光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置研究目錄TOC\o"1-2"\h\u6837光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置 17519一、緒論 127552（一）研究背景及意義 129585（二）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 225424（三）研究?jī)?nèi)容 57753二、方案論證與比較 511247（一）光伏逆變器的SPWM控制波形產(chǎn)生方案評(píng)估 528605（二）SPWM控制方法及功率電路評(píng)估 69405（三）單片機(jī)選型 628784三、理論分析與計(jì)算 618804（一）MPPT控制策略及實(shí)現(xiàn) 721892（二）數(shù)字鎖相（同頻、同相）控制策略及實(shí)現(xiàn) 718864（三）提高系統(tǒng)效率方法 819203（四）濾波參數(shù)的計(jì)算 830895四、電路與程序設(shè)計(jì) 914637（一）DC/AC主電路與器件設(shè)計(jì) 916350（二）控制電路及控制程序 99528（三）保護(hù)電路 1021268五、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 104403（一）測(cè)試方案及測(cè)試條件 107021（二）測(cè)試結(jié)果（測(cè)試時(shí)RS、RL用滑動(dòng)變阻器） 117148（三）測(cè)試結(jié)果分析 1213850結(jié)語(yǔ) 1326881參考文獻(xiàn) 133753附錄 1423178附錄1：光伏模擬發(fā)電裝置電路原理圖 146287(a)逆變器主電路及供電電源電路原理圖 1412538附錄2：光伏模擬發(fā)電裝置總諧波畸變率THD 152552附錄3：光伏模擬發(fā)電裝置部分實(shí)驗(yàn)波形 15摘要：本設(shè)計(jì)以dsPIC30F2010單片機(jī)為控制器，采用全橋DC/AC逆變電路和雙極性SPWM控制構(gòu)建模擬光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)絕大部分指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，不僅具有性能優(yōu)良的模擬光伏電池的最大功率跟蹤、數(shù)字鎖頻鎖相功能，而且有低的輸出電壓THD，高的效率和可靠性，以及采用打嗝方式的欠壓和過(guò)載保護(hù)和故障排除后自恢復(fù)功能。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；MPPT；數(shù)字鎖相一、緒論（一）研究背景及意義近些年，隨著社會(huì)的發(fā)展和能源問(wèn)題的緊張，開(kāi)發(fā)新型能源已成為世界各國(guó)的共同奮斗目標(biāo)，而太陽(yáng)能的運(yùn)用更是受到極大發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電是目前最熱門(mén)的話題之一。在此種背景下對(duì)“光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的設(shè)計(jì)”作以較深入的研究，很好的體現(xiàn)了本學(xué)科及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r。北京交通大學(xué)張凌在《單相光伏并網(wǎng)逆變器的研制》一文中指出，太陽(yáng)能利用有兩個(gè)重要途徑：光熱和光伏發(fā)電。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)原理直接將太陽(yáng)福射能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中最有可能大規(guī)模經(jīng)濟(jì)利用的技術(shù)，它具有許多其他發(fā)電方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。資源豐富：據(jù)估計(jì)，在過(guò)去漫長(zhǎng)的億年中，太陽(yáng)消耗了它本身能量的。今后足以供給地球人類使用幾十億年，真是取之不盡，用之不竭。不受地域限制：地球上，無(wú)論何處都有太陽(yáng)能，可以就地開(kāi)發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問(wèn)題，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價(jià)值，我國(guó)約有的地區(qū)可以較好利用太陽(yáng)能資源。能源潔凈：在開(kāi)發(fā)利用時(shí)，不消耗燃料，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣、也沒(méi)有噪音，不會(huì)造成污染和公害，更不會(huì)影響生態(tài)平衡。