基于DSP光伏并网逆变器的硬件电路设计毕业设计

本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目基于 DSP的光伏并网逆变器硬件电路的设计学生姓名学 号专 业电气工程及其自动化班 级指导教师毕业设计说明书（毕业论文）41 基于 DSP 的光伏并网逆变器硬件电路的设计摘 要由于近年来不可再生能源的不断消耗，能源危机日益凸显，各国都在加紧开发新能源。太阳能发电作为一种全新的电能生产方式，具有清洁无污染、来源永不衰竭且维护措施简单等特点，因而受到越来越广泛的关注。本文针对太阳能应用的一个重要研究领域光伏发电系统，尤其是小功率光伏并网发电系统，设计实现了基于 DSP 控制的单相光伏并网逆变器的硬件电路。论文首先介绍了太阳能光伏并网的国内外发展现状，阐述了利用 DSP 控制光伏并网系统的基本原理。然后提出了以逆变器 DC/AC 变换技术为核心的单相光伏并网逆变器的硬件电路设计方案，并在 Matlab 软件上进行了仿真测试。最后对后续研究工作进行了展望，为进一步制作电路板及其调试提供了参考。关键词 光伏并网；逆变器；数字信号处理器； Matlab 仿真毕业设计说明书（毕业论文）41 PV Grid-Connected Inverter Hardware Circuit Design Based on DSP Abstract In recent years, with the continuous consumption of non-renewable energy, the energy crisis has become increasingly prominent, countries are stepping up the pace to develop new energy. Solar power, as a new energy production methods, owns many features, such as, clean, non-polluting, never failure of source and simple maintenance measures, and thus draws more and more attention. In this paper, as for an important research field of solar energy applications-photovoltaic systems, especially low-power photovoltaic power generation system, the hardware circuit of the DSP-based control of single phase photovoltaic grid-connected inverter is designed and implemented. The paper firstly described the development of solar photovoltaic grid in the world, and explained the basic principles of DSP controlled photovoltaic grid system. Then objective of the single-phase PV grid inverter with the core of DC / AC conversion technology inverter hardware circuit is designed and its simulation tests on the Matlab software is proceeded. Finally, the prospect of follow-up study provides a reference for the further production of circuit boards and their debugging. Key words grid-connected photovoltaic; inverter; DSP; Matlab simulation 毕业设计说明书（毕业论文）41 目 录摘 要 . IAbstract II 第一章 绪 论 1 1.1 课题研究的背景、目的和意义 1 1.2 国内外研究的现状 1 1.2.1 国内研究的现状 2 1.2.2 国外研究的现状 2 1.3 