基于dsp光伏并網(wǎng)逆變器的硬件電路設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) (2)

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）</p><p>　　題 目：基于DSP的光伏并網(wǎng)逆變器硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化</p&

2、gt;<p><b>　　班 級(jí)： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　基于DSP的光伏并網(wǎng)逆變器硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　由于近年來不可再生能源的不斷消耗，

3、能源危機(jī)日益凸顯，各國(guó)都在加緊開發(fā)新能源。太陽能發(fā)電作為一種全新的電能生產(chǎn)方式，具有清潔無污染、來源永不衰竭且維護(hù)措施簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而受到越來越廣泛的關(guān)注。本文針對(duì)太陽能應(yīng)用的一個(gè)重要研究領(lǐng)域——光伏發(fā)電系統(tǒng)，尤其是小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于DSP控制的單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件電路。</p><p>　　論文首先介紹了太陽能光伏并網(wǎng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了利用DSP控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本原理。然后提出

4、了以逆變器DC/AC變換技術(shù)為核心的單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件電路設(shè)計(jì)方案，并在Matlab軟件上進(jìn)行了仿真測(cè)試。最后對(duì)后續(xù)研究工作進(jìn)行了展望，為進(jìn)一步制作電路板及其調(diào)試提供了參考。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)；逆變器；數(shù)字信號(hào)處理器；Matlab仿真</p><p>　　PV Grid-Connected Inverter Hardware Circuit Design Base

5、d on DSP </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, with the continuous consumption of non-renewable energy, the energy crisis has become increasingly prominent, countries a

6、re 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

7、more and more attention. In this paper, as for an important research field of solar energy applications-photovoltaic systems, especially low-p</p><p>　　Key words: grid-connected photovoltaic; inverter; DSP;

8、Matlab simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1

9、.1 課題研究的背景、目的和意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)研究的現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 國(guó)外研究的現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 本課題研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　第二章 太陽能光伏并網(wǎng)的研究4</p>

10、<p>　　2.1 光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1.1 按變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類4</p><p>　　2.1.2 按功率變換級(jí)數(shù)分類6</p><p>　　2.1.3 按控制方式分類7</p><p>　　2.2 光伏并網(wǎng)控制策略基本原理10</p><p>　　2.2.

11、1 光伏并網(wǎng)逆變器的控制方式10</p><p>　　2.2.2 光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)10</p><p>　　2.2.3 輸出電流控制方式11</p><p>　　2.2.4 最大功率點(diǎn)跟蹤12</p><p>　　2.3 孤島效應(yīng)14</p><p>　　2.3.1 孤島效應(yīng)的影響和危害14<

12、/p><p>　　2.3.2 孤島效應(yīng)的檢測(cè)方法15</p><p>　　第三章 基于DSP的并網(wǎng)逆變器硬件電路的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.1 并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)16</p><p>　　3.2 基于DSP的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2.1 DSP概述17</p><

13、;p>　　3.2.2 DSP系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.3 采樣和調(diào)理保護(hù)電路設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.4 主電路設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)選擇28</p><p>　　3.4.1 Boost電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇28</p><p>　　3.4.2 逆變器電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇31</p><p&g

14、t;　　第四章 光伏并網(wǎng)逆變器仿真測(cè)試35</p><p>　　4.1 Boost升壓電路仿真測(cè)試35</p><p>　　4.1.1 Matlab搭建電路圖35</p><p>　　4.1.2 仿真波形和分析35</p><p>　　4.2 逆變器電路仿真測(cè)試36</p><p>　　4.2.1 Matla

15、b搭建電路圖37</p><p>　　4.2.2 仿真波形和分析37</p><p>　　第五章 總結(jié)和展望39</p><p>　　5.1 工作總結(jié)39</p><p><b>　　5.2 展望39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b><

16、;/p><p><b>　　附錄42</b></p><p>　　附錄A DSP控制電路PCB板42</p><p>　　附錄B 3D模式的控制電路PCB板42</p><p>　　附錄C 主電路PCB板43</p><p>　　附錄D 3D模式的主電路PCB板43</p>

17、<p>　　附錄E 總體原理電路圖43</p><p>　　附錄F DSP控制電路原理圖43</p><p><b>　　致謝44</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　課題研究的背景、目的和意義</p><p>　　當(dāng)今世界

18、，人類對(duì)于能源的依賴性越來越強(qiáng)，能源已經(jīng)成為我們生活中必需的部分，它為人類的各項(xiàng)活動(dòng)提供著動(dòng)力。隨著一次能源煤、石油、天然氣等不可再生能源的過度開發(fā)，以及地球環(huán)境的日益惡化——全球變暖、酸雨、厄爾尼諾現(xiàn)象等，一系列環(huán)境問題危及人類的可持續(xù)發(fā)展。環(huán)境、能源和可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為人類迫切要解決的問題。</p><p>　　能源短缺和環(huán)境惡化加快了人類去尋找替代能源的進(jìn)程，各國(guó)都在大力發(fā)展新能源。在新能源家族中，有風(fēng)能、

19、太陽能、地?zé)崮堋⒊毕艿?。由于太陽能資源分布相對(duì)廣泛、蘊(yùn)藏豐富，光伏發(fā)電以清潔可再生的太陽能為能源，直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，是一種不需要燃料、沒有污染獲取電能的高新技術(shù)，因此光伏發(fā)電被認(rèn)為將是21世紀(jì)、最具活力的新能源[1]。過去太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中因?yàn)樘柲茈姵氐闹圃斐杀颈容^高，所以太陽能光伏發(fā)電只能應(yīng)用于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電。例如，一些分散的農(nóng)牧戶、基站的通信設(shè)備供電、氣象、國(guó)防等。而且應(yīng)用于村莊的大都是小型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，大多未能并

20、入電網(wǎng)，屬于獨(dú)立的離網(wǎng)式發(fā)電。當(dāng)今太陽能電池硅板成本有所降低，電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等也有了飛速發(fā)展。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)有了質(zhì)的飛躍，發(fā)電成本在逐年下降，發(fā)電的效率和市場(chǎng)效益也在進(jìn)一步提高，這為大規(guī)模發(fā)展太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)提供了基礎(chǔ)。</p><p>　　從2004年歐盟聯(lián)合研究中心預(yù)測(cè)的世界能源結(jié)構(gòu)大致變化發(fā)展趨勢(shì)[2]中可以看出，在接下來的近一百年里，石油、煤炭、天然氣等不可再生能源在

21、一次能源消費(fèi)中所占的比例將呈下降趨勢(shì)，而太陽能光伏發(fā)電則會(huì)大比例的增加。所以大力發(fā)展太陽能有利于緩解能源危機(jī)和解決環(huán)境問題，促進(jìn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。</p><p>　　我國(guó)擁有豐富的太陽能資源，所以發(fā)展太陽能占有一定的先天優(yōu)勢(shì)。從我國(guó)所處的地理位置、地形以及緯度來分析，我國(guó)中西部地區(qū)太陽能資源比較豐富，西藏、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏均屬于世界太陽能資源豐富的地區(qū)。這些地方又有十分廣闊的面積，有利于大規(guī)模

