電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽-光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置.ppt

2020/8/10,1,2010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(jì)競(jìng)賽工作研討會(huì)-2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)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,2020/8/10,2,題目分析 方案選擇 參數(shù)計(jì)算 測(cè)試說(shuō)明 參賽結(jié)果,2020/8/10,3,題目分析 方案選擇 參數(shù)計(jì)算 測(cè)試說(shuō)明 參賽結(jié)果,2020/8/10,4,光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置（A題）,一、任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)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(hào)，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(hào)； 負(fù)載電阻RL=30-36。,2020/8/10,5,圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖,2020/8/10,6,1基本要求 （1）具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能：RS和RL在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使 相對(duì)偏差的絕對(duì)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(shí)，使uF的頻率fF=fREF，相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于1%。 （3）當(dāng)RS=RL=30時(shí)，DC-AC變換器的效率60%。 （4）當(dāng)RS=RL=30時(shí)，輸出電壓uo的失真度THD5%。 （5）具有輸入欠壓保護(hù)功能,動(dòng)作電壓Ud（th）=(250.5)V。 （6）具有輸出過(guò)流保護(hù)功能,動(dòng)作電流Io（th）=(1.50.2)A。,2020/8/10,7,2發(fā)揮部分 (1)提高DC-AC變換器的效率，使80%（RS=RL=30時(shí)）。 (2)降低輸出電壓失真度，使THD1%（RS=RL=30時(shí)）。 (3)實(shí)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(shí)，均能保證uF與uREF同相，相位偏差的絕對(duì)值5。 (4)過(guò)流、欠壓故障排除后，裝置能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)。 (5)其他。,2020/8/10,8,三、說(shuō)明 1本題中所有交流量除特別說(shuō)明外均為有效值。 2US采用實(shí)驗(yàn)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(shí)間不大于1s。 6裝置應(yīng)能連續(xù)安全工作足夠長(zhǎng)時(shí)間，測(cè)試期間不能出現(xiàn)過(guò)熱等故障。 7制作時(shí)應(yīng)合理設(shè)置測(cè)試點(diǎn)（參考圖1），以方便測(cè)試。 8設(shè)計(jì)報(bào)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(cè)試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序和完整的測(cè)試結(jié)果用附件給出。,2020/8/10,9,題目分析 方案選擇 參數(shù)計(jì)算 測(cè)試說(shuō)明 參賽結(jié)果,2020/8/10,10,電子制作 2010/02 武漢大學(xué)-聞長(zhǎng)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(bào)告,2020/8/10,11,圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖,2020/8/10,12,1.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(jí)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(dòng)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(duì)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。,2020/8/10,13,2.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(diǎn)時(shí)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(chǔ)器，經(jīng)過(guò)數(shù)字比較產(chǎn)生對(duì)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(jiǎn)單，實(shí)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(hào)。,2020/8/10,14,2020/8/10,15,方案一：?jiǎn)螛O性控制方式,ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)唷?當(dāng)uruc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud 。 當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0 。,2020/8/10,16,方案二：雙極性控制方式,當(dāng)ur uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào) 當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào),2020/8/10,17,方案三：?jiǎn)螛O倍頻正弦脈寬調(diào)制,vrvc時(shí)，VA為正，T1通態(tài)，T2截止。 vr0時(shí)，VB為正，T4通態(tài)，T3截止。 vr+vc0 vr-vc ；,2020/8/10,18,2020/8/10,19,uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，其峰峰值為2V，頻率fREF為45Hz-55Hz； 頻率測(cè)量 過(guò)零點(diǎn)測(cè)量 相位的適當(dāng)修正,2020/8/10,20,3、信號(hào)采集部分,采集信號(hào)包括前級(jí)直流輸入電壓、電流，后級(jí)交流輸出電壓、電流，輸入?yún)⒖己头答佇盘?hào)的頻率、相位。