本课题研究的主要内容 3 第二章 太阳能光伏并网的研究 4 2.1 光伏并网逆变器的拓扑结构设计 4 2.1.1 按变压器拓扑结构分类 4 2.1.2 按功率变换级数分类 6 2.1.3 按控制方式分类 7 2.2 光伏并网控制策略基本原理 10 2.2.1 光伏并网逆变器的控制方式 10 2.2.2 光伏并网逆变器的控制目标 10 2.2.3 输出电流控制方式 11 2.2.4 最大功率点跟踪 12 2.3 孤岛效应 14 2.3.1 孤岛效应的影响和危害 14 2.3.2 孤岛效应的检测方法 15 毕业设计说明书（毕业论文）41 第三章 基于 DSP的并网逆变器硬件电路的设计 . 16 3.1 并网逆变器总体结构 16 3.2 基于 DSP的控制系统硬件设计 . 16 3.2.1 DSP概述 . 17 3.2.2 DSP系统硬件电路设计 . 18 3.3 采样和调理保护电路设计 24 3.4 主电路设计与关键参数选择 28 3.4.1 Boost电路设计与参数选择 . 28 3.4.2 逆变器电路设计与参数选择 31 第四章 光伏并网逆变器仿真测试 35 4.1 Boost 升压电路仿真测试 . 35 4.1.1 Matlab 搭建电路图 . 35 4.1.2 仿真波形和分析 35 4.2 逆变器电路仿真测试 36 4.2.1 Matlab 搭建电路图 . 37 4.2.2 仿真波形和分析 37 第五章 总结和展望 39 5.1 工作总结 39 5.2 展望 39 参考文献 41 附录 42 附录 A DSP控制电路 PCB 板 42 附录 B 3D 模式的控制电路 PCB 板 . 42 毕业设计说明书（毕业论文）41 附录 C 主电路 PCB 板 43 附录 D 3D 模式的主电路 PCB 板 . 43 附录 E 总体原理电路图 43 附录 F DSP控制电路原理图 . 43 致谢 44 毕业设计说明书（毕业论文）41 第一章 绪 论1.1 课题研究的背景、目的和意义当今世界，人类对于能源的依赖性越来越强，能源已经成为我们生活中必需的部分，它为人类的各项活动提供着动力。随着一次能源煤、石油、天然气等不可再生能源的过度开发，以及地球环境的日益恶化全球变暖、酸雨、厄尔尼诺现象等，一系列环境问题危及人类的可持续发展。环境、能源和可持续发展已经成为人类迫切要解决的问题。能源短缺和环境恶化加快了人类去寻找替代能源的进程，各国都在大力发展新能源。在新能源家族中，有风能、太阳能、地热能、潮汐能等。由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电以清洁可再生的太阳能为能源，直接将太阳能转换成电能，是一种不需要燃料、没有污染获取电能的高新技术，因此光伏发电被认为将是 21 世纪、最具活力的新能源 [1]。过去太阳能光伏发电系统中因为太阳能电池的制造成本比较高，所以太阳能光伏发电只能应用于一些偏远地区的供电。例如，一些分散的农牧户、基站的通信设备供电、气象、国防等。而且应用于村庄的大都是小型的光伏发电系统，大多未能并入电网，属于独立的离网式发电。当今太阳能电池硅板成本有所降低，电力电子技术、自动控制技术、计算机处理技术等也有了飞速发展。太阳能光伏发电系统有了质的飞跃，发电成本在逐年下降，发电的效率和市场效益也在进一步提高，这为大规模发展太阳能光伏发电并网技术提供了基础。从 2004 年欧盟联合研究中心预测的世界能源结构大致变化发展趋势 [2]中可以看出，在接下来的近一百年里，石油、煤炭、天然气等不可再生能源在一次能源消费中所占的比例将呈下降趋势，而太阳能光伏发电则会大比例的增加。所以大力发展太阳能有利于缓解能源危机和解决环境问题，促进人类社会的可持续发展。我国拥有丰富的太阳能资源，所以发展太阳能占有一定的先天优势。从我国所处的地理位置、地形以及纬度来分析，我国中西部地区太阳能资源比较丰富，西藏、青海、甘肃、内蒙古、新疆、宁夏均属于世界太阳能资源丰富的地区。这些地方又有十分广阔的面积，有利于大规模安置太阳能光伏并网发电设备，也有利于部分地区环境的改善。1.2 国内外研究的现状与独立光伏发电系统相比，光伏并网发电系统具有一些自己的优点。它省掉了体积庞大、价格高昂、不易维护的蓄电池，具有造价低，输出电能稳定的特点，因而具有更为广阔的市场前景。典型的光伏并网逆变器发电系统包括光伏阵列，直流到直流斩波电路（ DC-DC ） ， Dclink ，直流到交流逆变器（ DC-AC ）控制电路，采样电路，保护电路，故障处理电路等。