22、安置太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備，也有利于部分地區(qū)環(huán)境的改善。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀</b></p><p>　　與獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有一些自己的優(yōu)點(diǎn)。它省掉了體積龐大、價(jià)格高昂、不易維護(hù)的蓄電池，具有造價(jià)低，輸出電能穩(wěn)定的特點(diǎn)，因而具有更為廣闊的市場(chǎng)前景。典型的光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)包括：光伏陣列，直流到直流斬波電路（DC-D

23、C），Dclink，直流到交流逆變器（DC-AC）控制電路，采樣電路，保護(hù)電路，故障處理電路等。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)研究的現(xiàn)狀</b></p><p>　　由于我國(guó)在光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，光伏發(fā)電只在一些尖端領(lǐng)域應(yīng)用比較多，核心技術(shù)方面和國(guó)外還有一定的差距。就光伏并網(wǎng)型逆變器而言，合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所、燕山大學(xué)、上海交通大學(xué)、

24、中國(guó)科學(xué)院電工研究所等科研單位在這一方面進(jìn)行了相關(guān)的研究，并且在“九五”、“十五”期間，國(guó)家科技部投入相當(dāng)數(shù)額的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行開發(fā)工作[3]。目前我國(guó)光伏并網(wǎng)逆變器市場(chǎng)發(fā)展規(guī)模還比較小，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)逆變器的商家雖然很多，但專門用于生產(chǎn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器制造廠商卻并不多，而且有不少國(guó)內(nèi)制造廠商已經(jīng)在逆變器方面研究開發(fā)多年，已經(jīng)發(fā)展到擁有一定的規(guī)模和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但在逆變器技術(shù)質(zhì)量、驗(yàn)證技術(shù)上、規(guī)模上與國(guó)外企業(yè)仍有很大差距。目前我國(guó)具有較大規(guī)模的廠商

25、有北京索英、南京冠亞、北京科諾偉業(yè)、志誠(chéng)冠軍上海英偉力新能源科技有限公司等企業(yè)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模雖然比較小，核心技術(shù)還處在不算成熟的階段，但未來光伏發(fā)電市場(chǎng)的巨大發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展空間將給國(guó)內(nèi)光伏企業(yè)帶來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。目前國(guó)內(nèi)光伏并網(wǎng)逆變器主要被陽光電源、艾思瑪、KACO等品牌所占領(lǐng)，而國(guó)外的企業(yè)多數(shù)通過代理渠道進(jìn)入國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)，由于售后服務(wù)提供難度大的問題導(dǎo)致</p><p>　　從技術(shù)層次來說，國(guó)內(nèi)企業(yè)在智能化程

26、度、穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換效率、結(jié)構(gòu)工藝等方面與國(guó)外先進(jìn)水平仍有一定差距。目前我國(guó)在小功率逆變器技術(shù)上與國(guó)外處于同一水平，在大功率并網(wǎng)逆變器上，還有一定的差距，大功率并網(wǎng)逆變器仍需進(jìn)一步發(fā)展和研究。</p><p><b>　　國(guó)外研究的現(xiàn)狀</b></p><p>　　近幾年，隨著德國(guó)、美國(guó)、西班牙、日本對(duì)本國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在政策上大力扶持，全球光伏并網(wǎng)逆變器的銷售額在逐年上升

27、，光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的階段。但目前全球光伏并網(wǎng)逆變器市場(chǎng)被國(guó)際幾大巨頭瓜分，歐洲作為全球光伏并網(wǎng)逆變器市場(chǎng)發(fā)展的先驅(qū)，具備了完善的光伏產(chǎn)業(yè)鏈，光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。SMA是全球最早、最大的光伏逆變器生產(chǎn)企業(yè)（其中德國(guó)市場(chǎng)占有率達(dá)50%以上），2009年 SMA以占據(jù)全球市場(chǎng)份額44%獨(dú)占鰲頭。SMA、KACO、Fronius、Ingeteam、Siemens、Studer、Xantrex、Danfoss、Co

28、nergy、Satcon、Power-one、Outback power等基本占領(lǐng)全球光伏逆變器市場(chǎng)份額。其中排名前五位的企業(yè)占的市場(chǎng)份額已經(jīng)超過了全球的70%。</p><p>　　本課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本論文主要設(shè)計(jì)了一種基于DSP控制的單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件電路，并用Protel DXP軟件完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路，生成了PCB板。最后通過Matlab對(duì)電路進(jìn)行

29、了仿真。其中硬件電路包括：直流斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、逆變器電路、DSP控制電路、采樣硬件電路和輔助電源?？刂撇呗赃x擇有：最大功率點(diǎn)跟蹤、SPWM控制等。仿真部分主要針對(duì)升壓斬波電路和逆變器部分參數(shù)設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)和分析。</p><p>　　本文光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)參數(shù)如表1.1所示：</p><p>　　表1.1 光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　太陽能光伏并網(wǎng)的研

30、究</p><p>　　太陽能光伏發(fā)電原理是利用太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，它是通過將太陽能輻射的能量直接通過硅電池板轉(zhuǎn)變成電能的一種可再生發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能電池板陣列、充電蓄電池、逆變器和控制器等部分組成。本章將對(duì)太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其控制策略進(jìn)行分析。</p><p>　　光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p>&l

31、t;p>　　按變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類</p><p>　　目前，在實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中，按變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類的主電路有三種，分別是帶工頻變壓器隔離的單級(jí)式逆變器、帶高頻變壓器隔離的多級(jí)式逆變器和無變壓器隔離的兩級(jí)式逆變器。根據(jù)這三種逆變主電路，可以將現(xiàn)在的光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三類，即工頻隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高頻隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無變壓器隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p><p>　　一、工頻隔離

32、型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　工頻隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成：太陽能硅電池陣列、直流側(cè)的濾波器件、光伏并網(wǎng)逆變器、工頻變壓器、LC濾波電路等。其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1工頻隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　這種形式的太陽能光伏并網(wǎng)電磁干擾小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)量小，可靠性高，開關(guān)頻率低。由于采用了工頻變壓器能起到與電網(wǎng)側(cè)隔

33、離、保護(hù)的作用，所以能夠防止人體誤觸摸逆變器造成的傷害。但是由于采用了工頻變壓器，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)體積龐大、重量增大，比較笨重、占用面積也增加。</p><p>　　二、高頻隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　高頻隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)指光伏并網(wǎng)逆變器經(jīng)過兩次直流電逆變 成交流電能的變換。一次是經(jīng)過高頻方波逆變，用來提高變壓器的工作頻率，從而能夠減輕變壓器的體積和重量。變換后產(chǎn)生的高頻

