光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的設(shè)計【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置的設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p>

2、<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在能源短

3、缺的今天，經(jīng)常會用到各種各樣的能源來滿足人的日常需求。作為最環(huán)保最光伏的能源——太陽能，對其進(jìn)行一系列的開發(fā)利用已經(jīng)不是一件新鮮事了，例如比較常見的即太陽能發(fā)電。</p><p>　　我國是世界上主要的能源生產(chǎn)和消費大國之一，提高能源利用效率，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)新能源和可再生能源是實現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展在能源方面的重要選擇。所以在不久的將來，太陽能將被廣泛利用而光伏利用的主要形式將是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。</

4、p><p>　　本系統(tǒng)的電路主要由整流濾波、DC-AC變換、控制系統(tǒng)等組成。輸入的電壓經(jīng)過整流濾波變成直流電壓60V，然后經(jīng)過正弦脈寬調(diào)整（SPWM）的方式進(jìn)行全橋逆變，形成占空比不斷變換的SPWM波形，再經(jīng)過DC-AC逆變電路經(jīng)過整理濾波，輸出滿足題目所要求的正弦波。該系統(tǒng)的DC-AC電路采用了全橋逆變電路，驅(qū)動芯片采用IRS2453?？刂撇糠謩t采用了ATMEL的 MEGA128單片機(jī)，用于SPWM波形產(chǎn)生以及數(shù)據(jù)

5、的采集和控制功能。實現(xiàn)了對電壓進(jìn)行逆變并且并入模擬電網(wǎng)以達(dá)到具有最大功率點跟蹤功能，并相對偏差的絕對值不大于1% ，具有頻率跟蹤功能，并具有輸入欠壓保護(hù)功能和輸出過流保護(hù)功能的技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：SPWM，規(guī)則采樣法，逆變電路，AVR單片機(jī)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Nowad

6、ays is an age of the shortage of energy sources, thus people make every use of various kinds of energy to meet their daily demand. Solar power, as a kind of most environmental and photovoltaic energy, has been exploited

7、and utilized successively which is not new to the public for example, solar power generation is known to all. </p><p>　　As China is one of the world’s major energy producing and consuming countries, it is vi

8、tal to choose a way to improve energy efficiency, adjust energy structure and exploit new and renewable energy resources in order to achieve the sustainable development of our country’s economy and society in the energy

9、sector. Hence, solar PV will be widely used and as the main form of the grid system in the near future.朗讀</p><p>　　The system mainly consists of the rectifier filter circuit, DC-AC conversion and control sys

10、tem components. Input voltage is rectified and filtered into a DC voltage 60V, and then through the sinusoidal pulse width adjustment (SPWM) means full-bridge inverter, changing the duty cycle of SPWM waveform, and then

11、after a DC-AC inverter circuit through the finishing filter, the output sine wave required to meet the subject. The system of DC-AC inverter circuit uses a full bridge circuit, the driver </p><p>　　Key words

12、: SPWM, Regular Sampling, Inverter circuits, AVR microcontroller </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1　引言1</b></p><p><b>　　2 總體設(shè)計2</b></p>

13、<p>　　2.1方案的設(shè)計和論證2</p><p>　　2.1.1 DC-AC轉(zhuǎn)換方案選擇2</p><p>　　2.1.2正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的產(chǎn)生方法4</p><p>　　2.1.3 控制模塊MCU的選擇6</p><p><b>　　3　硬件設(shè)計8</b></p>&l

14、t;p>　　3.1 微處理器系統(tǒng)8</p><p><b>　　3.2驅(qū)動電路8</b></p><p>　　3.3 脈沖寬度調(diào)制電路10</p><p>　　3.4控制電路11</p><p>　　3.5 電源模塊電路設(shè)計12</p><p>　　3.6 過壓檢測、過流保護(hù)電路

15、設(shè)計13</p><p><b>　　4　軟件設(shè)計14</b></p><p>　　4.1 總體程序流程圖14</p><p>　　4.2 產(chǎn)生SPWM信號的流程圖15</p><p>　　4.2.1輸出頻率計算子程序15</p><p>　　4.2.2輸出頻率設(shè)置子程序16</

16、p><p>　　4.2.3顯示程序17</p><p>　　4.3AD轉(zhuǎn)換子程序20</p><p>　　5　制作和調(diào)試23</p><p>　　5.1硬件電路的布局與焊接23</p><p>　　5.1.1 電路組成23</p><p>　　5.1.2 電路焊接23</p>

17、<p>　　5.2調(diào)試電路23</p><p>　　5.2.1調(diào)試過程23</p><p>　　5.2.2調(diào)試結(jié)果24</p><p>　　5.3開發(fā)工具概述25</p><p><b>　　6　結(jié)論26</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p

18、><p>　　附錄1 系統(tǒng)實物圖28</p><p>　　附錄2 實驗主要原理圖29</p><p>　　附錄3 程序代碼30</p><p><b>　　1　引言</b></p><p>　　我國是世界上太陽能資源豐富的國家之一，太陽能理論總儲量為147100000000吉千瓦/年，從理

19、論上講，除去農(nóng)田、草原、森林、河流、湖泊、道路等，在任何荒地和建筑上都可以安裝光伏組件[1]。我國的并網(wǎng)光伏發(fā)電起步較晚，近年發(fā)展很快，截止2003年底，全國共有大中型太陽能光伏電站800多座，我國己初步掌握了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，但是用于光伏并網(wǎng)發(fā)電中還有一些需要改善的地方。</p><p>　　為此，本課題的目的是設(shè)計一個能夠提高太陽能利用率減少電能損耗的光伏電網(wǎng)模擬裝置。本方案的電路主要由模擬光伏電池