1.2.1 国内研究的现状由于我国在光伏发电等可再生能源发电技术的研究起步相对较晚，光伏发电只在一些尖端领域应用比较多，核心技术方面和国外还有一定的差距。就光伏并网型逆变器而言，合肥工业大学能源毕业设计说明书（毕业论文）41 研究所、燕山大学、上海交通大学、中国科学院电工研究所等科研单位在这一方面进行了相关的研究，并且在“九五” 、 “十五”期间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作 [3]。目前我国光伏并网逆变器市场发展规模还比较小，国内生产逆变器的商家虽然很多，但专门用于生产光伏发电系统的逆变器制造厂商却并不多，而且有不少国内制造厂商已经在逆变器方面研究开发多年，已经发展到拥有一定的规模和市场竞争力，但在逆变器技术质量、验证技术上、规模上与国外企业仍有很大差距。目前我国具有较大规模的厂商有北京索英、南京冠亚、北京科诺伟业、志诚冠军上海英伟力新能源科技有限公司等企业。国内市场规模虽然比较小，核心技术还处在不算成熟的阶段，但未来光伏发电市场的巨大发展潜力和发展空间将给国内光伏企业带来前所未有的发展机遇。目前国内光伏并网逆变器主要被阳光电源、艾思玛、 KACO 等品牌所占领，而国外的企业多数通过代理渠道进入国内的市场，由于售后服务提供难度大的问题导致其整体市场占有率不高。国内重点光伏发电项目大功率产品几乎全部选用国内产品。从技术层次来说，国内企业在智能化程度、稳定性、转换效率、结构工艺等方面与国外先进水平仍有一定差距。目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，还有一定的差距，大功率并网逆变器仍需进一步发展和研究。1.2.2 国外研究的现状近几年，随着德国、美国、西班牙、日本对本国光伏发电产业在政策上大力扶持，全球光伏并网逆变器的销售额在逐年上升，光伏并网逆变器进入了一个飞速发展的阶段。但目前全球光伏并网逆变器市场被国际几大巨头瓜分，欧洲作为全球光伏并网逆变器市场发展的先驱，具备了完善的光伏产业链，光伏并网逆变器技术处于世界领先地位。 SMA 是全球最早、最大的光伏逆变器生产企业（其中德国市场占有率达 50以上） ， 2009年 SMA 以占据全球市场份额 44独占鳌头。 SMA 、 KACO 、Fronius、 Ingeteam、 Siemens、 Studer、 Xantrex、 Danfoss、 Conergy、 Satcon、 Power-one、 Outback power等基本占领全球光伏逆变器市场份额。 其中排名前五位的企业占的市场份额已经超过了全球的 70。1.3 本课题研究的主要内容本论文主要设计了一种基于 DSP 控制的单相光伏并网逆变器的硬件电路，并用 Protel DXP 软件完成了整个系统的硬件电路，生成了 PCB 板。最后通过 Matlab 对电路进行了仿真。其中硬件电路包括直流斩波电路拓扑结构、逆变器电路、 DSP 控制电路、采样硬件电路和辅助电源。控制策略选择有最大功率点跟踪、 SPWM 控制等。仿真部分主要针对升压斩波电路和逆变器部分参数设计的检验和分析。本文光伏并网逆变器设计参数如表 1.1 所示表 1.1 光伏并网逆变器设计参数序号 名称 参数1 输出功率 1kW 毕业设计说明书（毕业论文）41 2 电池输出电压 DC 60～ 140V 3 交流输出电压 AC 220V/50Hz 4 电网电压允许偏差 -10～ 7 5 电网频率允许偏差 -0.5～ 0.5Hz 6 功率因数 0.9 毕业设计说明书（毕业论文）41 第二章 太阳能光伏并网的研究太阳能光伏发电原理是利用太阳能电池的光生伏打效应，它是通过将太阳能辐射的能量直接通过硅电池板转变成电能的一种可再生发电系统。太阳能光伏发电系统一般由太阳能电池板阵列、充电蓄电池、逆变器和控制器等部分组成。本章将对太阳能光伏并网发电系统中的并网逆变器的拓扑结构进行设计，对其控制策略进行分析。2.1 光伏并网逆变器的拓扑结构设计2.1.1 按变压器拓扑结构分类目前，在实际的光伏发电系统应用中，按变压器拓扑结构分类的主电路有三种，分别是带工频变压器隔离的单级式逆变器、带高频变压器隔离的多级式逆变器和无变压器隔离的两级式逆变器。根据这三种逆变主电路，可以将现在的光伏发电系统的拓扑结构分为三类，即工频隔离型拓扑结构、高频隔离型拓扑结构和无变压器隔离拓扑结构。一、工频隔离型拓扑结构工频隔离型拓扑结构的太阳能光伏发电系统的基本组成太阳能硅电池阵列、直流侧的滤波器件、光伏并网逆变器、工频变压器、 LC 滤波电路等。其结构如图 2.1 所示。图 2.1 工频隔离型拓扑结构这种形式的太阳能光伏并网电磁干扰小，结构简单，维护量小，可靠性高，开关频率低。