3KW光伏并网逆变器的软件毕业设计设计论文

XX 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 学生姓名 学号 专 业 院（系） 完成时间 2010 年 5 月 2010 年 5 月 26 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 IIIAbstract 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 IABSTRACT II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 32.1 光伏并网逆变器的分类 32.2 光伏并网逆变器控制目标 42.3 基于 SPWM的电压 / 电流型并网逆变器控制的研究 52.3.1 控制系统数学模型 52.3.2 PI 参数的设计 62.3.3 基于 SPWM的电压 / 电流型并网逆变器的控制方法 82.3.4 SPWM信号的产生原理 102.4 并网逆变器中同步锁相环的研究 112.4.1 软件锁相环的基本原理 122.4.2 基于光伏并网控制的软件锁相环的工作原理 122.4.3 并网控制中的锁相算法分析 132.5 本章小结 14III第三章 光伏并网发电系统软件设计 153.1 系统主程序流程图 153.2 定时器中断子程序 173.3 软件锁相环的设计 193.4 控制系统软件抗干扰措施 223.5 本章小结 23第四章 总结与展望 24致 谢 25参考文献 26附录文献翻译 27原文 27文献翻译 35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1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。 2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、3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，U net 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 4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 RidtdiLUU 2.1 经过 Laplace 变换，可解出 I l s ][][1 3 sUsUsGsUsURsLsI netabnetabLl -- 其中2.2 ，U ab是未经滤波的逆变器输出电压；G 3s 为滤波电路传递函数；R L为电感及交流进线关器件 T1～ T4 开关延时及死区时间的非线性影响， SPWM 控制方式下的桥的等效电阻。 如果忽略功率开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 512 STK PWMsGPWM2.3 其中，T PWM是一个开关周期，当开关频率取 10kHz时，T PWM为 100us，K PWM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 1 32 sGsaGsW 1*1 sRLRsTaKLLPWMPWM 2.4 式（ 2.4）中，L 为逆变器滤波电感，R L为电感及交流进线的等效电阻，a 为反馈系数。不进2.3.2 PI 参数的设计 ，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。 为获取理想的动态稳定性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 sTsT T 1 p0 { D0D0-10; *CMPR1D0; } whilep1p0 { D0D010; 16*CMPR1D0; } whilep1p0 { D0D0; *CMPR1D0; } } } 系统在复位进行 C语言环境配置， 配置结束后进入由 C语言编写的主程序， 主程序首先进行系统的配置和初始化，主要包括 CPU时钟内部采用 4 倍频（即 40MHz） 、各种外设的使能、中断配置等，其中程序和数据块存储区的定位在 Command文件中完成。由 EVB产生 DC-AC的控制信号频率。 3.2 定时器中断子程序 中断服务程序适用于处理实时性要求较高的功能， 如反馈电流的测取、 同步电压的发生、各种实时运算、 SPWM 模式发生及脉冲输出等。另外，虽然直流侧输出电压是个慢变信号，但为了与实时控制有良好的对应性，直流电压采样也应置于中断服务程序中。 