維護(hù)簡(jiǎn)單：光伏發(fā)電是靜態(tài)運(yùn)行，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，壽命長(zhǎng)，無(wú)需或極少需要維護(hù)。結(jié)構(gòu)合理。它是一種分布式電力系統(tǒng)，將提高整個(gè)能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別是從抗御自然災(zāi)害和戰(zhàn)備的角度看，它更具有明顯的意義。資源、發(fā)電、用電同一地域：可望大幅度節(jié)省遠(yuǎn)程輸變電設(shè)備的投資費(fèi)用。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，由于是模塊化安裝，因此可用于小到太陽(yáng)能計(jì)算器的幾個(gè)毫瓦，大到數(shù)十兆瓦的太陽(yáng)能發(fā)電站。光伏發(fā)電建筑集成：節(jié)省發(fā)電基地使用的土地面積和費(fèi)用，是目前國(guó)際上研究及發(fā)展的前沿，也是相關(guān)領(lǐng)域科技界最熱門(mén)的話題之一。太陽(yáng)能電池的主要材料——硅的儲(chǔ)量十分豐富，而且隨著太陽(yáng)能電池研究的快速發(fā)展和轉(zhuǎn)換效率的不斷提高以及與其相關(guān)的系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)展，發(fā)電成本己經(jīng)呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)?？梢灶A(yù)料，太陽(yáng)能發(fā)電在人類社會(huì)的未來(lái)發(fā)展中一定會(huì)占據(jù)越來(lái)越重要的地位。我國(guó)光伏技術(shù)雖然經(jīng)過(guò)40年的努力，已具有一定的水平和基礎(chǔ)。但是，與世界先進(jìn)國(guó)家相比仍有不少的差距。目前我國(guó)光伏產(chǎn)品的市場(chǎng)份額為：戶用光伏源和獨(dú)立光伏電站占30%，通信領(lǐng)域占40%，鐵路、公路信號(hào)源、氣象臺(tái)站電源等其他工業(yè)領(lǐng)域占20%，各種民用商品占10%。所以，大力的開(kāi)展太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。（二）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出，同時(shí)全球還有億人得不到正常的能源供應(yīng)。這個(gè)時(shí)候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。這之中太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為人們重視的焦點(diǎn)。豐富的太陽(yáng)福射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無(wú)污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用的能源。太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6×1012千瓦40小時(shí)，相當(dāng)于世界上能耗的40倍。近幾年國(guó)際上光伏發(fā)電快速發(fā)展，世界上已經(jīng)建成了10多座兆瓦級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個(gè)兆瓦級(jí)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國(guó)是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國(guó)家。年又提出“百萬(wàn)屋頂”計(jì)劃。日本1992年啟動(dòng)了新陽(yáng)光計(jì)劃，到2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國(guó)新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)，大大推動(dòng)了光伏市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國(guó)成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國(guó)家。瑞士、法國(guó)、意大利、西班牙、芬蘭等國(guó)，也紛紛制定光伏發(fā)展計(jì)劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。中國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，理論儲(chǔ)量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用的潛力非常廣闊。中國(guó)地處北半球，南北距離和東西距離都在5000公里以上。在中國(guó)廣闊的土地上，有著豐富的太陽(yáng)能資源。大多數(shù)地區(qū)年平均日福射量在每平方米4千瓦時(shí)以上，西藏日福射量最高達(dá)每平米7千瓦時(shí)。