由于采用了工频变压器能起到与电网侧隔离、保护的作用，所以能够防止人体误触摸逆变器造成的伤害。但是由于采用了工频变压器，导致整个系统体积庞大、重量增大，比较笨重、占用面积也增加。二、高频隔离型拓扑结构高频隔离型拓扑结构的太阳能发电系统指光伏并网逆变器经过两次直流电逆变成交流电能的变换。一次是经过高频方波逆变，用来提高变压器的工作频率，从而能够减轻变压器的体积和重量。变换后产生的高频方波经过高频变压器，然后再通过 AC/DC 整流电路和滤波电路的作用后得到另一种直流电压，这种直流电压通过工频 SPWM （正弦脉宽调制）控制的逆变器，得到并网所需要的波毕业设计说明书（毕业论文）41 形。其结构如图 2.2 所示。图 2.2 高频隔离型拓扑结构这种形式的光伏并网逆变器拓扑结构能够显著提高光伏并网逆变器的性能，因为它采用了SPWM 控制的方式进行了周波变换，所以使得输出的波形畸变比较小，滤波电感体积也比较小。它的缺点是能量传递的级数增多，这使得其中的能量损失变大。三、无变压器隔离拓扑结构无变压器隔离的光伏并网发电系统，即非隔离型里面不含隔离变压器，能量传递一般只有两级。因此系统体积小，能量损耗也小，是目前研究的热点 [4]。其结构如图 2.3 所示。图 2.3 无变压器隔离拓扑结构这种拓扑结构进一步降低了光伏发电系统设备的成本，使得传输能量的级数减少，提高了发电的效率。其中的 DC/AC 逆变器是有工频 SPWM（正弦脉宽调制）控制的，这种形式的电路在大功率的光伏发电系统中有应用。把太阳能电池板阵列输出的直流电压通过 DC/DC 直流升压斩波电路升高到 400V 左右，这样可以利用直流侧平波储能大电容的作用，来保证输入逆变器部分的电压稳定。同时也能起到减小电流提高电压的作用，从而降低逆变部分的能量损耗，提高光伏并网的发电效率。这种拓扑结构的光伏并网系统启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值 [5]。2.1.2 按功率变换级数分类通常按照功率在光伏发电系统的变换级数进行分类可以分为两种类型单级式光伏并网变换型和多级式光伏并网变换型。毕业设计说明书（毕业论文）41 一、单级光伏并网变换型单级式光伏并网变换型只用到一级的能量传递变换模式就能够完成 boost-buck 斩波电路和DC/AC 逆变电路的变换，然后通过 RC 滤波并入电网。其结构如图 2.4 所示。图 2.4 单级光伏并网变换型这种类型的单级式光伏并网变换类型具有元器件使用少，可靠性高和效率高，并且功耗损耗少等优点。但是这种类型的光伏拓扑结构由于太阳能电池板输出的电压等级有限，多用于小型的系统中。二、多级式光伏并网变换型多级式光伏并网变换型逆变器拓扑结构包括滤波、 DC/DC 直流斩波、 DC/AC 逆变电路、后级滤波电路等。其结构如图 2.5 所示。图 2.5 多级式光伏并网变换型这种电路首先通过太阳能电池板阵列把太阳能辐射的能量转换为电能，经滤波电路后通过前级直流斩波电路捕捉到最大功率点跟踪（ MPPT） ，然后经过工频逆变电路，并入交流电网。其优点是两级传递能量的电路，简化了控制电路的计算算法，使得每级都能够精确控制，提高了控制质量和效率。2.1.3 按控制方式分类按照控制方式可分为电流源式和电压源式两种拓扑类型。如果考虑到后端的输出控制方式，则毕业设计说明书（毕业论文）41 可将其划分为电压源式电压控制输出（ VSCV ） 、电流源式电压控制输出（ CSCV） 、电压源式电流控制输出（ VSCC） 、电流源式电流控制输出（ CSCC）四种。对于输入源的选择，要想得到一个稳定的电流源输入很不容易，要在输入端串入一个大电感，但这会使系统的动态响应较差，所以，一般采用电压源输入。对于输出控制方式的选择，如果输出控制方式为电压的话，如果要使并网输出功率因数为 1 的话，则要协调控制输出电压的幅值、相位和频率三个量；而如果输出控制方式为电流的话，则只需要控制输出电流的相位和频率两个量，相对简单。所以，一般采用电压源输入电流控制输出的方式 [4]。一、电压型逆变拓扑结构电压型逆变并网逆变器的拓扑结构指的是直流侧有一个直流电源或者并联有大电容，使得直流侧的电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗状态。其次由于直流侧电压源的钳位作用，交流侧输出的电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流测输出电流的波形和相位因负载阻抗的不同而不同。