系统的 SPWM波是通过 DSP的脉宽调制电路产生的， 借助于 DSP的 T1 定时器和比较单元 CMPR1来完成，根据产生对称波形的原理， T1 工作在连续增 / 减计数模式。由 T2 定时器的周期中断触发 A/D 转换， A/D 转换结束后， 触发 ADC中断。 在中断服务程序中进行 A/D结果的读取，对结果进行线性校正、数字滤波、有效值的计算等操作，并实时更新比较单元的值。此子程序主要完成 A/D 采样、查正弦表、产生 SPWM波、直流与交流的 PI 控制等功能。 //AD 初始化子程序 void ADINIT { *T2CNT0X0000; // 定时器计数寄存器， T2 计数器清零 *T2CON0X170C; //T2 为连续增计数模式， 128 分频，用内部时钟 ,320K *T2PR64; // 定时器周期寄存器 17// 设置 T2 的周期寄存器 , 采样频率 5K *GPTCONA0X400; // 全局通用定时器控制寄存器 A //T2 周期中断标志触发 AD转换 *EVAIFRA0X0FFFF; //EVA 中断标志寄存器，清除 EVA中断标志，写 1 清 0 *ADCTRL10X10; //ADC 控制寄存器 1 // 采样时间窗口预定标位 ACQPS3-ACQPS0为 0 // 转换时间预定标位 CPS为 0， AD为启动 / 停止模式 // 排序器为级连工作方式，且禁止特殊的两种工作模式 *ADCTRL20X8404; //ADC 控制寄存器 1 // 用 EVB的一个事件信号触发 AD转换，用中断模式 1 *MAXCONV0X01; // 最大转换通道寄存器，2 通道 *CHSELSEQ10x10; //ADC 输入通道排序控制寄存器，选择 1，2 通道 } //PWM初始化子程序 int pwminitial { *MCRA*MCRC|0x001E; //I/O 口复用控制寄存器 PWM1-2，2 路 *ACTRA0X0006; // 比较方式控制寄存器 *T1CON0X1000; // 定时器 1 连续增模式，1 分频，频率 40M *DBTCONA0X0F28; // 死区控制寄存器 A， 1.5us *CMPR11000; //PWM1， 2 *T1PR2000; // 定时器 1 的周期 , 频率 20K *COMCONA0X8200; // 比较控制寄存器，使能比较操作 *EVAIFRA*EVBIFRA|0X0001; // 清中断标志 *EVAIMRA0X0001; // 允许定时器 2 的周期中断 T2CONT } 具体的程序流程如图 3-2 所示 18图 3-2 SPWM产生中断服务程序 3.3 软件锁相环的设计 市电电压信号经频率检测，确定市电频率是否满足精度要求。考虑到我国电网实情，该值一般在 50Hz 左右。因此，可根据两次捕获中断的时间间隔来排除毛刺信号产生的捕获中断。其实在跟踪市电时并不需要太快，因为跟踪太快必然会影响输出波形，而且市电本身频率和相位就是变化的，跟踪太快就可能会影响输出的稳定性。 因此在进行调频和调相之前首先应根据合适的跟踪速度来确定跟踪的具体方案， 大体上可以把调频和调相的方法分为两种， 一种是调频和调相一起实现， 调频的同时就实现了调相，这种方法通常跟踪速度较快，输出波形频率变化波动较大，而且需要根据具体的输入频率情况进行实时计算； 另一种方法是调频和调相分开进行， 首先实现输出和输入的频率一致同时也有一定程度的调相，然后再考虑调相，最终实现频率和相位的一致。前一种方法会影响所有基准表格数据的输出间隔， 但保证一个完整的正弦波形； 后一种方法在调整相位时可能会使输出波形有甚微的偏离正弦，但保证频率稳定。 19本文采用后一种方法，大体思想是当检测到输入频率高于（低于）正常规定范围时，按照一定步长逐渐增大（减小） PWM 周期计时器值，直到输出频率在允许范围内。同样，调节相位也是按照同样方式进行，当发现相位超前则调整查表顺序使输出滞后一定相位，反之使输出超前一定相位， 这种方法可以计算出最大的锁相时间， 所以就可以根据所要求的参数来确定最小相位调节幅度，并且最终锁相的稳态误差就是一个相位的基本调节单位。这种实现方法简单、直观、实现方便、稳态误差较小且可以控制。本文设计的 SPLL，系统框图如图 3-3 所示。 图 3-3 SPLL 程序流程图 从图 3-3 中看到，第一步首先判断频率是否超限，如果超限则输出稳定的正弦波。第二步根据所得到的误差大小， 采取相应的措施调整下一个周期计数器值。 当频率满足要求以后，第三步就可以进行调相，如前所述在本文软件设计中，基准是一个正弦表格，因此20调相只需要改变读表指针即可（本文中 P 为基准指针变量） 。如果发现捕获到逆变器的输出电流波形超前于市电， 那么只需要把 P 值减小一定值就相当于把基准往后移相了， 同样输出电流波形落后于市电， 那么只需要把值增大一定值就相当于把基准往前移相了， 这样最终就可以实现锁相。 