年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)。與同緯度的其他國(guó)家相比，與美國(guó)相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多，因而有巨大的開(kāi)發(fā)潛能。中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，90年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期。太陽(yáng)電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。經(jīng)過(guò)30多年的努力，已迎來(lái)了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”先導(dǎo)項(xiàng)目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國(guó)家項(xiàng)目及世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)下，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。到2015年年底，全國(guó)光伏系統(tǒng)的累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到10萬(wàn)千瓦（10MW），從事太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的企業(yè)達(dá)到50余家，太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力達(dá)到290萬(wàn)千瓦(2900MW)，太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量達(dá)到1188MW，超過(guò)日本和歐洲，并已初步建立起從原材料生產(chǎn)到光伏系統(tǒng)建設(shè)等多個(gè)環(huán)節(jié)組成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，特別是多晶硅材料生產(chǎn)取得了重大進(jìn)展，突破了年產(chǎn)千噸大關(guān)，沖破了太陽(yáng)能電池原材料生產(chǎn)的瓶頸制約，為我國(guó)光伏發(fā)電的規(guī)?；l(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2007年是我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一年。受益于太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期利好，整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了前所未有的投資熱潮。太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。根據(jù)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國(guó)力爭(zhēng)使太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1.8GW（百萬(wàn)千瓦），到2050年將達(dá)到600GW（百萬(wàn)千瓦）。預(yù)計(jì)，到2050年，中國(guó)可再生能源的電力裝機(jī)將占全國(guó)電力裝機(jī)的其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到5%。未來(lái)十幾年，我國(guó)太陽(yáng)能裝機(jī)容量的復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)25%以上。太陽(yáng)能發(fā)電分光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。不論產(chǎn)銷量、發(fā)展速度和發(fā)展前景、光熱發(fā)電都趕不上光伏發(fā)電?？赡芤蚬夥l(fā)電普及較廣而接觸光熱發(fā)電較少，通常民間所說(shuō)的太陽(yáng)能發(fā)電往往指的就是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，簡(jiǎn)稱光電。太陽(yáng)能光伏發(fā)電又分為獨(dú)立光伏發(fā)電與并網(wǎng)光伏發(fā)電。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電這后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國(guó)家級(jí)電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、占地面積大，目前還沒(méi)有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。