电子设计竞赛--光伏并网发电模拟装置

2020/5/312010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2020/5/32题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果2020/5/33题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果2020/5/34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=30Ω-36Ω；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=30Ω-36Ω。2020/5/35图1并网发电模拟装置框图DC-ACUdIdio1uouREF+-RLuFuo1滤波器控制电路n1n2n3USRS+-Tio2020/5/361．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=30Ω时，DC-AC变换器的效率≥60%。（4）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。（5）具有输入欠压保护功能,动作电压Ud（th）=(25±0.5)V。（6）具有输出过流保护功能,动作电流Io（th）=(1.5±0.2)A。dS12UU2020/5/372．发挥部分(1)提高DC-AC变换器的效率，使≥80%（RS=RL=30Ω时）。(2)降低输出电压失真度，使THD≤1%（RS=RL=30Ω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。2020/5/38三、说明1．本题中所有交流量除特别说明外均为有效值。2．US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。4．DC-AC变换器效率，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。odPPoo1o1PUIdddPUI2020/5/39题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果2020/5/310《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)武汉理工大学、三峡大学报告2020/5/311图1并网发电模拟装置框图DC-ACUdIdio1uouREF+-RLuFuo1滤波器控制电路n1n2n3USRS+-Tio2020/5/3121.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。2020/5/3132.正弦波脉宽调制（SPWM）方式正弦波脉宽调制，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。2020/5/3142020/5/315方案一：单极性控制方式urucuOwtOwtuouofuoUd-Udur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=0。2020/5/316方案二：双极性控制方式urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud当uruc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2020/5/317方案三：单极倍频正弦脉宽调制vrvc时，VA为正，T1通态，T2截止。vrvc时，VA为负，T1截止，T2通态。vr+vc0时，VB为正，T4通态，T3截止。vr+vc0时，VB为负值，T4截止，T3通态。vr+vc0vr-vc；2020/5/3182020/5/319uREF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2020/5/3203、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、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Σ-Δ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。2020/5/3214.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。2020/5/3222020/5/3232020/5/324题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果2020/5/325图1并网发电模拟装置框图DC-ACUdIdio1uouREF+-RLuFuo1滤波器控制电路n1n2n3USRS+-Tio2020/5/326方案二：双极性控制方式urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud当uruc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2020/5/3272020/5/328图1并网发电模拟装置框图DC-ACUdIdio1uouREF+-RLuFuo1滤波器控制电路n1n2n3USRS+-TioCIs2020/5/329U基波感性电流Id2020/5/3302020/5/331电容电流：Ic=Id-Is2020/5/3322020/5/333RS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--10000UFUdtiC2020/5/334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IRF25OMOS管，其最大电压为200V，最大电流为30A，最高开关频率可达40kHz。2020/5/335•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0.13Ω，考虑到桥路的等效电阻等，取总的等效电阻为0.2Ω，则有阻尼比：基波相移：23211100()110(2500)ffnCuFLw6311100100.231.622110fffCRL122222231.6(2500)1.16(2500)(250)ndntgwww2020/5/336•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（45～55Hz），在整个频率变化的范围内，都可以满足相位跟踪指标要求。1.161.82.965sdi2020/5/337•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耗为降低损耗，选用导通电阻为85mΩ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。2020/5/338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。2020/5/339题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果2020/5/340测试记录与评分表2020/5/341测试记录与评分表2020/5/342测试记录与评分表2020/5/343测试说明2020/5/344测试说明2020/5/345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2020/5/346题目分析方案选择参数计算测试说明参赛结果2020/5/347A题测试情况基本部分发挥部分测试总分设计报告总分50.0039.0089.0029.00118.0050.0037.0087.0025.33112.3345.3337.0082.3327.00109.3345.0033.5078.5023.50102.0038.0036.0074.0026.33100.3347.0031.0078.0021.0099.0043.0027.0070.0027.1797.1746.0023.0069.0023.1792.1739.3330.5069.8318.8388.66湖北省A题参赛队：54（总队数：466）2020/5/348项目主要内容满分设计报告方案论证比较与选择方案描述4理论分析与计算MPPT的控制方法与参数计算同频、同相的控制方法与参数计算提高效率的方法滤波参数计算9电路与程序设计DC-AC主回路与器件选择控制电路或控制程序保护电路9测试方案与测试结果测试方案及测试条件测试结果及其完整性测试结果分析5设计报告结构及规范性摘要设计报告正文的结构图标的规范性3总分302020/5/349序号奖项赛区组别参赛队学校1一等奖福建本科福州大学2一等奖广东本科华南农业大学3一等奖河北本科河北科技大学4一等奖黑龙江本科哈尔滨工业大学5一等奖黑龙江本科哈尔滨工业大学6一等奖湖北本科华中科技大学7一等奖湖北本科武汉大学8一等奖湖北本科武汉大学9一等奖江苏本科南京航空航天大学10一等奖辽宁本科大连理工大学11一等奖山东本科中国石油大学（华东）12一等奖山西本科运城学院13一等奖陕西本科空军工程大学14一等奖陕西