34、方波經(jīng)過高頻變壓器，然后再通過AC/DC整流電路和濾波電路的作用后得到另一種直流電壓，這種直流電壓通過工頻SPWM（正弦脈寬調(diào)制）控制的逆變器，得到并網(wǎng)所需要的波形。其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2高頻隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　這種形式的光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠顯著提高光伏并網(wǎng)逆變器的性能，因?yàn)樗捎昧薙PWM控制的方式進(jìn)行了周波變換，所以使得輸出的波形畸變

35、比較小，濾波電感體積也比較小。它的缺點(diǎn)是能量傳遞的級(jí)數(shù)增多，這使得其中的能量損失變大。</p><p>　　三、無變壓器隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　無變壓器隔離的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即非隔離型里面不含隔離變壓器，能量傳遞一般只有兩級(jí)。因此系統(tǒng)體積小，能量損耗也小，是目前研究的熱點(diǎn)[4]。其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3無變壓器隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)&l

36、t;/p><p>　　這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的成本，使得傳輸能量的級(jí)數(shù)減少，提高了發(fā)電的效率。其中的DC/AC逆變器是有工頻SPWM（正弦脈寬調(diào)制）控制的，這種形式的電路在大功率的光伏發(fā)電系統(tǒng)中有應(yīng)用。把太陽能電池板陣列輸出的直流電壓通過DC/DC直流升壓斬波電路升高到400V左右，這樣可以利用直流側(cè)平波儲(chǔ)能大電容的作用，來保證輸入逆變器部分的電壓穩(wěn)定。同時(shí)也能起到減小電流提高電壓的作用，從而降低逆

37、變部分的能量損耗，提高光伏并網(wǎng)的發(fā)電效率。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)的先決條件是直流側(cè)濾波電容預(yù)先充電到接近電網(wǎng)電壓的峰值[5]。</p><p><b>　　按功率變換級(jí)數(shù)分類</b></p><p>　　通常按照功率在光伏發(fā)電系統(tǒng)的變換級(jí)數(shù)進(jìn)行分類可以分為兩種類型：?jiǎn)渭?jí)式光伏并網(wǎng)變換型和多級(jí)式光伏并網(wǎng)變換型。</p><p>　　一、單

38、級(jí)光伏并網(wǎng)變換型</p><p>　　單級(jí)式光伏并網(wǎng)變換型只用到一級(jí)的能量傳遞變換模式就能夠完成boost-buck斬波電路和DC/AC逆變電路的變換，然后通過RC濾波并入電網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4單級(jí)光伏并網(wǎng)變換型</p><p>　　這種類型的單級(jí)式光伏并網(wǎng)變換類型具有元器件使用少，可靠性高和效率高，并且功耗損耗少等優(yōu)點(diǎn)。但是這種

39、類型的光伏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于太陽能電池板輸出的電壓等級(jí)有限，多用于小型的系統(tǒng)中。</p><p>　　二、多級(jí)式光伏并網(wǎng)變換型</p><p>　　多級(jí)式光伏并網(wǎng)變換型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：濾波、DC/DC直流斬波、DC/AC逆變電路、后級(jí)濾波電路等。其結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5多級(jí)式光伏并網(wǎng)變換型</p><p>　　這種電

40、路首先通過太陽能電池板陣列把太陽能輻射的能量轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)濾波電路后通過前級(jí)直流斬波電路捕捉到最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），然后經(jīng)過工頻逆變電路，并入交流電網(wǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是兩級(jí)傳遞能量的電路，簡(jiǎn)化了控制電路的計(jì)算算法，使得每級(jí)都能夠精確控制，提高了控制質(zhì)量和效率。</p><p><b>　　按控制方式分類</b></p><p>　　按照控制方式可分為電流源式和電壓源式兩

41、種拓?fù)漕愋汀Ｈ绻紤]到后端的輸出控制方式，則可將其劃分為電壓源式電壓控制輸出（VSCV）、電流源式電壓控制輸出（CSCV）、電壓源式電流控制輸出（VSCC）、電流源式電流控制輸出（CSCC）四種。對(duì)于輸入源的選擇，要想得到一個(gè)穩(wěn)定的電流源輸入很不容易，要在輸入端串入一個(gè)大電感，但這會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以，一般采用電壓源輸入。對(duì)于輸出控制方式的選擇，如果輸出控制方式為電壓的話，如果要使并網(wǎng)輸出功率因數(shù)為1的話，則要協(xié)調(diào)控制輸出電壓的

42、幅值、相位和頻率三個(gè)量；而如果輸出控制方式為電流的話，則只需要控制輸出電流的相位和頻率兩個(gè)量，相對(duì)簡(jiǎn)單。所以，一般采用電壓源輸入電流控制輸出的方式[4]。</p><p>　　一、電壓型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　電壓型逆變并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指的是直流側(cè)有一個(gè)直流電源或者并聯(lián)有大電容，使得直流側(cè)的電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗?fàn)顟B(tài)。其次由于直流側(cè)電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出的電

43、壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流測(cè)輸出電流的波形和相位因負(fù)載阻抗的不同而不同。最后當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)的電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量提供通道，逆變橋各橋必須并聯(lián)反饋二極管[6]。其結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6電壓型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　二、電流型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p

44、>　　電流型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是把太陽能電池板輸出的電能經(jīng)過濾波電路后送入到一個(gè)直流電流源中，或者在直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)大電感相當(dāng)于電流源。這樣可以保證直流側(cè)的電流基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)。其次逆變電路中的開關(guān)器件起的作用僅改變直流電流流通的路徑，因此交流側(cè)得到的輸出電流為矩形波，并且和負(fù)載阻抗角無關(guān)。交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因?yàn)樨?fù)載阻抗情況的不同而不一樣。交流側(cè)為阻感負(fù)載情況時(shí)，需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。

45、與電壓型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，反饋的無功能量并不反向，因此無須給電流型逆變電路各橋并聯(lián)二極管。其結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.7電流型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)以上光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，綜合各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用當(dāng)今熱點(diǎn)研究雙級(jí)式無變壓器的電壓型逆變器拓?fù)潆娐纷鳛橹麟娐?。?jīng)過方案的比較論證以及考慮本系統(tǒng)針對(duì)小型的單相并入電網(wǎng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用無變器的

46、兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)DC/DC直流升壓斬波變換器和后級(jí)DC/AC逆變器之間通過DC-Link相連。系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路如圖2.8所示。</p><p>　　圖2.8光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　在本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，太陽能電池板輸出的額定直流電壓為60-140V之間，前級(jí)DC/DC斬波電路變換器需將此輸入電壓升至400V以上才能實(shí)現(xiàn)無隔離變壓器兩級(jí)式直接并網(wǎng)。 Boost斬波電路為

47、升壓直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得用于捕捉最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制方法簡(jiǎn)單。因?yàn)檩斎腚娏魇沁B續(xù)的，使得對(duì)電源電磁干擾影響相對(duì)較小，開關(guān)管發(fā)射級(jí)接地，驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制的理想選擇。由于光伏最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）電壓低于交流側(cè)的峰值電壓，從而Boost電路使光伏電池陣列配置比較靈活，可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)較寬范圍的電壓輸入，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。同時(shí)Boost升壓斬波電路具有相對(duì)較高的效率，電路結(jié)構(gòu)中