20、、整流濾波、DC-AC變換、控制系統(tǒng)等組成。輸入的電壓經(jīng)過整流濾波變成直流電壓60V，然后經(jīng)過正弦脈寬調(diào)整（SPWM）的方式進(jìn)行全橋逆變，經(jīng)過DC-AC逆變電路進(jìn)行整流濾波，輸出滿足題目所要求的正弦波。硬件部分的驅(qū)動芯片是IRS2453，其特點是導(dǎo)通損耗低，開關(guān)效率高，是一個自振全橋驅(qū)動器，提高了開關(guān)電源的效率，符合當(dāng)前全世界所提倡的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)?？刂菩酒瑒t是使用ATMEL的 MEGA128單片機(jī)。所有的AVR單片機(jī)都帶有PWM輸出,AD，

21、USART等常用的資源，并且價格相對低廉，且對于本課題的要求，產(chǎn)生SPWM波以及進(jìn)行參考電壓的頻率測量，已經(jīng)需要2個16位的定時器了，同時考慮到系統(tǒng)軟件設(shè)計所需要的資源，通過選擇，故采用MEGA128單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制部分的MCU。</p><p><b>　　2 總體設(shè)計</b></p><p>　　2.1方案的設(shè)計和論證</p><p&g

22、t;　　根據(jù)此課題的要求，總體思路為，通過一個整波電路，模擬光伏發(fā)電產(chǎn)生的60v電壓，再通過一個30歐姆的電阻連入DC-AC全橋逆變電路，最后通過濾波后接入負(fù)載（如圖2-1）。</p><p>　　圖2-1光伏并網(wǎng)模擬裝置系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.1.1 DC-AC轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　采用全橋型帶變壓器的DC-AC轉(zhuǎn)換。前級為功率因數(shù)校正（PFC）

23、電路，由Boost變換器構(gòu)成（如圖2-2），用于提高電網(wǎng)測功率因數(shù)、降低網(wǎng)側(cè)電流的THD值，并為逆變部分提供一個合適的直流母線電壓。后級的全橋逆變電路（如圖2-3）完成正弦波逆變、快速調(diào)壓穩(wěn)流功能。逆變輸出的高頻SPWM波經(jīng)過LC濾波，得到平滑正弦波。</p><p>　　圖2-2 Boost電路</p><p>　　升壓斬波電路在工作時，當(dāng)電路中V處于通態(tài)時，電壓向電感充電，充電電流基本

24、恒定，同時電容C上的電壓向負(fù)載充電 ，因為電容的值很大，基本能持輸出電壓為恒值。假設(shè)當(dāng)V處于通態(tài)的時間為t1，此時E和L都向電容C充電，并向R提供能量；V處于斷態(tài)的時間為t2，此期間電感L釋放能量u0如公式（2-1）。 </p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是L儲能只具有使

25、電壓上升的作用，二是電容C可將輸出的電壓保持住。由圖可以看出當(dāng)V處于通態(tài)時因為電容的作用使得輸出的電壓U不變，但實際上C值不可能無窮大，此時其向負(fù)載放電，U必然會有所下降。</p><p>　　單相電壓型全橋逆變電路共有4個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。4個橋臂交叉組對，即橋臂1、4和橋臂2、3各組成一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180°[9]。其輸出電壓幅值比半橋電路高出一倍。&

26、lt;/p><p>　　圖2-3 單相電壓型橋式逆變電路 </p><p>　　工程設(shè)計時，通常要在帶寬、頻率精度、頻率切換時間、相位噪聲等要求中綜合考慮。因此，出現(xiàn)多種技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)成的混合頻率合成技術(shù)。采用變壓器，可起到隔離輸入輸出信號，且做到輸入輸出電壓寬，占空比合適；采用雙管推挽自耦變壓器，使得兩個晶閘管輪流導(dǎo)通，提高效率；同時起著開關(guān)作用；另外這可降低對開關(guān)器件的要求，且全波整流紋波

27、系數(shù)低。</p><p>　　2.1.2正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的產(chǎn)生方法</p><p>　　在模擬電子電路中，采用正弦波發(fā)生器，三角波發(fā)生器和比較器來實現(xiàn)上述的SPWM波。利用三角波發(fā)生器產(chǎn)生的等腰三角波作為載波，當(dāng)它與正弦波調(diào)制信號相交時，通過比較器進(jìn)行比較出的波形就是SPWM波。雖然本方案產(chǎn)生的SPWM波信號具有連續(xù)性好，控制方式相對簡單。但是在本題中，需要對產(chǎn)生的SPWM波做到精

28、細(xì)的控制，所以該方案在本題中難以得到應(yīng)用。</p><p>　　規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程使用方法，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期TC。在自然采樣法中，每個脈沖的中點不和三角波一周期的中點重合。而規(guī)則采樣法使兩者重合，也就使每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點對稱，這樣就使計算大大簡化，易于進(jìn)行數(shù)字控制。</p><p>　　由脈

29、寬調(diào)制技術(shù)方式構(gòu)成的逆變器，其輸入為一個固定不變的直流電壓源。這種逆變器由于只有一個可控的功率級，大大簡化了主電路和控制回路的結(jié)構(gòu)，且具有體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點。又因為此種逆變器集調(diào)壓、調(diào)頻于一身，所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)好。此外，采用脈寬調(diào)制技術(shù)不僅能夠提供較好的逆變器輸出電壓和電流波形，而且提高了逆變器對交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。</p><p>　　按正弦規(guī)律變化和正弦波等效的PWM波形來確定SPW