其中第二步频率调节的基本思想是电网电压的频率变化范围一般在 48Hz-52Hz 之间，事先可以设定并网电流的频率为 50Hz。 SPWM载波频率为 20KHz，改变该载波频率将导致并网输出电流频率的改变，所以不断调整载波频率（即调整波载波周期寄存器 TIPR的值）可以实现输出电流频率和电网电压频率一致。 该控制过程是依赖两个中断完成的其一是载波周期定时器中断， 另一是捕获中断。 前者不断地从一个正弦数据表格中依次循环读出表格数据， 每次中断读出一个表格数据， 而在后者的每次捕获中断中检查当前由载波周期定时器中断读出的表格数据所对应的电角度，本文按如下条件设定 （ 1）第一次捕获中断产生时，启动载波周期定时器中断，并且从正弦表格的第一个数据，即零电角度的数据开始读取。 （ 2）捕获中断仅响应上升沿触发，即只在电网电压由负变正的过零点产生中断。在第二次捕获中断产生时，可能出现以下三种情况，如图 3-4 所示 图 3-4 不同频率输出信号示意图 设定电网电压的周期为 T， SPWM载波周期为 T3PR，则有可能出现 （ 1） T1PR符合同步要求，对应于图中的曲线 b，此时 T1PR不变； （ 2） T1PR过小，对应于图中的曲线 a，即频率过高，此时需加大 T1PR； （ 3） T1PR过大，对应于图中的曲线 c，即频率过低，此时需减少 T1PR。 调频子程序的动作流程如图 4-17 所示。其中 D1本次捕获中断中 SPWM载波定时器 T1 的周期定时中断所读出的正弦表格数据； 21DATA正弦表格中的第一个数据，对应的电角度为 0 度； D3本次捕获中断中 DATA与 D1的差值； D4上次捕获中断中 DATA与 D1的差值； T1PR SPWM载波定时器的周期值。 图 3-5 调频子程序流程图 3.4 控制系统软件抗干扰措施 在控制系统软件设计中也采取了抗干扰措施，软件抗干扰措施包括 ①在程序开始运行初期，对所有的输入 / 输出端口进行初始化设置，避免其处于不确定或错误状态。 ②对于反馈的模拟信号进行进行数字滤波， 并根据实验情况对数字滤波的参数进行优化。 22③对数字量输入信号采用软件消抖措施， 防止由于输入信号尖峰、 毛刺的影响产生误动作。 ④使能了 TMS320F2407A内置的看门狗 watchdog功能，在程序跑飞的情况下能够自动复位。 3.5 本章小结 本章详细介绍了基于 DSP的光伏并网发电系统的软件设计， 主要介绍了软件设计的思想，并画出了主要子程序的设计流程图。主要包括主程序流程、定时器中断、软件锁相环的设计。 23第四章 总结与展望 光伏并网系统实际上是一个有源逆变系统。 本文介绍了 3KW光伏并网逆变器的工作原理，比较了光伏并网逆变器的控制策略，并进行了较为深入的理论分析和研究，在此基础上设计出了系统的主要源程序。 选用 TI 公司的 TMS32OLF2407作为主控芯片， 使系统具有很好的动态响应， 提高了并网效率。 由于学识水平、实践经验的限制，本文仅对光伏并网逆变器系统进行了初步的探索。针对光伏并网发电系统未来的发展趋势， 为了将系统应用于实际， 还需要对以下各方面做进一步的研究和探索 1 还没有实现对最大功率跟踪点的软件调试。 2 本设计只是应用了基本的 PI 控制， 还应加强对新的控制策略的研究， 提高并网电流波形的质量，降低系统工作噪声和减小谐波的输出。 3 针对光伏并网系统的发散性对统一管理带来的困难，有必要开发统一的管理和远程通讯软件， 对光伏并网发电系统的运行状况或故障情况进行实时有效的监测和控制。 并且使其具有通用性，可以开发通过短波的无线电通信和通过 Internet 的多种传输方式，使用户方便快捷的了解系统运行的情况。 24致 谢 在 XX第一学府所特有的浓厚学术氛围中，我终于完成了本科阶段的学业，并按时完成我的毕业设计论文。在此，我对那些曾经或正在帮助我、支持我的老师、家人、同学和朋友表示衷心的感谢 首先，由衷感谢我的指导老师 XXX教授 , 从论文的最初选题到最终定稿，都是在 X 老师的悉心指导下完成的， 我的每一点进步都离不开张老师的精心指导和帮助。 从他的身上，我深深地感受到作为一名真正的科技工作者所应具备的崇高道德品质、 严谨求实的学术作风、勤勉的工作态度和无私的献身精神。这将是我一生的追求目标。 在本设计的进行过程中，我还得到了许多同学的帮助和支持。在这里，我想要感谢所有给予我帮助的同学们。 每天的朝夕相处， 我们之间的友谊和关爱是我人生路上最为宝贵的财富。 此外我要感谢辛勤养育我的父母和关心我的亲人们。 焉得谖草， 言树之背， 养育之恩，无以回报。你们永远健康、快乐是我最大的心愿 衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家 最后，感谢关心和帮助过我的每一个人。 25