48、的二極管具有防止電網(wǎng)側(cè)能量反送給光伏陣列的作用，從而提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體工作效率。后級(jí)的DC/AC逆變器，采用單相全橋逆變電路，將DC-Link直流電轉(zhuǎn)換成220V/50Hz正弦交流電，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)輸送功率。DC-Link的作用除了連接DC/DC升壓斬波變換器和DC/AC逆變器，還實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞?？刂齐娐返暮诵男酒荰I公司的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器，它的處</p><p>　　光伏并網(wǎng)控制策略基本

49、原理</p><p>　　光伏并網(wǎng)逆變器控制需要滿足輸出電壓與電網(wǎng)電壓同幅值、同相位、同頻率，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相（），而且其輸出還應(yīng)滿足電能質(zhì)量的要求，這些都需要光伏并網(wǎng)逆變器的有效并網(wǎng)控制。</p><p>　　光伏并網(wǎng)逆變器的控制方式</p><p>　　光伏并網(wǎng)逆變器控制方式可以分為電壓源電壓控制、電流源電壓控制、電壓源電流控制和電流源電流控制四種。本

50、設(shè)計(jì)采用電壓源輸入為主的方式，所以逆變器的并網(wǎng)輸出控制可分為電壓控制和電流控制。在光伏逆變器和電網(wǎng)連接并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)可以被看做是一個(gè)容量無窮大的交流電壓源。如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則實(shí)際上就成為一個(gè)電壓源與另一個(gè)電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用同步鎖相技術(shù)來實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的同步。可以通過調(diào)整光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓的大小以及相位來控制系統(tǒng)的有功率和無功功率輸出。但是鎖相環(huán)節(jié)響應(yīng)慢、逆變器輸出電壓

51、值不易精確控制、出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象。若不采取一些措施，同等級(jí)功率的電壓源并聯(lián)運(yùn)行優(yōu)異性不容易獲得。</p><p>　　而對(duì)于采用電流控制方式的并網(wǎng)逆變器，只需控制逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，同時(shí)設(shè)定輸出電流的大小，就可以實(shí)現(xiàn)它的穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行，其控制方法簡(jiǎn)單，效果也較好，因此得到了廣泛應(yīng)用[7]。</p><p>　　光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)</p><p>　　光伏并

52、網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)為：光伏并網(wǎng)逆變器輸出穩(wěn)定的、高質(zhì)量的正弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻同相，同時(shí)希望能夠通過調(diào)節(jié)光伏陣列的最大功率點(diǎn)，使太陽能光伏陣列按最大功率輸出。</p><p>　　選擇并網(wǎng)逆變器的輸出電流為被控變量，并網(wǎng)發(fā)電工作方式下的等效電路如圖2.9(a)所示，可以等效的認(rèn)為是逆變器給電網(wǎng)充電。逆變器輸出電流和電壓的矢量關(guān)系如圖2.9(b)所示。</p><p>　　(a)

53、 (b)</p><p>　　圖2.9逆變器輸出電流和電壓的矢量關(guān)系</p><p>　　其中為光伏并網(wǎng)逆變器輸出交流側(cè)電壓，為電網(wǎng)側(cè)的電壓，I為逆變器輸出電流也是電感的電流。由圖中的矢量三角形關(guān)系可知，由于并網(wǎng)逆變器的輸出濾波電感L的存在，當(dāng)使光伏逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓同相位時(shí)，電網(wǎng)側(cè)電壓和光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓之間存在相位差。</p&

54、gt;<p><b>　　輸出電流控制方式</b></p><p>　　采用電流型輸出的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，輸出電流的控制方式一般有SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）電流跟蹤方式、SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）、電流滯環(huán)瞬時(shí)比較方式、復(fù)合控制和重復(fù)控制等。較常用的電流控制方法有：SPWM正弦波脈寬調(diào)制電流跟蹤方式、SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制、電流滯環(huán)瞬時(shí)比較方式等。</p>&

55、lt;p>　　一、SPWM電流跟蹤方式</p><p>　　SPWM電流跟蹤方式也可以稱為三角波比較方式的電流跟蹤方式，這種方式不是把指令信號(hào)和三角波直接進(jìn)行比較而產(chǎn)生PWM波形，而是通過閉環(huán)來進(jìn)行控制的。它將電網(wǎng)電流在線實(shí)時(shí)值和給定電流進(jìn)行比較，兩者的差值通過一個(gè)PI調(diào)節(jié)，然后與三角波進(jìn)行比較，進(jìn)而輸出PWM波。其結(jié)構(gòu)如圖2.10所示。</p><p>　　圖2.10 SPWM電流

56、跟蹤方式</p><p>　　這種方式的電流跟蹤控制特性與PI參數(shù)的設(shè)置有關(guān)，對(duì)于PI電路響應(yīng)要求快的系統(tǒng)，必須提高三角波載波頻率，以改善輸出波形[8]。這種三角波比較控制方式中，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率是一定的，即等于載波頻率，這給高頻濾波器的設(shè)計(jì)帶來方便。與滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含有的諧波較少，因此它常用于對(duì)諧波和噪聲要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。</p><p>　　二、電流滯

57、環(huán)瞬時(shí)比較方式</p><p>　　在跟蹤PWM變流電路中，電流跟蹤控制應(yīng)用最多。電流滯環(huán)瞬時(shí)比較方式的原理如圖2.11所示。</p><p>　　圖2.11電流滯環(huán)瞬時(shí)比較方式</p><p>　　以作為滯環(huán)比較器的環(huán)寬，當(dāng)實(shí)際電網(wǎng)電流和給定電流的差值超過環(huán)寬時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生PWM波信號(hào)。若確定，則輸出電流的誤差范圍不變。滯環(huán)環(huán)寬對(duì)跟蹤性能的影響較大，如果環(huán)寬過寬時(shí)，

58、開關(guān)的動(dòng)作頻率低，但跟蹤的誤差增大；如果環(huán)寬過窄時(shí)，跟蹤的誤差減小，但開關(guān)的動(dòng)作頻率會(huì)變得過高，甚至?xí)^開關(guān)器件的允許頻率范圍，開關(guān)損耗增大。這種控制方式有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1.不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量。</p><p><b>　　2.硬件電路簡(jiǎn)單。</b></p><p>　　3.與計(jì)算法以及調(diào)制法相比

59、，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出的電流中高次諧波含量較多。</p><p>　　4.屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)快。</p><p>　　5.屬于閉環(huán)控制，這是各種電流跟蹤型PWM型變流電路的共同特點(diǎn)。</p><p>　　三、SVPWM電流控制方式</p><p>　　空間矢量PWM控制策略是依據(jù)逆變器空間電壓（電流）矢量切換來控制逆變器的一種新穎思路的