30、M脈沖寬度。它是一種使用的比較多的脈沖寬度調(diào)制控制方法，也是目前在單相正弦逆變電源的逆變器中普遍采用的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)。然而在工程實際中應(yīng)用最多的是正弦PWM(SPWM)法。此法通常采用等腰三角形或者鋸齒波作為PWM波的載波，等腰三角形應(yīng)用最多，因為其任意一點水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱，與任一平緩變化的調(diào)至信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求[10] 。SPWM調(diào)制是指按照波

31、形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效 [3]。圖2-4示三角波調(diào)制法的能量等效圖。</p><p>　　為了得到更加接近于正弦波的脈寬調(diào)制波形，我們可以將一個正弦波的周期在時間上劃分為A等分(A是偶數(shù))，每一等分的脈寬都是2π/A。這樣就可以分別計算出在各個時間間隔段內(nèi)所包含的面積，如圖2-5在特定的時間間隔中，我們都可以用一個脈寬與其對應(yīng)的正弦波

32、所包含的面積相等或成比例。用脈沖幅度都等于U的一個矩形脈沖來分別代替相應(yīng)的正弦波部分，這樣由A份寬度不等的脈沖就組成了一個與正弦波等效的脈寬調(diào)制波形，即SPWM波。</p><p>　　按SPWM控制方式，全橋逆變器的控制脈沖可分為雙極性控制方式和單極性控制方式。當(dāng)三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式如圖2-7。如果在正弦

33、調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式如圖2-6</p><p>　　圖2-4PWM調(diào)制原理 圖2-5極性SPWM原理 圖2-6雙極性SPWM原理</p><p>　　基于上面SPWM基本原理的分析，通過正弦調(diào)制波對載波的脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，我們就能得到等幅值不等脈寬的正弦波電壓[8]。此脈寬調(diào)制的一個重

34、要特點是輸出波形中基本不包含有低次諧波，在脈寬輸出波中僅僅存在與載波頻率相近的高次諧波。實現(xiàn)正弦波脈寬調(diào)制波形有多種方法，主要有模擬方法，數(shù)字方法等。</p><p>　　在模擬電子電路中，采用正弦波發(fā)生器，三角波發(fā)生器和比較器來實現(xiàn)上述的SPWM波。利用三角波發(fā)生器產(chǎn)生的等腰三角波作為載波，當(dāng)它與正弦波調(diào)制信號相交時，通過比較器進(jìn)行比較出的波形就是SPWM波[9]。如圖2-7雖然本方案產(chǎn)生的SPWM波信號具有連

35、續(xù)性好，控制方式相對簡單。但是在本題中，需要對產(chǎn)生的SPWM波做到精細(xì)的控制，所以在本題中難以得到應(yīng)用。</p><p>　　圖2-7 模擬電路之比較器實現(xiàn)SPWM</p><p>　　2.1.3 控制模塊MCU的選擇</p><p>　　51單片機(jī)廉價并且供貨充足。但是在本題所需要的控制系統(tǒng)中需要實時產(chǎn)生SPWM波形已經(jīng)進(jìn)行實時的計算，由于傳統(tǒng)的51單片機(jī)沒有PW

36、M輸出模塊，且資源相對較少，難以進(jìn)行控制。雖然市面上有“增強(qiáng)型”的51單片機(jī)帶有PWM輸出及AD檢測等功能，但是供貨相對緊張，價格較貴，且多數(shù)并不具有很好的IDE環(huán)境。因此，在本設(shè)計方案中不采用51單片機(jī)進(jìn)行控制。</p><p>　　AVR單片機(jī)是具有精簡指令結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，且采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有較高的運算速度，最高可以達(dá)到16MIPS。一般來說所有的AVR單片機(jī)都帶有PWM輸出,AD，USART等常用的資源，

37、并且價格相對低廉。目前較通用的單片機(jī)系統(tǒng)有，AT89系列、PIC16F87系列、C8051系列、AVR系列單片機(jī)，如表2-1</p><p>　　具體比較：MEGA128高性能8位單片微型計算機(jī)。它把構(gòu)成計算機(jī)的中央處理器CPU、存儲器、寄存器、I/O接口制作在一塊集成電路芯片中，從而構(gòu)成較為完整的計算機(jī)。高性能、低功耗具有先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)，大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成133 條指令有32 x 8 通用工

38、作寄存器外設(shè)控制寄存器且全靜態(tài)工作，工作于16 MHz 時性能高達(dá)16 MIPS只需兩個時鐘周期的硬件乘法器非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器，其具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū)能通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程實現(xiàn)真正的讀- 修改- 寫操作。AVR Studio作為其IDE開發(fā)環(huán)境，可以便捷的進(jìn)行下載和仿真等功能。更具本題的要求，產(chǎn)生SPWM波以及進(jìn)行參考電壓的頻率測量，已經(jīng)需要2個16位的定時器了，同時考率到系統(tǒng)軟件設(shè)計所需要的資源，通過

39、選擇，故采用MEGA128單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制部分的MCU。</p><p><b>　　3　硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1 微處理器系統(tǒng)</p><p>　　綜合考慮本系統(tǒng)的微處理器采用ATmega128為主控芯片，ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時

