1 引言

在全球经济飞速发展过程中，煤炭、石油等常规能源的大规模开采和使用，已经引起全球变暖以及生态环境的危机，因此，能源和环境的可持续发展已经目前各个方面共同关注的重大问题之一。大力发展可再生能源技术是解决这个问题的有效途径。其中，太阳能是新能源与可再生能源的重要组成部分。太阳能光伏发电技术是利用光生伏打效应原理制成太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成电能加以利用。光伏系统发出的直流电通过一系列逆变、控制、检测、保护等手段并入电网。

2 电路设计

2.1dc-ac模块

（1） spwm波发生模块

设计spwm波调制电路。控制系统可以输出两路正弦波用于产生spwm调制波，控制系统产生的正弦波与三角波发生器产生的三角波经过比较器比较以后就可以得到要求的spwm波，相位、幅度、频率可以通过单片机直接进行精确控制，故采用此方案。

（2）驱动模块

基于强、弱电之间的隔离要求，spwm信号不能够直接驱动mos管的导通，故需要加驱动电路，将控制电路和主电路隔离开来。

采用带有高端悬浮自举电源的驱动芯片，该类芯片内部有高端悬浮自举电路，可以大大减少电源数量和种类。采用驱动芯片ir2110驱动，仅需一个电源就可以同时驱动两相全桥式上下桥臂，且工作电压范围+10v～+20v，电源种类和数量的减少可以降低电路损耗。

2.2滤波电路

为了简化电路结构，采用lc滤波电路。在lc滤波电路中，适当匹配电感l和电容c，可以使得输出电压相位和输入电压相位一致，方便电压相位的控制，滤波效果相对比rc电路理想，故采用此方案。

2.3控制模

控制模块以单片机为控制器，单片机的选型主要要考虑相应速度的问题，因此采用快速单片机w77e58。w77e58单片机是一个快速单片机，内含32kb的eprom和1kb的ram，在相同的时钟频率下，其指令执行速度是标准8051的1.5～3倍；若采用40mhz晶振时，单条指令最快仅需0.1us。能够达到题目要求的模拟并网运行和最大功率点跟踪。

2.4ad转换模块

ad转换模块构建也必须要考虑转换速率及可靠性、转换精度等问题，比较众多转换芯片最后选择采用max197的方案。max197是一个12位高精度高速逐次逼近模数转换芯片，它有8个模拟信号输入端口，可通过程序选择输入通道，转换时间最短仅需6us，完全能够满足单片机每隔90.9us采样一次的要求；此外，max197精度更高。

3理论分析与计算

3.1最大功率点跟踪（mppt）

如图1所示，由电路知识可以得输出功率的计算公式如下：

（1）可见，最大功率点pmax应该在电压ud 和电流id同时取得最大值时（即rl=rs时）产生，为了实现最大功率跟踪，这里采用最为常用的“爬山法”以实现自动跟踪，操作方法如下：将检测到的ud和id相乘，得到输出功率p，将单片机控制pwm波占空比增加1%，按上述方法计算出当前的功率p2；若pp2，将pwm波占空比减小1%，可测出当前的功率p2；

3.2频率相位跟踪

频率、相位跟踪的原理图如图2所示。

模拟电网电压的参考正弦信号uref和反馈信号uf接入比较器lm339的反相端，lm339的同相端接零，以实现过零比较，经过比较以后，lm339输出端的信号为方波信号，将该信号接入反相器经过两次反相整形后分别接入连接单片机p3.4（t0）端和p3.5（t1）端，考虑到正弦波的频率较低，采用“t”法测量，当p3.4检测到一个上升沿跳变时，同时启动计数器0，采用方式1计数，考虑到正弦波的周期为在18.2ms～22.2ms之间，方式1计数溢出需要65.5ms，故无需打开计数器0中断；当下一个上升沿跳变来临时，停止计数器0，由于计数器每计数一次耗时1us，将计数器0的寄存器th0和寄存器tl0数据取出后就可以算出频率，公式如下：

（2）当将模拟电网uref和反馈信号uf的频率测出以后，以模拟电网信号的频率为标准，通过单片机的数据处理后，调节单片机输出控制的正弦波频率，就可以实现频率跟踪。

相位跟踪原理与频率跟踪原理比较类似，不同的是需要将两路输出信号接入一个或非门，再将或非门的输出接入单片机的外部中断0；两路信号的信号相位不同，与非门输出低电平，使单片机产生中断。此时，p3.4和p3.5不再计数，而是作为检测模拟电网的正向过零点和反馈信号的正向过零点，这样模拟电网和反馈信号的相位都可以测出，并且可以计算出两路信号的相位差φ。以模拟电网的相位为标准，可以计算出相位超前或滞后的时间t，公式如下：