最后当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧的电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，逆变桥各桥必须并联反馈二极管 [6]。其结构如图 2.6 所示。图 2.6 电压型逆变拓扑结构二、电流型逆变拓扑结构电流型逆变拓扑结构是把太阳能电池板输出的电能经过滤波电路后送入到一个直流电流源中，或者在直流侧串联一个大电感相当于电流源。这样可以保证直流侧的电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗状态。其次逆变电路中的开关器件起的作用仅改变直流电流流通的路径，因此交流侧得到的输出电流为矩形波，并且和负载阻抗角无关。交流侧输出电压波形和相位则因为负载阻抗情况的不同而不一样。交流侧为阻感负载情况时，需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。与电压型逆变拓扑结构不同，反馈的无功能量并不反向，因此无须给电流型逆变电路各桥并联二极管。其结构如图 2.7 所示。毕业设计说明书（毕业论文）41 图 2.7 电流型逆变拓扑结构根据以上光伏并网逆变器拓扑结构的分析，综合各种结构的优缺点，本设计选用当今热点研究双级式无变压器的电压型逆变器拓扑电路作为主电路。经过方案的比较论证以及考虑本系统针对小型的单相并入电网的特点，本设计采用无变器的两级结构，前级 DC/DC 直流升压斩波变换器和后级DC/AC 逆变器之间通过 DC-Link 相连。系统主电路的拓扑结构电路如图 2.8 所示。图 2.8 光伏并网逆变器拓扑结构在本设计的系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压为 60-140V 之间，前级 DC/DC 斩波电路变换器需将此输入电压升至 400V 以上才能实现无隔离变压器两级式直接并网。 Boost 斩波电路为升压直流环节，结构简单，使得用于捕捉最大功率点跟踪（ MPPT）控制方法简单。因为输入电流是连毕业设计说明书（毕业论文）41 续的，使得对电源电磁干扰影响相对较小，开关管发射级接地，驱动电路相对简单，是光伏并网系统最大功率点跟踪控制的理想选择。 由于光伏最大功率点跟踪 （ MPPT） 电压低于交流侧的峰值电压，从而 Boost 电路使光伏电池阵列配置比较灵活， 可实现光伏发电系统较宽范围的电压输入， 提高了光伏发电系统的经济性能。 同时 Boost 升压斩波电路具有相对较高的效率， 电路结构中的二极管具有防止电网侧能量反送给光伏阵列的作用，从而提高了光伏发电系统的整体工作效率。后级的 DC/AC 逆变器，采用单相全桥逆变电路，将 DC-Link 直流电转换成 220V/50Hz 正弦交流电，实现并网输送功率。 DC-Link 的作用除了连接 DC/DC 升压斩波变换器和 DC/AC 逆变器，还实现了能量的传递。控制电路的核心芯片是 TI 公司的 TMS320F2812 数字信号处理器，它的处理速度快，精度高，能够在线实时监测。整个系统保证了并网逆变器输出的正弦电流与电网侧相电压同频同相。2.2 光伏并网控制策略基本原理光伏并网逆变器控制需要满足输出电压与电网电压同幅值、同相位、同频率，输出电流与电网电压同频同相（ cos 1） ，而且其输出还应满足电能质量的要求，这些都需要光伏并网逆变器的有效并网控制。2.2.1 光伏并网逆变器的控制方式光伏并网逆变器控制方式可以分为电压源电压控制、电流源电压控制、电压源电流控制和电流源电流控制四种。本设计采用电压源输入为主的方式，所以逆变器的并网输出控制可分为电压控制和电流控制。在光伏逆变器和电网连接并网运行时，电网可以被看做是一个容量无穷大的交流电压源。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上就成为一个电压源与另一个电压源并联运行的系统，这种情况下要保证系统的稳定运行，就必须采用同步锁相技术来实现与电网的同步。可以通过调整光伏并网逆变器输出电压的大小以及相位来控制系统的有功率和无功功率输出。但是锁相环节响应慢、逆变器输出电压值不易精确控制、出现环流现象。若不采取一些措施，同等级功率的电压源并联运行优异性不容易获得。而对于采用电流控制方式的并网逆变器，只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，同时设定输出电流的大小，就可以实现它的稳定并网运行，其控制方法简单，效果也较好，因此得到了广泛应用 [7]。