畢業(yè)設(shè)計(jì)---模擬太陽能電源并網(wǎng)電路與控制部分硬件設(shè)計(jì)

1、<p>　　模擬太陽能電源并網(wǎng)電路與控制部分硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　太陽能作為一種高效無污染的新能源，一種未來世紀(jì)常規(guī)能源的替代品。目前，太陽能并網(wǎng)發(fā)電是太陽能光伏的重要應(yīng)用之一，其系統(tǒng)包括光伏電池、變換器、蓄電池、控制器四大部分。該設(shè)計(jì)從實(shí)驗(yàn)的角度，對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬，主要由DC—AC變換電路、控

2、制電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、采樣電路、工頻變換電路等五部分組成。基本思路是在單片機(jī)C8051F020控制作用下采用正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，主電路采用MOSFET為主要元器件的單相橋式逆變電路，經(jīng)濾波電路濾波后變壓進(jìn)行輸出?；诖?，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)本身的PCA模塊，定時(shí)器模塊，完成相應(yīng)的控制功能，使光伏發(fā)電頻率緊跟模擬電網(wǎng)頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏最大功率跟蹤，系統(tǒng)具有欠壓保護(hù)、過流保護(hù)以及頻率和相位跟蹤等功能，并在欠壓、過流故障

3、排除或能自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。該系統(tǒng)性能相對(duì)穩(wěn)定，能夠滿足本次設(shè)計(jì)的需要。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng) DC—AC逆變電路 SPWM 最大功率點(diǎn)跟蹤</p><p>　　The Hardware Design Of Solar Power Combined To The Grid And Controled</p><p><b>　　Abst

4、ract</b></p><p>　　Solar energy as the one kind of efficient pollution-free new energy, a future century of conventional energy sources substitutes. At present, the solar energy grid generation is one o

5、f the important application of solar photovoltaic battery, the system includes, converter, batteries, controller four most. This design, from the point of view of experiment of photovoltaic (pv) grid power system is simu

6、lated by DC-AC conversion - main circuit, controlling circuit, drive protection circuit, sampling</p><p>　　Keywords: photovoltaic (pv) grid DC - AC inverter circuits SPWM maximum power point tracking</

7、p><p><b>　　目錄 </b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1前言1</b>&

8、lt;/p><p>　　1.2課題研究的意義1</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.1光伏發(fā)電系統(tǒng)分類2</p><p>　　1.3.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.3最大功率點(diǎn)跟蹤研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3.4 E

9、DA技術(shù)6</p><p>　　1.4課題的主要研究內(nèi)容7</p><p>　　1.5課題研究的重難點(diǎn)7</p><p>　　1.5.1課題研究的重點(diǎn)7</p><p>　　1.5.2 課題研究的難點(diǎn)7</p><p>　　1.6論文的結(jié)構(gòu)安排8</p><p>　　2 設(shè)計(jì)方案

10、進(jìn)行論證9</p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)思路9</b></p><p>　　2.2 DC-AC 變換器9</p><p>　　2.3控制方法及實(shí)現(xiàn)方案10</p><p>　　2.4最大功率點(diǎn)的跟蹤11</p><p>　　3 芯片介紹12</p><p

11、>　　3.1主控芯片C8051F02012</p><p>　　3.2 驅(qū)動(dòng)芯片IR211015</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件原理設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.1最大功率追蹤電路18</p><p>　　4.2 DC-DC升壓電路18</p><p>　　4.3頻率相位跟蹤電路19</

12、p><p>　　4.4 DC—AC變換電路20</p><p>　　4.5驅(qū)動(dòng)電路21</p><p>　　4.6 濾波模塊的設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.7欠電壓保護(hù)和過電流保護(hù)的設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.8控制回路電源的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.8.1 AS1117

13、介紹23</p><p>　　4.8.2硬件原理圖24</p><p>　　4.9鍵盤輸入電路25</p><p><b>　　5 結(jié)論26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　致 謝28</

14、b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明29</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明30</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1前言</b></p><p>　　21世紀(jì)，人類將面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可

15、持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。在有限資源和保護(hù)環(huán)境的雙重制約下能源問題將更加突出，這主要體現(xiàn)在：①能源短缺；②環(huán)境污染；③溫室效應(yīng)。因此，人類在解決能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展時(shí)，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有儲(chǔ)量大、普遍存在、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此太陽能的利用越來越受到人們的廣泛重視，成為理想的替代能源。文中闡述將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電直接轉(zhuǎn)換為220V/50Hz的工頻正弦交流電輸出至電網(wǎng)。 </p&g

16、t;<p>　　1.2課題研究的意義</p><p>　　當(dāng)今世界，傳統(tǒng)化石能源正走向枯竭，且環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重，新能源和可再生能源的利用已經(jīng)成為世界各國未來能源戰(zhàn)略的重要組成部分。開發(fā)利用新能源和可再生能源，增加能源供給，促進(jìn)節(jié)能降耗，保障能源安全，減少溫室氣體排放，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。太陽能作為新型環(huán)保能源，具有地域分布廣闊、資源豐富、清潔無污染等特點(diǎn)，成為解決電能

17、匱乏的新途徑。</p><p>　　太陽能作為一種巨量的可再生資源，每年到達(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)億萬桶石油燃燒的能量。根據(jù)歐洲、日本等能源機(jī)構(gòu)預(yù)測，2020年，光伏發(fā)電將占到全球發(fā)電量的1%，2040年將占到全球發(fā)電量的21%，2050年，太陽能將成為全球主要替代能源之一。</p><p>　　我國有十分豐富的太陽能資源。據(jù)估算，陸地表面每年接收的太陽輻射能約為5×1022

18、焦耳，約相當(dāng)于17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽能發(fā)電技術(shù)的開發(fā)和利用主要是光伏發(fā)電，其用戶分布在工業(yè)和商業(yè)利用、邊遠(yuǎn)地區(qū)供電和城市照明電源等。2005年我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到7萬千瓦以上，主要為邊遠(yuǎn)地區(qū)的居民供電。其中邊遠(yuǎn)地區(qū)居民供電站50%以上，每年的增長速度在20%以上。除了在邊遠(yuǎn)無電地區(qū)得到應(yīng)用外，十五期間也開展了并網(wǎng)屋頂光伏發(fā)電的示范，取得了一定的技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)。光伏發(fā)電在工業(yè)和商業(yè)利用領(lǐng)域也有穩(wěn)定的市場，城市照明燈具的年生產(chǎn)量超過

19、了10兆瓦，占世界市場的70%。</p><p>　　2005年我國光伏電池的制造能力已超過10萬千瓦，生產(chǎn)企業(yè)有10多家，近兩年，國際市場，尤其是在德國和日本極為優(yōu)惠的經(jīng)濟(jì)政策的激勵(lì)下，光伏市場需求強(qiáng)勁，我國的光伏產(chǎn)品也大量出口，刺激了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)建設(shè)的熱潮，目前還有幾條萬千瓦級(jí)的組件生產(chǎn)線正在建設(shè)之中。與其他發(fā)電方式相比，目前的光伏發(fā)電的成本還是很高，因此，考慮到經(jīng)濟(jì)成本和支持我國光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要，我國的光

