF在在给给定定范范围围内内变变化化以以

5、及及加加非非阻阻性性负负载载时时，均均能能保保证证u uF F与与u uREFREF同同相相，相相位位偏偏差差的的绝绝对对值值55。(4)(4)过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。(5)(5)其他。其他。11/12/20226三、说明三、说明1 1本题中所有交流量除特别说明外均为有效值。本题中所有交流量除特别说明外均为有效值。2 2U US S采用实验室可调直流稳压电源，不需自制。采用实验室可调直流稳压电源，不需自制。3 3控制电路允许另加辅助电源，但应尽量减少路数和损耗。控制电路允许另加辅助电源，但应尽量减少路数和损耗。4 4DC-

6、ACDC-AC变换器效率变换器效率 ，其中，其中 ，。5 5基基本本要要求求（1 1）、（2 2）和和发发挥挥部部分分（3 3）要要求求从从给给定定或或条条件件发发生生变变化到电路达到稳态的时间不大于化到电路达到稳态的时间不大于1s1s。6 6装置应能连续安全工作足够长时间，测试期间不能出现过热等故障。装置应能连续安全工作足够长时间，测试期间不能出现过热等故障。7 7制作时应合理设置测试点制作时应合理设置测试点（参考图（参考图1 1），以方便测试。），以方便测试。8 8设设计计报报告告正正文文中中应应包包括括系系统统总总体体框框图图、核核心心电电路路原原理理图图、主主要要流流程程图图、主主要要

7、的的测测试试结结果果。完完整整的的电电路路原原理理图图、重重要要的的源源程程序序和和完完整整的的测试结果用附件给出。测试结果用附件给出。11/12/20227题目分析题目分析方案选择方案选择参数计算参数计算测试说明测试说明参赛结果参赛结果11/12/20228电子制作电子制作 2010/02 2010/02武汉大学武汉大学-闻长远闻长远 王雨曦王雨曦 江江 超超 光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置(1)(1)福州大学福州大学-张锦吉张锦吉 戴荣东戴荣东 吴家彪吴家彪 光伏并网发电模拟装置光伏并网发电模拟装置(2)(2)武汉理工大学、三峡大学报告武汉理工大学、三峡大学报告11/12/202

8、29图图1 1 并网发电模拟装置框图并网发电模拟装置框图 11/12/2022101.DC-AC1.DC-AC主回路选择主回路选择DC-AC DC-AC 回路为系统功率变换的核心，负责将前级直流输回路为系统功率变换的核心，负责将前级直流输入变换成交流输出。根据电路控制参量的不同可分为电入变换成交流输出。根据电路控制参量的不同可分为电压型和电流型。压型和电流型。电流型逆变电路交流输出电流为矩形波，控制电路较电流型逆变电路交流输出电流为矩形波，控制电路较为复杂。为复杂。电压型逆变电路包括半桥式和全桥式电路，电路逆变电压型逆变电路包括半桥式和全桥式电路，电路逆变功率脉动波形由直流电流体现，输出电压为

9、矩形波，功率脉动波形由直流电流体现，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。电压型控制电路对输出电流因负载阻抗不同而不同。电压型控制电路对输出电压进行调节，便于进行功率转换，所以最终选输出电压进行调节，便于进行功率转换，所以最终选用用电压型全桥逆变电路电压型全桥逆变电路为为DC-AC DC-AC 的功率变换核心。的功率变换核心。11/12/2022112.正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）方式）方式正弦波脉宽调制，根据其调制方式不同可分为模拟调制正弦波脉宽调制，根据其调制方式不同可分为模拟调制和数字调制。和数字调制。模拟调制制方式基于自然采样原理，在三角波和正弦模拟调制制方式基

10、于自然采样原理，在三角波和正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。数字调制法同样基于自然采样原理，以可编程逻辑器数字调制法同样基于自然采样原理，以可编程逻辑器件为载体将正弦波表存入存储器，经过数字比较产生件为载体将正弦波表存入存储器，经过数字比较产生对应波形。数字调制方式生成波形相位分辨率可以达对应波形。数字调制方式生成波形相位分辨率可以达到很高精度，改变调制比（正弦波与三角波幅度比）到很高精度，改变调制比（正弦波与三角波幅度比）即可改变输出电压。即可改变输出电压。由于数字调制方式控制简单，实现方便，故由于数字调制方式控制简单，实现方便，故选用数字选

11、用数字调制方式产生逆变电路的控制信号调制方式产生逆变电路的控制信号。11/12/20221211/12/202213方案一：单极性控制方式方案一：单极性控制方式方案一：单极性控制方式方案一：单极性控制方式urucuOwtOwtuouofuoUd-Udu ur r正半周正半周，V V1 1保持保持通通，V V2 2保持保持断断。当当u ur r u uc c时使时使V V4 4通，通，V V3 3断，断，u uo o=U Ud d。当当u ur r u uc c时时，给，给V V1 1和和V V4 4导通信号，给导通信号，给V V2 2和和V V3 3关断信号关断信号当当u ur r vcvrv

