電子設(shè)計競賽-光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置

2020/9/8,1,2010年湖北省高校電子信息類專業(yè)教學(xué)改革與電子設(shè)計競賽工作研討會-2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題解析 A題-光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置,三峽大學(xué) 高學(xué)軍,2020/9/8,2,題目分析 方案選擇 參數(shù)計算 測試說明 參賽結(jié)果,2020/9/8,3,題目分析 方案選擇 參數(shù)計算 測試說明 參賽結(jié)果,2020/9/8,4,光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置（A題）,一、任務(wù) 設(shè)計并制作一個光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，US=60V，RS=30-36； uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號，其峰峰值為2V，頻率fREF為45Hz-55Hz； T為工頻隔離變壓器，變比為n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，將uF作為輸出電流的反饋信號； 負(fù)載電阻RL=30-36。,2020/9/8,5,圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖,2020/9/8,6,1基本要求 （1）具有最大功率點跟蹤（MPPT）功能：RS和RL在給定范圍內(nèi)變化時，使 相對偏差的絕對值不大于1%。 （2）具有頻率跟蹤功能：當(dāng)fREF在給定范圍內(nèi)變化時，使uF的頻率fF=fREF，相對偏差絕對值不大于1%。 （3）當(dāng)RS=RL=30時，DC-AC變換器的效率60%。 （4）當(dāng)RS=RL=30時，輸出電壓uo的失真度THD5%。 （5）具有輸入欠壓保護(hù)功能,動作電壓Ud（th）=(250.5)V。 （6）具有輸出過流保護(hù)功能,動作電流Io（th）=(1.50.2)A。,2020/9/8,7,2發(fā)揮部分 (1)提高DC-AC變換器的效率，使80%（RS=RL=30時）。 (2)降低輸出電壓失真度，使THD1%（RS=RL=30時）。 (3)實現(xiàn)相位跟蹤功能：當(dāng)fREF在給定范圍內(nèi)變化以及加非阻性負(fù)載時，均能保證uF與uREF同相，相位偏差的絕對值5。 (4)過流、欠壓故障排除后，裝置能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)。 (5)其他。,2020/9/8,8,三、說明 1本題中所有交流量除特別說明外均為有效值。 2US采用實驗室可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，不需自制。 3控制電路允許另加輔助電源，但應(yīng)盡量減少路數(shù)和損耗。 4DC-AC變換器效率 ，其中 ， 。 5基本要求（1）、（2）和發(fā)揮部分（3）要求從給定或條件發(fā)生變化到電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間不大于1s。 6裝置應(yīng)能連續(xù)安全工作足夠長時間，測試期間不能出現(xiàn)過熱等故障。 7制作時應(yīng)合理設(shè)置測試點（參考圖1），以方便測試。 8設(shè)計報告正文中應(yīng)包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖、主要的測試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序和完整的測試結(jié)果用附件給出。,2020/9/8,9,題目分析 方案選擇 參數(shù)計算 測試說明 參賽結(jié)果,2020/9/8,10,電子制作 2010/02 武漢大學(xué)-聞長遠(yuǎn) 王雨曦 江 超 光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置(1) 福州大學(xué)-張錦吉 戴榮東 吳家彪 光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置(2) 武漢理工大學(xué)、三峽大學(xué)報告,2020/9/8,11,圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖,2020/9/8,12,1.DC-AC主回路選擇,DC-AC 回路為系統(tǒng)功率變換的核心，負(fù)責(zé)將前級直流輸入變換成交流輸出。