目前，光伏發(fā)電產(chǎn)品主要用于三大方面：一是為無(wú)電場(chǎng)合提供電源，主要為廣大無(wú)電地區(qū)居民生活生產(chǎn)提供電力，還有微波中繼電源等，另外，還包括一些移動(dòng)電源和備用電源；二是太陽(yáng)能日用電子產(chǎn)品，如各類太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能草地廠各種燈具等；三是并網(wǎng)發(fā)電，這在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大面積推廣實(shí)施。我國(guó)并網(wǎng)發(fā)電還未起步，不過(guò)，2008年北京綠色奧運(yùn)部分用電由太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電提供。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽(yáng)電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。目前，單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計(jì)算器輔助電源等。晶體硅電池效率在16—18%左右。由一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)電池片組成的太陽(yáng)能電池板稱為光伏組件。2002年全球太陽(yáng)電池和光伏組件產(chǎn)量約600MW，其中本45%占，美國(guó)25%，歐洲約22%。日本是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的國(guó)家，在不到10年的時(shí)間里超過(guò)了美國(guó)，2001年世界10大太陽(yáng)電池生產(chǎn)廠，日本就有4家，分別是夏普、京都陶瓷、三洋和三菱。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家大都制訂了“陽(yáng)光計(jì)劃”，并采取措施鼓勵(lì)居民安裝太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，比如部分贈(zèng)款、無(wú)息貸款和“種子基金”等，并以高出普通電價(jià)幾倍的價(jià)格購(gòu)買居民家中多余的太陽(yáng)能電量。光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源無(wú)處不在。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽(yáng)能電池片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。目前，單晶和多晶電池用量最大，非品電池用于一些小系統(tǒng)和計(jì)算器輔助電源等。國(guó)產(chǎn)晶體硅電池效率在至左右，國(guó)外同類產(chǎn)品效率約至。由一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池片組成的太陽(yáng)能電池板稱為光伏組件。（三）研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)以dsPIC30F2010單片機(jī)為控制器，采用全橋DC/AC逆變電路和雙極性SPWM控制構(gòu)建模擬光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。二、方案論證與比較太陽(yáng)能電池板價(jià)格昂貴，且光電轉(zhuǎn)換效率低，因此并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率、最大功率跟蹤MPPT、輸出電壓/電流的THD、鎖頻鎖相等性能為關(guān)鍵核心指標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，以上述指標(biāo)為方案評(píng)估指標(biāo)，論證系統(tǒng)關(guān)鍵的方案如下：（一）光伏逆變器的SPWM控制波形產(chǎn)生方案評(píng)估方案一：用分立器件電路產(chǎn)生，主要由三角波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器和比較器組成，但由于其電路復(fù)雜、靈活性差、調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn)，因此一般很少采用。方案二：用專有集成芯片產(chǎn)生，雖然功能較強(qiáng)，輸出波形質(zhì)量較高，但是靈活性差、采用性能優(yōu)良的控制方法能力差、成本較高，不適合小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。方案三：用單片機(jī)或者數(shù)據(jù)信號(hào)處理器等數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)，目前許多單片機(jī)都具有產(chǎn)生SPWM波的功能。采用單片機(jī)具有電路簡(jiǎn)單可靠、靈活性好、可以采用性能優(yōu)良的控制方法，而且方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、顯示和處理，使整個(gè)系統(tǒng)控制非常方便。