3KW光伏并网逆变器的软件设计本科毕业论文

郑州大学毕业设计（论文）题 目 3KW光伏并网逆变器的软件设计指导教师 职称 教授毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。 尽我所知， 除文中特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名 日 期指导教师签名 日 期使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下， 学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名 日 期学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名 日期 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名 日期 年 月 日导师签名 日期 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格2、论文的观念是否有新意设计是否有创意□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格建议成绩 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师 （签名） 单位 （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格2、论文的观念是否有新意设计是否有创意□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格建议成绩 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师 （签名） 单位 （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格3、学生答辩过程中的精神状态□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格2、论文的观念是否有新意设计是否有创意□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格评定成绩 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格（在所选等级前的□内画“√”）教研室主任（或答辩小组组长） （签名）年 月 日教学系意见系主任 （签名）年 月 日摘 要太阳能作为当前人类最理想环保的新能源之一， 己经得到人类越来越广泛的应用。 而光伏并网逆变器是太阳能并网发电系统中必不可少的设备之一。光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合公共电网要求的交流电并送入电网的设备。 按照不同的标准光伏并网逆变器的拓扑结构分为很多种， 本文介绍了一种工频隔离型光伏并网逆变器。首先，本文介绍了光伏并网逆变器的工作原理与分类。其次，本文采用有效值外环、瞬时值内环的控制方法，既保证了逆变器输出的静态误差为零，又保证了逆变器良好的输出波形。随后，本文详细讨论了并网过程中的软件锁相环技术，对锁相环电路的组成、工作原理进行了研究。最后，采用 TI 公司的 TMS320LF2407A作为主控芯片，完成了预期的设计。关键词 光伏；并网发电； SPWM； 软件锁相环；自动控制Abstract As one of the optimal new energy sources, the solar energy has been applied more and more widely by human being. And the grid-connected photovoltaic inverter is one of the necessary equipment of the grid-connected photovoltaic system. The grid-connected photovoltaic inverter is a equipment which transform the DC from the solar cell to AC according with the grid and transports it to the public grid. According to different standard, the structure of the grid-connected photovoltaic inverter is various. This paper introduces a kind of line frequency isolated inverter. Firstly, this paper introduces the principium and sort of grid-connected photovoltaic inverter. Secondly, by using the control method