20、伏發(fā)電應(yīng)采取穩(wěn)步發(fā)展的原則和策略。</p><p>　　十一五期間，我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用一方面以采用用戶發(fā)電系統(tǒng)和建設(shè)小型光伏電站為主，來解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無電村和無電戶的供電問題，建設(shè)了光伏發(fā)電20萬千瓦，為200萬戶偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)牧民提供了最基本的生活用電。另一方面，借鑒發(fā)達(dá)國家發(fā)展屋頂系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、城市現(xiàn)代化水平較高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公園、車站等公共設(shè)施照明中推廣使用光

21、伏電源，到2010年已經(jīng)建設(shè)總?cè)萘?萬千瓦的屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目。此外，還將開展大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的示范，為在光伏成本下降到一定水平時(shí)開展大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用作準(zhǔn)備。十一五末期，光伏系統(tǒng)的這三個(gè)方面的應(yīng)用總量達(dá)到約40萬千瓦。2010年是中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)處在結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)升級(jí)階段；也是中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)步入“十二五”規(guī)劃承上啟下的關(guān)鍵一年。2010年，中國光伏電池產(chǎn)量達(dá)到8000兆瓦，約占全球總產(chǎn)量一半，居世界首位;光伏發(fā)電

22、市場裝機(jī)量預(yù)計(jì)達(dá)380兆瓦，占全球總裝機(jī)的3%。</p><p>　　“十二五”是我國能源發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，在我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)政策的激勵(lì)下，我國光伏市場前景廣闊。在一系列國家政策的支持和引導(dǎo)下，我國光伏市場將迎來新一輪增長期。綜上所述，我國光伏并網(wǎng)發(fā)電取得了一定的成績，主要體現(xiàn)在光伏產(chǎn)品生產(chǎn)方面。但總體來看，尚處于起步階段，還出來光伏發(fā)電成本高、發(fā)電不連續(xù)的特點(diǎn)，與世界發(fā)達(dá)國家的利用規(guī)模和技術(shù)水平相比，還有很大的

23、差距。因此，國內(nèi)對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)和設(shè)備制造的研發(fā)對(duì)提高我國光伏發(fā)電水平具有重要意義。</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1光伏發(fā)電系統(tǒng)分類</p><p>　　1. 獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng) 光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)主要解決偏遠(yuǎn)的無電地區(qū)和特殊領(lǐng)域的供電問題，且以用戶及村莊用的中小系統(tǒng)居多。隨著電力電子及控制技術(shù)的發(fā)展，光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)從早期單一的直

24、流供電輸出發(fā)展到現(xiàn)在的交、直流并存輸出。</p><p>　　光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、充電控制器、蓄電池組、正弦波逆變器等組成，其工作原理為：光伏電池將接收到得太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給直流負(fù)載或通過正弦波逆變器變換為交流電供給交流負(fù)載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能形式存儲(chǔ)在蓄電池中，在日照不足時(shí)，存儲(chǔ)在蓄電池中的能量經(jīng)變換后供給負(fù)載。</p><p>　　2. 并網(wǎng)發(fā)

25、電系統(tǒng) 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為兩種，一種為不含蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的“不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”，另一種為含蓄電池組的“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”。</p><p>　　不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，并網(wǎng)逆變器將光伏電池產(chǎn)生的直流電能直接轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)電壓同步的交流電饋入電網(wǎng)，當(dāng)主電網(wǎng)斷電或無光照時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止向電網(wǎng)饋電。</p><p>　　可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般由充電

26、控制器和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成，在有光照的情況下，充電控制器將光伏電池采集的電能存儲(chǔ)在蓄電池中；無光照時(shí)，充電控制器停止工作，同時(shí)并網(wǎng)逆變器根據(jù)需要，決定是否將存儲(chǔ)在蓄電池組中的電能饋入電網(wǎng)。</p><p>　　可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)在功能上雖然優(yōu)于不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)，但是由于增加了蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，帶來了若干嚴(yán)重的缺點(diǎn)：蓄電池組有壽命問題、價(jià)格較貴、體積笨重。正是由于上述缺點(diǎn)的存在，使得可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模難以與不可調(diào)

27、度式并網(wǎng)系統(tǒng)相比，目前大部分光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能采用不可調(diào)度式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　1.3.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，可以分為電流型和電壓型兩大類。電流型的特征是直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能，從而使直流側(cè)呈現(xiàn)高阻抗的電流源特征。</p><p>　　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上還可以分為高頻和工頻兩種。工頻并

28、網(wǎng)逆變器首先通過DC/AC變換器將光伏電池輸出的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，然后通過工頻變壓器和電網(wǎng)相連，完成電壓匹配以及與電網(wǎng)的隔離，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。（本課題研究的就是此種形式。）工頻并網(wǎng)逆變器由于帶有工頻變壓器，存在體積大、效率低、成本高等缺點(diǎn)。</p><p>　　高頻并網(wǎng)逆變器首先通過DC/DC變換器將光伏電池輸出的直流電壓進(jìn)行電壓等級(jí)變化及穩(wěn)壓，然后通過DC/AC逆變器直接和電網(wǎng)相連，將能量饋入電網(wǎng)。有高頻變

29、壓器隔離并升壓。其優(yōu)點(diǎn)是省去了體積龐大的工頻逆變器。主要缺點(diǎn)：采用了兩級(jí)拓?fù)湫视兴档?，特別是DC/AC環(huán)節(jié)包括高頻逆變以及高頻整流兩個(gè)環(huán)節(jié)，多級(jí)管壓降使得效率進(jìn)一步降低。</p><p>　　并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的接口設(shè)備，其控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)正弦電流輸出，使其工作在單位功率因數(shù)并網(wǎng)模式。并網(wǎng)逆變器輸出電流波形直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，因此，并網(wǎng)逆變器輸出電流控制策略成為光伏發(fā)電系統(tǒng)研究熱點(diǎn)之

30、一?，F(xiàn)有的控制方法有PI控制、滯環(huán)電流控制、空間矢量控制（SVPWM）、無差拍控制、重復(fù)控制、比例諧振控制等。</p><p>　　PI控制具有算法簡單、可靠性高、開關(guān)頻率固定、易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，是目前最常有的控制方法之一。但是常規(guī)的PI控制在開關(guān)頻率不夠高的情況下，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較慢，相對(duì)于正弦參考電流存在一定偏差，并且在輸出功率變化或電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)難以快速跟蹤參考電流，從而造成并網(wǎng)電能質(zhì)量下降。采用電網(wǎng)電壓前