鑒于上述分析，選用方案三。（二）SPWM控制方法及功率電路評(píng)估方案一：?jiǎn)螛O性控制方式，該控制方式僅用到一對(duì)高頻開(kāi)關(guān)，相對(duì)于雙極性逆變具有損耗低、電磁干擾少；但其控制方式較為復(fù)雜。方案二：雙極性控制方式，該控制方式電流諧波分量小、易于消除，且其控制方式簡(jiǎn)單得到廣泛應(yīng)用。雖然本發(fā)電模擬裝置功率小，但由于全橋電路不存在半橋電路的中點(diǎn)電壓可能不平衡問(wèn)題（如果中點(diǎn)電壓不平衡，將使逆變輸出的正弦波有直流偏量），所以功率電路采用全橋電路。鑒于上述分析，選用方案二以及全橋功率電路。圖1光伏發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)框圖（三）單片機(jī)選型微控制器運(yùn)算能力對(duì)系統(tǒng)性能有關(guān)鍵影響，方案評(píng)估如下：方案一：采用PIC16F877A，該單片機(jī)為Microchip八位單片機(jī)，性價(jià)比高，但由于無(wú)硬件乘法器，運(yùn)算速度較慢，很難滿足該系統(tǒng)高性能數(shù)字控制要求。方案二：采用dsPIC30F2010，該單片機(jī)嵌入DSP引擎，具有一個(gè)高速的硬件乘法器，擁有數(shù)字信號(hào)處理器的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，指令執(zhí)行速度可達(dá)30MIPS，且性價(jià)比高，適合作為該系統(tǒng)的核心控制器件。鑒于上述分析，選用方案二。根據(jù)論證的方案，設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)框圖如圖1。系統(tǒng)各模塊分析設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)如第二部分。三、理論分析與計(jì)算（一）MPPT控制策略及實(shí)現(xiàn)在本題條件下對(duì)光伏電池進(jìn)行模擬，要使得DC/AC逆變器具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，就是要使得Ud=Us/2；利用兩個(gè)電壓采樣電路對(duì)直流穩(wěn)壓電源Us和輸入電壓值Ud同時(shí)進(jìn)行采樣，計(jì)算采樣值A(chǔ)D_averag0(輸入電壓值Ud對(duì)應(yīng)的采樣值)與電壓計(jì)算值A(chǔ)D_PI_OUT_REF(根據(jù)直流穩(wěn)壓電源Us對(duì)應(yīng)采樣值A(chǔ)D_averag2計(jì)算得到的基準(zhǔn)值)的誤差；將其誤差轉(zhuǎn)化為調(diào)制載波比的誤差，對(duì)調(diào)制載波比采用增量式PI算法?u(k)=u(k)-u(k-1)=Kp*[e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)進(jìn)行調(diào)節(jié)，目的即是使得Ud=Us/2；通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制載波比來(lái)調(diào)節(jié)功率輸出的大小，實(shí)現(xiàn)：當(dāng)輸出電壓Ud>Us/2時(shí)，增大調(diào)制載波比，使輸出電流增大，從而使Ud(Us-Id*Rs)下降；當(dāng)輸出電壓Ud<Us/2時(shí)，減小調(diào)制載波比，使輸出電流減小，從而使Ud(Us-Id*Rs)上升。最終使得輸出電壓Ud趨于穩(wěn)定，以此方法實(shí)現(xiàn)了模擬MPPT的功能。本設(shè)計(jì)采用試湊法得到PI調(diào)節(jié)的參數(shù)：比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki。經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整，得到了較為滿意的控制效果。(1)確定比例系數(shù)Kp：去掉PI的積分項(xiàng)，可以令Ki=0使之為純比例調(diào)節(jié)。比例系數(shù)Kp由0開(kāi)始逐漸增大，直至Ud出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例系數(shù)Kp逐漸減小，直至Ud振蕩消失。記錄此時(shí)的比例系數(shù)Kp，設(shè)定PI比例系數(shù)Kp為當(dāng)前值的60％~70％。(2)確定積分系數(shù)Ki：比例系數(shù)Kp確定之后，設(shè)定一個(gè)較大的積分系數(shù)Ki，然后逐漸減小Ki，直至Ud出現(xiàn)振蕩，然后再反過(guò)來(lái)，逐漸增大Ki，直至Ud振蕩消失。記錄此時(shí)的Ki，設(shè)定PI的積分系數(shù)Ki為當(dāng)前值的150％～180％。(3)對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直到滿足性能要求。