根據(jù)電路控制參量的不同可分為電壓型和電流型。 電流型逆變電路交流輸出電流為矩形波，控制電路較為復(fù)雜。 電壓型逆變電路包括半橋式和全橋式電路，電路逆變功率脈動波形由直流電流體現(xiàn)，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。電壓型控制電路對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，所以最終選用電壓型全橋逆變電路為DC-AC 的功率變換核心。,2020/9/8,13,2.正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）方式,正弦波脈寬調(diào)制，根據(jù)其調(diào)制方式不同可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。 模擬調(diào)制制方式基于自然采樣原理，在三角波和正弦波的自然交點時刻控制功率開關(guān)器件的通斷。 數(shù)字調(diào)制法同樣基于自然采樣原理，以可編程邏輯器件為載體將正弦波表存入存儲器，經(jīng)過數(shù)字比較產(chǎn)生對應(yīng)波形。數(shù)字調(diào)制方式生成波形相位分辨率可以達(dá)到很高精度，改變調(diào)制比（正弦波與三角波幅度比）即可改變輸出電壓。 由于數(shù)字調(diào)制方式控制簡單，實現(xiàn)方便，故選用數(shù)字調(diào)制方式產(chǎn)生逆變電路的控制信號。,2020/9/8,14,2020/9/8,15,方案一：單極性控制方式,ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)唷?當(dāng)uruc時使V4通，V3斷，uo=Ud 。 當(dāng)ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0 。,2020/9/8,16,方案二：雙極性控制方式,當(dāng)ur uc時，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號 當(dāng)ur<uc時，給V2和V3導(dǎo)通信號，給V1和V4關(guān)斷信號,2020/9/8,17,方案三：單極倍頻正弦脈寬調(diào)制,vrvc時，VA為正，T1通態(tài)，T2截止。 vr0時，VB為正，T4通態(tài)，T3截止。 vr+vc0 vr-vc ；,2020/9/8,18,2020/9/8,19,uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號，其峰峰值為2V，頻率fREF為45Hz-55Hz； 頻率測量 過零點測量 相位的適當(dāng)修正,2020/9/8,20,3、信號采集部分,采集信號包括前級直流輸入電壓、電流，后級交流輸出電壓、電流，輸入?yún)⒖己头答佇盘柕念l率、相位。直流輸入電流值采用電流檢測放大器INA206 對取樣電阻取樣后采用線性光耦HCNR201 隔離，直流輸入電壓則利用電阻分壓后經(jīng)過線性光耦隔離取樣，通過16 位低功耗全差分串行- 型A/D 轉(zhuǎn)換器MAX1416 進(jìn)行采集, 交流信號經(jīng)電壓電流互感器轉(zhuǎn)換后采用14 位偽差分串行A/D 轉(zhuǎn)換器TLC3578 采集。,2020/9/8,21,4.保護(hù)電路,系統(tǒng)具有欠壓保護(hù)、過流保護(hù)以及故障后的自恢復(fù)功能。利用單片機(jī)監(jiān)測輸入電壓Ud和輸出電流IO，采用試觸方式實現(xiàn)自動恢復(fù)功能。當(dāng)檢測到欠壓狀態(tài)和過流狀態(tài)時，單片機(jī)斷開繼電器，經(jīng)過4s延時后再次導(dǎo)通電路進(jìn)行檢測，直到故障排除為止。此外系統(tǒng)還附加短路保護(hù)和過熱保護(hù)功能，短路保護(hù)電路具有自鎖功能。,2020/9/8,22,2020/9/8,23,2020/9/8,24,題目分析 方案選擇 參數(shù)計算 測試說明 參賽結(jié)果,2020/9/8,25,圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖,2020/9/8,26,方案二：雙極性控制方式,當(dāng)ur uc時，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號 當(dāng)ur<uc時，給V2和V3導(dǎo)通信號，給V1和V4關(guān)斷信號,2020/9/8,27,2020/9/8,28,圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖,C,Is,2020/9/8,29,U,基波,感性電流,Id,2020/9/8,30,2020/9/8,31,電容電流：Ic=Id-Is,2020/9/8,32,2020/9/8,33,RS和RL在給定范圍內(nèi)變化時，Ud相對偏差的絕對值不大于1% 30*1%=0.3V C=6000-10000UF,2020/9/8,34,直流輸入電壓極端情況下為60V，逆變器輸出交流電流有效值為2A，橋路上開關(guān)管承受的最大反壓為直流電源電壓，考慮到一定的余量，選取IRF25O MOS管，其最大電壓為200V，最大電流為30A，最高開關(guān)頻率可達(dá)40kHz。