12、c时，时，VAVA为正，为正，T1T1通态，通态，T2T2截止。截止。vrvcvr0vr+vc0时，时，VBVB为正，为正，T4T4通态，通态，T3T3截止。截止。vr+vc0vr+vc0 vr-vcvr+vc0 vr-vc ；11/12/20221611/12/202217u uREFREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为为2V2V，频率，频率f fREFREF为为45Hz-55Hz45Hz-55Hz；频率测量频率测量过零点测量过零点测量相位的适当修正相位的适当修正11/12/2022183 3 3 3、信号采集部分、信号采集部分、信号采集部分、

13、信号采集部分采集信号包括前级直流输入电压、电流，后级交流输出采集信号包括前级直流输入电压、电流，后级交流输出电压、电流，输入参考和反馈信号的频率、相位。直流电压、电流，输入参考和反馈信号的频率、相位。直流输入电流值采用电流检测放大器输入电流值采用电流检测放大器INA206 INA206 对取样电阻取样对取样电阻取样后采用线性光耦后采用线性光耦HCNR201 HCNR201 隔离，直流输入电压则利用电隔离，直流输入电压则利用电阻分压后经过线性光耦隔离取样，通过阻分压后经过线性光耦隔离取样，通过16 16 位低功耗全差位低功耗全差分串行分串行-型型A/D A/D 转换器转换器MAX1416 MAX

14、1416 进行采集进行采集,交流信交流信号经电压电流互感器转换后采用号经电压电流互感器转换后采用14 14 位伪差分串行位伪差分串行A/D A/D 转转换器换器TLC3578 TLC3578 采集。采集。11/12/2022194.4.保护电路保护电路保护电路保护电路系统具有欠压保护、过流保护以及故障后的自恢复功能。系统具有欠压保护、过流保护以及故障后的自恢复功能。利用单片机监测输入电压利用单片机监测输入电压UdUd和输出电流和输出电流I IO O，采用试触方，采用试触方式实现自动恢复功能。当检测到欠压状态和过流状态时，式实现自动恢复功能。当检测到欠压状态和过流状态时，单片机断开继电器，经过单

15、片机断开继电器，经过4s4s延时后再次导通电路进行检延时后再次导通电路进行检测，直到故障排除为止。此外系统还附加短路保护和过测，直到故障排除为止。此外系统还附加短路保护和过热保护功能，短路保护电路具有自锁功能。热保护功能，短路保护电路具有自锁功能。11/12/20222011/12/20222111/12/202222题目分析题目分析方案选择方案选择参数计算参数计算测试说明测试说明参赛结果参赛结果11/12/202223图图1 1 并网发电模拟装置框图并网发电模拟装置框图 11/12/202224方案二：双极性控制方式方案二：双极性控制方式方案二：双极性控制方式方案二：双极性控制方式urucu

16、OwtOwtuouofuoUd-Ud当当u ur r u uc c时时，给，给V V1 1和和V V4 4导通信号，给导通信号，给V V2 2和和V V3 3关断信号关断信号当当u ur r u uc c时时，给，给V V2 2和和V V3 3导通信号，给导通信号，给V V1 1和和V V4 4关断信号关断信号11/12/20222511/12/202226图图1 1 并网发电模拟装置框图并网发电模拟装置框图 CIs11/12/202227U基基波波感性感性电流电流Id11/12/20222811/12/202229电容电流：Ic=Id-Is11/12/20223011/12/202231R

17、RS S和和R RL L在给定范围内变化时，在给定范围内变化时，UdUd相对偏差的相对偏差的绝对值不大于绝对值不大于1%1%30*1%=0.3V30*1%=0.3VC=6000-10000UFC=6000-10000UF11/12/202232直流输入电压极端情况下为直流输入电压极端情况下为60V60V，逆变器输出交流电流有，逆变器输出交流电流有效值为效值为2A2A，桥路上开关管承受的最大反压为直流电源电，桥路上开关管承受的最大反压为直流电源电压，考虑到一定的余量，选取压，考虑到一定的余量，选取IRF25O MOSIRF25O MOS管，其最大电管，其最大电压为压为200V200V，最大电流为