31、饋和電流跟蹤控制技術(shù)，利用前饋補(bǔ)償有效抑制電網(wǎng)波動(dòng)，提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性，取得了良好的效果。</p><p>　　滯環(huán)電流控制根據(jù)瞬時(shí)值電流偏差來決定功率器件的開關(guān)狀態(tài)，雖然存在開關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，但是具有峰值自動(dòng)限制能力、電流跟蹤精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、不依賴于負(fù)載參數(shù)以及穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　空間矢量控制方法同坐坐標(biāo)變換，將三相電流變換到與基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系，穩(wěn)態(tài)

32、時(shí)三相正弦電流變成了直流量，而PI調(diào)節(jié)器對(duì)直流信號(hào)的放大倍數(shù)為無窮大，電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差接近于零，可以實(shí)現(xiàn)電流的無差跟蹤控制，因此該方案可以獲得高功率因數(shù)低諧波的三相并網(wǎng)電流，已廣泛用于三相并網(wǎng)系統(tǒng)。</p><p>　　無差拍控制是一種基于被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的數(shù)字控制方法，具有動(dòng)態(tài)性能好，控制過程無過調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。但控制方法也存在著 要求脈寬必須當(dāng)拍計(jì)算當(dāng)拍輸出，存在算法復(fù)雜，采樣頻率高等缺點(diǎn)。</p>

33、<p>　　重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，把作用于系統(tǒng)外部的信號(hào)模型植入系統(tǒng)控制器內(nèi)部以構(gòu)成高精度反饋控制。重復(fù)控制能在較低采樣頻率下提供高質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)波形，消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)無差，其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能較差。</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在一般情況下只提供電網(wǎng)有功電能，并保證其具有較高的功率因數(shù)，而負(fù)載的無功電能一般由電網(wǎng)提高或由專用的無功補(bǔ)償設(shè)備提供。當(dāng)日照強(qiáng)度很低甚至夜晚時(shí)，光伏

34、電池實(shí)際上喪失了輸出能力。這樣一來，不僅在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)整套設(shè)備處于閑置狀態(tài)，而且頻繁的并網(wǎng)與解列動(dòng)作造成系統(tǒng)控制困難，部分設(shè)備損耗增加且使用壽命變短。</p><p>　　針對(duì)上述問題，一些學(xué)者提供了光伏并網(wǎng)發(fā)電與無功補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制方法，當(dāng)光伏電池輸出能量時(shí)，并網(wǎng)逆變器將直流電變換成交流輸送到電網(wǎng)上，同時(shí)有選擇地對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償：當(dāng)光伏電池停止輸出時(shí)，并網(wǎng)逆變器單獨(dú)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。這樣可以實(shí)現(xiàn)一套裝置的過功能

35、使用，既改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，又提高了整個(gè)系統(tǒng)的利用率，可以有效提高電網(wǎng)末梢供電質(zhì)量。</p><p>　　1.3.3最大功率點(diǎn)跟蹤研究現(xiàn)狀</p><p>　　要想提高光伏系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過程稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤（Ｍaximum Power Point Tracking,MPPT）。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用日

36、漸增多，但系統(tǒng)造價(jià)仍居高不下，轉(zhuǎn)換效率也很低，因此，通過控制光伏電池的輸出功率，使光伏電池按MPPT工作，提高系統(tǒng)效率，從某種意義上說相對(duì)地降低了系統(tǒng)成本，從而可以促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。下面針對(duì)目前較常見的MPPT控制方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。</p><p>　　1. 擾動(dòng)觀察法（Perturb and observe） 擾動(dòng)觀察法也稱之為爬上法，是目前最常用的MPPT控制方法，它給變換器疊加一個(gè)擾動(dòng)量，通過檢測并計(jì)算

37、光伏電池輸出功率的變化情況進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。擾動(dòng)觀測法具有算法簡單，實(shí)現(xiàn)方便，可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)跟蹤。但是擾動(dòng)觀測法在跟蹤穩(wěn)定時(shí)，只是在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，從而降低了系統(tǒng)效率。</p><p>　　2. 增量電導(dǎo)法（Incremental Conductance） 由光伏電池輸出特性可知，在光伏電池最大功率點(diǎn)處得電導(dǎo)為零，左側(cè)電導(dǎo)為正，右側(cè)為負(fù)，其表達(dá)式如下：</p><p>

38、;<b>　　MPP處</b></p><p>　　MPP左側(cè) （1.1）</p><p><b>　　MPP右側(cè)</b></p><p>　　通過簡單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得： </p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　將式（1.2

39、）代人（1.1）得：</p><p><b>　　MPP處</b></p><p>　　MPP左側(cè) （1.3）</p><p><b>　　MPP右側(cè)</b></p><p>　　因此，以式（1.3）作為判斷光伏電池是否工作在最大功率點(diǎn)的依據(jù)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，則可以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。增

40、量電導(dǎo)法具有控制穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)能平穩(wěn)地追蹤其變化，并且與光伏電池組件的特性及參數(shù)無關(guān)。但是，增量電導(dǎo)法存在控制算法較復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)采樣精度要求較高，控制電壓初始化參數(shù)對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)過程中的跟蹤性有較大影響等缺點(diǎn)。</p><p>　　3. 開路電壓法（Open-Circuit Voltage） 開路電壓法是一種最簡單的最大功率點(diǎn)跟蹤法，在變化的日照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓和開路電

41、壓成近似線性關(guān)系，即：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式中為比例常數(shù)。由于依賴于光伏電池本身的特性，通過事先憑經(jīng)驗(yàn)通過測試不</p><p>　　同的日照強(qiáng)度和溫度條件下的和計(jì)算得到，一般在0.71到0.78之間。因此，開路電壓法根據(jù)事先確定的，周期性切斷變換器并測量當(dāng)前，通過計(jì)算獲得。</p>

42、<p>　　開路電壓法相隔一定周期需要切斷變換器以進(jìn)行開路電壓測量，勢必造成光伏電池暫時(shí)的功率損耗，同時(shí)該方法僅僅是對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)的一個(gè)估算，并不是真正意義上的MPPT控制技術(shù)。但是由于開路電壓法不需要任何控制器就可以實(shí)現(xiàn)，大大降低了成本，因此在某些應(yīng)用場合，這種方法基本上能滿足最大功率點(diǎn)跟蹤的要求。</p><p>　　4.短路電流法（Short-Circuit Current） 短路電流

43、法和開環(huán)電壓法相似，在氣候變化條件的情況下，光伏電池最大功率點(diǎn)電流和短路電流近似線性變化，即：</p><p>　　=* （1.5）</p><p>　　其中同樣由光伏電池特性決定，通常在0.78到0.92之間。在工作過程中，為了測量，需要一個(gè)額外的開關(guān)管加入到變換器中，用于周期性地短路光伏電池，這無疑增加了開關(guān)管的數(shù)目和成本，造成功率損耗。</p

44、><p>　　除了上述幾種較常見的MPPT控制方法外，還有模糊邏輯控制法（Fuzzy Logic Control）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（Neural Network）、直流電容下降控制法、負(fù)載電流或負(fù)載電壓最大法、dP/dV或dP/dI反饋控制法、滑模控制法、狀態(tài)空間模型法等。</p><p>　　1.3.4 EDA技術(shù)</p><p>　　電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic

45、 Design Automation， EDA）技術(shù)是在電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)之一，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科技工程進(jìn)步以及國防現(xiàn)代化建設(shè)中起著根本性的推動(dòng)作用。EDA技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)、集成電路、電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)展起來的，至今已有30多年的歷程。目前，國內(nèi)常用

46、的EDA軟件主要有Multisim、PSPICE、ORCAD、Protel等，本課題設(shè)計(jì)主要用到的是Protel軟件。</p><p>　　Protel Protel是PROTEL公司在20世紀(jì)80年代末推出的CAD工具，是PCB設(shè)計(jì)者的首選軟件。它較早在國內(nèi)使用，普及率最高，有些高校的電路專業(yè)還專門開設(shè)Protel課程，幾乎所在的電路公司都要用到它。早期的Protel主要作為印刷板自動(dòng)布線工具使用，現(xiàn)在普遍使

47、用的是Protel99SE，它是個(gè)完整的全方位電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號(hào)仿真、多層印刷電路板設(shè)計(jì)（包含印刷電路板自動(dòng)布局布線），可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客戶/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)還兼容一些其它設(shè)計(jì)軟件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多層印制線路板的自動(dòng)布線，可實(shí)現(xiàn)高密度PCB的100%布通率。但它最具代表

48、性的是電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。</p><p>　　在EDA軟件中，Protel軟件功能強(qiáng)大、界面友好、使用方便，得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.4課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課題要求用太陽能電池板模擬光伏發(fā)電；uREF 為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)；T為工頻隔離變壓器，將 uF 作為輸出電流的反饋信號(hào)；負(fù)載電阻RL。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示

49、</p><p><b>　　圖1.1</b></p><p>　　其設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：DC-AC逆變電路的設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)控制；控制回路的設(shè)計(jì)，主要包括最大功率跟蹤（MPPT）方案的設(shè)計(jì)、同頻控制方案設(shè)計(jì)、同相控制方案設(shè)計(jì)；濾波電路、工頻變換電路以及故障排除后系統(tǒng)的自恢復(fù)功能設(shè)計(jì)等。</p><p>　　1.5課題研究的重難點(diǎn)</p>

50、<p>　　1.5.1課題研究的重點(diǎn)</p><p>　　最大功率點(diǎn)跟蹤的實(shí)現(xiàn)、DC-AC逆變、由單片機(jī)C8051F020產(chǎn)生SPWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率相位跟蹤功能。</p><p>　　1.5.2 課題研究的難點(diǎn)</p><p>　　1.跟蹤最大功率點(diǎn)。</p><p>　　2.逆變及頻率相位跟蹤功能。</p>&

51、lt;p>　　1.6論文的結(jié)構(gòu)安排</p><p>　　本論文的組織結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　第一章：緒論，介紹關(guān)于太陽能并網(wǎng)發(fā)電的開發(fā)背景、開發(fā)意義、開發(fā)者的主要工作以及課題研究的重難點(diǎn)。</p><p>　　第二章：通過對(duì)其原理的分析，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證以及確定合適的方案； </p><p>　　第三章：建立總體設(shè)計(jì)思路，對(duì)設(shè)

52、計(jì)所用芯片介紹；</p><p>　　第四章：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，說明了系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　第五章：總結(jié)設(shè)計(jì)，得出結(jié)論，總結(jié)設(shè)計(jì)收獲和體會(huì)，同時(shí)指出整個(gè)設(shè)計(jì)工作的不足之處和需要改進(jìn)的地方。</p><p>　　2 設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證</p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)思路</b></p&g

53、t;<p>　　本課題是通過設(shè)計(jì)最終輸出電壓為220V頻率為50HZ的交流電；用太陽能電池板模擬光伏發(fā)電；uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)；uF作為輸出電流的反饋信號(hào)；要求系統(tǒng)具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，頻率、相位跟蹤功能。</p><p>　　2.2 DC-AC變換器</p><p>　　方案一 推挽式逆變電路：結(jié)構(gòu)如圖2.2.1所示。假定輸出電流是連續(xù)的，在開

54、關(guān)元件VT1閉合(VT2斷開)期間，io為正時(shí)，VT1導(dǎo)通，io為負(fù)時(shí)，VD1導(dǎo)通。因此，無論io的方向如何，均有uo＝UD／n，其中n為變壓器原邊一半繞組與副邊繞組的匝數(shù)比。同樣，在VT2閉合(VT1斷開)期間，uo＝- UD／n。</p><p><b>　　、</b></p><p>　　圖2.2.1 推挽式逆變電路</p><p>　　

55、方案二 半橋逆變電路：結(jié)構(gòu)如圖2.2.2所示。當(dāng)一對(duì)功率開關(guān)管均截止時(shí)，若電容器C01和C02的容量相等而且電路對(duì)稱，則電容中點(diǎn)4的電壓為輸入電壓的一半，即VC01＝VC02＝E／2。當(dāng)VT1被基極驅(qū)動(dòng)電路以脈沖方式激勵(lì)導(dǎo)通時(shí)，電容C01將通過VT1和中頻變壓器T1的一次繞組N1放電，同時(shí)，電容C02則通過輸入電源、V1和T1的一次繞組N1充電，中點(diǎn)A的電位在充放電過程中將按指數(shù)規(guī)律下降，在VT1導(dǎo)通終了時(shí)，VA將下降至E／2-ΔE；接

56、著是一對(duì)晶體管都截止的時(shí)期，此時(shí)V CE1＝V C01，V CE2＝V C02，它們都接近輸入電源電壓的一半，當(dāng)VT2被激勵(lì)導(dǎo)通時(shí)，電容C01將被充電，電容C02將放電，中點(diǎn)的電位在VT1導(dǎo)通終了時(shí)將增至E／2+ΔE，亦即中點(diǎn)A的電位在電路</p><p>　　開關(guān)過程中將在E／2的電位上以土ΔE的幅度作指數(shù)變化。</p><p>　　圖2.2.2 半橋逆變電路</p>&l

57、t;p>　　方案三 全橋逆變電路：結(jié)構(gòu)如圖2.2.3所示。四只MOSFET 管VT1～VT4分別組成兩個(gè)橋臂,形成主開關(guān)橋路，RL為負(fù)載。在PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下,VT1、VT3與VT2 、VT4 交替通斷,其通斷流程如下:</p><p>　　(1) VT1、VT3處于on(VT2、VT4 off), U+ =Ud,U-=0;UO=Ud;</p><p>　　(2) VT2

58、、VT4處于on(VT1、VT3 off), U+ =0,U-= Ud;UO=-Ud;</p><p>　　(3) VT1、VT2處于on(VT3、VT4 off), U+ =Ud,U-= Ud;UO=0;</p><p>　　(4) VT3、VT4處于on(VT1、VT2 off), U+ =0,U-=0;UO=0。</p><p>　　全橋

