光伏并网发电模拟装置研制
随着国际工业化的进程，全球未来能源消耗预计以3%的速度增长，常规能源面临日益枯竭的窘境。人们开始了可再生能源与新能源技术的开发，最具发展前景的当属风力发电和太阳能发电，即光伏并网发电。
1 整体方案设计
设计采用atmega16单片机为主体控制电路，工作过程为：与基准信号同频率、同相位正弦波经过spwm调制后，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电胳放大，驱动h桥功率管工作，经过滤波器和工频变压器产生于基准信号通频率、同相位的正弦波电流。其中，过流、欠压保护由硬件实现，同步信号采集、频率的采集、控制信号的输出等功能，均由atmega16完成。系统总体设计框图如图1所示。
2 硬件电路设计
分为dc/ac驱动电路、dc/ac电路和滤波电路3部分和平滑电容c1，电路原理如图2所示。
2.1 dc—ac驱动电路
是由r1、r2、r3、r4、r5、r6、q3、q4、p3和p4组成，其中p3和p4是控制信号输入端，r3和r4为限流电阻。集电极的电流直接影响波形上升沿的陡峭度，集电极电流越大输出的波形越陡峭。因为r2和r1与集电极pn节的寄生电容形成了一个rc充放电的时间常数，集电极pn结的寄生电容无法改变，只有通过改变r1和r2的值来改变时间常数，所以r1和r2值越小，q3和q4的集电极电流就越大;rc的充电时间常数越小，波形的上升沿越陡峭，而增加集电极电流，会增加系统的功耗，权衡利弊选择一个合适的值。其次，射级pn结的寄生电容也会影响q3和q4的关断时间和波形上升沿的陡峭度。所以在驱动电路中各加了一个放电回路，即拉地电阻r5和r6，r5和r6的引入，加快了q3和q4的关闭速度，这样就使集电极的波形更陡峭。同样在保证基极射极pn不损坏的条件下，基极的电流也是越大越好，但也会带来损耗问题，权衡利弊选择一个合适的值。关于两个电阻的取值，这里假设三极管的放大倍数为β，基极电流ib，集电极电流ic，流过r5的电流为i5，流过r3的电流为i3，r3的压降为v3，驱动信号为v，r5的压降为v5，有
实际中r3和r5应该比计算值小，这样是为了让三极管工作在饱和状态，提高系统稳定性。
2.2 dc-ac电路
是由两只p沟道mosfet。q1、q2和两只n沟道mosfet q5、q6组成。在这里没有采用4只n沟道mosfet，原因是驱动电路复杂，如果采用上面的驱动电路接近电源的两个导体管不能完全导通，发热量为接近地一侧导体管4倍以上，功耗增加，所以采用对管逆变即减小了功耗，而且驱动电路简单。通过控制4个导体管的开关速度再通过低通滤波器即可实现dc/ac功能。
2.3 滤波电路
两个肖特基整流二极管1n5822为续流二极管，这里为防止产生负电压，c2、c3、c4、c5、l1、l2组成低通滤波器，其中c5、c6为瓷片电容，c2、c3用电解电容，充放电电流可以流进地，l1、l2为带铁芯的电感，带铁芯的电感对高频的抑制比空心电感更好，电感值更高。关于参数的选取和截止频率的计算如下
3 采样电路
3.1 电流采样电路的设计
由于终端负载一定，所以电流采样实际等同于一个峰值检测的过程，此电路实际是一个峰值检测电路，p3为信号的2个输入端，调整r10，r11和r17、r18取值来实现峰值测功能，电路中的阻值并不准确，需要实际中根据信号的幅值来调整r10、r11和r17、r18阻值和比值。r14、r15、r19、r20的电流为模拟比较器内部偏置电流的10倍以上，电阻的阻值尽可能大，这样既减小了功耗也保证了系统的稳定性。y3采用模拟比较器lm393，lm393内部为开集电极输出，应用的时候输出端要接一个上拉电阻，电路如图3所示。
3.2 mppt采样电路
