本文是摘抄自《光伏并网发电模拟装置》全国一等奖西安电子科技大学刘东林何昊郭世忠。

关键词：锁相环；DC-AC；MPPT

一、方案论证与比较

最大功率点跟踪方案比较：方案一：采用经典MPPT算法，对光伏阵列的输出电压电流连续采样，寻找dPdU/为零的点，即为最大功率点。方案二：使用模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl)等现代MPPT跟踪方法。这类算法的优点是对于非线性的光伏发电系统能够取得良好的控制效果，但控制方法复杂，系统开销很大，故未采用此方案。


理论分析与参数计算

1.频率跟踪电路设计：

利用锁相环CD4046可以实现输入信号的倍频和同步，输入频率45-55Hz，经256倍频后为11.52信号，送给单片机作为系统同步的时钟。单片机用DDS原理产生幅度可调的正弦信号，此时钟作为D/A输出的时钟，即可追踪输入信号的相位和频率。此正弦信号送给本设计中自闭环的DC-AC逆变器作为输入，输出电压就可以与参考输入Uref同频同相。为保证快速锁定，需要调整R1、R2、C1的值使锁相环中心频率稳定在50Hz。

2.MPPT最大功率点跟踪的实现：本设计采用MSP430F169单片机，它有两路D/A、8路A/D，可以轻松地实现连续的电压电流采集。单片机由此数据计算出实时功率后根据MPPT算法自动调整，当dPdU/0时通过增加系统的输入阻抗增加实际得到的输入电压U以提高功率，反之则降低U，最终达到dPdU/0=的最大功率点跟踪。

3.提高效率方法：开关电源电路设计中的主要损耗包括：场效应管的导通电阻损耗和开关损耗；滤波电路中电感和电容的损耗。综合考虑成本和性能，本电路选用了IRF540，其导通电阻仅为77毫欧，输入结电容为1700pF。在带载额定电流1A时，全桥的静态功耗24*0.308PIRWonon=×=。由于滤波电感和电容工作在高频下，起储能释能作用，因此电感要尽量减小内阻，并保留1mm磁隙防止饱和，电容则要选取等效串联电阻ESR较小的高频低阻类型，以减小在电容上产生的功率损耗。本作品中所用的电感线圈为多股漆包线并绕以减小高频下导线集肤效应带来的损耗，并使用铁氧体材料的磁芯以减小其磁滞损耗。电容则选用聚丙烯电容，它具有较好的高频特性、稳定性和较小的损耗。

4.滤波参数设计：滤波电感使用直径36mm磁罐，加1mm磁隙，用0.4mm漆包线5股并绕20匝，实测电感为200uH左右；为减小通带衰减，取截止频率为5kHz,百百倍于基频，得C=4.7uF。为进一步减小正弦波谐波分量，又用60uH铁粉环电感与0.68uF电容进行了二次滤波，最终效果比较理想。

二、电路与程序设计




电流I在采样电阻上产生的电压经过LM358放大10倍后与参考电压比较，超过则输出低电平，C7经过二极管迅速放电，使#SD信号被拉低，浮栅驱动器输出被关闭，向单片机报警。同时I变小，运放1脚（如图7）输出高电平，+5V经过R17对C7充电，经过一段时间达到浮栅驱动器的高电平门限时，再次打开场效应管。这样可以保证过流时迅速关断输出，关闭一段时间后自行试探，在故障消除后可自动恢复。

3.欠压报警指示，实时显示当前入口处Ud电压：欠压时MPPT算法将自动使输出为零，功率最小。单片机实时采集Ud电压后在液晶上显示，小于25V警。

4.控制电路与控制程序在功率电源入口处用470K:20K金属膜电阻分压到合适电压后进行电压采样，电流则由40毫欧电阻高端采样后经隔离差动放大器HCPL7800放大后再由仪表放大器AD620转换成单端电压，送给A/D采样，其中HCPL7800和AD620带有48倍的增益，将电压放大到2V左右，保证采样电流有足够的精度。功


测试方法：

最大功率点跟踪功能：在60V输入电压情况下，根据表1改变RS与RL（30-36欧），记录电压表2与电压表1的示数。

频率相位跟踪功能：根据表2改变输入信号Uref从45Hz至55Hz步进，从示波器观察频率跟踪的速度和输出电压的频率，以及两者的相位差，记录在表2中。

3.效率：额定RS=RL=30欧时，记录电压表1、2，电流表1、2的示数，效率＝/UIUIooii××。4.失真度：用示波器FFT观察显示波形，记录基波和各次谐波的幅度。

测试数据：

4、输出过流保护和自恢复功能：将输出短路，电路进入过流保护，指示灯亮，液晶屏显示报警，除去短路后报警消失，电路恢复正常。

5、输入欠压保护和自恢复功能：调节输入电压Us，当电压表2显示电压低于25V时液晶屏显示报警。再提高电源电压，报警消失，电路重新正常工作。

五、总结

本设计采用更少元件、更低成本的模拟方案实现频率相位跟踪、DC-AC逆变、欠压、过流自恢复保护等功能，通过精巧的模拟电路设计，在频相跟踪、波形失真度、变换效率等方面远远超过指标要求，并且大大缓解了数字部分的逻辑负担。设计中所选的器件均具有相当高的性价比，如MSP430F169微控制器，IRF540功率管，IR21094浮栅驱动器，对比传统的DSP光伏逆变方案，本作品更经济简洁，实用性更强。