of virtual value outer loop and instantaneous value inner loop， we can eliminate the static error, and make the output waveform well. Subsequently， soft PLL was introduced in detail. The structure of Phase locked loop circuit and operating principle were researched. Finally, TMS320LF2407A of TI incorporated is used as the main controller. We finally finish the desired design. Key words photovoltaic; grid-generation; SPWM; soft phase-locked-loop; Automatic control目 录摘 要 1ABSTRACT III第一章 绪论 11.1 课题的研究背景与意义 11.2 系统总体方案 11.3 本文主要的研究内容 2第二章 光伏并网逆变器控制策略的研究 42.1 光伏并网逆变器的分类 52.2 光伏并网逆变器控制目标 52.3 基于 SPWM的电压 / 电流型并网逆变器控制的研究 62.3.1 控制系统数学模型 62.3.2 PI 参数的设计 82.3.3 基于 SPWM的电压 / 电流型并网逆变器的控制方法 102.3.4 SPWM信号的产生原理 132.4 并网逆变器中同步锁相环的研究 142.4.1 软件锁相环的基本原理 142.4.2 基于光伏并网控制的软件锁相环的工作原理 142.4.3 并网控制中的锁相算法分析 152.5 本章小结 17第三章 光伏并网发电系统软件设计 183.1 系统主程序流程图 183.2 定时器中断子程序 203.3 软件锁相环的设计 223.4 控制系统软件抗干扰措施 263.5 本章小结 27第四章 总结与展望 28致 谢 29参考文献 30附录文献翻译 32原文 32文献翻译 42第一章 绪论1.1 课题的研究背景与意义能源是人类社会生存和发展的动力源泉。 随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，世界范围内对能源的需求日益增长，目前世界能源的利用仍以煤炭、石油、 天然气和水与核能等一次能源为主， 然而这些有限的能源储量正在日趋枯竭。据世界能源委员会（ WEC）预测，按照资源己探明储量和目前的发展速度，石油将在 45 年后枯竭， 天然气将在 60 年后殆尽， 资源量最大的煤炭也只够再开采 220 年。另外，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排向天空，使大气环境遭到严重污染，同时由于大量排放 CO2等温室气体而使地球产生明显的温室效应， 引起全球气候变化； 水力发电受到水力资源的限制和季节的影响，并且有时会破坏当地的生态平衡；核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏， 后果同样十分严重， 并且核废料的处理直至今日仍然是一个全球性待解决的问题 [1,2] 。自 1973 年世界石油危机以来，常规能源频频告急。人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源己经是当前人类面临的迫切课题。太阳能以其清洁、 无污染，并且取之不尽、用之不竭等优点越来越得到人们的关注。地球表面每年接受太阳的辐射量达 5.4 1024 J ，相当于 1.8 1014 t 标准煤。若将其中的 0.1按转换率 5转换为电能，每年发电量可达 5600TW h，相当于目前全世界能耗的 40 倍。因此，太阳能发电， 必将成为 21 世纪后期的主导能源。 据欧洲 JRC预测， 到未来的 2100 年时， 太阳能在整个能源结构中将占 68的份额 [3] 。因此，太阳能发电对今后能源发展有着特别重要的意义。1.2 系统总体方案光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网的设备。 按照交流用电负载与直流输入电源的电气隔离元件的工作频率，逆变技术可以分为低频逆变、工频逆变和高频逆变 [4] ，而应用于光伏并网的逆变器拓扑结构又有很多种，其中最常用的有直接藕合并网、 高频隔离并网、 高频不隔离并网、 工频隔离并网等几种， 本文介绍的属于工频隔离并网结构。太阳能电池阵列输出 180300 伏的直流电，经过 RC滤波与电容解耦进入全桥逆变电路， 产生与电网电压同频同相的电流， 使整个装置的并网功率因数为 1。控制电路的核心芯片是 TI 公司的 TMS320LF2407A。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频同相。系统主电路拓扑图如图 1-1 所示图 1-1 光伏并网逆变器的基本构成1.3 本文主要的研究内容本课题主要完成了光伏并网逆变器整个系统的软件控制算法。