60、控制策略。采用逆變器空間電壓矢量（SVPWM）的切換來獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這樣能夠在開關(guān)頻率不高的條件下，使得逆變器輸出獲得較好的性能。</p><p>　　綜上幾種控制的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)逆變器采用電流滯環(huán)瞬時(shí)比較控制方式。</p><p><b>　　最大功率點(diǎn)跟蹤</b></p><p>　　在太陽能電池陣列光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能

61、電池陣列的內(nèi)阻不僅要受到日照強(qiáng)度的影響，而且還要受環(huán)境溫度及負(fù)載的影響，并且一直處在不斷變化之中，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)也由此變得不確定。這必然會(huì)降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。因此為了不斷能夠獲得最大功率的輸出，太陽能電池必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。太陽能輸出功率與輸出電壓的關(guān)系如圖2.12所示。</p><p>　　圖2.12太陽能輸出功率和輸出電壓光照的關(guān)系</p><p><b>　　一、恒定

62、電壓法</b></p><p>　　當(dāng)外界溫度不變時(shí)，太陽能電池在不同光照強(qiáng)度下的開路電壓和最大功率點(diǎn)電壓都在某一個(gè)恒定值附近；當(dāng)光照不變環(huán)境改變時(shí)，太陽能電池最大功率點(diǎn)隨開路電壓而變化，而且?guī)缀跸嗤淖兓壤齕9]。所以，我們可以近似認(rèn)為太陽能電池的開路電壓與最大功率點(diǎn)（MPPT）電壓成線性比例關(guān)系：。</p><p>　　保證使電壓工作點(diǎn)穩(wěn)定在附近，這就可以保證太陽能電池最

63、終具有在當(dāng)前環(huán)境下的最大功率輸出。一定的條件下，采用恒壓控制跟蹤的方法不僅可以得到比直接匹配更高的功率輸出，還可以用來簡(jiǎn)化和近似最大功率點(diǎn)跟蹤控制。</p><p><b>　　二、擾動(dòng)觀察法</b></p><p>　　擾動(dòng)觀察法的基本原理是先給出一個(gè)擾動(dòng)值，在測(cè)量太陽能電池陣列輸出功率的變化，如果功率減小，表示擾動(dòng)方向錯(cuò)誤，可按方向擾動(dòng)。如果功率增加，表示擾動(dòng)方向

64、正確，可繼續(xù)朝同一個(gè)方向擾動(dòng)。如此反復(fù)的擾動(dòng)、觀察以及比較，使光伏電池達(dá)到最大功率點(diǎn)。</p><p>　　這種方法的特點(diǎn)是原理清晰，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)較少，而且不需要知道太陽能的特性曲線，能夠較普遍地被應(yīng)用在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最大點(diǎn)功率跟蹤控制上。但是這種方法也有它的一些缺陷，因?yàn)槭冀K有擾動(dòng)電壓存在，在最大功率點(diǎn)跟蹤過程中將會(huì)導(dǎo)致一些功率損失；若跟蹤步長(zhǎng)太小，當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，不能快速跟蹤、容易引起振蕩

65、。當(dāng)光照和溫度有大幅度變化時(shí)，這種跟蹤到另一最大功率點(diǎn)的速度變慢，不能快速跟蹤。</p><p><b>　　三、電導(dǎo)增量法</b></p><p>　　電導(dǎo)增量法避免了功率擾動(dòng)觀察法的盲目性，可以判斷出最大功率點(diǎn)電壓與工作點(diǎn)電壓電壓之間的關(guān)系。由太陽能輸出功率與輸出電壓的關(guān)系可知：</p><p>　　1.當(dāng)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)處有；</

66、p><p>　　2.當(dāng)工作點(diǎn)處在最大功率點(diǎn)右邊時(shí)有；</p><p>　　3.當(dāng)工作點(diǎn)處在最大功率點(diǎn)左邊時(shí)有。</p><p>　　最大功率點(diǎn)時(shí)的功率為，兩邊同時(shí)對(duì)U求導(dǎo)得：</p><p><b>　　（2.1）</b></p><p>　　令上式（2.1）等于0可得：</p><

67、;p><b>　　（2.2）</b></p><p>　　由上式（2.2）可知當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，陣列獲得最大功率。電導(dǎo)增量法通過比較太陽能電池輸出的電導(dǎo)增量和瞬時(shí)電導(dǎo)來改變控制信號(hào)。其控制算法同樣需要對(duì)太陽能電池輸出的電壓和電流進(jìn)行采樣。優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，能夠快速跟蹤其變化，需要一些處理速度快的芯片進(jìn)行控制。</p><p>　　綜合

68、以上三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)逆變器采用電導(dǎo)增量法進(jìn)行捕捉最大功率點(diǎn)。</p><p><b>　　孤島效應(yīng)</b></p><p>　　在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，直接將太陽能逆變后的電能饋送給電網(wǎng)，從而需要設(shè)置各種完善的保護(hù)措施。對(duì)于通常電網(wǎng)系統(tǒng)工作時(shí)可能出現(xiàn)的器件過流、器件過熱、器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)欠壓、太陽電池輸出欠壓以及電網(wǎng)過壓、欠壓等故障狀態(tài)，通過硬件電路檢測(cè)配

69、合軟件進(jìn)行處理比較容易。對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言，需要考慮在一種特殊的故障狀態(tài)下的應(yīng)對(duì)策略——孤島效應(yīng)的防止對(duì)策。</p><p>　　孤島效應(yīng)的影響和危害</p><p>　　所謂孤島(islanding)效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而脫離電網(wǎng)，使太陽并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電孤島[5]

70、。</p><p>　　孤島效應(yīng)，可能會(huì)對(duì)用戶、電網(wǎng)會(huì)對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端設(shè)備以及維修人員造成危害。主要有以下幾種情況：</p><p>　　1.當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或者中斷后，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)獨(dú)立供電給負(fù)載，將使得維修人員在進(jìn)行修復(fù)時(shí)，生命安全受到威脅。</p><p>　　2.當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或者中斷時(shí)，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)失去電網(wǎng)作為參考信號(hào)，造成系

71、統(tǒng)的輸出電流、電壓及頻率出現(xiàn)漂移而偏離電網(wǎng)頻率，產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況，且可能含有較大的電壓于電流諧波成分。若未及時(shí)將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)切離負(fù)載，可能使得某些對(duì)頻率敏感的負(fù)載損壞。</p><p>　　3.當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)瞬間，由于電壓相位不同，可能發(fā)生較大的沖擊電流，造成相關(guān)的設(shè)備損壞。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，可能會(huì)發(fā)生同步的問題。</p><p>　　4.若太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接為三相系統(tǒng)，當(dāng)孤島

72、現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，將形成缺相供電，影響用戶端的三相負(fù)載[10]。</p><p>　　有上可知孤島效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全和正常運(yùn)行。所以，必須尋求適當(dāng)?shù)慕鉀Q策略來應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)重的孤島效應(yīng)問題。</p><p><b>　　孤島效應(yīng)的檢測(cè)方法</b></p><p>　　現(xiàn)有的孤島效應(yīng)快速檢測(cè)系統(tǒng)就是檢測(cè)是否孤島運(yùn)行，如果出現(xiàn)孤島運(yùn)行，就讓光伏發(fā)電