40、間，ATmega128 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega128單片機(jī)是集模擬、數(shù)字信號為一體的混合信號系統(tǒng)的高速單片機(jī)，其采用表面貼片封裝，具有體積小、運算速度高，采用流水線指令結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高，70％的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期，片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)電路及其它功能部件，工作

41、電壓為4.5～5.5V。這些外設(shè)電路或功能部件如表3-1所示。該課題的研究主要是利用其所具有豐富的資源。 </p><p><b>　　3.2驅(qū)動電路</b></p><p>　　驅(qū)動電路的作用是將單片機(jī)控制電路輸出的脈沖信號放大到足以驅(qū)動MOSFET，所以單從原理上講，驅(qū)動電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大器。驅(qū)動電路的最佳驅(qū)動特性應(yīng)具有如下特性：<

42、/p><p>　　1.MOS管開通時，驅(qū)動電路提供的基極電流的上升沿應(yīng)該可以快速生成，可以迅速使其開通。</p><p>　　2. MOS管關(guān)斷瞬間，驅(qū)動電路也應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)動，以迅速抽出基區(qū)的剩余載流子，并加反偏截止電壓，使集電極電流迅速下降以減少下降時間。</p><p>　　3.在MOS管導(dǎo)通期間，驅(qū)動電路提供的基極電流在任何負(fù)載情況下都能保證MOS管處于

43、飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使MOS管的飽和壓降較低，以保證低的導(dǎo)通損耗。</p><p>　　4.為保護(hù)MOS管柵極，在欠壓、過壓或負(fù)載電流超過預(yù)定峰值時，柵極信號應(yīng)處于低電平狀態(tài)。</p><p>　　5.驅(qū)動電路損耗要小，電路盡可能簡單可靠，還常采取必要的隔離措施。</p><p>　　通過對比，本系統(tǒng)選擇了美國 IR公司的IRS2453。IRS2453自振全橋驅(qū)動器具有較

44、高的工作電壓（600V），內(nèi)部有一個類似于555定時器的頻率可設(shè)置的振蕩器，還有一個全橋柵極驅(qū)動，這可保證其精確的死區(qū)時間。在此芯片內(nèi)部，有一個MOSFET組成的全橋電路。這樣的構(gòu)造的好處是一方面節(jié)省了外部器件，降低了成本；另一方面，節(jié)省了空間，使整個電源的體積縮小，更重要的是，在芯片內(nèi)部，開關(guān)管工作的占空比固定。據(jù)計算在該全橋電路前端結(jié)構(gòu)中，各開關(guān)管的占空比可接近50%，這使得全橋電路中開關(guān)管的占空比可達(dá)到95%，甚至更高。而通常情況

45、下，開關(guān)管的最大占空比小于80%。這樣，全橋電路中開關(guān)管的占空比上升，導(dǎo)通損耗下降。而且，本設(shè)計屬不調(diào)節(jié)脈寬形式，效率得到了很大程度的提高。</p><p>　　MOSFET的型號選擇:</p><p>　　MOSFET是一種可以廣泛使用在類比電路與數(shù)位電路的場效晶體管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與p-type

46、的MOSFET，通常又稱為NMOS與PMOS。MOSFET有三個極，其分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(C)。MOSFET己經(jīng)越來越廣泛的被用作大功率電力電子器件，并且其集成化和智能化水平越來越高。其主要優(yōu)點：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。缺點：擊穿電壓低，工作電流小。在此課題中為了，要計算在MOSFET中流過的電流來確定MOSFET的型號。假定單相逆變電源的額定輸出功率Po=0.5Kw；額定輸出電壓Ua=220V。</p>

47、<p>　　其中，安全裕度K=2.5，系統(tǒng)直流輸入電壓為60V左右。通過綜合考慮，我選取飛利浦公司的N溝導(dǎo)IRF540型MOSFET，如圖3-1。正常工作時可通的峰值電流為23A。反向擊穿電壓有100V。</p><p>　　圖3-1 IRF540</p><p>　　所以綜上所述，由于IRS2453可以自動產(chǎn)生上下兩組橋壁MOS管的驅(qū)動信號通過PD1，PD2輸出，同時自帶死區(qū)

48、調(diào)節(jié)，因此單片機(jī)只需要輸出一路SPWM信號則可以驅(qū)動芯片工作。設(shè)計的驅(qū)動電路圖如圖3-2。</p><p><b>　　圖3-2驅(qū)動電路</b></p><p>　　3.3 脈沖寬度調(diào)制電路</p><p>　　所謂脈寬調(diào)制技術(shù)，就是在周期不變的條件下，通過改變脈沖寬度(或者用占空比表示)，甚至可以將脈沖波形斬切為若干段，同時達(dá)到抑制諧波目的的

49、一種方法。由于脈寬調(diào)制技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波抑制，在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點，所以使得逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。（如圖3-3）</p><p>　　圖3-3 脈沖調(diào)制電路</p><p>　　規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程使用方法，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期TC。在自然采樣法中，每個脈沖的中點不和三

50、角波一周期的中點重合。而規(guī)則采樣法使兩者重合，也就使每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點對稱，這樣就使計算大大簡化，易于進(jìn)行數(shù)字控制。</p><p>　　市場上有一些專門用于發(fā)生SPWM控制信號的集成電路芯片，用這些芯片比用軟件生成SPWM方便得多。已投入市場的專用芯片有HEF4752，SLF4520，MA818，SG3525等。例如如80C196MC這一類的單片機(jī)本身就帶有直接輸出的SPWM信號端口，用這種芯片