主要工作如下（ 1）并网电流的跟踪控制是系统研究的关键技术之一。针对并网运行的单相光伏逆变器单电流环控制方式存在的原理性误差， 本文对并网逆变器的各种控制策略进行了比较的基础上，采用有效值外环、 瞬时值内环的控制策略， 较好的实现了并网电流的单位功率因数输出。（ 2）如何在光伏并网系统中可靠、快速实现对电网电压的锁相环，是光伏并网系统中的一个技术难题， 本文通过使用高性能的 DSP 芯片 TMS320LF2407A实现了并网电流与电网电压可靠同步的软件锁相环控制设计方法， 但在快速响应方面有所欠缺。（ 3）具体详细的分析了基于 TMS320LF2407A 的单相光伏并网发电系统的控制设计思想，并进行了软、硬件的初步调试。第二章 光伏并网逆变器控制策略的研究目前广泛应用于太阳能并网发电系统中的方案是 [5-7] 首先将太阳光能转化成电能的形式，然后将电能调节成满足全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM 全桥逆变器将太阳能回馈给交流电网。在整个系统最主要的环节（逆变器）中，采用的就是 SPWM（正弦波脉宽调制）逆变技术。为了减少并网装置在并网工作时产生的冲击， 根据电力系统准周期并列的条件， 并网逆变器在实现并网工作时应同时满足以下三个条件 [8] ①并网逆变器的输出电压和市电电压接近相等，一般压差应在 10以内；②并网逆变器输出频率接近市电频率，一般频差不超过 0.4Hz；③并网逆变器输出电压和市电电压同相，通常此相位差不宜超过 10 度。图 2-1 所示是光伏并网逆变器的整体结构框图，控制部分包括 DC/AC 逆变控制、 电网电压锁相以及各种保护等， 其中主控制芯片采用具有高速数据处理能力的 DSP 芯片 TMS320LF2407A 。图 2-1 光伏并网系统整体结构框图以 TMS320LF2407A 为核心的光伏并网逆变系统将太阳能电池板发出的直流电，经过逆变环节转换成与电网电压同频同相的交流电回馈给电网。因此， 控制系统需要完成以下任务①向功率器件驱动板提供脉宽和频率可实时改变的 PWM信号；②检测电网电压的频率和相位实现数， 字锁相； ③接收功率器件发出的过流、过压等保护信号，实现自动保护。2.1 光伏并网逆变器的分类光伏并网系统逆变器按控制方式分类，可以分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方式 [9] 。电压源型逆变器是采用电容作为储能元件， 在直流输入侧并联大电容用作无功功率缓冲环节， 构成逆变器低阻抗的电源内阻特性，即电压源特性。 以电流源为输入方式的逆变器， 其直流侧需串联一个大电感作为无功元件， 储存无功功率， 构成逆变器高阻抗的电流源特性， 提供稳定的直流电流输入， 但是串入大电感往往会导致系统动态响应差，因此目前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。目前， 逆变器与电网并网运行的输出控制模式可分为电压型控制模式和电流型控制模式。 电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量， 系统输出与电网电压同频同相的电压信号， 整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源。 电流型控制模式的原理则是以输出电流作为受控目标， 系统输出与电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。由于电网可看作容量无穷大的电压源， 如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制， 则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统， 这种情况下要保证系统稳定运行， 就必须采用锁相控制技术使逆变器输出电压与电网电压相位完全一致，并且要保证两者输出频率的一致性。 如果逆变器的输出采用电流控制， 则只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，控制逆变输出电流与电网电压同频同相，即可达到电流源与电压源并联运行的目的。本文所采用的控制方案采用电流型控制模式， 将并网逆变器的输出电流作为被控制量， 实时的控制输出电流以使逆变输出电流与电网电压同频同相， 达到并网发电的目的。2.2 光伏并网逆变器控制目标光伏并网系统是将太阳能电池板产生的直流电转化为正弦交流电， 从而向电网供电的装置。 并网逆变器的输出电流为被控量， 并网逆变工作方式下的等效电路和电压电流矢量图如图 2-2 所示，图中 Ua 为逆变电路交流侧电压， Unet 为电网电压。 因为并网逆变器的输出滤波电感 L 的存在会使逆变电路的交流侧电压与电网电压之间存在相位差， 为了满足输出电流与电网电压同相位的关系， 逆变输出电压要滞后于电网电压。图 2-2 并网时的等效电路和电压电流矢量图在光伏并网发电系统中， 并网逆变器工作在有源逆变状态且其功率因数应为1， 以保证不对电网造成污染。 当电网电压 Unet 一定时， 若控制 Ua 沿 ab 方向调节，则从矢量图中可以看出电感电压矢量 UL 滞后电网电压矢量 Unet 90， 并网输出的电流 I 超前电感电压矢量 UL 90，即与电网电压同相位，从而实现无污染的并网输出。