（二）數(shù)字鎖相（同頻、同相）控制策略及實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)部分要求工作時(shí)的負(fù)載電流必須與電網(wǎng)電壓信號(hào)嚴(yán)格的同頻同相，才能保證整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，通常使用鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)用軟件方式實(shí)現(xiàn)鎖相，具體實(shí)現(xiàn)方法為：利用兩個(gè)正弦電壓過(guò)零檢測(cè)電路將模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考基準(zhǔn)信號(hào)和電流反饋uf正弦信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為與其同頻同相的方波信號(hào)，再利用dsPIC30F2010單片機(jī)的輸入捕捉功能（引腳IC2/IC1）分別對(duì)兩個(gè)方波信號(hào)的下降沿雙次捕捉后進(jìn)行中斷處理。鎖頻的實(shí)現(xiàn)：利用dsPIC30F2010單片機(jī)的IC2口對(duì)模擬電網(wǎng)電壓對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)的兩次下降沿進(jìn)行捕獲（其以dsPIC30F2010內(nèi)部的TIMER2為時(shí)基），在中斷子程序中讀取捕捉緩沖器中IC2BUF的值兩次，并保存在IC2BUF_reslut1、IC2BUF_result2中，計(jì)算此時(shí)的模擬電壓正弦信號(hào)的周期（IC2BUF_result2-IC2BUF_result1），得到每個(gè)PWM波的周期值PTPER，產(chǎn)生新的正弦輸出周期，實(shí)現(xiàn)同頻。鎖相的實(shí)現(xiàn)：在程序里面有個(gè)作為逆變器正弦波輸出計(jì)數(shù)點(diǎn)的指針sin_v_n，為了防止波形的畸變，可以在一定范圍內(nèi)通過(guò)連續(xù)改變sin_v_n的值來(lái)實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)整。利用dsPIC30F2010單片機(jī)的IC1口對(duì)電流反饋uf正弦信號(hào)對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)的兩次下降沿進(jìn)行捕獲（其也以dsPIC30F2010內(nèi)部的TIMER2為時(shí)基），在中斷子程序中讀取捕捉緩沖器中IC1BUF的值兩次，并保存在IC1BUF_reslut1、IC1BUF_result2中，計(jì)算此時(shí)的相位偏移（IC1BUF_result2–IC2BUF_result1），將其轉(zhuǎn)化為指針sin_v_n同量級(jí)的誤差，在以后的數(shù)個(gè)正弦周期里對(duì)指針sin_v_n進(jìn)行微調(diào)整，直到消除相位偏移為止，從而實(shí)現(xiàn)輸出正弦電壓信號(hào)與模擬電網(wǎng)電壓正弦信號(hào)的同相。其中硬件方面主要在于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路的穩(wěn)定性，本檢測(cè)電路為消除毛刺使用的是RC濾波；軟件方面需要保證兩次輸入捕捉數(shù)據(jù)的同步，通過(guò)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志寄存器IC_flag:當(dāng)IC_flag=1時(shí)，兩路捕捉保存數(shù)據(jù)；當(dāng)IC_flag=0時(shí)，兩路捕捉不保存數(shù)據(jù)并對(duì)上一次數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（三）提高系統(tǒng)效率方法光伏發(fā)電裝置的主要損耗有功率開(kāi)關(guān)器件、濾波電感以及控制電路功耗。為提高系統(tǒng)效率，可采取選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率、性能優(yōu)越的開(kāi)關(guān)器件（通態(tài)電阻小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短）、增大濾波電感以減小電流紋波以及開(kāi)關(guān)器件吸收電路。提高M(jìn)PPT精度可以提高光伏電池利用率，即也提高效率。（四）濾波參數(shù)的計(jì)算逆變器交流輸出電壓頻率fo=45~55Hz，逆變器開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為20kHz，濾波器的轉(zhuǎn)折頻率一般為(5～10)fo。為減少輸出功率的無(wú)功分量，濾波電容的電流不大于額定輸出電流的1/5。滿載時(shí)輸出電流Io=0.5A，即Io1=1A（此時(shí)Uo1=14V），則電容電流不能大于0.2A,濾波電容C3為:，取4uF/250V的CBB電容。在濾波電容C3設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，根據(jù)濾波器截止頻率以及電感電流紋波要求，設(shè)計(jì)輸出濾波電感L1=3mH。