59、逆變電路在相同的直流輸入電壓時(shí)，其最大輸出電壓是半橋逆變電路的兩倍。這說明在輸出功率相同時(shí)，全橋逆變電路的輸出電流和開關(guān)元件電流均是半橋逆變電路的一半，在負(fù)載需大功率時(shí)，這是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　圖2.2.3 全橋逆變電路</p><p>　　綜合比較，基于對(duì)電路結(jié)構(gòu)和效率的考慮,我們選擇方案三。</p><p>　　2.3控制方法及實(shí)現(xiàn)方案<

60、/p><p>　　方案一 用PWM專用芯片產(chǎn)生PWM控制信號(hào)?？刹捎煤泐l脈寬調(diào)制控制器TL494，工作頻率為1—300kHz，輸出電壓可達(dá)40V,死區(qū)時(shí)間可以調(diào)整，驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。但需增加外圍元件，同時(shí)也增加了成本。</p><p>　　方案二 用單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。單片機(jī)根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)對(duì)PWM信號(hào)做出調(diào)整來輸出。我們所使用的C8051020里具有12位AD和PWM功能，這樣能使外

61、圍電路盡量減少，同時(shí)減小外界環(huán)境帶入的干擾，便于系統(tǒng)集成化。這種方案較為靈活，可以針對(duì)本系統(tǒng)具體優(yōu)化。</p><p>　　綜合考慮，在這里我們選擇方案二</p><p>　　2.4最大功率點(diǎn)的跟蹤</p><p>　　由于光伏陣列的最大功率點(diǎn)是一個(gè)時(shí)變量，可以采用搜索算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。其搜索算法可分為自尋優(yōu)和非自尋優(yōu)兩種類別。所謂自尋優(yōu)算法即不直接檢測外界環(huán)

62、境因素的變化,而是通過直接測量得到的電信號(hào),判斷最大功率點(diǎn)的位置。典型的追蹤方法有擾動(dòng)觀測法和增量導(dǎo)納法等。增量導(dǎo)納法算法的精確度最高,但是,由于增量導(dǎo)納法算法復(fù)雜,對(duì)實(shí)現(xiàn)該算法的硬件質(zhì)量要求較高、運(yùn)算時(shí)間變長，會(huì)增加不必要的功率損耗,所以實(shí)際工程應(yīng)用中,通常采用擾動(dòng)觀測法算法。</p><p>　　擾動(dòng)觀測法原理:每隔一定的時(shí)間增加或者減少電壓,并通過觀測其后功率變化的方向,來決定下一步的控制信號(hào)。其具體調(diào)整方

63、案如下:U、I為上一次的檢測值,P為對(duì)應(yīng)的輸出功率;U1、I1為當(dāng)前檢測值,P1為對(duì)應(yīng)功率。對(duì)應(yīng)增大參考電壓會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況: (1)P1>P,說明擾動(dòng)方向正確,系統(tǒng)應(yīng)保持原來的擾動(dòng)方向; (2)P1<P,說明擾動(dòng)方向錯(cuò)誤,系統(tǒng)需要調(diào)整擾動(dòng)方向。當(dāng)尋優(yōu)過程處于暫態(tài)過程時(shí),即光伏陣列輸出功率與最大功率的差值較大時(shí),則增大步長,以改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,提高追蹤速度;當(dāng)尋優(yōu)過程接近穩(wěn)態(tài)時(shí)或輸出功率的波動(dòng)只由步長的大小決定時(shí),則減小步

64、長,以提高穩(wěn)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)。如此反復(fù)直到工作點(diǎn)接近Pmax。這是一個(gè)自尋優(yōu)的過程,它的控制原則是參考電壓的變化始終讓電池輸出功率朝大的方向改變。</p><p><b>　　3 芯片介紹</b></p><p>　　3.1主控芯片C8051F020</p><p>　　1．ygnal C8051F020單片機(jī)特點(diǎn) 片內(nèi)資源 </p>

65、<p>　　8~12位多通道ADC </p><p>　　1~2路12位DAC </p><p>　　1~2路電壓比較器 </p><p>　　內(nèi)部或外部電壓基準(zhǔn) </p><p>　　內(nèi)置溫度傳感器±3 </p><p>　　16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器陣列PCA可用于PWM等 </p>

66、;<p>　　3~5個(gè)通用16位定時(shí)器 </p><p>　　8~64個(gè)通用I/O口 </p><p>　　帶有I2C/SMBusSPI1~2個(gè)UART多類型串行總線 </p><p>　　8~64K Flash存貯器 </p><p>　　256~4K數(shù)據(jù)存貯器RAM </p><p>　　片內(nèi)時(shí)鐘源內(nèi)

67、置電源監(jiān)測看門狗定時(shí)器 </p><p><b>　　主要特點(diǎn) </b></p><p>　　高速的20MIPS~25MIPS與8051全兼容的CIP51內(nèi)核 </p><p>　　內(nèi)部Flash存貯器可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程即可作程序存貯器也可作非易失性數(shù)據(jù)存貯 </p><p>　　工作電壓為2.7V~3.6V典型值為3VI

68、/ORSTJTAG引腳均允許5V電壓輸入 </p><p>　　全系列均為工業(yè)級(jí)芯片-45℃~+85℃ </p><p>　　片內(nèi)JTAG仿真電路提供全速的電路內(nèi)仿真不占用片內(nèi)用戶資源支持?jǐn)帱c(diǎn)單步觀察點(diǎn)運(yùn)行和停止等調(diào)試命令支持存貯器和寄存器校驗(yàn)和修改 </p><p>　　2.有關(guān)C8051F020 CPU 與標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容：gnal C8051F020單片

69、機(jī)采用CIP51內(nèi)核Cygnal專利與MCS51指令系統(tǒng)全兼容可用標(biāo)準(zhǔn)的ASM51Keil C高級(jí)語言開發(fā)編譯C8051F020單片機(jī)的程序 </p><p><b>　　高速指令處理能力 </b></p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的8051一個(gè)機(jī)器周期要占用12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令最少要一個(gè)機(jī)器周期CygnalC8051F020單片機(jī)指令處理采用流</p>

70、<p>　　水線結(jié)構(gòu)機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期指令處理能力比MCS51大大提高CIP-51內(nèi)核70% 的指令執(zhí)行是在一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成只有四條指令的執(zhí)行需4個(gè)以上時(shí)鐘周期 </p><p>　　CIP-51指令與MCS51指令系統(tǒng)全兼容共有111條指令 </p><p>　　增加了中斷源：準(zhǔn)的8051只有7個(gè)中斷源Cygnal C8051

71、F020單片機(jī)擴(kuò)展了中斷處理這對(duì)于時(shí)實(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的處理是很重要的擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP-51提供22個(gè)中斷源允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷一個(gè)中斷處理需要較少的CPU干預(yù)卻有更高的執(zhí)行效率 </p><p>　　增加了復(fù)位源：準(zhǔn)的8051只有外部引腳復(fù)位Cygnal C8051F020單片機(jī)增加了7種復(fù)位源使系統(tǒng)的可靠性大大提高每個(gè)復(fù)位源都可以由用戶用軟件禁止 </p><p><b&