18、，最大电流为30A30A，最高开关频率可达，最高开关频率可达40kHz40kHz。11/12/202233LC LC 低通滤波器参数设计低通滤波器参数设计低通滤波器参数设计低通滤波器参数设计逆变器输出滤波器的截至频率取逆变器输出滤波器的截至频率取1010倍工频，鉴于系统倍工频，鉴于系统功率不大，滤波电感的电感量可以稍大，滤波电容的功率不大，滤波电感的电感量可以稍大，滤波电容的容量稍小。实际制作中，滤波电感的电感量为容量稍小。实际制作中，滤波电感的电感量为1mH1mH，满，满足截至频率的电容量为：足截至频率的电容量为：实际测得，滤波电感的等效电阻为实际测得，滤波电感的等效电阻为0.130.13，

19、考虑到桥，考虑到桥路的等效电阻等，取总的等效电阻为路的等效电阻等，取总的等效电阻为0.20.2，则有，则有阻尼比：阻尼比：基波相移：基波相移：11/12/202234频率、相位同步方案频率、相位同步方案由于逆变器开关频率取由于逆变器开关频率取10kHz10kHz，从调制信号（电网电压信，从调制信号（电网电压信号）到逆变桥的输出最多一个开关周期的延迟号）到逆变桥的输出最多一个开关周期的延迟0.1ms0.1ms（1.81.8）。所以，逆变器输出总相位延迟：）。所以，逆变器输出总相位延迟：由于课题要求的频率跟踪范围不大（由于课题要求的频率跟踪范围不大（454555Hz55Hz），在整），在整个频率变

20、化的范围内，都可以满足相位跟踪指标要求。个频率变化的范围内，都可以满足相位跟踪指标要求。11/12/202235效率分析效率分析效率分析效率分析影响逆变器效率的主要因素是开关损耗和滤波电感损耗影响逆变器效率的主要因素是开关损耗和滤波电感损耗开关损耗与开关频率的平方成正比开关损耗与开关频率的平方成正比滤波电感损耗主要取决于绕制电感的导线铜损和磁芯滤波电感损耗主要取决于绕制电感的导线铜损和磁芯的损耗的损耗为降低损耗，选用导通电阻为为降低损耗，选用导通电阻为85m85m的开关管的开关管IRF250,IRF250,SPWMSPWM载波频率为载波频率为10KHZ10KHZ，对桥路开关管的控制采用单极倍，

21、对桥路开关管的控制采用单极倍频方法，可以降低一倍的开关损耗。频方法，可以降低一倍的开关损耗。滤波电感的磁芯采用非晶态磁芯，大大降低高频涡流损滤波电感的磁芯采用非晶态磁芯，大大降低高频涡流损耗和磁滞损耗，并且由于高的导磁率，绕线较短，铜耗耗和磁滞损耗，并且由于高的导磁率，绕线较短，铜耗也大为降低，用直径为也大为降低，用直径为1.8mm1.8mm的铜丝绕制电感。的铜丝绕制电感。11/12/202236保护电路设计保护电路设计优化设计开关管的开通缓冲电路、关断缓冲电路及吸优化设计开关管的开通缓冲电路、关断缓冲电路及吸收电路等，使之工作在安全区内，且可以改变收电路等，使之工作在安全区内，且可以改变开关

22、轨开关轨迹，减少开关损耗迹，减少开关损耗。（软开关）。（软开关）MSP430MSP430系列单片机具有多种低功耗模式，在软件设计时系列单片机具有多种低功耗模式，在软件设计时适当的使单片进入低功耗模式，以减少系统的损耗。适当的使单片进入低功耗模式，以减少系统的损耗。11/12/202237题目分析题目分析方案选择方案选择参数计算参数计算测试说明测试说明参赛结果参赛结果11/12/202238测试记录与评分表测试记录与评分表测试记录与评分表测试记录与评分表 11/12/202239测试记录与评分表测试记录与评分表测试记录与评分表测试记录与评分表 11/12/202240测试记录与评分表测试记录与评

23、分表测试记录与评分表测试记录与评分表 11/12/202241测试说明测试说明测试说明测试说明 11/12/202242测试说明测试说明测试说明测试说明 11/12/202243测试测试测试测试-注意事项注意事项注意事项注意事项相位差测量：波形不标准，测量波形（过零点）比较有相位差测量：波形不标准，测量波形（过零点）比较有一定难度一定难度严格按照要求：严格按照要求：RS=30，值小电压降不下来，值小电压降不下来电路形式：有价升压电路的电路形式：有价升压电路的滤波问题：波形无法测量滤波问题：波形无法测量-不稳、方波（无不稳、方波（无PWM控制）控制）功率：散热问题、连线太细等功率：散热问题、连线

24、太细等滤波：滤波：RC滤波滤波不对不对接线：所有在实验室接好，不能现场接线接线：所有在实验室接好，不能现场接线自制信号源：使用实验室仪器自制信号源：使用实验室仪器11/12/202244题目分析题目分析方案选择方案选择参数计算参数计算测试说明测试说明参赛结果参赛结果11/12/202245A A题测试情况题测试情况题测试情况题测试情况基本部分基本部分发挥部分发挥部分测试总分测试总分设计报告设计报告总分总分50.00 39.00 89.00 29.00 118.00 50.00 37.00 87.00 25.33 112.33 45.33 37.00 82.33 27.00 109.33 45.

