一种新型独立光伏系统逆变器的设计毕业作品.docx
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一种新型独立光伏系统逆变器的设计毕业作品
毕-设
业-计
(二零届)
一种新型独立光伏系统逆变器的设计
所在学院
专业班级电子信息工程
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月
摘要
世界能源危机和环境污染使得开发利用可再生能源和各种绿色能源,以实现可持续发展成为人类必须采取的措施。
充分开发利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策,其中最受瞩目的是光伏发电。
本文以独立光伏系统逆变器为研究对象,首先分析了传统能源所面临的问题和光伏发电的优点,以及光伏发电的基本原理和系统组成、逆变电源技术和SPWM控制技术方法,采用了一种新型独立光伏系统逆变器的设计方法。
整个系统设计分为硬件和软件两方面,其中硬件分为直流升压环节和逆变环节。
在直流升压环节,本文选用UC3843电流型控制芯片,采用电压电流双反馈,增加了系统稳定性和动态响应速度。
在逆变环节,本文选用IPM集成功率模块,简化了驱动电路设计。
并且IPM自带短路保护、欠压保护功能,提高了系统抗干扰能力,控制芯片采用了性能优越的DSP2812。
该方案通过采用瞬时电压反馈,并采用PI控制算法,从而产生了高质量的电压输出波形,减小了输出电压中的谐波分量。
关键词:
光伏发电;逆变器;DSP2812;PI控制;SPWM
Anewstand-alonePVsysteminverterdesign
Abstract
Worldenergycrisisandenvironmentalpollutionmakethedevelopmentandutilizationofrenewableenergyandgreenenergy,toachievesustainabledevelopmentofmankindmustbetaken.Fulldevelopmentandutilizationofsolarenergyistheworld'senergystrategyofsustainabledevelopmentdecision-making,whichisthemostwatchedPV.
ThisinverterPVsystemisanindependentstudyobject,thefirstanalysisoftheproblemsfacedbytraditionalenergysourcesandtheadvantagesofphotovoltaicpowergenerationandphotovoltaicpowergenerationsystem,thebasicprincipleandthecompositionofinvertertechnologyandSPWMcontrolmethodisproposedanewstand-alonePVsysteminverterdesign.Thewholesystemisdividedintotwoaspectsofhardwareandsoftware,includinghardware,linkandinverterintodcboostlinks.DCstep-updualvoltageandcurrentfeedback,andincreasedsystemstabilityanddynamicresponsespeed,thecontrollerfortheUC3843current-modecontrolchip.Intheinverterpart,weuseIPMintegratedpowermodules,simplifyingthedrivecircuitdesign.BecauseIPMownundervoltageprotection,shortcircuitprotection,increasedanti-jammingcapabilityofthesystem,ControlchipadoptedthesuperiorperformanceofDSP2812.
Theschemebyusinginstantaneousvoltagefeedback,andPIcontrolalgorithm,thusproducedhighqualityvoltageoutputwaveform,reducedtheharmonicwaveofoutputvoltage.
Keywords:
Photovoltaicpowergeneration;inverter;DSP2812;PIcontrol;SPWM
1绪论
1.1课题的来源
在当今能源短缺的现状下,各国都加快了光伏发电发展的步伐。
美国提出的“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本,使其2015年达到商业化竞争的水平;日本也提出了在2020年将达到28GW(百万千瓦)的光伏发电总量;欧洲光伏协会也提出了“setfor2020”规划,规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争。
在发展低碳经济的大背景下,各国政府都对光伏发电的认可度逐渐提高。
2010年全球新装置的太阳能发电容量7.2GW,其中欧盟就占了5.8GW。
其中德国由于第4季需求大增,全年新增的太阳能发电容量就有3.8GW,约占全球的1/2。
中国也不甘落后,2009年相继提出了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》、金太阳示范工程等鼓励光伏发电产业发展的政策,2020年的光伏发电目标从原先的1.6GW提高到现在的20GW。
2009年中国光伏安装总量是40MW,累计安装总量只有140MW,而2010年全年安装量就有160MW,是上一年的4倍,比以往累计安装总量还要多,足见中国光伏呈现出了飞速发展的趋势[1]。
1.2课题的意义
21世纪,人类面临着经济和社会可持续发展的双重挑战,在有限资源和环保要求的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题,这就要求我们所寻求的替代能源必须是可再生的清洁能源。
开发利用新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一,充分开发利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策,其中最受瞩目的是光伏发电。
地球表面每年接受太阳辐射能量高达5.4*1024J,若能将其中的十万分之一转化为电能,就可以满足目前全世界的能耗需求,因此太阳能发电对缓解日益严重的环境和能源危机具有特别重要的意义[2]。
另外世界上不发达国家还有20亿人口至今没有用上电,其中我国大约占6000万人。
因为没电让他们仍然过着贫困落后、远离现代文明的生活。
还有在一些特殊领域,如高山气象站、海上航标、边防哨所等也渴望一种可再生能源为其提供电源。
最近几十年,太阳能的利用得到了迅速发展。
并且由于屋顶光伏系统不需要单独占地,直接将太阳能电池安装在屋顶上,而且它的经济性和灵活性都大大超过了大型光伏并网发电站,有利于大面积的普及利用[3]。
1.3光伏发电系统技术国内外研究现状
1.3.1光伏发电系统技术国外的研究现状
“光伏屋顶计划”是太阳能发电与建筑结合的早期形式,由德国率先提出,并推行10万所“光伏屋顶计划”,计划在每个屋顶装3~5kW太阳能电池阵列设施,总容量达300~500MW。
随后世界各国纷纷开始效仿德国,实施自己的“光伏屋顶计划”。
美国的“百万光伏屋顶计划”实施目标是到2010年要在全国的居民住宅、学校、政府机关和商业建筑屋顶上安装太阳能发电装置约100万套,总发电容量为3025MW,以此降低石油和煤炭的消耗,减少CO2的排放。
西班牙是欧洲光伏屋顶的第二大市场,西班牙政府计划在未来若干年打造一个“太阳城”,来满足60万居民的能源需求。
严重缺乏能源资源的日本,早在20世纪70年代世界石油危机时,就把开发、利用太阳能定为国策,开始投入大量资金开发利用太阳能。
并于1997年时达到了1万套。
紧接着又开始了“普及住宅光伏系统计划”,到1999年底已在3万户住宅屋顶安装了120MW太阳电池组件。
现在日本光伏组件产量已经超过美国,位居世界第一,并计划在2010年安装5000MW屋顶光伏发电系统,其总规模将会远远超过美国的“百万屋顶计划”[4]。
1.3.2光伏发电系统技术国内的研究现状
光伏屋顶计划在我国很多地区开始实施,技术也日趋成熟,如甘肃省9.2万㎡的太阳能小区,兰州市投资4.28亿元的“阳光计划”,西藏投资900万元的27万平方米的太阳能房工程等。
国家计划到2015年累计建成5000万㎡的太阳能房[5]。
我国的江苏省、广东省和上海市也已经制订了规划,开始实施“屋顶计划”示范项目。
例如上海市,在电荒和环境污染压力日益严峻的形势下,开始实施“10万屋顶计划”,将安装10万个屋顶太阳能发电装置,每个屋顶上利用30㎡,那么全市共计300万㎡,约占上海全市屋顶的面积1.5%。
目前太阳能光伏并网也开始在多个城市逐步推广利用。
