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1、2023/1/9,1,2010年湖北省高校电子信息类专业教学改革与电子设计竞赛工作研讨会-2009年全国大学生电子设计竞赛题解析 A题-光伏并网发电模拟装置,三峡大学 高学军,2023/1/9,2,题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果,2023/1/9,3,题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果,2023/1/9,4,光伏并网发电模拟装置（A题）,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1所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30-36；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz-55Hz；T为工频隔离变
2、压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30-36。,2023/1/9,5,图1 并网发电模拟装置框图,2023/1/9,6,1基本要求（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使 相对偏差的绝对值不大于1%。（2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。（3）当RS=RL=30时，DC-AC变换器的效率60%。（4）当RS=RL=30时，输出电压uo的失真度THD5%。（5）具有输入欠压保护功能,动作电压Ud（th）=(250.5)V。（6）具
3、有输出过流保护功能,动作电流Io（th）=(1.50.2)A。,2023/1/9,7,2发挥部分(1)提高DC-AC变换器的效率，使80%（RS=RL=30时）。(2)降低输出电压失真度，使THD1%（RS=RL=30时）。(3)实现相位跟踪功能：当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证uF与uREF同相，相位偏差的绝对值5。(4)过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。(5)其他。,2023/1/9,8,三、说明1本题中所有交流量除特别说明外均为有效值。2US采用实验室可调直流稳压电源，不需自制。3控制电路允许另加辅助电源，但应尽量减少路数和损耗。4DC-AC变换器效率
4、，其中，。5基本要求（1）、（2）和发挥部分（3）要求从给定或条件发生变化到电路达到稳态的时间不大于1s。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。7制作时应合理设置测试点（参考图1），以方便测试。8设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。,2023/1/9,9,题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果,2023/1/9,10,电子制作 2010/02武汉大学-闻长远 王雨曦 江 超 光伏并网发电模拟装置(1)福州大学-张锦吉 戴荣东 吴家彪 光伏并网发电模拟装置(2)武汉理工大
5、学、三峡大学报告,2023/1/9,11,图1 并网发电模拟装置框图,2023/1/9,12,1.DC-AC主回路选择,DC-AC 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压进行调节，便于进行功率转换，所以最终选用电压型全桥逆变电路为DC-AC 的功率变换核心。,2023/1/9,13,2.正弦波脉宽调制（SPWM）方式,正弦波脉宽调制
6、，根据其调制方式不同可分为模拟调制和数字调制。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。由于数字调制方式控制简单，实现方便，故选用数字调制方式产生逆变电路的控制信号。,2023/1/9,14,2023/1/9,15,方案一：单极性控制方式,ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时使V4断，V3通，uo=
7、0。,2023/1/9,16,方案二：双极性控制方式,当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号,2023/1/9,17,方案三：单极倍频正弦脉宽调制,vrvc时，VA为正，T1通态，T2截止。vr0时，VB为正，T4通态，T3截止。vr+vc0 vr-vc；,2023/1/9,18,2023/1/9,19,uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz-55Hz；频率测量过零点测量相位的适当修正,2023/1/9,20,3、信号采集部分,采集信号包括前级直流输入电压、电流，后级交流输出电压、
8、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INA206 对取样电阻取样后采用线性光耦HCNR201 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16 位低功耗全差分串行-型A/D 转换器MAX1416 进行采集,交流信号经电压电流互感器转换后采用14 位伪差分串行A/D 转换器TLC3578 采集。,2023/1/9,21,4.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。利用单片机监测输入电压Ud和输出电流IO，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，单片机断开继电器，经过4s延时后再次导通电路进行检测，直到故障排
9、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。,2023/1/9,22,2023/1/9,23,2023/1/9,24,题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果,2023/1/9,25,图1 并网发电模拟装置框图,2023/1/9,26,方案二：双极性控制方式,当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号,2023/1/9,27,2023/1/9,28,图1 并网发电模拟装置框图,C,Is,2023/1/9,29,U,基波,感性电流,Id,2023/1/9,30,2023/1/9,31,电容电流：I
10、c=Id-Is,2023/1/9,32,2023/1/9,33,RS和RL在给定范围内变化时，Ud相对偏差的绝对值不大于1%30*1%=0.3VC=6000-10000UF,2023/1/9,34,直流输入电压极端情况下为60V，逆变器输出交流电流有效值为2A，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IRF25O MOS管，其最大电压为200V，最大电流为30A，最高开关频率可达40kHz。,2023/1/9,35,LC 低通滤波器参数设计,逆变器输出滤波器的截至频率取10倍工频，鉴于系统功率不大，滤波电感的电感量可以稍大，滤波电容的容量稍小。实际制作中，滤波电感的电感
11、量为1mH，满足截至频率的电容量为：实际测得，滤波电感的等效电阻为0.13，考虑到桥路的等效电阻等，取总的等效电阻为0.2，则有阻尼比：基波相移：,2023/1/9,36,频率、相位同步方案,由于逆变器开关频率取10kHz，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0.1ms（1.8）。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（4555Hz），在整个频率变化的范围内，都可以满足相位跟踪指标要求。,2023/1/9,37,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的损
12、耗为降低损耗，选用导通电阻为85m的开关管IRF250,SPWM载波频率为10KHZ，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。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，铜耗也大为降低，用直径为1.8mm的铜丝绕制电感。,2023/1/9,38,保护电路设计优化设计开关管的开通缓冲电路、关断缓冲电路及吸收电路等，使之工作在安全区内，且可以改变开关轨迹，减少开关损耗。（软开关）MSP430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。,2023/1/9,39,题目分析方案选择参数计算测试
13、说明参赛结果,2023/1/9,40,测试记录与评分表,2023/1/9,41,测试记录与评分表,2023/1/9,42,测试记录与评分表,2023/1/9,43,测试说明,2023/1/9,44,测试说明,2023/1/9,45,测试-注意事项,相位差测量：波形不标准，测量波形（过零点）比较有一定难度严格按照要求：RS=30，值小电压降不下来电路形式：有价升压电路的滤波问题：波形无法测量-不稳、方波（无PWM控制）功率：散热问题、连线太细等滤波：RC滤波不对接线：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,2023/1/9,46,题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果,202
14、3/1/9,47,A题测试情况,湖北省A题参赛队：54（总队数：466）,2023/1/9,48,2023/1/9,49,国家奖69：一等19、二等50,2023/1/9,50,Thank You!,三峡大学欢迎您！,2023/1/9,51,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,而光伏发电作为可再生能源利用的重要的技术方式之一,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,输出特性受光照、温度等因素的影响,使得光伏电池的输出功率随着环境的变化不断发生变化,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,降低建造成本,就有必要对太阳能的输出功率进行跟踪控制即最大功率跟踪。,2023/1/9,52,Characteristic PV array power curve,2023/1/9,53,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现方法,大概可以归纳为六种方法:恒定电压及其改进算法;恒定电流及其改进算法;扰动观察法;增量电导法;模糊逻辑控制;神经网络控制。1 张建坡等，光伏系统中最大功率跟踪算法仿真研究，计算机仿真,2010年 01期,