2.2.2 光伏并网逆变器的控制目标光伏并网逆变器的控制目标为光伏并网逆变器输出稳定的、高质量的正弦波，且与电网电压同频同相，同时希望能够通过调节光伏阵列的最大功率点，使太阳能光伏阵列按最大功率输出。选择并网逆变器的输出电流为被控变量，并网发电工作方式下的等效电路如图 2.9a所示，可以等效的认为是逆变器给电网充电。逆变器输出电流和电压的矢量关系如图 2.9b所示。毕业设计说明书（毕业论文）41 a b 图 2.9 逆变器输出电流和电压的矢量关系其中 outU 为光伏并网逆变器输出交流侧电压， gridU 为电网侧的电压， I 为逆变器输出电流也是电感的电流。由图中的矢量三角形关系可知，由于并网逆变器的输出滤波电感 L 的存在，当使光伏逆变器输出电流和电网电压同相位时，电网侧电压 gridU 和光伏并网逆变器输出电压 outU 之间存在相位差。2.2.3 输出电流控制方式采用电流型输出的光伏并网系统，输出电流的控制方式一般有 SPWM （正弦波脉宽调制）电流跟踪方式、 SVPWM （空间矢量脉宽调制） 、电流滞环瞬时比较方式、复合控制和重复控制等。较常用的电流控制方法有 SPWM 正弦波脉宽调制电流跟踪方式、 SVPWM 空间矢量脉宽调制、电流滞环瞬时比较方式等。一、 SPWM 电流跟踪方式SPWM 电流跟踪方式也可以称为三角波比较方式的电流跟踪方式，这种方式不是把指令信号和三角波直接进行比较而产生 PWM 波形，而是通过闭环来进行控制的。它将电网电流 gridI 在线实时值和给定电流 gridI 进行比较， 两者的差值通过一个 PI 调节， 然后与三角波进行比较， 进而输出 PWM波。其结构如图 2.10 所示。图 2.10 SPWM 电流跟踪方式这种方式的电流跟踪控制特性与 PI 参数的设置有关， 对于 PI 电路响应要求快的系统， 必须提高三角波载波频率，以改善输出波形 [8]。这种三角波比较控制方式中，功率开关器件的开关频率是一定的，即等于载波频率，这给高频滤波器的设计带来方便。与滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含有的谐波较少，因此它常用于对谐波和噪声要求严格的场合。二、电流滞环瞬时比较方式毕业设计说明书（毕业论文）41 在跟踪 PWM 变流电路中，电流跟踪控制应用最多。电流滞环瞬时比较方式的原理如图 2.11 所示。图 2.11 电流滞环瞬时比较方式以 ci 作为滞环比较器的环宽，当实际电网电流 ci 和给定电流 ci 的差值超过环宽时，就会产生PWM 波信号。若 ci 确定，则输出电流的误差范围不变。滞环环宽对跟踪性能的影响较大，如果环宽过宽时，开关的动作频率低，但跟踪的误差增大；如果环宽过窄时，跟踪的误差减小，但开关的动作频率会变得过高，甚至会超过开关器件的允许频率范围，开关损耗增大。这种控制方式有以下特点1.不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量。2.硬件电路简单。3.与计算法以及调制法相比，相同开关频率时输出的电流中高次谐波含量较多。4.属于实时控制方式，电流响应快。5.属于闭环控制，这是各种电流跟踪型 PWM 型变流电路的共同特点。三、 SVPWM 电流控制方式空间矢量 PWM 控制策略是依据逆变器空间电压 （电流） 矢量切换来控制逆变器的一种新颖思路的控制策略。采用逆变器空间电压矢量（ SVPWM ）的切换来获得准圆形旋转磁场，这样能够在开关频率不高的条件下，使得逆变器输出获得较好的性能。综上几种控制的优缺点，本设计光伏并网逆变器采用电流滞环瞬时比较控制方式。2.2.4 最大功率点跟踪在太阳能电池阵列光伏并网发电系统中，太阳能电池阵列的内阻不仅要受到日照强度的影响，而且还要受环境温度及负载的影响，并且一直处在不断变化之中，光伏并网系统也由此变得不确定。这必然会降低光伏发电系统的效率。因此为了不断能够获得最大功率的输出，太阳能电池必须实现最大功率点跟踪。太阳能输出功率与输出电压的关系如图 2.12 所示。毕业设计说明书（毕业论文）41 图 2.12 太阳能输出功率和输出电压光照的关系一、恒定电压法当外界温度不变时，太阳能电池在不同光照强度下的开路电压和最大功率点电压都在某一个恒定值附近；当光照不变环境改变时，太阳能电池最大功率点随开路电压而变化，而且几乎相同的变化比例 [9]。所以，我们可以近似认为太阳能电池的开路电压与最大功率点（ MPPT）电压成线性比例关系 m ocU nU 。