51、產(chǎn)生SPWM波也比用純軟件方法要方便的多。</p><p><b>　　3.4控制電路</b></p><p>　　由圖3-4可知，控制電路總體上可分為一下幾部分：信號調(diào)理部分，單片機(jī)供電模塊，PWM波輸出部分， JTAG調(diào)試接口部分，顯示模塊等。電源模塊就是一個簡單的整流模塊，因為單片機(jī)的工作電壓為5v，因此必須整流出一個4.5v—5.5v的安全電壓；信號調(diào)理部分用

52、來對電壓、電流信號、參考頻率進(jìn)行采樣，部分通過A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)，輸出的PWM波是由單片機(jī)采用相位修正PWM 模式，經(jīng)內(nèi)部定時器比較單元產(chǎn)生SPWM波形，輸出給光耦TLP250，經(jīng)驅(qū)動芯片來控制逆變器從而產(chǎn)生正弦波。顯示模塊用帶有中文字庫的12864液晶模組對其進(jìn)行顯示。</p><p>　　在線調(diào)試和仿真通過JTAG標(biāo)準(zhǔn)測試接口及相應(yīng)的控制器。JTAG接口實現(xiàn)了3個功能：采用邊界掃描功能對芯片進(jìn)行檢測；對芯片

53、內(nèi)部的非易失性存儲器（Flash和E2PROM）、熔絲進(jìn)行編程；實現(xiàn)在線調(diào)試（On-Chip Debugging）仿真[17]。在ATmega128中，支持?jǐn)帱c的設(shè)置和程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器的訪問，程序的單步運行和跟蹤，以及對程序的分支和外部中斷進(jìn)行計數(shù)等。結(jié)合ATMEL的集成開發(fā)環(huán)境與JTAG接口可以使系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試更加方便。</p><p>　　圖3-4 控制電路主圖</p><p>

54、;　　3.5 電源模塊電路設(shè)計</p><p>　　電源模塊主要器供電作用，給各個芯片供電。220v電壓經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過4個二極管組成的整流橋整流后，再經(jīng)過濾波到達(dá)電壓芯片7805，最后輸出需要的直流電壓值（如圖3-5。</p><p>　　電源模塊主要功能就是給系統(tǒng)中的芯片供電，由于ATMega128的工作電壓為通常單片機(jī)使用的+5V而驅(qū)動芯片IRS2453用的是15V，所以電源模

55、塊要設(shè)計成多等級的多輸出的電源。</p><p>　　圖3-5 電源管理單元電路</p><p>　　3.6 過壓檢測、過流保護(hù)電路設(shè)計</p><p>　　電源過壓、過流都將對開關(guān)電源造成嚴(yán)重的傷害，主要表現(xiàn)為電子器件因承受過高的電壓超出正常的使用范圍，電氣性能指標(biāo)遭破壞而不能滿足所要達(dá)到的技術(shù)要求，甚至損壞。如果供電缺相或者電路故障從而使得電壓過低，將直接影響

56、電源正常工作，因此對輸入電源的上、下限要需要限制到額定的值。同理過流對電子元件的損害也是一樣的嚴(yán)重。本設(shè)計只要求對其輸入電壓具有過壓保護(hù)功能和輸出電流過流保護(hù)功能如圖3-6。對于電源過壓保護(hù)，由于ATMega128單片機(jī)自帶AD模塊，所以只要通過AD采集模塊對輸入電壓進(jìn)行采集，輸入單片機(jī)比較當(dāng)高于某個值時，ATMega128單片機(jī)不工作時，從而不給驅(qū)動電路信號，MOSFET將不能工作以實現(xiàn)對電路輸入過壓保護(hù)的保護(hù)作用。過流保護(hù)與過欠壓保

57、護(hù)電路原理基本相同，只是采集的方式不同。過流保護(hù)電路必須在外面加一個定值電阻，采集輸出的定值電阻兩端的電壓值，然后經(jīng)過393比較器與外部給的額定的電壓值比較后輸入給單片機(jī)值，并進(jìn)行判斷，從而決定主電路的工作，從而實現(xiàn)輸出電流過流保護(hù)功能，達(dá)到題目要求。</p><p><b>　　圖3-6 過流保護(hù)</b></p><p><b>　　4　軟件設(shè)計</

58、b></p><p>　　數(shù)控方波信號發(fā)生器的軟件系統(tǒng)主要包括初始化程序模塊、波形選擇與輸出模塊、幅值與周期調(diào)節(jié)模塊，編程軟件為AVR Studio，編程語言為C語言。程序全部由C語言編寫，可實現(xiàn)波形類型的選擇、頻率和電壓的步進(jìn)遞增，同時通過按鍵對液晶模塊顯示的選擇。顯示部分可以實時顯示輸出信號的類型、幅度、頻率值。</p><p>　　4.1 總體程序流程圖</p>

59、<p>　　圖4-1 總體程序流程圖</p><p>　　4.2 產(chǎn)生SPWM信號的流程圖</p><p>　　產(chǎn)生SPWM信號的流程圖4-2所示</p><p>　　圖4-2 產(chǎn)生SPWM信號的流程圖</p><p>　　4.2.1輸出頻率計算子程序</p><p>　　unsigned int get

60、_out_frequency(unsigned int top)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int f_number;</p><p>　　f_number = 156250 / top;//計算出相對應(yīng)的輸出頻率值</p><p>　　return f_num

61、ber;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//-------參考頻率計算子程序--------//</p><p>　　unsigned int get_ref_frequency(unsigned int t_cnt,unsigned int f_old)</p><p><b>

