光伏并网发电模拟系统模块方案论证与选择
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1 系统设计的主要内容
由戴维南定理可以知道：任何直流稳压电源都可以等效为电压源Us，串联内电阻Rs，这里模拟光伏电池，采用Us=60V，Rs=30～36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45～55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n1∶n2=2∶1、n3∶n1=1∶10，将μF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30～36Ω。其结构框图如图1所示。
设计的主要内容包括：最大功率点的跟踪、DC-AC逆变电路主回路的设计、逆变回路主控器选型、驱动电路的设计、显示电路的设计、SPWM控制波的实现以及辅助电源部分的设计等。
2 最大功率点跟踪方案比较
由于工程应用的太阳能电池是典型的非线性电源，输出特性受光照、温度等因素的影响，使得光伏电池的输出功率随着环境的变化不断发生变换，其实际的光电转换效率受到一定的限制。如果希望得到提高光伏系统的整体效率，一个特别重要的的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使它始终在最大功率点附近，这一过程称之为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）。目前，光伏发电系统在实际工作中日渐增多，所以，通过控制光伏电池的输出功率，使光伏电池按MPPT工作，提高系统效率，从这种意义上说相对地降低了系统成本，因此可以促进光伏产业的发展，这个是相当必要的。
2.1 扰动观察法
扰动观察法也称之为爬上法，是目前最常用的MPPT控制方法，它给变换器叠加一个扰动量，通过检测并计算光伏电池输出功率的变化情况进行最大功率点跟踪。扰动观测法具有算法简单，实现方便，可以实现最大功率点的动态跟踪。但是扰动观测法在跟踪稳定时，只是在最大功率点附近振荡运行，从而降低了系统效率。
2.2 增量电导法
由光伏电池输出特性可知，在光伏电池最大功率点处得电导为零，左侧电导为正，右侧为负，其表达式（1）如下：
dP/dV=0 MPP处dP/dV＞0 MPP左侧dP/dV＜0 MPP右侧（1）
通过简单的数学推导可得：
■=■=I+V■≈I+V■（2）
将式（2）代人（1）得
ΔI/ΔV=-I/V MPP处ΔI/ΔV＞-I/V MPP左侧ΔI/ΔV＜-I/V MPP右侧（3）
因此，以式（3）作为判断光伏电池是否工作在最大功率点的依据并对系统进行相应的控制，则可以实现最大功率跟踪。增量电导法具有控制稳定度高，当外部环境参数变化时系统能平稳地追踪其变化，并且与光伏电池组件的特性及参数无关。但是，增量电导法存在控制算法较复杂，对控制系统采样精度要求较高，控制电压初始化参数对系统启动过程中的跟踪性有较大影响等缺点。
2.3 开路电压法
开路电压法是一种最简单的最大功率点跟踪法，在变化的日照强度和温度下，光伏电池的最大功率点电压VMPP和开路电压VOC成近似线性关系，如式（4）所示：
VMPPT=K1×VOC（4）
式中K1为比例常数。由于K1依赖于光伏电池本身的特性，通过事先凭经验通过测试不同的日照强度和温度条件下的VMPP和VOC计算得到，一般K1在0.71～0.78之间。因此，开路电压法根据事先确定的K1，周期性切断变换器并测量当前VOC，通过计算获得VMPPT。
开路电压法需要切断变换器以进行开路电压测量，该方法只是对光伏电池最大功率点的一个估算，并不是真正意义上的MPPT控制技术同时一定会造成光伏电池短暂的功率损耗。但是由于开路电压法不需要任何控制器就可以实现，因此在某些应用场合，极大降低了成本，这种方法基本上能满足最大功率点跟踪的要求。
除了上述几种较常见的MPPT控制方法外，还有短路电流法（与开路电压法类似）、模糊逻辑控制法（Fuzzy Logic Control）、神经网络法（Neural Network）、直流电容下降控制法、负载电流或负载电压最大法、滑模控制法、状态空间模型法等。
3.1 DC-AC逆变器主回路拓扑方案比较与选择
方案一：用电流型DC-AC逆变回路作为系统功率变换的核心，将前级直流输入变换成交流输出。电流型逆变电路主要特点是直流侧串联大电感，电流基本无脉动，相当于电流源；交流输出电流为矩形波，含有较多谐波，输出电压波形和相位因负载不同而不同，电阻性负载的电压为矩形波。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路应用较多，换流方式有负载换流、强迫换流。电流型DC-AC逆变电路控制电路复杂，且输出电压难以满足题目要求。
方案二：用电压型DC-AC逆变回路作为系统功率变换的核心，将前级直流输入变换成交流输出。电压型逆变电路主要特点是输入端并接大电容，提供恒压源，电路逆变功率脉动波形由直流电流体现，输出电压是矩形波，幅值为电容电压，输出电流大小由负载决定，波形由负载性质决定。电阻型负载的电压和电流波形均为矩形波；当采用RLC谐振负载，且开关频率与谐振频率一致，负载上的波形电压和电流都是正弦波。电压型逆变电路对输出电压进行调节，便于进行功率转换；包括半桥式和全桥式电路，全桥式电路输出功率比半桥式大，且效率较半桥式电路高、谐波少、输出特性好、供电简单，且输出端滤波较为容易。
综上比较：根据题目所给条件和要求，我们选择方案二所述的电压型全桥逆变电路为DC-AC变换核心。
3.2 DC-AC逆变回路主控器选型方案比较与选择
设计中，正弦逆变电路的控制电路为装置的核心部分，而选择性能优良的控制器则能起到事半功倍的效果。
方案一：采用51系列单片机。51系列拥有基于复杂指令集（CISC）的单片机内核，虽然其速度不快，12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。51系列单片机外接A/D和D/A比较简单，操作方便，但是由于本题的功耗要求特别严格，对效率的提高不利。