（3）计算出超前或滞后的时间t后，就可以通过单片机进行数据处理后，调节输出正弦波的相位，实现相位跟踪。

3.3滤波电路

由于在spwm波产生电路中，采用了8khz的三角波和50hz正弦波比较而得到驱动的spwm波，因此输出电压含有8khz左右的杂波，考虑到lc电路的截止频率ωc=0.1～0.33ω0滤波效果较好，根据公式：

（4）取ωc=0.1ω0，可见当频率f=800hz时，滤波效果较佳；由于输出电压相对比较稳定，而输出电流变化却较大，为了较好地稳定电流，选择l=15mh，那么容易计算出电容值c=2.64μf，考虑到抑制电压脉动，在此选择c=10μf的电解电容。

4 电路与程序设计

4.1系统总体结构

该系统主要由控制电路、逆变电路、滤波电路、检测回路组成，系统结构如下：在图3中，单片机控制spwm模块输出两路pwm波；经过延时电路和光电隔离后，pwm波接入驱动电路，控制主回路输出电压的频率、幅值和相位；再经过lc滤波电路后，输出波形就是比较标准的正弦电压波。

4.2保护电路

保护电路主要由电压压检测电路、电流检测电路和ad转换芯片组成。

图4中电压检测电路输入端连接ud，经过电位器分压后输出0～5v电压信号，该信号号经过max197模数转换后接入单片机进行相应数据处理。当检测到的电压低于要求的欠压保护电压时，单片机封锁spwm波输出，使得dc-ac模块输出电压为零，实现欠压保护功能；当电压恢复正常后，单片机开启spwm波输出，逆变器输出恢复正常。

电流检测采霍尔传感器。图5中的霍尔传感器能够间接测电流信号，当电流增加时，霍尔元件两端输出电压vo上升，将该信号经过运放两次反相放大后接入max197，经ad转换后输入单片机，单片机经过换算以后就可以检测电流；当电流值大于设定值时，单片机封锁spwm波输出，使得dc-ac模块输出电压为零，实现过流保护功能；当电流恢复正常后，单片机开启spwm波输出，逆变器恢复输出。

4.3控制程序流程图

该装置的软件主要分为主控程序、最大功率跟踪以及中断服务程序几个部分。主程序完成各种参数的输入、设定以及电压、电流的检测、采样和计算，而最大功率跟踪程序则和中断服务程序一起完成按照外部所设定的参数和要求实现相应功能。最大功率跟踪程序流程如图6所示。

5 结束语

根据实验装置的设计要求，设计了实验装置的测试条件，以检测装置是否能够符合设计的要求。分别以频率相位跟踪和欠压过流保护测试为例介绍测试方法及结果。

5.1频率相位跟踪测试

测试条件：us=60v，rs=30ω，rl=30ω，uref峰峰值2v。

测试仪器：示波器。

测试方案：先改变uref的输入频率（相位不变φ=0o），然后用示波器观察反馈回路信号uf的波形，并计算出频率，测量2组数据后将数据记录在表1中；相位跟踪测试采用观察李沙育图形的方法，在负载回路中串联一个10mh的电感，然后分别将uref和uf接入示波器的两个通道，并将“time/p”旋钮打到“ｘ－ｙ”改变uref的输入相位（f=50hz），将采用李沙育法测相位后，记录2组数据，填入表1中。

5.2欠压过流保护测试

测试条件：rs=35ω，f=50hz，φ=0o，uref峰峰值2v。

测试仪器：电压表，电流表。

测试方案：分别将rs ，uref ，f，φ设定到要求值，然后降低输入电压us幅值，同时观察设备输出电压，当输出电压突然降到0时，记录此时的电压ud，然后重复操作4次，并将将数据记录到表2中；将us幅值设定到60v，并在负载回路中接入电流表，然后降低负载rl大小，直到输出电流突然变为0为止，记录此时电流io，重复操作4次以后，将数据记录到表2中。

表2 欠压过流保护测试表

欠压保护电压（v） 相对误差（%） 过流保护电流（a） 相对误差（%）

1 25.1 0.4% 1.53 2%

2 25.0 0.0% 1.55 3.3%

类似于上述两项的测试方法，对系统中的其余部分也同样进行测试。经过系统测试，比较测试结果，本系统达到了模拟装置设计的基本要求，然而，由于时间限制，个别指标仍然不够完善。总体说来，该装置设计比较成功。