62、　　{</b></p><p>　　unsigned int f_number;</p><p>　　f_number = 10000000 / t_cnt;//計算出相對應(yīng)的參考頻率值</p><p>　　if(f_number > 550)</p><p>　　f_number = f_old;</p>

63、<p>　　if(f_number < 450)</p><p>　　f_number = f_old;</p><p>　　return f_number;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　為了計算出輸出頻率和參考頻率，并將兩個結(jié)果進(jìn)行對比看看是否符合要求。</p&g

64、t;<p>　　4.2.2輸出頻率設(shè)置子程序</p><p>　　void set_out_frequency(unsigned int f_number)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int top;</p><p>　　top = 156250 / f_

65、number;</p><p>　　t1_top = top;</p><p>　　set_flag = 1;//設(shè)置標(biāo)記位置1</p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//-------

66、輸出相位設(shè)置子程序--------//</p><p>　　void set_out_phasre(unsigned int f_number)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int i,j;</p><p>　　i = f_number / 10;</p>

67、<p><b>　　switch(i)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 450:j=140;break; //查詢相位偏移量</p><p>　　case 460:j=140;break;</p><p>　　case 470:j=14

68、2;break;</p><p>　　case 480:j=145;break;</p><p>　　case 490:j=148;break;</p><p>　　case 500:j=148;break;</p><p>　　case 510:j=150;break;</p><p>　　case 520:j=15

69、2;break;</p><p>　　case 530:j=153;break;</p><p>　　case 540:j=154;break;</p><p>　　case 550:j=155;break;</p><p>　　default: j= phase_rel;</p><p><b>　　}&l

70、t;/b></p><p>　　phase_rel = j;</p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　} }</b></p><p>　　為了更加人性化，使得在程序在運用到其他的實際情況中可以修改數(shù)據(jù)，和便于調(diào)試。</p><p

71、><b>　　4.2.3顯示程序</b></p><p>　　//-------輸出頻率顯示子程序--------//</p><p>　　void disp_out_frequency(unsigned int f_number)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　

72、unsigned char i,j;</p><p>　　unsigned char disp_data[3];</p><p>　　disp_data[0] = f_number % 1000 / 100;//顯示頻率數(shù)值</p><p>　　disp_data[1] = f_number % 1000 % 100 / 10;</p><

73、p>　　disp_data[2] = f_number % 1000 % 100 % 10;</p><p>　　lcd12864_write_command(line2[5]);</p><p>　　for(i=0;i<2;i++)//12864液晶顯示數(shù)值</p><p><b>　　{</b></p>

74、;<p>　　j = disp_data[i];</p><p>　　lcd12864_write_data(number[j]);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　lcd12864_write_data(0x2e);</p><p>　　j = disp_data[2];<

75、;/p><p>　　lcd12864_write_data(number[j]);</p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//-------參考頻率顯示子程序-------//</p><p>　　void

76、 disp_ref_frequency(unsigned int f_number)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char i,j;</p><p>　　unsigned char disp_data[3];</p><p>　　disp_data[0] = f_numb

77、er % 1000 / 100;//顯示頻率數(shù)值</p><p>　　disp_data[1] = f_number % 1000 % 100 / 10;</p><p>　　disp_data[2] = f_number % 1000 % 100 % 10;</p><p>　　lcd12864_write_command(line3[5]);</p&

78、gt;<p>　　for(i=0;i<2;i++)//12864液晶顯示數(shù)值</p><p><b>　　{</b></p><p>　　j = disp_data[i];</p><p>　　lcd12864_write_data(number[j]);</p><p><b&

79、gt;　　}</b></p><p>　　lcd12864_write_data(0x2e);</p><p>　　j = disp_data[2];</p><p>　　lcd12864_write_data(number[j]);</p><p><b>　　return;</b></p>

80、<p><b>　　}</b></p><p>　　//----------顯示Ud電壓子程序--------//</p><p>　　void disp_ud_voltage(unsigned int ud)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned

81、char j,i;</p><p>　　unsigned char disp_data[4];</p><p>　　unsigned int temp;</p><p>　　temp = ud * 16;</p><p>　　disp_data[0] = temp / 1000;</p><p>　　disp_data

82、[1] = temp % 1000 / 100;</p><p>　　disp_data[2] = temp % 1000 % 100 / 10;</p><p>　　disp_data[3] = temp % 1000 % 100 % 10;</p><p>　　lcd12864_write_command(line4[5]);</p><p&

83、gt;　　for(i=0;i<2;i++)//12864液晶顯示數(shù)值</p><p><b>　　{</b></p><p>　　j = disp_data[i];</p><p>　　lcd12864_write_data(number[j]);</p><p><b>　　}</b

84、></p><p>　　lcd12864_write_data(0x2e);</p><p>　　for(i=2;i<4;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　j = disp_data[i];</p><p>　　lcd12864_write_data

85、(number[j]);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//----------顯示Us電壓子程序--------//</p><p&g

86、t;　　void disp_us_voltage(unsigned int us)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char j;</p><p>　　unsigned char disp_data[3];</p><p>　　unsigned int temp;</p

87、><p>　　temp = us * 16;</p><p>　　disp_data[0] = us % 1000 / 100;//顯示電源電壓數(shù)值</p><p>　　disp_data[1] = us % 1000 % 100 / 10;</p><p>　　disp_data[2] = us % 1000 % 100 % 10;&l

