基于MSP430F169的光伏并网发电模拟装置

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200μF左右；为减小通带衰减，取截止频率为5kHz，一百倍于基频，得C=4.7μF。为进一步减小正弦波谐波分量，又用60μH铁粉环电感与0.68μF电容进行了二次滤波，最终效果比较理想。

电路与程序设计

DC-AC电路

DC-AC逆变器由振荡原理的D类功率放大器构成，利用负反馈的高频自激，产生幅度较弱的高频振荡叠加在工频信号上，经过比较器产生高频SPWM开关信号通过浮栅驱动器驱动MOS管半桥。自振荡逆变器框图如图4所示。DA-AC逆变器原理图如图5所示。

图4 自振荡逆变器框图

图5 DA-AC逆变器原理图

由于负反馈在工频上是稳定的，因此输出的信号的放大倍数由R2与 R4的分压比决定，而自振荡（产生的SPWM）频率可通过微调补偿网络中的电阻、电容值进行调整，实际中综合考虑损耗和滤波电路的设计，选定频率约为28kHz，保证输出电压在功率电源HVDC范围内，比例放大系数选为12。这种逆变器自身闭环，整个电路只使用一个比较器，可以根据负载的变化自动调整SPWM的占空比，使输入/输出电压始终成比例关系。

设计时，使用两个上述的自振荡逆变器构成平衡桥式DA-AC变换器，以LM393做逆变的比较器，配合自带死区的IR21094浮栅驱动器驱动IRF540功率MOS管，获得了较高的效率和极低的失真度。

过流保护及自恢复电路

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6）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。

图6 过流保护电路图

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。单片机实时采样Ud电压后在液晶上显示，小于25V时报警。

控制电路与控制程序

在功率电源入口处用470k与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。功率最大时有

，可得，令，，则当时认为达到最大功率点。

经典控制算法流程图如图7所示。

图7 经典控制算法流程图

测试方法与数据、结果分析

测试仪器选用：数字示波器TDS1002；4位半数字万用表VC9807A+；20M数字信号源RIGOL DG1022；双路可跟踪直流稳定电源HY1711。测试框图如图8所示。

图8 测试流程图

测试方法：

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

②频率相位跟踪功能：根据测试数据表2改变输入信号UREF从45Hz~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，记录在测试数据表2中。

③效率：额定RS=RL =30Ω时，记录电压表1、电压表2，电流表1、电流表2的示数，效率=UoIo/UiIi

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：

① 数据记录：各数据列于表1~表3中。

表1 最大功率点跟踪

表2 频率相位跟踪

表3 DA-AC变换器效率

②计算效率：

③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。

④输入欠压保护和自恢复功能：调节输入电压 ，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。

结束语

为了较好地实现频率相位跟踪、DA-AC逆变、欠压及过流自恢复保护等功能，本设计基于MSP430F169单片机，采用较少元件、较低成本的模拟方案，设计了模拟电路，实现了光伏并网发电模拟装置的设计，具有较强的实用性。