在光伏系统中，通常要求太阳能电池的输出功率始终最大，系统要能跟踪太阳电池输出的最大功率点。如果负载不能工作在电池提供的最大功率点，就不能充分利用在当前条件下电池所能提供的最大功率。因此，必须在太阳能电池和负载之间加入阻抗变换器，使得变换后的工作点正好和太阳能电池的最大功率点重合，使太阳能电池以最大功率输出，这就是太阳能电池的最大功率跟踪。即最大功率跟踪mppt，是本套光伏并网发电模拟装置研究的一个重要方向。由于光伏电池的最大功率输出点是随光强、负载和温度变化的。为充分利用太阳能，系统必须实现最大功率点的跟踪。本套光伏并网发电模拟采用恒定电压控制方法，其优点是简单易行，且可以跟踪最大功率点。电路的工作原理：本模块电路的核心也是模拟比较器lm393，tl431提供7.5 v的基准电压，在这里基准电压取值建议≥7.5 v，取值可以比7.5 v稍大，以提高系统稳定性，应保证流过r3、r9的电流为模拟比较器lm393偏置电流的10倍以上，r3、r9的取值尽可能大。r1、r2并联是为了调试方便，现实中很难找到阻值很合适的电阻，滑动变阻器昂贵，所以用两个电阻并联调试效果比较理想。假设r为r1、r2并联值，流过r的电流为i，则有
式(9)中的，可以认为是tl431的灌电流的最小值，流过r6的电流和模拟比较器lm393的偏置电流忽略不计。r6和r13阻值选取，应参考tl431内部1脚的偏置电流，流过r6和r13的电流应该10倍于tl431内部1脚的偏置电流，在保证系统稳定的前提下尽量减小功耗。
输出用了光电耦合器u4把控制电路和主电路隔离，防止主电路干扰控制电路，r4和r5的取值太大影响稳定性，取值太小则使流过r4、r5的电流大功耗增加甚至损坏器件。
模拟比较器lm393的正相输入端3脚位固定电压7.5 v，正常状态下pd4采集到的为高电平，当2脚的电压高于7.5 v时输出端1脚输出低电平，光耦导通，pd4采集到的为低电平开始处理spwm信号调整输出阻抗来实现恒电压跟踪，最终实现最大功率点跟踪。电路如图4所示。
3.3 欠压采样电路设计
如图5与图4电路相似，模拟比较器的反相输入端为基准电压7.5 v，而r22换成电位器，目的是为了便于调整使本装置适用于不同欠压值控制。输出采用光电耦合器u4把控制电路和主电路隔离，防止主电路干扰控制电路，r22、r24的取值太大影响稳定性，取值太小则使流过r22、r24的电流大功耗增加甚至损坏器件，r21、r23的取值大小参见4n25的输入输出特性曲线。
模拟比较器lm393的反相输入端6脚位固定电压7.5 v，正常状态下欠压采样输出为高电平，当5脚电压<7.5 v时，输出端7脚输出为低电平，光耦导通，欠压输出端采集到的低电平欠压保护电路开始工作，切断主电路供电，实现欠压保护。
4 欠压过流保护电路设计
电路如图6所示，当系统正常工作时，此过流保护的输入端过流信号和欠压即cd4011的1脚和2脚，检测到的信号都是高电平，c04011的3脚输出低电平，经过u10b和u10c两级反相最终cd4011的10脚输出低电平，三极管2n3904截止，继电器常闭端处于导通状态，系统处于正常工作状态。当输出流过负载的电流过大或者输入电压不足时低电平触发cd4011的1脚2脚，这时候3脚输出高电平，电容c10充电经过u10b和u10c两级反相后10脚输出高电平，三极管2n3904导通，继电器的常闭端断开，主电路停止供电，处于保护状态。由于主电路电源被切断u10a的输入端检测到高电平，3脚输出低电平，由于cd4011的高输入阻抗和开关二极管d6单向导通作用，c10的电荷只能通过r27释放，当u10b的输入端电位低于门限电压，经过u10b和u10c两级反相后，三极管2n3904关闭，主电路开始供电。这样实现了系统过流、欠压故障排除后，装置自动恢复为正常状态。