88、t;/p><p>　　lcd12864_write_command(line4[5]);</p><p>　　lcd12864_write_data(0x20);</p><p>　　j = disp_data[0];</p><p>　　lcd12864_write_data(number[j]);</p><p>　　

89、j = disp_data[1];</p><p>　　lcd12864_write_data(number[j]);</p><p>　　lcd12864_write_data(0x2e);</p><p>　　j = disp_data[2];</p><p>　　lcd12864_write_data(number[j]);</p

90、><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　為了實驗結(jié)果能夠一目了然，且能夠有一個比較明確的比較，則在12864液晶屏上直接顯示需要的參考電壓，目標(biāo)電壓。</p><p>　　4.3 AD轉(zhuǎn)換子程序</p><p>　

91、　//--------ADC初始化子程序---------//</p><p>　　void int_adc(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　ADMUX = 0x40;//AVCC加濾波電容，選擇通道1</p><p>　　ADCSRA = 0xef;//A

92、DC使能，連續(xù)轉(zhuǎn)換，中斷開啟，128分頻</p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//--------ADC初始化子程序---------//</p><p>　　SIGNAL(SIG_ADC)</p><p

93、><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int adc=0;</p><p>　　adc = ADCL + (ADCH << 8);</p><p>　　if(ADMUX == 0x40)</p><p><b>　　{</b></p><

94、;p>　　adc_bufer[0] = adc;//如果當(dāng)前是通道1</p><p>　　adc_flag1 = 1;</p><p>　　ADMUX = 0x41;</p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p>&l

95、t;p>　　if(ADMUX == 0x41)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　adc_bufer[1] = adc;//如果當(dāng)前是通道2</p><p>　　adc_flag2 = 1;</p><p>　　ADMUX = 0x40;</p><p>&

96、lt;b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　在本系統(tǒng)中，AD轉(zhuǎn)換器用于測量系統(tǒng)前端的輸入電壓的數(shù)值大小。AD轉(zhuǎn)換器的基本操作方法如下。</p><p>　　1、設(shè)置ADC多工選擇寄存器ADMUX的REFSn位選擇AD轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)源，通過ADLAR位選擇ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的對齊方

97、式。</p><p>　　2、設(shè)置ADC多工選擇寄存器ADMUX的MUXn位選擇當(dāng)前AD轉(zhuǎn)換通道及其增益模式。</p><p>　　3、設(shè)置ADC控制和狀態(tài)寄存器A—ADCSRA的ADPSn選擇XTAL時鐘與輸入到ADC的ADC時鐘之間分頻數(shù)。</p><p>　　4、使能AD轉(zhuǎn)換器，開啟ADC中斷使能。</p><p>　　5、執(zhí)行一次AD

98、轉(zhuǎn)換。</p><p>　　軟件為AD轉(zhuǎn)換器提供的函數(shù)接口有：</p><p>　　1、定時器3初始化: void int_adc(void)</p><p>　　函數(shù)入口參數(shù)：無。 函數(shù)出口參數(shù)：無。</p><p>　　函數(shù)作用：設(shè)定AD轉(zhuǎn)換器的工作模式，選擇AD轉(zhuǎn)換通道，并使能AD轉(zhuǎn)換器。<

99、/p><p>　　2、ADC中斷: SIGNAL(SIG_ADC)</p><p>　　函數(shù)入口參數(shù)：無。 函數(shù)出口參數(shù)：unsigned int vin。</p><p>　　函數(shù)作用：讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并作處理。</p><p><b>　　5　制作和調(diào)試</b></p>

100、<p>　　5.1硬件電路的布局與焊接</p><p>　　5.1.1 電路組成</p><p>　　為了便于焊接與調(diào)試，把電路劃分為三大模塊：</p><p>　?。?）主控芯片部分，包括主控芯片、晶振電路、復(fù)位電路；</p><p>　　（2）鍵盤顯示部分，包括12864液晶模塊、鍵盤；</p><p&g

101、t;<b>　　（3）驅(qū)動電路。</b></p><p>　?。?）SPWM產(chǎn)生電路</p><p>　?。?）過壓、過流保護(hù)電路。</p><p>　　5.1.2 電路焊接</p><p>　　焊接前應(yīng)熟悉芯片的各個引腳，焊接時參照電路圖，認(rèn)真焊接每個焊點，由于主控芯片是貼片芯片，引腳太細(xì)，對其焊接是在放大鏡下完成的。

102、焊接時遵循以下原則：</p><p>　?。?）焊接前將用萬用表將各個元件進(jìn)行測試，要確保元器件是完好的；</p><p>　?。?）先焊接各電源線，這樣確保各芯片有正常的工作電壓；</p><p>　?。?）焊接好一部分要用萬用表測試，避免虛焊、漏焊；</p><p>　　（4）同類的元件應(yīng)順序焊接可減低出錯率。</p>&l

103、t;p><b>　　5.2調(diào)試電路</b></p><p><b>　　5.2.1調(diào)試過程</b></p><p>　　首先，在調(diào)試前必須先檢查各電路是否有短路或斷路情況，保證電路正確無誤。上電后，用萬用表先檢查各端電壓是否正常，確定正常后正式進(jìn)行調(diào)試。</p><p>　　其次，用USB數(shù)據(jù)線將硬件于電腦相連接，將