72、gt;　　1 片內(nèi)電源監(jiān)視 </b></p><p>　　2 WDT看門狗定時(shí)器 </p><p>　　3 時(shí)鐘丟失檢測器 </p><p>　　4 比較器0輸出電平檢測 </p><p><b>　　5 軟件強(qiáng)制復(fù)位 </b></p><p>　　6 CNVSTRAD轉(zhuǎn)換啟動(dòng) <

73、;/p><p>　　7 外部引腳RST復(fù)位可雙向復(fù)位 </p><p>　　8 提供內(nèi)部時(shí)鐘源 </p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的8051只有外部時(shí)鐘Cygnal C8051F020單片機(jī)有內(nèi)部獨(dú)立的時(shí)鐘源C8051F300/F302提供的內(nèi)部時(shí)鐘誤差在2%以內(nèi)在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)默認(rèn)內(nèi)部時(shí) </p><p>　　鐘如果需要可接外部時(shí)鐘并可在程序運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外

74、部時(shí)鐘的切換外部時(shí)鐘可以是晶體RCC或外部時(shí)鐘以上的功能在低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中非常有用。 </p><p>　　3．gnal C8051F020存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)存貯器：IP-51具有標(biāo)準(zhǔn)8051的程序和數(shù)據(jù)地址配置它包括256字節(jié)的RAM其中高128字節(jié)用戶只能用直接尋址訪問的SFR地址空間低128字節(jié)用戶可用直接或間接尋址方式訪問前32個(gè)字節(jié)為4個(gè)通用工作寄存器區(qū)接下來的16字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。 &l

75、t;/p><p>　　另外C8051F020除了內(nèi)部有擴(kuò)展4K數(shù)據(jù)RAM外片外還可擴(kuò)展至64K數(shù)據(jù)RAM </p><p>　　程序存貯器：8051F020單片機(jī)程序存儲(chǔ)器為8K- 64K字節(jié)的Flash存貯器該存貯器可按512字節(jié)為一扇區(qū)編程可以在線編程且不需在片外提供編程電壓該程序存貯器未用到的扇區(qū)均可由用戶按扇區(qū)作為非易失性數(shù)據(jù)存貯器使用。 </p><p>　　

76、4.數(shù)字I/O和交叉開關(guān) Cygnal C8051F 020單片機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)的8051 I/O口除P0P1P2P3之外還有更多的擴(kuò)展的8位I/O口每個(gè)端口I/O引腳都可以設(shè)置為推挽或漏極開路輸出這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力。 </p><p>　　最為獨(dú)特的是增加了C8051F2XX除外Digtalcrossbar”數(shù)字交叉開關(guān)它可將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源定向到P0P1和P2端口I/O引腳并可將定時(shí)器串行。總線

77、外部中斷源AD輸入轉(zhuǎn)換比較器輸出都可通過設(shè)置Crossbar開關(guān)控制寄存器定向到P0P1P2的I/O口這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用I/O端口和所需數(shù)字資源的組合 </p><p>　　5.可編程計(jì)數(shù)器陣列 除了通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器之外C8051F020MCU還有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列PCAPCA包括一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器5個(gè)可編程的捕捉/比較模塊時(shí)間基準(zhǔn)可以是下面的六個(gè)時(shí)鐘源之一系統(tǒng)時(shí)

78、鐘/12系統(tǒng)時(shí)鐘/4定時(shí)器0溢出外部時(shí)鐘輸入ECI系統(tǒng)時(shí)鐘和外部振蕩源頻率/8C8051F00x/01x沒有后兩個(gè)時(shí)鐘源，每個(gè)捕捉/比較模塊都有4或6種工作方式邊沿觸發(fā)捕捉軟件定時(shí)器高速輸出8位脈沖寬度調(diào)制器頻率輸出16位脈沖寬度調(diào)制器，PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時(shí)鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關(guān)連到I/O端口引腳 </p><p>　　6.多類型串行總線端口 C8051F020內(nèi)部有一個(gè)全雙工UARTSPI

79、總線和SMBus/I2C總線每種串行總線都完全用硬件實(shí)現(xiàn)都能向CIP-51產(chǎn)生中斷這些串行總線不共享定時(shí)器中斷或I/O端口所以可以使用任何一個(gè)或全部同時(shí)使用。 </p><p>　　C8051F020 MCU內(nèi)部還有第二個(gè)UART這是一個(gè)增強(qiáng)型全雙工UART具有硬件地址識(shí)別和錯(cuò)誤檢測功能。 </p><p>　　7.模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器：051F020內(nèi)部都有一個(gè)ADC子系統(tǒng)由逐

80、次逼近型ADC多通道模擬輸入選擇器和可編程增益放大器組成ADC工作在100ksps的最大采樣速率時(shí)可提供真正的8位10位或12位精度ADC完全由CIP-51通過特殊功能寄存器控制系統(tǒng)控制器還可以關(guān)斷ADC以節(jié)省功耗。 </p><p>　　C8051F020還有一個(gè)15ppm的基準(zhǔn)電壓和內(nèi)部溫度傳感器并且8個(gè)外部輸入通道都可被配置為兩個(gè)單端輸入或一個(gè)差分輸入。 </p><p>　　可編程

81、增益放大器增益可以用軟件設(shè)置從0.5到16以2的整數(shù)次冪遞增當(dāng)不同ADC輸入電壓信號(hào)范圍差距較大或需要放大一個(gè)具有較大直流偏移的信號(hào)時(shí)可編程增益放大器是非常有用的。 </p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換可以有4種啟動(dòng)方式軟件命令定時(shí)器2溢出定時(shí)器3溢出或外部信號(hào)輸入允許用軟件事件硬件信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換或進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換一次轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生一個(gè)中斷或者用軟件查詢來判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束在轉(zhuǎn)換完成后數(shù)據(jù)字被鎖存到特殊功能寄存器中對(duì)于10位或1

82、2位ADC可以用軟件控制數(shù)據(jù)字為左對(duì)齊或右對(duì)齊格式。 </p><p>　　除了12位的ADC子系統(tǒng)ADC0之外C8051F020還有一個(gè)8位ADC子系統(tǒng)即ADC1它有一個(gè)8通道輸入多路選擇器和可編程增益放大器該ADC工作在500ksps的最大采樣速率時(shí)可提供真正的8位精度ADC1的基準(zhǔn)電壓可以在模擬電源電壓AV+和外部REF引腳之間選擇用戶可以用軟件將ADC1置于關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省功耗ADC1的可編程增益放大器的增

83、益可以被編程為0.512或4ADC1也有靈活的轉(zhuǎn)換控制機(jī)制允許用軟件命令定時(shí)器溢出或外部信號(hào)輸入啟動(dòng)ADC1轉(zhuǎn)換用軟件可以使ADC1與ADC0同步轉(zhuǎn)換。 </p><p>　　數(shù)模轉(zhuǎn)換器：8051F020內(nèi)有兩路12位DAC2個(gè)電壓比較器 CPU通過SFRS控制數(shù)模轉(zhuǎn)換和比較器CPU可以將任何一個(gè)DAC置于低功耗關(guān)斷方式DAC為電壓輸出模式與ADC共用參考電平允許用軟件命令和定時(shí)器2定時(shí)器3及定時(shí)器4的溢出信號(hào)更