濾波電感設(shè)計(jì)結(jié)果：磁芯：HighFlux的CH467060；匝數(shù)：191匝；線圈：1mm漆包線；線圈損耗：1.75W；因電感的高頻交流勵(lì)磁小，磁芯損耗可忽略不記；磁芯最大工作磁密：0.27T，交流磁密：0.09T。四、電路與程序設(shè)計(jì)（一）DC/AC主電路與器件設(shè)計(jì)主電路原理圖見(jiàn)附錄圖1-(a)。主回路拓?fù)溥x擇全橋逆變電路，上橋壁兩個(gè)管子的漏極端需要一個(gè)浮點(diǎn)電壓，因此選擇IR2110實(shí)現(xiàn)高端驅(qū)動(dòng)。由于輸入U(xiǎn)s為60V，為保證開(kāi)關(guān)管不被擊穿并留有一定裕量設(shè)計(jì)選擇IRF540（耐壓100V、額定電流27A、通態(tài)電阻70mΩ）。由于有無(wú)功功率回饋到輸入側(cè)，且功率場(chǎng)效應(yīng)管體二極管性能差，全橋逆變電路的功率場(chǎng)效應(yīng)管反并肖特基二極管為STPS8H100D（耐壓100V、壓降0.58V、額定電流8A）。為減小輸入端電壓紋波，無(wú)功功率不回流到光伏電池，Ud端并電解電容1440uF/100V。圖2主程序流程圖圖2主程序流程圖（二）控制電路及控制程序3.2.1程序設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖2。程序設(shè)計(jì)思想：為節(jié)約dsPIC30F2010的CPU資源，將顯示部分功能放在主程序中，而將PWM輸出改變程序、采樣程序和輸入捕捉功能設(shè)置中斷，在相應(yīng)中斷子程序中進(jìn)行相應(yīng)的處理。其dsPIC30F2010對(duì)中斷的優(yōu)先級(jí)也可以設(shè)置，因?yàn)镻WM輸出改變脈寬的實(shí)時(shí)性要求最高，所以其中斷優(yōu)先級(jí)也最高，其次分別為輸入捕捉、采樣程序。3.2.2控制電路控制電路原理圖見(jiàn)附錄圖1-(b)。用于鎖相信號(hào)轉(zhuǎn)換的正弦波過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路如圖3，用于MPPT的輸入電壓采樣電路如圖4，輸出電流采樣電路如圖5。圖3基準(zhǔn)正弦波過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路圖4輸入電壓采樣電路圖5輸出電流采樣電路圖3的uREF輸入的基準(zhǔn)正弦波通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化為方波輸入到單片機(jī)捕捉引腳，并與采樣的輸出正弦波對(duì)比，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)同頻同相。圖5的輸出電流采樣的值經(jīng)過(guò)差分放大和經(jīng)過(guò)絕對(duì)值電路整形，再經(jīng)過(guò)RC濾波送到單片機(jī)A/D端口，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)和顯示，以及SPWM的電流環(huán)控制（由于時(shí)間緊，實(shí)際系統(tǒng)未采用電流內(nèi)環(huán)，但電流內(nèi)環(huán)控制可以提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，改善THD）（三）保護(hù)電路欠壓保護(hù)：Ud端用兩個(gè)電阻R7和R10的分壓，經(jīng)單片機(jī)A/D采樣與設(shè)定的保護(hù)閾值比較，如果超過(guò)閾值，單片機(jī)停止輸出SPWM，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。當(dāng)欠壓保護(hù)后，單片機(jī)將間隔5秒不斷采樣，如果欠壓故障排除，則恢復(fù)工作，即采用打嗝方式保護(hù)。過(guò)流保護(hù)：故障保護(hù)思想與欠壓時(shí)相同，也是采用打嗝方式保護(hù)。五、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果（一）測(cè)試方案及測(cè)試條件1、測(cè)試方案系統(tǒng)測(cè)試方案框圖如圖6。在Ud端并萬(wàn)用表測(cè)Ud值，在輸入輸出端各串一個(gè)電流表測(cè)Id、Io，在逆變器輸出端連接一電能質(zhì)量分析儀，測(cè)逆變器的輸出頻率（鎖頻指標(biāo)）、THD、輸出功率、電壓；uREF由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供。圖6系統(tǒng)測(cè)試原理框圖2、測(cè)試儀器信號(hào)發(fā)生器：臺(tái)灣固緯SFG-1003；電量測(cè)量?jī)x:杭州遠(yuǎn)方PF9811；示波器：美國(guó)泰克TDS2012B；萬(wàn)用表：FLUKE87III；滑動(dòng)變阻器:BX-7-11(10Ω/4.5A)，BX-7-14(100Ω/2A)。