73、系統(tǒng)立即停止供電。孤島效應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)一般分為兩類——被動(dòng)檢測(cè)法和主動(dòng)檢測(cè)法。被動(dòng)檢測(cè)法是利用檢測(cè)電網(wǎng)的某些狀態(tài)參量(電壓、頻率、相角等)作為電網(wǎng)是否發(fā)生故障的判斷依據(jù)。電網(wǎng)故障后，負(fù)載電壓及頻率均不能穩(wěn)定，從而可以判斷孤島效應(yīng)是否發(fā)生。但是在源負(fù)載功率基本接近時(shí)，斷電后負(fù)載的電壓和頻率變化很小，被動(dòng)檢測(cè)法就會(huì)失效。主動(dòng)檢測(cè)法是通過并網(wǎng)逆變器定時(shí)產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，然后觀察電網(wǎng)是否受到影響作為判斷電網(wǎng)是否發(fā)生故障的依據(jù)。當(dāng)發(fā)生孤島效應(yīng)的情況

74、時(shí)，主動(dòng)擾動(dòng)將造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。即使光伏電源的功率與局部電網(wǎng)負(fù)載的功率平衡時(shí)，也會(huì)通過擾動(dòng)破壞功率平衡，造成系統(tǒng)的電壓、頻率和相角有明顯變化，從而能夠檢測(cè)出孤島效應(yīng)。</p><p>　　基于DSP的并網(wǎng)逆變器硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　光伏并網(wǎng)逆變電器采用兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器，其結(jié)構(gòu)

75、如圖3.1所示。它包括直流升壓斬波電路變換、DC/AC工頻變換以及LCL濾波器等部分，其中Ugrid 表示電網(wǎng)側(cè)的電壓。</p><p>　　圖3.1光伏并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　光伏電池陣列的直流輸出電壓較低，雖然可以直接采用多級(jí)串聯(lián)獲得需要的逆變電路側(cè)的母線電壓，但是隨著電功率的輸出以及環(huán)境的變化，逆變器直流母線電壓將會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，從而使得電池電源側(cè)輸出功率也隨之波動(dòng)。所以

76、需要增加一個(gè)DC/DC升壓變換電路來升高直流母線電壓，采用閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定。</p><p>　　基于DSP的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　自20世紀(jì)60年代以來，數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP）日漸成為一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，并在多項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)了傳統(tǒng)模擬信號(hào)處理系統(tǒng)。與模擬信號(hào)處理系統(tǒng)相比，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及設(shè)備具

77、有靈活、精確、快速、坑干擾能力強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以目前大多設(shè)備采用數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用TI公司推出的TMS320F2812芯片。</p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理器是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫奶幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、綜合、估計(jì)與識(shí)別等加工處理，從而達(dá)到拾取信息和控制的目的。數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)現(xiàn)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理理論發(fā)展為基礎(chǔ)的，在其發(fā)展歷程中，有兩件事加速了DSP技術(shù)

78、的發(fā)展。其一是Cooley和Tuckey對(duì)離散傅立葉變換的有效算法的解密，另一個(gè)就是可編程數(shù)字信號(hào)處理器在20世紀(jì)60年代的引入。這種采用哈佛結(jié)構(gòu)的處理器能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成乘法累加運(yùn)算，與采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的處理器相比有了本質(zhì)的改進(jìn)，為復(fù)雜信號(hào)處理算法和控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了良好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)[11]。</p><p><b>　　DSP概述</b></p><p&

79、gt;<b>　　一、DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　TMS320F2812處理器有較高的運(yùn)算精度（32位）以及系統(tǒng)的處理能力（達(dá)到150MIPS）。這種芯片集成了128KB的Flash儲(chǔ)存器，4KB的引導(dǎo)ROM，數(shù)學(xué)運(yùn)算表以及2KB的OTPROM，因此能夠大大改善其應(yīng)用的靈活性。其功能結(jié)構(gòu)框如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)&

80、lt;/p><p>　　通過DSP的結(jié)構(gòu)可以歸納出DSP的以下特點(diǎn)：</p><p>　　1.采用了高性能的靜態(tài)COMS技術(shù)，主頻達(dá)150MHz（時(shí)鐘周期6.67ns）、功耗低、Flash編程電壓為3.3V。</p><p>　　2.支持JTAG邊界掃描接口。</p><p>　　3.高性能32位CPU，哈佛結(jié)構(gòu)、快速中斷響應(yīng)和處理能力、統(tǒng)一尋址

81、模式、高效的代碼轉(zhuǎn)換功能。</p><p>　　4.片上儲(chǔ)存器，最多達(dá)128K×16位的Flash存儲(chǔ)器。引導(dǎo)（BOOT）ROM,外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口。</p><p>　　5.時(shí)鐘和系統(tǒng)控制，支持動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)節(jié)的倍頻系數(shù)、片上振蕩器、看門狗。三個(gè)外部中斷，外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊（PIE）支持45個(gè)外設(shè)中斷、三個(gè)32位CPU定時(shí)器、128位保護(hù)密碼。</p><p&

82、gt;　　6.兩個(gè)事務(wù)管理器，每一個(gè)事務(wù)管理器包括：兩個(gè)16位的通用定時(shí)器；8通道16位的PWM；不對(duì)稱、對(duì)稱或者四個(gè)矢量PWM波形發(fā)生器；死區(qū)產(chǎn)生和配置單元；外部可屏蔽功率或驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷；三個(gè)完全比較單元；三個(gè)捕捉單元，捕捉外部事件；同步模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。</p><p>　　7.串口通信外設(shè)，串行外設(shè)接口（SPI）、兩個(gè)UART接口模塊（SCI）、增強(qiáng)的eCAN2.0B接口模塊、多通道緩沖串口（McBSP）。&l

83、t;/p><p>　　8.12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，2×8通道復(fù)用輸入接口、兩個(gè)采樣保持電路、單/連續(xù)通道轉(zhuǎn)換、流水線最快轉(zhuǎn)換周期為60ns,單通道最快轉(zhuǎn)換周期200ns、可以使用兩個(gè)事件管理器順序觸發(fā)8對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換。</p><p>　　9.高達(dá)56個(gè)可配置通用目的I/O引腳，先進(jìn)的仿真調(diào)試功能，低功耗模式和省點(diǎn)模式。</p><p><b>　　二、DS

84、P外圍設(shè)備</b></p><p>　　TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器集成了很多內(nèi)核可以訪問和控制的外部設(shè)備，內(nèi)核需要某種方式來讀/寫外設(shè)。因此，CPU將所有的外設(shè)都映射到了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。每個(gè)外設(shè)被分配一段相應(yīng)的地址空間，主要包括配置寄存器、輸入寄存器和狀態(tài)寄存器。DSP外設(shè)部分的連接如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 DSP外圍設(shè)備</p>