104、硬件連上電源和示波器，然后，打開AVR Studio軟件。在項目開發(fā)中，并不是僅有一個源程序就行了，還要為這個項目選擇CPU，確定編譯、匯編、連接的參數(shù)，指定調(diào)試的方式，為了管理和使用方便，AVR Studio使用工程這一概念，將這些參數(shù)設(shè)置和所需的所有文件都加在一個工程中，只能對工程而不能對單一的源程序進(jìn)行編譯和連接等操作。</p><p>　　當(dāng)測試了硬件和軟件都能正常運行后，就可以編寫、燒錄、調(diào)試本課題的程

105、序了。硬件操作的過程是，先選擇波形，再輸入電壓幅值，然后輸入周期。要更改波形、電壓、周期，先復(fù)位，再重新輸入?yún)?shù)。</p><p>　　5.2.2調(diào)試結(jié)果 </p><p>　　1．FREF在給定范圍內(nèi)變化時，觀察UF的頻率FF及 FREF的偏差。如表5-1。</p><p>　　FNEF 為參考頻率，UF為輸出電壓，F(xiàn)F為檢測頻率。</p><

106、p>　　利用示波器可以看出在實現(xiàn)頻率跟蹤功能時，達(dá)到的效率為0.128%，如圖5-1，為50Hz時UF的FF和FREF的對比波形。</p><p>　　圖5-1 50Hz時FF和FREF的對比波形</p><p>　　2．實現(xiàn)欠壓保護(hù)功能時的圖（例：在45.7HZ時的欠電壓保護(hù)時電路）</p><p>　　圖5-2 當(dāng)Ud<25V時UF的FF 的波形

107、 圖5-3 當(dāng)Ud>25V時UF的FF和FREF的對比波形</p><p><b>　　3．電路誤差分析</b></p><p>　　電路主要利用模擬電子技術(shù)來實現(xiàn)，因此電路就不夠穩(wěn)定容易產(chǎn)生誤差。電路中雖然用到了高頻變壓器，但是合適的成品沒有，所以只能用手工繞成，因此所繞圈數(shù)和工藝不好，高頻容易受到干擾造成輸出紋波較大，最終使得實驗結(jié)果并不精準(zhǔn)。<

108、/p><p><b>　　5.3開發(fā)工具概述</b></p><p>　　AVR Studio集成開發(fā)環(huán)境是ATMEL公司退出的8位AVR單片機(jī)集成開發(fā)工具。它是一種快速而節(jié)省成本的完整軟件開發(fā)解決方案。</p><p>　　AVR Studio提供了一整套的開發(fā)調(diào)試工具，包括源代碼的編寫；指令的單步執(zhí)行和斷點設(shè)置；寄存器、存儲器以及I/O口的狀態(tài)

109、查看；目標(biāo)板的配置和管理，是一個非常完善的集成開發(fā)工具。AVR Studio目前最新版本是4.18 SP2，可以在Windows NT/2000/XP/Vista/7上運行。[18]。</p><p><b>　　6　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過近五個月的努力，即將完成本次課題設(shè)計的研究。主要工作包括硬件制作、軟件編程、畫電路原理圖、撰寫論文等幾個方面。雖已

110、基本完成，但仍有一些不足方面可以改進(jìn)。</p><p>　　按照要求，基本完成了任務(wù)。實現(xiàn)對光伏電壓進(jìn)行逆變并且并入模擬電網(wǎng)以達(dá)到具有最大功率點跟蹤（MPPT）功能，相對偏差的絕對值不大于1% ，具有頻率跟蹤功能，相對偏差絕對值不大于1%，輸出電壓的失真度THD≤5%，具有輸入欠壓保護(hù)功能，具有輸出過流保護(hù)功能的技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　本文在對逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)的研究過程中，主要

111、完成了以下工作：</p><p>　　1.本文分析了SPWM。三相SPWM逆變電源的基本工作原理，實現(xiàn)方式等，建立完整的單相SPWM逆變電源的仿真模型。</p><p>　　2.根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計方案，確定了系統(tǒng)硬件的類型，基本電路原理的設(shè)計，包括主電路，控制電路等。采用ATMEL公司的AVR單片機(jī)ATMega128，實現(xiàn)了逆變電源的實時控制。</p><p>　　3

112、.深入了解AVR單片機(jī)各項資料，實現(xiàn)了對光伏逆變系統(tǒng)中逆變電源的控制的軟件流程設(shè)計。</p><p><b>　　4.調(diào)試系統(tǒng)。</b></p><p>　　雖然本系統(tǒng)的設(shè)計方案，達(dá)到了系統(tǒng)最基本的要求，但是，仍有很多值得改進(jìn)的實現(xiàn)方式：</p><p>　　首先，逆變系統(tǒng)的硬件電路、濾波模塊仍有提高的余地，為減少MOS管的功耗和提高電能的質(zhì)量

113、，應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化各種控制電路、信號檢測采集電路和保護(hù)電路。其次，對SPWM的算法進(jìn)行了理論分析和比較，但是沒有對算法進(jìn)行進(jìn)一步的分析和改進(jìn)。</p><p>　　最后，所選AVR單片機(jī)功能相對比較強(qiáng)大，還可以增加其他功能，例如實現(xiàn)相位跟蹤功能、提高DC-AC變換器的效率、降低輸出電壓失真度，也可以用更加高端的單片機(jī)，例如DSP等。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b

114、></p><p>　　[1] 曲學(xué)基,曲敬凱,于明揚(yáng).逆變技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007,1.</p><p>　　[2] 沈輝,曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].上海:化學(xué)工業(yè)出版社,2005,9.</p><p>　　[3] 陳維,沈輝,鄧幼俊等.光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器技術(shù)應(yīng)用及展望[J].電力電子技術(shù)，2006,40(4):130～

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