2.3 基于 SPWM的电压 / 电流型并网逆变器控制的研究2.3.1 控制系统数学模型单相光伏并网系统的主电路拓扑结构为一个 H桥，如图 2-3 所示，通过功率器件的换相， 直流能量转换成适合于馈入电网的交流能量， 由于电网反映电压源的特性， 因此， 馈入电网的能量应以电流源的形式出现。 通过交流侧电感的滤波作用，逆变桥输出的 SPWM电压波形转换成适合于馈入电网的正弦波电流。桥路功率开关器件的通断由以 DSP芯片为核心的弱电控制主板产生的 SPWM波控制。图 2-3 主电路拓扑结构对逆变器输出端电路， 图 2-3 中取流经滤波电感 L 的电流 i L 为状态变量。 则由图 2-3 可得LLLnetab RidtdiLUU2.1 经过 Laplace 变换，可解出 I l s ][][1 3 sUsUsGsUsURsLsI netabnetabLl2.2 其中， Uab 是未经滤波的逆变器输出电压； G3s 为滤波电路传递函数； RL为电感及交流进线的等效电阻。如果忽略功率开关器件 T1～ T4 开关延时及死区时间的非线性影响， SPWM控制方式下的桥式逆变环节为一个纯滞后环节， 可等效为一个小惯性环节 [15] ， 传递函数为12 STKsGPWMPWM2.3 其中， TPWM是一个开关周期，当开关频率取 10kHz时， TPWM为 100us， KPWM为逆变器增益，与 PI 调节器的最大限幅值有关，由式 2.2 和 2.3 可得到系统的并网电流闭环结构图，如图 2-4 所示图 2-4 电流闭环结构图不对逆变系统进行任何控制的情况下，系统被控对象的传递函数为 32 sGsaGsW 11*1sRLRsTaKLLPWMPWM2.4 式（ 2.4 ）中， L 为逆变器滤波电感， RL为电感及交流进线的等效电阻， a 为反馈系数。不进行控制的逆变系统是一个有差系统，存在原理性稳态误差， 响应时间较长；而且该系统不是一个最小相位系统，稳定性差。2.3.2 PI 参数的设计为获取理想的动态稳定性， 并实现系统的快速响应， 将系统设计为一个二阶系统，我们用二阶最佳工程设计法 [16] 对 PI 调节器参数进行整定。二阶闭环系统闭环传递函数一般形式为11Gs221 sTsTT 1 T2 2.5 根据控制理论， 使二阶系统的输出获得理想的动态品质， 即该系统的输出量快速完全跟踪给定量，可推导出二阶品质最佳系统的开环传递函数为22121210 sTsTsG2.6 式（ 2.6 ）即为二阶品质最佳的基本公式。从快速性和稳定性角度来看，用数字信号处理器 DSP对逆变器系统进行动态校正， 就是要求 DSP与逆变器系统一起组成的闭环系统具有二阶最佳设计的基本形式 [17] 。令 PI 调节器传递函数为IIPIPKssKKsKsKsG 112.7 其中， KP为调节器的比例放大系数； KI 为积分时间常数。为使调节器抵消并网逆变器系统中较大的时间常数LRL ，可选择LIPRLKK2.8 于是可得控制系统的开环传递函数为1111*1*1 1sTsKaK RsRLRsTaKKssKKsWsGsGPWMIPWMLLLPWMPWMIIP2.9 比较（ 2.9 ）与（ 2.6 ）的系数得12TKaKRIPWML1221 TTPWM可得PWMPWMLI TaKRK22.11 带入 （ 2.8 ） ，得PWMPWMP TaKLK22.12 校正后系统的开环传递函数为 I 型系统 [13,14] ，其形式为121sTsTsG PWMPWM2.13 闭环传递函数为2222111sTsTsGsGsGPWMPWMC（ 2.14 ）该电流跟踪控制环节的设计核心基于传统的 PI 控制技术，属于经典控制理2.10 论的范畴。 PI 参数的整定建立在逆变器传递函数模型确定的基础上，式（ 2.3 ）给出的逆变器传递函数是一种经验模型，因此，给出的 P、 I 参数的计算值是一种理论指导值，实际调试中因为小时间常数、分布参数的影响，需对 P、 I 的参数值予以适当调整。2.3.3 基于 SPWM的电压 / 电流型并网逆变器的控制方法本文所研究的光伏并网逆变器，受控量为输出电流，系统为电压型电流源逆变器。与滞环电流控制系统相比，基于 SPWM控制的电流跟踪系统具有固定的开关频率，它是将 PWM载波频率固定不变，以电流偏差调节信号作为调制信号的PWM控制方法，具有算法简单、物理意义清晰、实现方便的优点。另外，开关频率固定，可以使输出侧的滤波电感容易设计，减少功率器件的开关损耗。综合考虑以上因素，本文采用有效值外环、瞬时值内环的控制方法，控制框图如 2-5 所示 逆变器并网运行时工作在电流闭环状态， 开关 S1 接至节点 1， 以输出电流作为受控对象， 输出电压略高于电网电压， 通过数字锁相环技术保证输出电流与电网电压同频同相，当电流环建立起来后并且稳定后开关 S3 闭合。即逆变器的输出电压、电流的有效值（ RMS）组成控制外环，输出波形构成逆变器的内环， 双闭环的控制结构同时保证了输出电压、 电流的幅值与波形满足设计要求，并且具有带负载能力强，动态响应速度快的优点。采用这种控制策略，可使逆变电源很容易在两种工作模式下进行切换， 可以实现零电流并网， 从而能取得很好的控制效果。