例如北京国家体育馆采用太阳能光伏发电设备,额定功率为100kW,每年能提供9.7万千瓦电量,其设计寿命为25年,所发电量已经并入北京电网。
这也是我国第一个用于体育场馆的太阳能发电项目。
2010年广州亚运会以及2010年上海世博会都成为了太阳能利用的理想场所,若干个MW级的光伏发电系统也将在3~5年内实现。
根据《可再生能源中长期发展规划》,到2020年,我国力争使太阳能发电装机容量达到20GW,到2050年将达到600GW[6]。
1.4本课题研究的主要内容
本课题将通过对太阳能屋顶独立光伏发电系统的分析,首先从能源形势和光伏发电应用现状及发展趋势入手,介绍了光伏发电的基本原理和系统组成、逆变电源技术和SPWM控制技术方法,重点研究了逆变电源中采样环节和逆变环节的主电路,以及控制器的软件算法设计的实现。
其具体内容如下:
(1)本文以独立光伏系统逆变器为研究对象,分析了传统能源所面临的问题和光伏发电的优点,概述了光伏系统逆变器的应用现状和发展趋势。
(2)在介绍光伏系统逆变器基本原理的基础上,分析了独立光伏系统逆变器整体架构,拓扑结构和控制方案,对电路工作原理也做了较为详细的论述。
(3)采用性能优越的DSP2812控制芯片,对其外围设计了相应的直流升压环节、采样环节、逆变环节的控制和保护电路。
(4)软件设计主要是PI控制策略的实现,其中包括采样输出电压、与参考值作比较、误差的PI调节,与三角波交截,SPWM脉冲的产生等几部分。
2独立光伏发电系统的方案设计
2.1独立光伏发电系统的组成
独立光伏发电系统的典型结构框图如2-1图所示,主要由太阳能电池方阵,蓄电池组,控制器和逆变器四部分构成。
图2-1独立运行光伏发电系统
(1)太阳能电池方阵
光伏电池是构成阳能光伏发电系统的最基本单位。
但是单个光伏电池发出的电能很小,工作电压约为0.45~0.5V,工作电流约为20~25mA/c㎡,而且是直流电,通常情况下很难满足实际应用的需要。
为了满足负载要求的输出功率,一般都将电池组串并成太阳能电池组件。
(2)蓄电池组
太阳能发电系统由于只能在日间有阳光的时候才能发电,而人们多数情况在夜间大量用电,所以需要将太阳能电池方阵发出的电能存储起来并能随时向负载提供电能。
光伏系统逆变器对蓄电池组需要:
1、充电效率高;2、自放电率低;3、深放电能力强;4、使用寿命长;5、工作温度范围宽;6、价格低廉;7、少维护或免维护。
若配套200Ah以上的铅酸蓄电池,一般选择固定式或工业密封免维护铅酸电池。
(3)控制器
作为发电系统的核心部件,主要实现整套系统的充、放电管理。
太阳能光伏阵列发出的直流电能,通过控制器进行充电,当蓄电池没有充满时,控制器就最大限度对蓄电池进行充电,当蓄电池已充满时,控制器使太阳能充电处于浮充状态。
而当蓄电池放电接近过放点电压时,控制器便发出蓄电池电量不足报警提醒,
并断开蓄电池的放电回路,保护蓄电池。
随着光伏产业的迅速发展,控制器的功能也越来越强大,有将传统的逆变器、控制器以及监测系统集成的趋势,如AES公司的SMD和SPP系列的控制器就集成了上述三种功能。
(4)逆变器
对逆变器的基本要求:
输出一个电压、频率稳定的交流电,无论是输入电压发生波动或者负载发生变换,都要求能达到一定的电压精度;具有一定的过载能力,通常能过载125%~150%;输出电压波形含的谐波成分应尽量少;具有短路、过热、过载、过电压、欠电压等保护功能和报警功能,且具有快速的动态响应[7]。
2.2光伏系统逆变器的设计
2.2.1光伏发电系统中逆变器拓扑结构选择
逆变桥常用拓扑结构主要包括如下几类:
(1)单相半桥逆变器
这种逆变器所用的功率管数目少,主电路结构简单,广泛应用于单相和三相逆变器中,但是也存在如下缺点:
·输出谐波含量大;
·直流电压利用率低;
·须设置死区时间,否则输出电压波形会发生严重畸变;
·续流二极管为功率开关管的体二极管,性能较差,很难得到优化设计。
(2)全桥逆变器
全桥式逆变器需要用四个功率开关管,其特点包括:
·功率开关管的电压应力为Ud,适用于高压输入场合;
·输出为两态+1,-1或者三态+1,0,-1,可分别实现双极性和单极性调制;
·须设置死区时间,否则输出电压波形会发生严重畸变。
半桥电路结构简单,但它需要外接正负直流母线电压,其幅值超过输出电压最大值的两倍,器件电压应力大,直流电压利用率较低;桥臂只能输出+1和-1两态电平,工作于双极性调制方式,桥臂输出波形谐波含量大,需要较高的开关频率和大的滤波器。
全桥电路结构相对复杂,但控制灵活,且输出电压是半桥电路的两倍,开关管所承受的电压、电流应力均相对较低,且控制方式灵活,尽管所用的功率管的数量较多,但容易进行多种组合实现软开关技术,因而在各种场合尤其较高功率输出的情况得到十分广泛的应用。