85、<p>　　DSP系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)硬件電路圖的設(shè)計(jì)選用了Protel DXP軟件。它是由Altium公司在2002年推出的，是目前最受歡迎的電子線路設(shè)計(jì)軟件，利用它可以方便地設(shè)計(jì)各種電路原理圖和PCB圖。同時(shí)，該軟件還附帶了豐富的元件集成庫，其中保存了每個(gè)元件的原理圖符號(hào)、分裝模型和其他模型等[12]。</p><p>　　一、時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路&

86、lt;/p><p>　　通過晶振電路的作用為DSP系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。為了節(jié)約成本，利用DSP芯片內(nèi)部的振蕩器電路，與無源晶體、起振電容一起連接成三點(diǎn)式振蕩器來產(chǎn)生穩(wěn)定時(shí)鐘。連接起振電容是為了保證正常的起振，對(duì)振蕩頻率的影響極小。無源晶振需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)相對(duì)于晶振而言其缺陷是信號(hào)質(zhì)量較差，通常需要精確匹配外圍電路，更換不同頻率的晶體時(shí)周邊配置電路需要相應(yīng)的調(diào)整。因?yàn)榫д竦念l率越高DSP運(yùn)行速度就

87、越快，越能夠滿足DSP處理能力的要求。其電路連接如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 DSP芯片和時(shí)鐘晶振</p><p>　　通過按鈕實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。當(dāng)按鈕S10按下時(shí)，將電容C26上的電荷通過按鈕串接的電阻釋放掉，使電容C26上的電壓降為0。當(dāng)按鈕松開時(shí)，由于電容上的電壓不能突變，所以通過電阻R22進(jìn)行充電，充電時(shí)間由R22和C26的乘積值決定，一般要求大于5個(gè)外部時(shí)鐘周期。這

88、樣就可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鈕復(fù)位。其電路原路如圖3.5所示。</p><p><b>　　圖3.5復(fù)位電路</b></p><p>　　二、JTAG接口電路和輔助電源</p><p>　　JTAG是JOINT TEST ACTION GROUP的簡(jiǎn)稱，是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線——TMS、TDI、TDO、TCK，分別是模式選擇、數(shù)

89、據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘。JTAG的工作原理：在器件內(nèi)部定義一個(gè)TAP（TEST ACCESS PORT，測(cè)試訪問口），通過專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試。JTAG接口用于連接DSP系統(tǒng)板和仿真器，實(shí)現(xiàn)仿真器DSP訪問，JTAG的接口必須和仿真器的接口一致，否則將無法連接上仿真器。EMUO和EMUI要上拉到DSP的電源，其連接如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 JTAG接口電路</

90、p><p>　　TMS320F2812采用了雙電源供電機(jī)制，以獲得更好的電源性能，其工作電壓為3.3V 和1.8V。其中，1.8V 主要為該器件的內(nèi)部邏輯提供電壓，包括 CPU和其他所有的外設(shè)邏輯。與3.3V供電相比，1.8V供電大大降低功耗。外部接口引腳仍然采用3.3V電壓，便于直接與外部低壓器件接口。為TPS767D318提供5V輸入，就可以得到輸出電壓分別為3.3V和1.8V，每路的最大輸出電流為750mA，并

91、且提供兩個(gè)寬度為200ms的低電平復(fù)位脈沖。其設(shè)計(jì)原理圖如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 輔助電源電路</p><p>　　三、2路串行通信SCI接口電路和A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　2路串行通信接口（SCI）是采用雙線通信的異步串行通信接口，即通常所說的UART口。為了減少串口通信時(shí)CPU的開銷，TMS320F2812的串口支持16級(jí)接受和發(fā)

92、送FIFO。SCI模塊采用標(biāo)準(zhǔn)非歸0數(shù)據(jù)格式，可以與CPU或其他通信數(shù)據(jù)格式兼容的異步外設(shè)進(jìn)行數(shù)字通信。當(dāng)不使用FIFO時(shí)，SCI接收器和發(fā)送器采用雙級(jí)緩沖傳送數(shù)據(jù)，SCI接收器有自己的獨(dú)立使能和中斷位，可以獨(dú)立操作，在全雙工模式下也可以同時(shí)操作。其接線如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 2路串行通信SCI接口</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換調(diào)理電路是用來把采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成T

93、MS320F2812芯片所能識(shí)別的工作數(shù)字信號(hào)。通常模擬信號(hào)的采集需要用到電壓互感器、電流互感器、壓力傳感器、霍爾元件等把大的信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，然后經(jīng)過調(diào)理電路才能送入DSP。A/D轉(zhuǎn)換調(diào)理電路與DSP的連接如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　四、電平轉(zhuǎn)換和緩沖電路</p><p>　　在新一代電子電路設(shè)計(jì)中，隨著低

94、電壓邏輯的引入，系統(tǒng)內(nèi)部常常出現(xiàn)輸入/輸出邏輯不協(xié)調(diào)的問題，從而提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。例如，當(dāng)1.8V的數(shù)字電路與工作在3.3V 的模擬電路進(jìn)行通信時(shí)，需要首先解決兩種電平的轉(zhuǎn)換問題，這時(shí)就需要電平轉(zhuǎn)換器。 由于TMS320F2812采用的是3.3V的供電，所以MAX202E與TMS320F2812芯片之間必須加電平轉(zhuǎn)換電路。電平轉(zhuǎn)換電路與DSP之間的連線如圖3.10所示。</p><p><b>　

95、　圖3.10電平轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　緩沖電路的作用是用來解決電路中信號(hào)可能受到大的干擾，產(chǎn)生大的脈沖波，用來消除干擾，減少對(duì)控制芯片內(nèi)部器件沖擊，其連接電路如圖3.11所示。</p><p><b>　　圖3.11緩沖電路</b></p><p><b>　　五、片外擴(kuò)展RAM</b></p

96、><p>　　由于本設(shè)計(jì)中的DSP采集的數(shù)據(jù)較多，對(duì)處理存儲(chǔ)容量有一定的要求，所以需要外接一塊RAM來擴(kuò)展容量。本設(shè)計(jì)選用CY7C1021（64K）的片外RAM，只需將它的A0-A15引腳直接和DSP的XA0-XA15數(shù)據(jù)線相連，IO0-IO15與DSP的XD0-XD15地址線相連。其余管腳的連接如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12片外擴(kuò)展RAM</p><p

97、>　　采樣和調(diào)理保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　一、直流側(cè)電壓采樣電路</p><p>　　直流側(cè)電壓的采樣，我們通過在直流輸入端串入一個(gè)電壓霍爾傳感器來檢測(cè)直流側(cè)的電壓，把采集到的光伏電池陣列輸出的直流電壓和升壓斬波電路輸出的直流電壓都送到TMS320F2812芯片中。其采樣檢測(cè)電路如圖3.13所示。</p><p>　　圖3.13直流側(cè)電壓采樣電路<