保证使电压工作点稳定在 mU 附近， 这就可以保证太阳能电池最终具有在当前环境下的最大功率输出。一定的条件下，采用恒压控制跟踪的方法不仅可以得到比直接匹配更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪控制。二、扰动观察法扰动观察法的基本原理是先给出一个扰动值 U ，在测量太阳能电池阵列输出功率的变化，如果功率减小，表示扰动方向错误，可按 U 方向扰动。如果功率增加，表示扰动方向正确，可继续朝同一个方向扰动。如此反复的扰动、观察以及比较，使光伏电池达到最大功率点。这种方法的特点是原理清晰，实现简单，被测参数较少，而且不需要知道太阳能的特性曲线，能够较普遍地被应用在光伏并网发电系统的最大点功率跟踪控制上。但是这种方法也有它的一些缺陷，因为始终有扰动电压存在，在最大功率点跟踪过程中将会导致一些功率损失；若跟踪步长太小，当外界环境条件发生变化时，不能快速跟踪、容易引起振荡。当光照和温度有大幅度变化时，这种跟踪到另一最大功率点的速度变慢，不能快速跟踪。三、电导增量法电导增量法避免了功率扰动观察法的盲目性，可以判断出最大功率点电压与工作点电压电压之间的关系。由太阳能输出功率与输出电压的关系可知1.当工作点在最大功率点处有 0dPdU；毕业设计说明书（毕业论文）41 2.当工作点处在最大功率点右边时有 0dPdU ；3.当工作点处在最大功率点左边时有 0dPdU。最大功率点时的功率为 P U I ，两边同时对 U 求导得dP dII UdU dU（ 2.1）令上式（ 2.1）等于 0 可得dI IdU U （ 2.2）由上式（ 2.2）可知当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，阵列获得最大功率。电导增量法通过比较太阳能电池输出的电导增量和瞬时电导来改变控制信号。其控制算法同样需要对太阳能电池输出的电压和电流进行采样。优点是当环境发生变化时，能够快速跟踪其变化，需要一些处理速度快的芯片进行控制。综合以上三种方法的优缺点，本设计的光伏并网逆变器采用电导增量法进行捕捉最大功率点。2.3 孤岛效应在光伏并网发电系统中，直接将太阳能逆变后的电能馈送给电网，从而需要设置各种完善的保护措施。对于通常电网系统工作时可能出现的器件过流、器件过热、器件驱动信号欠压、太阳电池输出欠压以及电网过压、欠压等故障状态，通过硬件电路检测配合软件进行处理比较容易。对于光伏并网发电系统而言，需要考虑在一种特殊的故障状态下的应对策略孤岛效应的防止对策。2.3.1 孤岛效应的影响和危害所谓孤岛 islanding 效应是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，光伏发电系统未能及时检测出停电状态而脱离电网，使太阳并网发电系统和周围的负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛 [5]。孤岛效应，可能会对用户、电网会对整个配电系统设备及用户端设备以及维修人员造成危害。主要有以下几种情况1.当电网发生故障或者中断后， 由于太阳能光伏发电系统持续独立供电给负载， 将使得维修人员在进行修复时，生命安全受到威胁。2.当电网发生故障或者中断时， 由于太阳能光伏发电系统失去电网作为参考信号， 造成系统的输出电流、电压及频率出现漂移而偏离电网频率，产生不稳定的情况，且可能含有较大的电压于电流谐波成分。若未及时将太阳能光伏发电系统切离负载，可能使得某些对频率敏感的负载损坏。3.当电网恢复瞬间，由于电压相位不同，可能发生较大的冲击电流，造成相关的设备损坏。当电网恢复供电时，可能会发生同步的问题。4.若太阳能光伏发电系统与电网连接为三相系统，当孤岛现象发生时，将形成缺相供电，影响用毕业设计说明书（毕业论文）41 户端的三相负载 [10]。有上可知孤岛效应会严重影响电力系统的安全和正常运行。所以，必须寻求适当的解决策略来应对日趋严重的孤岛效应问题。2.3.2 孤岛效应的检测方法现有的孤岛效应快速检测系统就是检测是否孤岛运行，如果出现孤岛运行，就让光伏发电系统立即停止供电。孤岛效应的检测技术一般分为两类被动检测法和主动检测法。被动检测法是利用检测电网的某些状态参量 电压、频率、相角等 作为电网是否发生故障的判断依据。电网故障后，负载电压及频率均不能稳定，从而可以判断孤岛效应是否发生。但是在源负载功率基本接近时，断电后负载的电压和频率变化很小，被动检测法就会失效。主动检测法是通过并网逆变器定时产生一个扰动信号，然后观察电网是否受到影响作为判断电网是否发生故障的依据。