此外全桥逆变电路由于桥臂输出电压存在零电压的续流状态,可实现倍频,在较低的开关频率下,可以获得更好的谐波控制[8]。
2.2.2逆变系统主控制器选择
逆变器要实现输出纯正弦波,控制方案一般分为模拟控制和数字控制,其具体实现方案有如下:
(1)模拟控制。
控制脉冲的生成和控制算法的实现全部由模拟器件完成。
其特点是技术非常成熟,但同时也存在很多固有的缺点:
如控制电路的元器件较多,电路复杂,所占体积较大;灵活性不够,并且当硬件电路设计好后,其控制策略也就没法改变;调试麻烦,由于所采用器件特性存在差异,电源一致性差,且由于模拟器件工作点的漂移,将导致系统参数的漂移。
因此逆变器的发展的趋势是数字化控制。
(2)由单片机实现数字控制。
为了改善系统的控制性能,采用模拟、数字(A/D)转换器,将微处理器与系统相连,通过MCU实现数字控制算法,然后通过输入、输出发出开关控制信号。
MCU还能将采集数据,显示或传输到计算机保存。
一些控制中所用到的参考值由此可存储在MCU的存储器中,对系统可以进行实时监控。
MCU的使用在一定程度上提高了电路系统的性能,但由于MCU运算速度的限制,在很多情况下,这种MCU辅助的电路控制系统仍需要用到运算放大器等模拟控制元件。
(3)由DSP实现数字控制。
随着数字信号处理器(digitalsignalprocessor,DSP)技术的发展,逆变器的全数字控制已成为现实[9]。
DSP可以实时地读取逆变器的输出,并实时地计算出PWM输出值,使得一些先进的控制策略应用于逆变器控制成为可能,从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补偿,使输出谐波达到可以接受的水平。
随着逆变器的要求不断提高,传统的模拟控制已逐渐不能满足要求,同时随着各种高性能微处理器的出现,为了能够实现复杂的控制策略,提高系统抗干扰能力及可靠性,使产品具有优良的一致性,方便产品后续升级,该逆变器采用了全数字的DSP控制方式。
2.2.3逆变器控制策略的选择
PID控制以参数简单、易整定等特点得到广泛的工程应用。
基于成本和性能两方面综合考虑,本课题采用了PID控制策略进行逆变系统的控制[10]。
逆变器采用PID控制时,如果只是采样输出电压瞬时值反馈,其动态性能和带非线性负载时的性能均无法令人满意;如果将流经输出滤波电感或输出滤波电容的电流瞬时值引入反馈中,其性能将得到较大的改进。
数字PI控制策略框图如图2-2所示。
外环采用输出电压瞬时值Uof直接反馈,与数字控制器程序内的正弦表参考电压Uref比较,电压调节器采用比例积分(PI)调节,内环采用输出电感电流If的反馈信号与电压调节器的输出Ig进行比较,采用比例(P)调节。
通过该双闭环控制策略产生的SPWM信号驱动逆变器的全桥电路,经输出滤波器得到正弦交流电输出。
UrefIgUABUO
++
-Uof-If
ILf
图2-2数字PI系统控制策略框图
2.3SPWM控制技术及其原理
2.3.1SPWM控制的基本原理
如图2-3(a)所示,我们把一个正弦半波电压分成N个等分,并将正弦曲线的每一等份所包围面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来替代,并且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点相重合,得到如图2-3(b)所示的脉冲序列,即SPWM波。
正弦波的另外半波由用相同的办法来获得。
由于该PWM波形的脉冲宽度按正弦规律变化,所以称它为SPWM波。
图2-3SPWM波形
SPWM控制就是对逆变电路开关器件进行通断控制,使其输出端产生一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,通过这些脉冲来替代正弦波。
理论上当给出正弦半波幅值、频率和半个周期内的脉冲数后,可以准确计算脉冲波形的宽度和间隔。
然后按计算的结果来控制开关器件的通断,得到所需要的波形。
然而在实际应用中,人们却常用等腰三角波与正弦波相交的办法确定各矩形脉冲的宽度。
等腰三角波上下宽度与高度成线性关系,并且左右对称,当它与任何一个光滑曲线相交时,便会得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲,这种方法为调制方法[11]。
希望输出的信号为调制信号,把接受调制的三角波叫做载波。
当调制信号是正弦波时,得到的就是SPWM波形。
当调制信号不是正弦波时,也可以得到与调制信号等效的PWM波形。
2.3.2单极性和双极性SPWM控制方式
图2-4双极性SPWM生成机制图2-5单极性SPWM生成机制
(1)双极性调制方式