84、新DAC輸出。</p><p>　　圖3.1.1單片機(jī)C8051F020外圍接口圖</p><p>　　3.2驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 </p><p>　　在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式.美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。</p>

85、<p>　　IR2110引腳功能及特點(diǎn)簡介： </p><p>　　LO（引腳1）:低端輸出 </p><p>　　COM（引腳2）:公共端 </p><p>　　Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓 </p><p>　　Nc（引腳4）: 空端 </p><p>　　Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓 &l

86、t;/p><p>　　VB (引腳6):高端浮置電源電壓 </p><p>　　HO（引腳7）:高端輸出 </p><p>　　Nc（引腳8）: 空端 </p><p>　　VDD（引腳9）:邏輯電源電壓 </p><p>　　HIN（引腳10）: 邏輯高端輸入 </p><p>　　SD（引腳11

87、）:關(guān)斷 </p><p>　　LIN（引腳12）:邏輯低端輸入 </p><p>　　Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0V </p><p>　　Nc（引腳14）:空端</p><p>　　IR2110的特點(diǎn)： </p><p>　　（1）具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。 </p><

88、;p>　　（2）懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V。 </p><p>　?。?）輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為10—20V。 </p><p>　?。?）邏輯電源的輸入范圍（腳9）5—15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有5V的便移量。 </p><p>　?。?）工作頻率高，可達(dá)500KHz。 &

89、lt;/p><p>　　（6）開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns，圖騰柱輸出峰值電流2A。</p><p>　　IR2110內(nèi)部功能如圖3.2.1所示。</p><p>　　圖3.2.1 IR2110內(nèi)部框圖</p><p>　　IR2110的工作原理： </p><p>　　IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：

90、邏輯輸入；電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，即一組電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下端的控制。</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件原理設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1最大功率追蹤電路</p><p><b>　　圖4.1</b></p><

91、p>　　Boost升壓電路在最大功率點(diǎn)跟蹤裝置中起到調(diào)節(jié)太陽能輸出電壓的作用。其工作原理為：開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路開通時(shí)間期間：二極管D反偏截止，電感L儲(chǔ)能，電容C給負(fù)載提供能量；開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路截止時(shí)間期間：二極管D導(dǎo)通，電感L和電源經(jīng)二極管D給電容充電，并向負(fù)載提供能量。其輸出電壓為：</p><p>　　圖4.1是太陽能最大功率點(diǎn)裝置的總體接線圖，裝置通過的采樣電阻對(duì)和己進(jìn)行采樣，電阻采樣輸出電流，通過三個(gè)模擬

92、量輸入通道將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中，然后由單片機(jī)進(jìn)行算法的計(jì)算，以控制PWM的寬度，從而調(diào)節(jié)Boost電路的占空比D，來控制太陽能輸出電壓，使之與最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓相匹配。</p><p>　　4.2DC-DC升壓電路</p><p>　　如圖4.2所示。電感L與電容C足夠大。當(dāng)處于通態(tài)時(shí)，電源向電感L充電，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值。處于斷態(tài)時(shí)和L共同

93、向電容C充電并向負(fù)載提供能量。設(shè)通態(tài)時(shí)間為，斷態(tài)時(shí)間為，一個(gè)周期內(nèi)電感積蓄的能量相等得：</p><p>　　將的輸出電壓采樣送單片機(jī)C8051F020分析計(jì)算，改變PWM的脈寬從而調(diào)節(jié)輸出電壓使其穩(wěn)定在24V。</p><p>　　4.2 升壓斬波電路</p><p>　　4.3頻率相位跟蹤電路</p><p>　　圖4.3 過零檢測電路

94、</p><p>　　如圖4.3所示。D10、D11電壓取自變壓器次級(jí)A、B兩點(diǎn)(~14v)，經(jīng)過D10、D11全波整流，形成脈動(dòng)直流波形，電阻分壓后，再經(jīng)過電容濾波，濾去高頻成分，當(dāng)電壓大于0.7V時(shí)，三極管U導(dǎo)通，在三極管集電極形成低電平；當(dāng)電壓低于0.7V時(shí)，三極管截止，三極管集電極通過上拉電阻R21，形成高電平。這樣通過三極管的反復(fù)導(dǎo)通、截止，在芯片過零檢測端口形成脈沖波形，將過零檢測得到方波半個(gè)周期的脈

95、沖送入單片機(jī)，單片機(jī)以逆變電壓反饋信號(hào)的上升沿為計(jì)數(shù)器的起始時(shí)間，以其下降沿和電網(wǎng)電壓反饋信號(hào)的下降沿為兩個(gè)計(jì)數(shù)器截止時(shí)間，單片機(jī)就可以得到逆變電壓的脈沖寬度和逆變電壓與電網(wǎng)電壓的下降沿之間的寬度。進(jìn)而得到逆變電壓的頻率和輸出波形的相位差。將頻率和相位誤差數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，單片機(jī)調(diào)整PWM波的占空比修正頻率，改變查表時(shí)的入口就可以跟蹤到相位。進(jìn)而調(diào)整輸出SPWM的頻率與相位，實(shí)現(xiàn)頻率和相位追蹤。</p><p>　

96、　4.4 DC—AC變換電路</p><p>　　逆變主電路中功率MOSFET采用大電流低內(nèi)阻75N75。4個(gè)橋臂在SPWM信號(hào)控制下輪流導(dǎo)通，為防止驅(qū)動(dòng)器輸出的柵極電壓過沖，在每個(gè)MOSFET的柵極串聯(lián)一個(gè)電阻，并在源、漏極之間反并聯(lián)一個(gè)二極管，防止MOSFET截止瞬間被擊穿。</p><p>　　4.4單相全橋式逆變電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用單相全橋

97、式逆變電路，4個(gè)MOSFET管組成逆變電路的橋臂，橋中各臂在控制信號(hào)作用下輪流導(dǎo)通，它的基本工作方式為180度導(dǎo)電方式。單相橋式逆變電路電路如圖4.4所示。</p><p><b>　　4.5驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　在驅(qū)動(dòng)回路中，采用IR2110作為半橋驅(qū)動(dòng)芯片，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。IR2110能同時(shí)輸出兩路

98、驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變橋中高壓側(cè)與低壓側(cè)MOSFET。它具有自舉懸浮電源，最大驅(qū)動(dòng)電流2A，可直接用于母線電壓為-4—+600V的系統(tǒng)中來驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，工作電壓范圍10—20V，功耗很小。芯片自身具有整形功能，實(shí)現(xiàn)了不論其輸入信號(hào)前后沿陡度如何，都可保證加到被驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)前后沿很陡，因而可極大地減少被驅(qū)動(dòng)功率器件的開關(guān)時(shí)間，降低開關(guān)損耗，具有電源欠壓保護(hù)關(guān)斷邏輯和低壓延時(shí)封鎖功能。因此使用IR2110作為驅(qū)動(dòng)芯片