当发生孤岛效应的情况时，主动扰动将造成系统的不稳定。即使光伏电源的功率与局部电网负载的功率平衡时，也会通过扰动破坏功率平衡，造成系统的电压、频率和相角有明显变化，从而能够检测出孤岛效应。毕业设计说明书（毕业论文）41 第三章 基于 DSP 的并网逆变器硬件电路的设计3.1 并网逆变器总体结构光伏并网逆变电器采用两级式并网逆变器， 其结构如图 3.1 所示。 它包括直流升压斩波电路变换、DC/AC 工频变换以及 LCL 滤波器等部分，其中 Ugrid 表示电网侧的电压。图 3.1 光伏并网逆变器总体结构光伏电池阵列的直流输出电压较低，虽然可以直接采用多级串联获得需要的逆变电路侧的母线电压，但是随着电功率的输出以及环境的变化，逆变器直流母线电压将会产生波动，从而使得电池电源侧输出功率也随之波动。所以需要增加一个 DC/DC 升压变换电路来升高直流母线电压，采用闭环控制来实现直流母线电压的稳定。3.2 基于 DSP 的控制系统硬件设计自 20 世纪 60 年代以来，数字信号处理器（ Digital Signal Processing， DSP）日渐成为一项比较成熟的技术，并在多项应用领域逐渐取代传统了传统模拟信号处理系统。与模拟信号处理系统相比，数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、快速、坑干扰能力强、设备尺寸小、性能稳定等优点，所以目前大多设备采用数字技术设计实现。本设计采用 TI 公司推出的 TMS320F2812 芯片。数字信号处理器是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进行采集、变换、综合、估计与识别等加工处理，从而达到拾取信息和控制的目的。数字信号处理器的实现是以计算机技术和信号处理理论发展为基础的，在其发展历程中，有两件事加速了 DSP 技术的发展。其一是Cooley 和 Tuckey 对离散傅立叶变换的有效算法的解密，另一个就是可编程数字信号处理器在 20 世纪 60 年代的引入。这种采用哈佛结构的处理器能够在一个周期内完成乘法累加运算，与采用冯诺依曼结构的处理器相比有了本质的改进，为复杂信号处理算法和控制算法的实现提供了良好的实现平台 [11]。3.2.1 DSP 概述一、 DSP 内部结构TMS320F2812 处理器有较高的运算精度（ 32 位）以及系统的处理能力（达到 150MIPS） 。这种芯片集成了 128KB 的 Flash 储存器， 4KB 的引导 ROM ，数学运算表以及 2KB 的 OTPROM ，因此能够大大改善其应用的灵活性。其功能结构框如图 3.2 所示。毕业设计说明书（毕业论文）41 图 3.2 DSP 内部结构通过 DSP 的结构可以归纳出 DSP 的以下特点1.采用了高性能的静态 COMS 技术，主频达 150MHz（时钟周期 6.67ns） 、功耗低、 Flash 编程电压为 3.3V 。2.支持 JTAG 边界扫描接口。3.高性能 32 位 CPU，哈佛结构、快速中断响应和处理能力、统一寻址模式、高效的代码转换功能。4.片上储存器，最多达 128K 16 位的 Flash 存储器。引导（ BOOT） ROM,外部存储器扩展接口。5.时钟和系统控制，支持动态改变锁相环节的倍频系数、片上振荡器、看门狗。三个外部中断，外设中断扩展模块（ PIE）支持 45 个外设中断、三个 32 位 CPU 定时器、 128 位保护密码。6.两个事务管理器，每一个事务管理器包括两个 16 位的通用定时器； 8 通道 16 位的 PWM ；不对称、 对称或者四个矢量 PWM 波形发生器； 死区产生和配置单元； 外部可屏蔽功率或驱动保护中断；三个完全比较单元；三个捕捉单元，捕捉外部事件；同步模数转换单元。7.串口通信外设，串行外设接口（ SPI） 、两个 UART 接口模块（ SCI） 、增强的 eCAN2.0B 接口模块、多通道缓冲串口（ McBSP ） 。8.12 位模数转换模块， 2 8 通道复用输入接口、两个采样保持电路、单 / 连续通道转换、流水线最快转换周期为 60ns, 单通道最快转换周期 200ns、 可以使用两个事件管理器顺序触发 8 对模数转换。9. 高达 56 个可配置通用目的 I/O 引脚，先进的仿真调试功能，低功耗模式和省点模式。二、 DSP 外围设备毕业设计说明书（毕业论文）41 TMS320F2812 数字信号处理器集成了很多内核可以访问和控制的外部设备，内核需要某种方式来读 /写外设。因此， CPU 将所有的外设都映射到了数据存储器空间。每个外设被分配