98、;/p><p>　　通過電壓霍爾采樣電路，R2為功率電阻，用來確定原邊電流和被測(cè)電壓之比。電壓霍爾傳感器輸出的電流信號(hào)，經(jīng)過測(cè)量電阻R1變成電壓信號(hào)，又經(jīng)過RC濾波電路后，有一個(gè)電壓跟隨器經(jīng)一個(gè)限流電阻連接到串聯(lián)兩個(gè)穩(wěn)壓肖特基二極管后送入到DSP的AD0引腳。</p><p>　　二、直流側(cè)電流采樣電路</p><p>　　對(duì)于直流側(cè)電流的采樣，我們通過在直流輸入端串入

99、一個(gè)電流傳感器來檢測(cè)直流側(cè)的電流，把采集到的光伏電池陣列輸出的直流電流和升壓斬波電路輸出的直流電流都送到TMS320F2812芯片中。其采樣檢測(cè)電路如圖3.14所示。</p><p>　　圖3.14直流側(cè)電流采樣電路</p><p>　　電流傳感器的實(shí)際和采樣輸出的比例為1000：1，R5取樣電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。通過R3和C2濾波后，經(jīng)過一個(gè)限流電阻R4送入到電壓跟隨器中。其中

100、的電壓跟隨器起到緩沖、隔離、帶負(fù)載能力提高的作用。在通過串聯(lián)的兩個(gè)肖特基二極管進(jìn)行穩(wěn)壓到0-3.3V，調(diào)理到適合DSP所適應(yīng)的信號(hào)送入到AD1引腳。</p><p>　　三、交流側(cè)電壓采樣電路</p><p>　　交流側(cè)的電壓通過霍爾電壓傳感器測(cè)得，本設(shè)計(jì)選用霍爾電壓傳感器型號(hào)為HNV025A。這種傳感器電源電壓是，絕緣電壓是3kV，輸入額定電流為，輸出額定電流為。取得電壓傳感器的電壓幅值

101、在[-5V，+5V]范圍內(nèi)。其電路調(diào)理電路如圖3.15所示。</p><p>　　圖3.15交流側(cè)電壓采樣電路</p><p>　　上圖中的輸入為霍爾電壓傳感器采集到的輸出信號(hào)，范圍為[-5V，+5V]。利用一個(gè)電壓跟隨器將霍爾電壓傳感器的輸出信號(hào)減半；因?yàn)镈SP只能接收正的信號(hào)，所以利用一個(gè)加法器[13]，將輸入的交流正負(fù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性的[0V，5V]的信號(hào)。然后再將信號(hào)減半，通過RC

102、濾波電路，經(jīng)過兩個(gè)串聯(lián)的肖特基二極管限幅送到DSP的AD4引腳。</p><p>　　四、交流側(cè)電流采樣電路</p><p>　　通過霍爾電流傳感器得到一定比例的弱電壓信號(hào)。其采樣調(diào)理電路如圖3.16所示。</p><p>　　圖3.16交流側(cè)電流采樣電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)所采用的霍爾電流傳感器型號(hào)為HNC100LA，交流絕緣電壓2

103、.5kV。其額定電流為100A/輸出額定電流為50mA，電源電壓為。將被測(cè)量信號(hào)穿過電流傳感器中間的孔即為原邊的輸入信號(hào)。輸出端的電流信號(hào)串接合適的電阻即可轉(zhuǎn)換為一定范圍的采樣電壓信號(hào)。經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理送入DSP的AD4引腳。</p><p>　　五、電網(wǎng)交流側(cè)過零比較電路</p><p>　　由于TMS320F2812芯片只能采集TTL信號(hào)，所以需要硬件電路輔助實(shí)現(xiàn)將電網(wǎng)正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換

104、為0-3.3V的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)和正弦波有相同的過零點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖3.17所示。</p><p>　　圖3.17電網(wǎng)交流側(cè)過零比較電路</p><p>　　將電網(wǎng)電壓通過霍爾電壓傳感器，送入到21倍的運(yùn)算放大電路中，然后驅(qū)動(dòng)三極管的開斷，產(chǎn)生方波信號(hào)，利用與非門產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)送入DSP的IOA8/cap引腳，正向脈沖信號(hào)被DSP的捕捉到產(chǎn)生一個(gè)中斷。因而能夠檢測(cè)到電壓的過零點(diǎn)，確定光伏并

105、網(wǎng)逆變器電流跟蹤電網(wǎng)電壓的同步。</p><p>　　六、電網(wǎng)電壓同步信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)</p><p>　　逆變器輸出的電壓只有與電網(wǎng)側(cè)的電壓幅值、相位、頻率一致時(shí)，才能并入交流電網(wǎng)之中。電網(wǎng)電壓同步信號(hào)采樣電路如圖3.18所示。</p><p>　　圖3.18電網(wǎng)電壓同步信號(hào)采樣電路</p><p>　　七、IGBT驅(qū)動(dòng)電路</p&g

106、t;<p>　　IR2110驅(qū)動(dòng)芯片是美國(guó)國(guó)際整流器公司(International Rectifier Company )利用自身獨(dú)有的高壓集成電路及無門鎖COMS技術(shù)，于1990年前后開發(fā)并投放市場(chǎng)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路，已在電源變換、馬達(dá)調(diào)速等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。該電路芯片體積小（DIP14）、集成度高（可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路），響應(yīng)速度快（）偏值電壓高（< 600 V ）驅(qū)動(dòng)能

107、力強(qiáng)，內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，而且其成本低，易于調(diào)試，并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源路數(shù)目較其他IC 驅(qū)動(dòng)大大減小。對(duì)于發(fā)射極4個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的全橋電路，采用2 片IR2110驅(qū)動(dòng)2個(gè)橋臂，僅需要一路10-20V電源，從而大大減小了控制變壓器的體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。其驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖3.19所示。 </p><p>　　圖3.19 IGBT驅(qū)動(dòng)電路<

108、;/p><p>　　主電路設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)選擇</p><p>　　本設(shè)計(jì)屬于單相雙級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3.20所示。</p><p>　　圖3.20單相雙級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　Boost電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇</p><p>　　圖3.21 Boost斬波電路</p&g

109、t;<p>　　一、Boost升壓電感參數(shù)的設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于一般的變換器來說，由于電感和電容寄生電阻的影響，隨負(fù)載電流增加，輸出電壓會(huì)下降，輸出電壓對(duì)占空比的敏感度下降，控制特性變差。為了輸出電壓的穩(wěn)定，控制電路盡量增大占空比，使電壓增益變大以便于維持輸出電壓的恒定。因此，設(shè)計(jì)中選擇濾波元件總是盡量選取小的寄生電阻元件，且實(shí)際應(yīng)用中，是占空比調(diào)節(jié)[14]。</p><

110、;p>　　為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠不間斷的往外輸出功率，前級(jí)的Boost升壓斬波電路應(yīng)該工作在電感足夠大電流連續(xù)的模式下。根據(jù)伏秒平衡的定理，電感電壓在開關(guān)管的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分為零。即如式3.1所示：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中：是太陽能電池陣列的輸出電壓，是直流母線DC-link的電壓，也即Boost電路的輸出