99、使MOSFET驅(qū)動(dòng)電路大為簡單，又具有快速完整的保護(hù)功能。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5單相全橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　4.6 濾波模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　采用LC濾波電路。SPWM波形中所含的諧波主要是載波角頻率ω及其奇次諧波。本系統(tǒng)采用載波頻率為30kHz，遠(yuǎn)大于調(diào)制信號(hào)角

100、頻率，濾波較易實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中逆變器輸出頻率為45~55Hz， LC濾波器截止頻率，元件參數(shù)取L=1mH，C=10µF，計(jì)算截止頻率為1.59kHz，滿足設(shè)計(jì)要求。電路圖如圖4.6所示。</p><p><b>　　圖4.6濾波電路圖</b></p><p>　　4.7欠電壓保護(hù)和過電流保護(hù)的設(shè)計(jì)</p><p>　　電流傳感器是常見的采

101、集交流電流的器件，本方案也用它對(duì)交流側(cè)的電流進(jìn)行采集，用橋式二極管整流，電容的作用亦為簡單的濾波，可變電阻可以通過改變電阻的大小確定電壓的大小，與給定比較，構(gòu)成過電流保護(hù)電路。圖4.7.1示。</p><p><b>　　圖4.7.1</b></p><p>　　欠電壓保護(hù)電路：將Ud的電壓經(jīng)電阻分壓后，鑒于單片機(jī)耐壓值較小，按一定比例取入電壓，通過單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)

102、換模塊采集輸入電壓，控制器與低壓限值進(jìn)行比較，在輸入電壓降低到設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)控制程序封鎖IR2110，從而實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)保護(hù)功能，電壓恢復(fù)后裝置自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)的功能。</p><p>　　過電流保護(hù)電路：對(duì)DC-AC變換器的輸出電壓進(jìn)行降壓，通過單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊采集輸入電壓，控制器與高壓限值進(jìn)行比較，在輸出電流上升到設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)控制程序封鎖IR2110，從而實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)和輸出過流保護(hù)功能，電流恢復(fù)后

103、裝置自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)的功能。電路圖如圖4.7所示。</p><p>　　圖4.7.2保護(hù)電路</p><p>　　4.8控制回路電源的設(shè)計(jì)</p><p>　　此次設(shè)計(jì)中控制回路的電源主要有15V、5V和3.3V。為此設(shè)計(jì)將5V的電源通過AS1117轉(zhuǎn)換給單片機(jī)直接供電的3.3V。為了在系統(tǒng)工作時(shí)方便判斷控制回路電源供電狀態(tài)，設(shè)置了四個(gè)發(fā)光二極管來顯示電源是否正常工

104、作。</p><p>　　4.8.1 AS1117介紹</p><p>　　AS1117是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，外圍應(yīng)用電路簡單，當(dāng)輸出1A電流時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值僅為1.2V。AS1117除了提供多種固定電壓版本外（Vout=1.8V，2.5V，2.85V，3.3V，5V），這些固定電壓版本只需輸入輸出兩個(gè)電容和負(fù)載即可工作，芯片內(nèi)部包括啟動(dòng)電路，偏置電路，電壓基準(zhǔn)源電路，過熱保

105、護(hù)，過流保護(hù)，功率管及其驅(qū)動(dòng)電路等模塊組成。該版本能提供的輸出電壓范圍為1.25~13.8V，輸出工作電壓范圍高達(dá)15V。這些優(yōu)點(diǎn)確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并確保輸出電壓和參考源精度1%的精度范圍內(nèi)。AS1117的引腳排列圖如圖4.8.1，引腳定義如表4.8.1</p><p>　　圖4.8.1引腳排列圖</p><p>　　表4.8.1 固定電壓型引腳定義</p><

106、;p>　　4.8.2電源設(shè)計(jì)硬件原理圖</p><p>　　4.8.2硬件原理圖</p><p>　　電源后面接發(fā)光二極管和電阻是為了顯示電源是否正常工作，方便檢查故障。電阻的作用是限流，保護(hù)發(fā)光二極管正常工作。電感是用來限制高速電流變動(dòng),也就是濾去“高頻”的電流成份，大的電解電容主要用于低頻濾波，小電容主要用于濾去高頻毛刺。通過1000µf電解電容濾去低頻干擾；0.1&#

107、181;f無極性電容濾除高頻噪聲去耦。鋁電解電容容量比較大，大約為1mA電流對(duì)應(yīng)2～3µf；由于大電容極板和引腳段大，導(dǎo)致電感也大，固對(duì)高頻不起作用，因此設(shè)計(jì)中選用0.1µf濾高頻干擾。</p><p><b>　　4.9鍵盤輸入電路</b></p><p>　　為了控制并網(wǎng)系統(tǒng)電源的安全使用，設(shè)計(jì)了用鍵盤輸入電路。如圖所示，該鍵盤輸入電路主要由四

108、個(gè)按鍵和四個(gè)電阻。四個(gè)按鍵S3控制主回路的啟動(dòng)，S4控制主回路的停止，S5控制控制回路的啟動(dòng)，S6控制控制回路的停止工作。由于C8051F020單片機(jī)端口引腳的典型工作電流為10mA,電壓給定5V，則選用四個(gè)限流電阻的阻值均選擇為4.7k。</p><p>　　在該電路中，當(dāng)沒有鍵按下時(shí)，單片機(jī)C8051F020的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7四個(gè)端口處于高電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)對(duì)應(yīng)的端口變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^判斷

109、相應(yīng)的鍵是否按下，軟件從而控制系統(tǒng)的停止和啟動(dòng)。</p><p>　　圖4.9 鍵盤輸入電路</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是本世紀(jì)的新的可持續(xù)發(fā)展綠色能源之一。對(duì)其技術(shù)的研究無論是在經(jīng)濟(jì)發(fā)展上，還是環(huán)境保護(hù)方面都有著重大的意義。本文對(duì)太陽能電源并網(wǎng)電路與控制部分做了一個(gè)詳細(xì)的研究，從光伏發(fā)

110、電的分類開始闡述，講了SPWM控制逆變的方法，以及C8051F020單片機(jī)對(duì)SPWM過程的控制，逆變信號(hào)和電網(wǎng)信號(hào)的過零檢測，將檢測的結(jié)果輸入到單片機(jī)中，由單片機(jī)根據(jù)輸入信號(hào)的變化隨時(shí)地改變輸出波形來控制SPWM。</p><p>　　歸納起來本文主要做了以下工作:</p><p>　　1.介紹了太陽能發(fā)電的情況和發(fā)展趨勢，包括并網(wǎng)發(fā)電、并網(wǎng)逆變、最大功率點(diǎn)的跟蹤等技術(shù)概念。</p&