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2009 年全国大学生电子设计竞赛优秀作品选集
德州仪器半导体技术((上海上海))有限公司大学计划部有限公司大学计划部
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I
光伏并网发电模拟装置
全国一等奖全国一等奖
西安电子科技大学西安电子科技大学刘东林刘东林何昊何昊郭世忠郭世忠
摘要摘要本设计利用锁相环倍频、比较器过零触发和单片机 DA 产生与输入信号同频同相且幅值
可控的正弦波,作为 DC-AC 电路的输入参考信号,其中 DC-AC 电路采用 D 类功放中自激反
馈模型,利用负反馈的自激振荡产生 SPWM 波,实现了输出波形的内环控制。单片机实时采
集入口电压电流并计算,实现最大功率点的跟踪,完成了题目的要求。在 30 欧额定负载下,
实测效率高达 89%,失真度极低。频率相位均能实现小于 1 秒的快速跟踪,跟踪后相差小于
度,且具有欠压、过流保护及自恢复功能。
关键词:锁相环;DC-AC;MPPT
一、方案论证与比较
DCDC DC-DC -- -AC ACAC AC 逆变方案比较逆变方案比较逆变方案比较:: : :
方案一:用 DSP 或 FPGA 产生 SPWM 信号驱动半桥或全桥式 DC-AC 变换器,经输出
LC 滤波后得到逆变信号。此方案的缺点在于 SPWM 控制为开环,在功率电源和负载变化
时难以保证波形的失真度满足题目要求。
方案二:采用 D 类功放中自振荡式模型的逆变拓扑,利用负反馈的高频自激产生所
需的 PWM 开关信号。此方案为闭环系统,在功率电源和负载变化时波形基本无失真,且
硬件电路简单。因此本设计采用了方案二。
锁相锁频方案比较锁相锁频方案比较:: : :
方案一:用高速 A/D 实时采集正弦参考信号 Uref 和输出电压的反馈信号,两者进
行比较,利用滞环比较控制算法控制主电路产生 PWM 驱动信号,从而实现波形跟踪。此
方案对单片机和 A/D 的速度要求均比较高,系统软件开销很大。
方案二:利用锁相环的锁相锁频功能,将参考信号倍频,产生与其同步的时钟,以
此时钟调整输入与输出的频相关系。此方案完全由硬件电路实现,简单方便,因此本设
计采用方案二。
最大功率点跟踪方案比较最大功率点跟踪方案比较:: : :
方案一:采用经典 MPPT 算法,对光伏阵列的输出电压电流连续采样,寻找 dP/ dU
为零的点,即为最大功率点。
方案二:使用模糊逻辑控制 Control)等现代 Logic (Fuzzy MPPT 跟踪方法。这类算
法的优点是对于非线性的光伏发电系统能够取得良好的控制效果,但控制方法复杂,系
统开销很大, 故未采用此方案。
1 1 1 图图图图 1 原理框图 1 原理框图原理框图
II
在实际制作中, 我们选用 CD 4 0 46 锁相环芯片,功率 M O S 管 IR F 54 0 等性价比较高的
器件,采用基于 MSP 4 30F1 6 9 单片机的经典控制算法,较为出色地完成了各项指标要求。
理论分析与参数计算理论分析与参数计算
:
图图图图 2 2 锁相环电路框图2 锁相环电路框图锁相环电路框图
利用锁相环 CD 4 0 46 可以实现输入信号的倍频和同步,输入频率 45 - 55H z,经 256
倍频后为 11. 52KH z-1 4 .08 KH z 信号, 送给单片机作为系统同步的时钟。单片机用 DDS
原理产生幅度可调的正弦信号,此时钟作为 D/A 输出的时钟,即可追踪输入信号的相位
和频率。此正弦信号送给本设计中自闭环的 DC-AC 逆变器作为输入输出电压, 就可以
与参考输入 Uref 同频同相。为保证快速锁定,需要调整 R 1、 R2 、C1 的值使锁相环中心
频率稳定在 5 0 H z。
2 .MPPT 最大功率点跟踪的实现:
本设计采用 MSP 4 30F1 6 9 单片机, 它有两路 D/A、8 路 A/D,可以轻松地实现连续的
电压电流采集。单片机由此数据计算出实时功率后根据 MPPT 算法自动调整, 当
dP/ dU > 0 时通过增加系统的输入阻抗增加实际得到的输入电压 U 以提高功率,反之
则降低 U,最终达到 dP/ dU = 0 的最大功率点跟踪。
3. 提高效率方法:
开关电源电路设计中的主要损耗包括: 场效应管的导通电阻