直流輸入電流值采用電流檢測(cè)放大器INA206 對(duì)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(guò)線性光耦隔離取樣，通過(guò)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(hào)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。,2020/8/10,21,4.保護(hù)電路,系統(tǒng)具有欠壓保護(hù)、過(guò)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(cè)輸入電壓Ud和輸出電流IO，采用試觸方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)功能。當(dāng)檢測(cè)到欠壓狀態(tài)和過(guò)流狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)斷開繼電器，經(jīng)過(guò)4s延時(shí)后再次導(dǎo)通電路進(jìn)行檢測(cè)，直到故障排除為止。此外系統(tǒng)還附加短路保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，短路保護(hù)電路具有自鎖功能。,2020/8/10,22,2020/8/10,23,2020/8/10,24,題目分析 方案選擇 參數(shù)計(jì)算 測(cè)試說(shuō)明 參賽結(jié)果,2020/8/10,25,圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖,2020/8/10,26,方案二：雙極性控制方式,當(dāng)ur uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào) 當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào),2020/8/10,27,2020/8/10,28,圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖,C,Is,2020/8/10,29,U,基波,感性電流,Id,2020/8/10,30,2020/8/10,31,電容電流：Ic=Id-Is,2020/8/10,32,2020/8/10,33,RS和RL在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，Ud相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于1% 30*1%=0.3V C=6000-10000UF,2020/8/10,34,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。,2020/8/10,35,LC 低通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì),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(shí)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(shí)際測(cè)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：,2020/8/10,36,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(hào)（電網(wǎng)電壓信號(hào)）到逆變橋的輸出最多一個(gè)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(gè)頻率變化的范圍內(nèi)，都可以滿足相位跟蹤指標(biāo)要求。,2020/8/10,37,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(duì)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。,2020/8/10,38,保護(hù)電路設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)適當(dāng)?shù)氖箚纹M(jìn)入低功耗模式，以減少系統(tǒng)的損耗。,2020/8/10,39,題目分析 方案選擇 參數(shù)計(jì)算 測(cè)試說(shuō)明 參賽結(jié)果,2020/8/10,40,測(cè)試記錄與評(píng)分表,2020/8/10,41,測(cè)試記錄與評(píng)分表,2020/8/10,42,測(cè)試記錄與評(píng)分表,2020/8/10,43,測(cè)試說(shuō)明,2020/8/10,44,測(cè)試說(shuō)明,2020/8/10,45,測(cè)試-注意事項(xiàng),相位差測(cè)量：波形不標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量波形（過(guò)零點(diǎn)）比較有一定難度 嚴(yán)格按照要求：RS=30，值小電壓降不下來(lái) 電路形式：有價(jià)升壓電路的 濾波問(wèn)題：波形無(wú)法測(cè)量-不穩(wěn)、方波（無(wú)PWM控制） 功率：散熱問(wèn)題、連線太細(xì)等 濾波：RC濾波不對(duì) 接線：所有在實(shí)驗(yàn)室接好，不能現(xiàn)場(chǎng)接線 自制信號(hào)源：使用實(shí)驗(yàn)室儀器,2020/8/10,46,題目分析 方案選擇 參數(shù)計(jì)算 測(cè)試說(shuō)明 參賽結(jié)果,2020/8/10,47,A題測(cè)試情況,湖北省A題參賽隊(duì)：54 （總隊(duì)數(shù)：466）,2020/8/10,48,2020/8/10,49,國(guó)家獎(jiǎng)69：一等19、二等50,2020/8/10,50,Thank You !,三峽大學(xué)歡迎您！,2020/8/10,51,最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）,太陽(yáng)能作為一種清潔、安全、取之不盡的可再生能源對(duì)于解決世界面臨的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)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(yáng)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(shí)際的光電轉(zhuǎn)換效率受到一定的限制。為了充分利用太陽(yáng)能,降低建造成本,就有必要對(duì)太陽(yáng)能的輸出功率進(jìn)行跟蹤控制即最大功率跟蹤。,2020/8/10,52,Characteristic PV array power curve,2020/8/10,53,最大功率跟蹤算法,太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤算法根據(jù)判斷原理和實(shí)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(dòng)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(jì)算機(jī)仿真, 2010年 01期,