（二）測(cè)試結(jié)果（測(cè)試時(shí)RS、RL用滑動(dòng)變阻器）1、最大功率跟蹤MPPT表1系統(tǒng)MPPT的Ud測(cè)試指標(biāo) RL(Ω)Ud(V)/誤差RS(Ω)303234363030.0/0%30.0/0%30.0/0%30.1/0.3%3330.0/0%30.0/0%30.1/0.3%30.1/0.3%3630.1/0%30.0/0%30.0/0%30.0/0%2、鎖頻表2系統(tǒng)鎖頻的測(cè)試指標(biāo)fREF(Hz)45474950515355fF(Hz)44.9946.9648.9549.9350.9552.9254.96誤差0.02%0.09%0.10%0.14%0.10%0.10%0.07%表中的fREF為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供的基準(zhǔn)正弦波頻率；fF為逆變器輸出的正弦波頻率。3、效率η當(dāng)US=60V，Ud=30V，RS=RL=30Ω時(shí)，4、總諧波畸變率THD根據(jù)附表1可知RS=RL=30Ω，US=60V，Ud=30V時(shí)，THD=3.5%。注：由于定制的隔離升壓變壓器質(zhì)量差，磁芯飽和較嚴(yán)重，接隔離變壓器時(shí)，輸出電壓畸變變嚴(yán)重。如果用自耦調(diào)壓器代替變壓器（此時(shí)，自耦調(diào)壓器的輸出端接到逆變器的輸出側(cè)，調(diào)整匝比等于1：2），THD=1.2~2.0%，即THD在1.2~2.0間變化。5、相位跟蹤測(cè)試表3相位跟蹤測(cè)試指標(biāo)（包括阻感負(fù)載）相位差 fREF(Hz)(o)負(fù)載PF454749505153550.70-8.SSS1-6.8-5.3-5.4-5.5-5.7-5.90.90-4.8-5.0-5.3-5.4-5.5-4.8-5.00.991.61.71.81.81.81.91.9注：相位差指信號(hào)發(fā)生器的基準(zhǔn)正弦波與逆變器輸出波形的角度差；負(fù)載功率因數(shù)PF=0.99時(shí)，表示負(fù)載PF為純阻性負(fù)載，其余為阻感負(fù)載，如PF=0.7時(shí)，其阻抗角為6、保護(hù)測(cè)試a.輸入欠壓保護(hù)保護(hù)動(dòng)作的電壓值Udth=25.2V。當(dāng)故障排除后，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)。b.輸出過(guò)流保護(hù)保護(hù)動(dòng)作的電流值Ioth=1.44A。當(dāng)故障排除后，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)。（三）測(cè)試結(jié)果分析根據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，除相位跟蹤和THD的部分指標(biāo)（阻感負(fù)載）外，設(shè)計(jì)調(diào)試的光伏發(fā)電模擬系統(tǒng)絕大部分指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求。部分指標(biāo)產(chǎn)生差值的原因有：1.由于所購(gòu)買的隔離變壓器質(zhì)量（磁心飽和和漏感大）存在問(wèn)題導(dǎo)致輸出端接上隔離變壓器后THD會(huì)變大較多，此外也將影響相位跟蹤性能；2.驅(qū)動(dòng)電路與反饋電路未進(jìn)行隔離以及PCB布板不很合理，控制電路可能會(huì)受到干擾。結(jié)語(yǔ)本文但由于時(shí)間太緊，任務(wù)重，以及功率電路PCB布板經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)上還存在著些不足之處，比如THD還有差距，鎖相環(huán)跟蹤精度以及穩(wěn)定控制等問(wèn)題。如果經(jīng)過(guò)改進(jìn)，相信性能還有提升空間。在這論文設(shè)計(jì)期間，我也學(xué)習(xí)了很多；在這個(gè)過(guò)程中，我遇到了很多難題，也解決了很多問(wèn)題；也收獲了很多以前在課堂上所不能學(xué)到的東西。將在以后的生活學(xué)習(xí)中更加努力，取得更大的進(jìn)步。參考文獻(xiàn)[1]彭其澤,張全柱.太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)模擬裝置的研究[J].電源技術(shù),2013,01:85-87.[2]吳華強(qiáng).基于MSP430F169的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置[J].世界電子元器件,2014,04:52-55.[3]盧慧芬,陳慧,張國(guó)鵬,馬大勇.基于TMS320F2812的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置[J].機(jī)電工程,2013,11:1318-1322.[4]張安堂,張偉.一種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的相位跟蹤技術(shù)[J].電測(cè)與儀表,2014,01:39-41.[5]白夏紅,李輝.基于S3C2410的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,12:135-137.[6]