,2020/9/8,35,LC 低通濾波器參數(shù)設(shè)計,逆變器輸出濾波器的截至頻率取10倍工頻，鑒于系統(tǒng)功率不大，濾波電感的電感量可以稍大，濾波電容的容量稍小。實際制作中，濾波電感的電感量為1mH，滿足截至頻率的電容量為： 實際測得，濾波電感的等效電阻為0.13，考慮到橋路的等效電阻等，取總的等效電阻為0.2，則有 阻尼比： 基波相移：,2020/9/8,36,頻率、相位同步方案,由于逆變器開關(guān)頻率取10kHz，從調(diào)制信號（電網(wǎng)電壓信號）到逆變橋的輸出最多一個開關(guān)周期的延遲0.1ms（1.8）。所以，逆變器輸出總相位延遲： 由于課題要求的頻率跟蹤范圍不大（4555Hz），在整個頻率變化的范圍內(nèi)，都可以滿足相位跟蹤指標(biāo)要求。,2020/9/8,37,效率分析,影響逆變器效率的主要因素是開關(guān)損耗和濾波電感損耗 開關(guān)損耗與開關(guān)頻率的平方成正比 濾波電感損耗主要取決于繞制電感的導(dǎo)線銅損和磁芯的損耗 為降低損耗，選用導(dǎo)通電阻為85m的開關(guān)管IRF250, SPWM載波頻率為10KHZ，對橋路開關(guān)管的控制采用單極倍頻方法，可以降低一倍的開關(guān)損耗。 濾波電感的磁芯采用非晶態(tài)磁芯，大大降低高頻渦流損耗和磁滯損耗，并且由于高的導(dǎo)磁率，繞線較短，銅耗也大為降低，用直徑為1.8mm的銅絲繞制電感。,2020/9/8,38,保護(hù)電路設(shè)計 優(yōu)化設(shè)計開關(guān)管的開通緩沖電路、關(guān)斷緩沖電路及吸收電路等，使之工作在安全區(qū)內(nèi)，且可以改變開關(guān)軌跡，減少開關(guān)損耗。（軟開關(guān)） MSP430系列單片機(jī)具有多種低功耗模式，在軟件設(shè)計時適當(dāng)?shù)氖箚纹M(jìn)入低功耗模式，以減少系統(tǒng)的損耗。,2020/9/8,39,題目分析 方案選擇 參數(shù)計算 測試說明 參賽結(jié)果,2020/9/8,40,測試記錄與評分表,2020/9/8,41,測試記錄與評分表,2020/9/8,42,測試記錄與評分表,2020/9/8,43,測試說明,2020/9/8,44,測試說明,2020/9/8,45,測試-注意事項,相位差測量：波形不標(biāo)準(zhǔn)，測量波形（過零點）比較有一定難度 嚴(yán)格按照要求：RS=30，值小電壓降不下來 電路形式：有價升壓電路的 濾波問題：波形無法測量-不穩(wěn)、方波（無PWM控制） 功率：散熱問題、連線太細(xì)等 濾波：RC濾波不對 接線：所有在實驗室接好，不能現(xiàn)場接線 自制信號源：使用實驗室儀器,2020/9/8,46,題目分析 方案選擇 參數(shù)計算 測試說明 參賽結(jié)果,2020/9/8,47,A題測試情況,湖北省A題參賽隊：54 （總隊數(shù)：466）,2020/9/8,48,2020/9/8,49,國家獎69：一等19、二等50,2020/9/8,50,Thank You !,三峽大學(xué)歡迎您！,2020/9/8,51,最大功率點跟蹤（MPPT）,太陽能作為一種清潔、安全、取之不盡的可再生能源對于解決世界面臨的能源短缺和環(huán)境污染問題起著重要的作用,而光伏發(fā)電作為可再生能源利用的重要的技術(shù)方式之一,在最近幾年得到了快速地發(fā)展。 由于太陽能電池是典型的非線性電源,輸出特性受光照、溫度等因素的影響,使得光伏電池的輸出功率隨著環(huán)境的變化不斷發(fā)生變化,其實際的光電轉(zhuǎn)換效率受到一定的限制。為了充分利用太陽能,降低建造成本,就有必要對太陽能的輸出功率進(jìn)行跟蹤控制即最大功率跟蹤。,2020/9/8,52,Characteristic PV array power curve,2020/9/8,53,最大功率跟蹤算法,太陽能電池的最大功率點跟蹤算法根據(jù)判斷原理和實現(xiàn)方法,大概可以歸納為六種方法: 恒定電壓及其改進(jìn)算法; 恒定電流及其改進(jìn)算法; 擾動觀察法; 增量電導(dǎo)法; 模糊邏輯控制; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。 1 張建坡等，光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤算法仿真研究，計算機(jī)仿真, 2010年 01期,