25、00 33.50 78.50 23.50 102.00 38.00 36.00 74.00 26.33 100.33 47.00 31.00 78.00 21.00 99.00 43.00 27.00 70.00 27.17 97.17 46.00 23.00 69.00 23.17 92.17 39.33 30.50 69.83 18.83 88.66 湖北省湖北省A A题参赛队：题参赛队：54 54（总队数：（总队数：466466）11/12/202246项项 目目主要内容主要内容满满 分分设设计计报报告告方案论证方案论证比较与选择比较与选择方案描述方案描述4 4理论分析与计算理论分析与计

26、算MPPTMPPT的控制方法与参数计算的控制方法与参数计算同频、同相的控制方法与参数计算同频、同相的控制方法与参数计算提高效率的方法提高效率的方法滤波参数计算滤波参数计算9 9电路与程序设计电路与程序设计DC-ACDC-AC主回路与器件选择主回路与器件选择控制电路或控制程序控制电路或控制程序保护电路保护电路9 9测试方案与测试测试方案与测试结果结果测试方案及测试条件测试方案及测试条件测试结果及其完整性测试结果及其完整性测试结果分析测试结果分析5 5设计报告结构及设计报告结构及规范性规范性摘要摘要设计报告正文的结构设计报告正文的结构图标的规范性图标的规范性3 3总分总分303011/12/202

27、247序号序号奖项奖项赛区赛区组别组别参赛队学校参赛队学校1一等奖福建本科福州大学2一等奖广东本科华南农业大学3一等奖河北本科河北科技大学4一等奖黑龙江本科哈尔滨工业大学5一等奖黑龙江本科哈尔滨工业大学6 6一等奖一等奖湖北湖北本科本科华中科技大学华中科技大学7 7一等奖一等奖湖北湖北本科本科武汉大学武汉大学8 8一等奖一等奖湖北湖北本科本科武汉大学武汉大学9一等奖江苏本科南京航空航天大学10一等奖辽宁本科大连理工大学11一等奖山东本科中国石油大学（华东）12一等奖山西本科运城学院13一等奖陕西本科空军工程大学14一等奖陕西本科西安电子科技大学15一等奖上海本科同济大学16一等奖四川本科电子科

28、技大学17一等奖四川本科西南交通大学18一等奖浙江本科温州大学19一等奖浙江本科温州大学国家奖国家奖69：一等：一等19、二等、二等5011/12/三峡大学欢迎您！三峡大学欢迎您！三峡大学欢迎您！三峡大学欢迎您！11/12/202249最大功率点跟踪（最大功率点跟踪（MPPT）太阳能作为一种清洁、安全、取之不尽的可再生能源对太阳能作为一种清洁、安全、取之不尽的可再生能源对于解决世界面临的能源短缺和环境污染问题起着重要的于解决世界面临的能源短缺和环境污染问题起着重要的作用作用,而光伏发电作为可再生能源利用的重要的技术方式而光伏发电作为可再生能源利用的重要的技术方式之一之一,在最近几年得到了快速地

29、发展。在最近几年得到了快速地发展。由于太阳能电池是典型的非线性电源由于太阳能电池是典型的非线性电源,输出特性受光照、输出特性受光照、温度等因素的影响温度等因素的影响,使得光伏电池的输出功率随着环境的使得光伏电池的输出功率随着环境的变化不断发生变化变化不断发生变化,其实际的光电转换效率受到一定的限其实际的光电转换效率受到一定的限制。为了充分利用太阳能制。为了充分利用太阳能,降低建造成本降低建造成本,就有必要对太就有必要对太阳能的输出功率进行跟踪控制即阳能的输出功率进行跟踪控制即最大功率跟踪最大功率跟踪。11/12/202250Characteristic PV array power curve

30、11/12/202251最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法 太阳能电池的最大功率点跟踪算法根据判断原理和实太阳能电池的最大功率点跟踪算法根据判断原理和实现方法现方法,大概可以归纳为六种方法大概可以归纳为六种方法:恒定电压及其改进算法恒定电压及其改进算法;恒定电流及其改进算法恒定电流及其改进算法;扰动观察法扰动观察法;增量电导法增量电导法;模糊逻辑控制模糊逻辑控制;神经网络控制。神经网络控制。1 1 张建坡等，光伏系统中最大功率跟踪算法仿真研究，计算机仿张建坡等，光伏系统中最大功率跟踪算法仿真研究，计算机仿真真,2010,2010年年 01 01期期11/12/202252此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