此部分电路的设计采用双输入四与非门cd4011做反相器、开关二极管d6、电阻r27、电解电容c10、三极管2n3904和继电器。r26的选取由继电器的驱动电流和2n3904的放大倍数β来决定，过小则增加功耗，过大则不能驱动继电器。r27和c10的放电时间就是系统过流欠压保护后检测的间隔时间。时间t=2×r27×c10。
5 结束语
光伏并网发电是一个集计算机技术、电力电子技术和材料科学等综合性学科的技术。光伏并网发电有广阔的发展前景，而太阳能利用将为环保事业、能源结构的调整，减少对传统能源的依赖做出巨大贡献。随着风电机组制造成本的不断降低，化石燃料的逐步减少及其开采成本的增加，将使风电逐步增强市场竞争力。
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1 整体方案设计
设计采用atmega16单片机为主体控制电路，工作过程为：与基准信号同频率、同相位正弦波经过spwm调制后，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电胳放大，驱动h桥功率管工作，经过滤波器和工频变压器产生于基准信号通频率、同相位的正弦波电流。其中，过流、欠压保护由硬件实现，同步信号采集、频率的采集、控制信号的输出等功能，均由atmega16完成。系统总体设计框图如图1所示。
2 硬件电路设计
分为dc/ac驱动电路、dc/ac电路和滤波电路3部分和平滑电容c1，电路原理如图2所示。
2.1 dc—ac驱动电路
是由r1、r2、r3、r4、r5、r6、q3、q4、p3和p4组成，其中p3和p4是控制信号输入端，r3和r4为限流电阻。集电极的电流直接影响波形上升沿的陡峭度，集电极电流越大输出的波形越陡峭。因为r2和r1与集电极pn节的寄生电容形成了一个rc充放电的时间常数，集电极pn结的寄生电容无法改变，只有通过改变r1和r2的值来改变时间常数，所以r1和r2值越小，q3和q4的集电极电流就越大;rc的充电时间常数越小，波形的上升沿越陡峭，而增加集电极电流，会增加系统的功耗，权衡利弊选择一个合适的值。其次，射级pn结的寄生电容也会影响q3和q4的关断时间和波形上升沿的陡峭度。所以在驱动电路中各加了一个放电回路，即拉地电阻r5和r6，r5和r6的引入，加快了q3和q4的关闭速度，这样就使集电极的波形更陡峭。同样在保证基极射极pn不损坏的条件下，基极的电流也是越大越好，但也会带来损耗问题，权衡利弊选择一个合适的值。关于两个电阻的取值，这里假设三极管的放大倍数为β，基极电流ib，集电极电流ic，流过r5的电流为i5，流过r3的电流为i3，r3的压降为v3，驱动信号为v，r5的压降为v5，有
实际中r3和r5应该比计算值小，这样是为了让三极管工作在饱和状态，提高系统稳定性。
2.2 dc-ac电路
是由两只p沟道mosfet。q1、q2和两只n沟道mosfet q5、q6组成。在这里没有采用4只n沟道mosfet，原因是驱动电路复杂，如果采用上面的驱动电路接近电源的两个导体管不能完全导通，发热量为接近地一侧导体管4倍以上，功耗增加，所以采用对管逆变即减小了功耗，而且驱动电路简单。通过控制4个导体管的开关速度再通过低通滤波器即可实现dc/ac功能。
2.3 滤波电路
两个肖特基整流二极管1n5822为续流二极管，这里为防止产生负电压，c2、c3、c4、c5、l1、l2组成低通滤波器，其中c5、c6为瓷片电容，c2、c3用电解电容，充放电电流可以流进地，l1、l2为带铁芯的电感，带铁芯的电感对高频的抑制比空心电感更好，电感值更高。关于参数的选取和截止频率的计算如下
3 采样电路
3.1 电流采样电路的设计
