2011年电赛陕西赛区上报国家参赛队设计报告论文1

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光伏并网发电模拟装置 学 校:******** 作 者:*** *** *** 指导教师:***

中文摘要:本制作采用模拟锁频-锁相技术～实现了对基准正弦信号相位的精确跟踪,利用PWM调制技术的D类功放～实现了DC-AC的高效变换,输出级功率VMOSFET管采用H桥结构～实现了输出正弦电压的无缝交接和功率拓展,采用负反馈电压调整技术～实现了U = U/2的精确跟踪～采用AD+CPU的方法实现了过流过压保护点的精确设定。实测dS

结果表明～该装置实现了题目要求的全部功能～多项指标优于题目要求。 英文摘要:***************

关 键 词:DC-AC;PWM;D类功放,负反馈调整,锁频-锁相 一、方案论证

1(DC-AC变换与功率放大方案

有三种方案可供选择。一是直接线性功率放大方案:将基准电压直接进行线性功率放大，实现DC-AC变换。此方法虽简单，若选放大器为A、B、C类则效率都不高。二是斩波方案:利用开关管将直流电压斩波为与基准正弦信号周期相同的方波，再通过低通滤波器滤出基频。优点是方案简单，效率高，缺点是滤波电路复杂，输出波形失真太大。三是PWM调制的D类功率放大方案:此方案效率高，失真小。经比较，采用方案三。DC-AC变换器采用PWM调制的D类功率放大器，其除了

具有极高的效率，还具有良好的线性。为了满足输出电压幅度(或输出功率)的要求，输出开关功率管必须接成H桥的形式。

2(频率-相位跟踪方案

方案一:数字锁频—锁相方案，此方案采用数字锁相环，同时对频率和相位进行跟踪。先将基准信号和输入电压采样信号分别变换为矩形脉冲，送数字锁相环进行处理，然后再变换成正弦电压信号，将其作为控制电路的新基准。该方案最大优点是硬件结构简单，实现灵活方便。

方案二:模拟锁频-锁相方案，此方案采用模拟方法进行频率和相位的跟踪。一般的模拟锁相环，锁相后往往存在固定相差，本方案采用矢量旋转合成技术，即将U和U通过reff

o鉴相、相位误差比较放大后，去压控与U互成?90的矢量的幅度，最后再与U矢量进行refref叠加，形成旋转合成矢量，作为逆变器的输入电压，最终实现U和U几乎零相差的相位跟fr

踪。经搭建实验电路测试，此方案实现电路虽较为复杂，但抗干扰能力强、跟踪精度高。本

设计最终采用方案二，方案一可做备选。 3(最大功率点跟踪方案

方案一为直接采集控制方案，此方案通过A/D变换器对U、U进行监视，借助单片机Sd

算法合成控制信号以实现功率跟踪。但该方案对功率跟踪不够直接，系统收敛较慢。方案二为负反馈调整方案，此方案电路简单，且容易与频率-相位跟踪电路进行配合。经搭建实验电路测试，此方案完全可以达到题目要求，且控制精度较高，故采用此方案。该方案对US和U分别进行取样，经过比较放大后，输出控制电压去压控正弦输入信号的幅度，最终实d

现功率跟踪，使U= U/2。 d S 4(欠压、过流保护保护方案

方案一:采用对U、I进行取样，在与基准电压进行比较，输出关断信号关断功率输do

出。此方法为纯硬件方案，保护点可以通过电位器进行连续调节。 方案二:利用A/D变换器对U、I进行采样并转换为数字信号，送单片机与设定好的do

电压、电流值进行比较，输出关断信号关断功率输出。此方法硬件电路简单，且保护点可通过软件进行灵活设定，故本设计采用方案二。

5(纹波抑制方案

由于采用了D类功放，输出级必须采用低通滤波器，以消除开关次频率的高频纹波。方案一为每个半桥采用两阶Butterworth滤波器，此方案的优点是电路简单，但对开关次频率的压制还不够。方案二为每个半桥采用四阶Butterworth滤波器，可对纹波进行进一步抑制，比较后采用方案二。

二、理论分析与计算

1. MPPT的控制方法与参数计算

最大功率点跟踪实际上是要使U?U/2的控制问题，使U?U/2，就要调整负载的功dSdS

率(电压)，从而调节I来改变R上的电压(功耗)，问题转化为输出电压的控制问题。控dS

制框图如图1所示。 Ud uPWM及 uo 开关功率 U、U取样 压控 低通 c usdo1 变压器 驱动电路 输出级 及误差放大 幅度调节 滤波器

uF u频率、相位跟踪 REF 图1 MPPT框图

分别对U和U进行分压取样，将其电压样品进行比较放大后，去压控由频率-相位跟dS

踪环节送来的正弦电压信号，形成复合基准正弦电压信号u，再送给PWM调制器，对输出c

电压的幅度进行调节，使负载消耗的功率跟着变化，使U和I同时发生变化，这种负反馈dd

闭环系统最终将U与U的比例关系予以锁定，改变U或者U的取样电压，可将其准确的SddS

调整为U=U/2。 dS

取样、比较放大调整环节采用传统的实现方法来完成，压控幅度调整环节利用模拟乘法器来实现。

2(同频、同相的控制方法与参数计算

为了实现模拟电网与参考信号的同频、同相跟踪，并输出新的正弦参考电压信号，系统采用模拟锁相技术，原理框图如图2所示。

o0 合成矢量 加法器 oUi 90Ur 移相器 乘法器2 o ?90 乘法器1 Uf 比较放大 鉴相器

图2 相位跟踪整体框图

旋转合成矢量 U为参考信号，U为逆变器输出的反馈信号。由rfoo+90U i 90移相器与乘法器1组成鉴相器，实现U与U的鉴rf

相功能，然后将输出的相位误差信号与零电平进行比

φ 较放大(开环比较放大)后，送乘法器2的一个输入0 o0U 端。由于开环放大倍数很高，只要两个信号有一点相r 差，均可得到高倍放大。乘法器2的另一个输入信号oo-90U i 来自于U经过90相移后的信号，所以从乘法器2输r

出的信号，其幅度大小取决于经过比较放大后的相位图3 旋转矢量合成示意 o误差电压的大小，其相位与参考信号U相差?90，?r

oo极性取决于比较放大后的电压极性。因此，乘法器2组成了?90矢量的形成及?90矢量的

o幅度调整环节，其输出的?90矢量与原参考矢量U进行矢量叠加，形成合成矢量U(如图ri

o3示)，合成矢量的相位取决于?90矢量的幅度。合成矢量送给功率跟踪环节形成复合基准信号u，作为逆变器的输入信号。由于本相位跟踪环节与逆变器一起组成闭环调整系统，通c

过对合成矢量相位的调节，实现了U与U的几乎零相差跟踪。合成矢量的相位具有较大的rf

调整范围，对于系统的超前或滞后相移均能得到超强的跟踪。 3(提高效率的方法 (1)功率输出管的选择

功率输出管可选三极管、VMOS场效应管或IGBT管。虽然三者速度都可满足本题目要求，但是晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性也不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗增大;由于电源U电压不是太高，而IGBT具有较大的d

导通压降，也会导致损耗增大;VMOSFET具有较低的导通电阻、以及良好的开关特性，因而选择VMOSFET功率管，有利于提高系U d统的效率。

(2)功率输出级的结构形式

PWM2 PWM1 由于采用半桥结构满足不了输出功率 的要求，输出级必须采用4个VMOSFET PWM2 PWM1

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