由于终端负载一定，所以电流采样实际等同于一个峰值检测的过程，此电路实际是一个峰值检测电路，p3为信号的2个输入端，调整r10，r11和r17、r18取值来实现峰值测功能，电路中的阻值并不准确，需要实际中根据信号的幅值来调整r10、r11和r17、r18阻值和比值。r14、r15、r19、r20的电流为模拟比较器内部偏置电流的10倍以上，电阻的阻值尽可能大，这样既减小了功耗也保证了系统的稳定性。y3采用模拟比较器lm393，lm393内部为开集电极输出，应用的时候输出端要接一个上拉电阻，电路如图3所示。
3.2 mppt采样电路
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式(9)中的，可以认为是tl431的灌电流的最小值，流过r6的电流和模拟比较器lm393的偏置电流忽略不计。r6和r13阻值选取，应参考tl431内部1脚的偏置电流，流过r6和r13的电流应该10倍于tl431内部1脚的偏置电流，在保证系统稳定的前提下尽量减小功耗。
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模拟比较器lm393的正相输入端3脚位固定电压7.5 v，正常状态下pd4采集到的为高电平，当2脚的电压高于7.5 v时输出端1脚输出低电平，光耦导通，pd4采集到的为低电平开始处理spwm信号调整输出阻抗来实现恒电压跟踪，最终实现最大功率点跟踪。电路如图4所示。
3.3 欠压采样电路设计
如图5与图4电路相似，模拟比较器的反相输入端为基准电压7.5 v，而r22换成电位器，目的是为了便于调整使本装置适用于不同欠压值控制。输出采用光电耦合器u4把控制电路和主电路隔离，防止主电路干扰控制电路，r22、r24的取值太大影响稳定性，取值太小则使流过r22、r24的电流大功耗增加甚至损坏器件，r21、r23的取值大小参见4n25的输入输出特性曲线。
模拟比较器lm393的反相输入端6脚位固定电压7.5 v，正常状态下欠压采样输出为高电平，当5脚电压<7.5 v时，输出端7脚输出为低电平，光耦导通，欠压输出端采集到的低电平欠压保护电路开始工作，切断主电路供电，实现欠压保护。
4 欠压过流保护电路设计
电路如图6所示，当系统正常工作时，此过流保护的输入端过流信号和欠压即cd4011的1脚和2脚，检测到的信号都是高电平，c04011的3脚输出低电平，经过u10b和u10c两级反相最终cd4011的10脚输出低电平，三极管2n3904截止，继电器常闭端处于导通状态，系统处于正常工作状态。当输出流过负载的电流过大或者输入电压不足时低电平触发cd4011的1脚2脚，这时候3脚输出高电平，电容c10充电经过u10b和u10c两级反相后10脚输出高电平，三极管2n3904导通，继电器的常闭端断开，主电路停止供电，处于保护状态。由于主电路电源被切断u10a的输入端检测到高电平，3脚输出低电平，由于cd4011的高输入阻抗和开关二极管d6单向导通作用，c10的电荷只能通过r27释放，当u10b的输入端电位低于门限电压，经过u10b和u10c两级反相后，三极管2n3904关闭，主电路开始供电。这样实现了系统过流、欠压故障排除后，装置自动恢复为正常状态。
此部分电路的设计采用双输入四与非门cd4011做反相器、开关二极管d6、电阻r27、电解电容c10、三极管2n3904和继电器。r26的选取由继电器的驱动电流和2n3904的放大倍数β来决定，过小则增加功耗，过大则不能驱动继电器。r27和c10的放电时间就是系统过流欠压保护后检测的间隔时间。时间t=2×r27×c10。
5 结束语
光伏并网发电是一个集计算机技术、电力电子技术和材料科学等综合性学科的技术。光伏并网发电有广阔的发展前景，而太阳能利用将为环保事业、能源结构的调整，减少对传统能源的依赖做出巨大贡献。随着风电机组制造成本的不断降低，化石燃料的逐步减少及其开采成本的增加，将使风电逐步增强市场竞争力。
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