双极性调制时,逆变全桥电路的对角功率管(S1/S4,S2/S3)同时开通和关断,两组互补导通,所有功率管均为高频开关。
如图2-4所示,每发生一次开关,逆变桥的输出电压UAB为正输入电压或负输入电压,从而在输出电压的半个周期内,UAB在+Ud和-Ud电平之间切换,即+1/-1(或-1/+1)切换方式,整个输出电压周期内得到两态的输出电压波形。
(2)单极性调制方式
传统的单极性调制方式原理如图2-5所示,逆变桥的两个桥臂分别通过三角载波c与正负正弦调制信号(m、-m)相交截分开调制,当对角功率管开通时(S1/S4或S2/S3),逆变桥输出UAB为+Ud或-Ud;当桥臂上部两只功率管(S1、S2)或下部两只功率管开通时,逆变桥的输出UAB为零。
因此每发生一次开关,输出电压就会在UAB在0与+Ud或0与-Ud之间变化,整个输出电压周期内所得到的便是三态的输出电压波形。
在双极性控制方式中,由于三角载波是正负两个方向变化的,得到的SPWM波形也是在正负两个方向变化。
在一个周期内,SPWM输出只有正负Ud两种电平。
逆变电路同一相上下两臂的驱动信号是互补的。
在实际应用时,为了防止上下两个桥臂同时导通造成短路,在给一个臂施加关断信号后,需要延迟△t时间,然后再给另一个臂施加导通信号。
而延迟时间的长短取决于功率开关器件的关断时间。
需要强调的是,这个延迟时间若处理不好,将会给输出的SPWM波形带来不利的影响,使其严重偏离正弦波[12]。
3基于DSP2812的光伏逆变器硬件电路设计
3.1光伏逆变器控制系统
针对逆变器的要求,本项目设计组成见图3-1所示。
逆变器部分包括DSP主控制单元、逆变器主电路、信号采样调理电路、低通滤波器、驱动保护电路等。
逆变器部分的主要功能为:
在功率电路方面,前一级直流电压输入经过桥式逆变器成为高频矩形脉冲形式的交流电压,再经过后一级的低通滤波器,成为光滑的50Hz正弦交流电输出。
在控制电路方面,采样电路采样输出电流、电压信号,通过调理电路,将采样信号调理到数字控制部分的电平幅值范围内。
如果系统出现过载或过流的情况,则产生保护信号,关闭四路开关管的驱动输出。
数字控制部分主要负责运算处理,运用合适的算法实现闭环控制策略,产生相应的控制信号通过驱动电路,控制全桥电路的开关管,从而实现整个逆变器的闭环控制,使输出满足系统设计的性能要求。
逆变器部分
图3-1系统总结构图
3.2TMS320F2812的介绍
为了克服数字控制方式存在的缺点,在数字控制处理器的选择时要充分考虑处理器运算处理能力、处理器字长、A/D采样精度以及采样速度、通信接口等诸多因素。
综合以上各方面因素后,该逆变器数字控制的主控制器选用了TI公司的数字信号处理器TMS320F2812[13]。
TMS320F2812是TI公司推出的32位定点数字信号处理器,处理速度可达150MIPS。
该处理器还集成了128KB的Flash存储器和128位的密码保护机制,大大提高了应用的灵活性。
片上还集成了两个强大的事件管理器(EV)模块,用于产生逆变器控制所需要的PWM信号,并内含死区发生器和保护逻辑;同时处理器片上还集成了16通道高性能12位ADC单元,最高采样率达12.5MPSP,并提供两个采样保持电路,能实现双通道信号同步采样。
同时还具有丰富的通信接口,完全符合逆变器数字控制的各方面要求。
TMS320F2812主要有以下特点:
·采用高性能的静态CMOS技术,低功耗设计,Flash编程电压为3.3V;
·高达56个可配置I/O引脚;
·支持JTAG边界扫描接口;
·12位2*8通道ADC模块,最快转换周期60ns;
·两个强大的事件管理器(EVA、EVB);
·高性能的32位CPU,16*16位和32*32位的乘法累加操作;16*16位的双乘法累加佛总线结构,统一寻址模式和高效的代码转换功能(支持C/C++和汇编);
·128K*16位的Flash存储器和最多达13K*16位的片上SRAM;
·三个外部中断口,外设中断扩展模块支持45个外设中断,三个CPU定时器;
·128位保护密码,可以防止系统固件被盗取;
·丰富的串行外围设备,包括SPI,SCI,eCAN,McBSP等。
3.3直流升压电路
UC3843 是高性能固定频率电流模式控制器,它是专为直流至直流变换器的应用而设计。
该集成电路由于具有可微调的振荡器、可以进行温度补偿的参考、精确的占空比控制、高增益误差放大器。
其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定,逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。
其升压电路图如3-2所示。
图3-2直流升压电路
3.3A/D采样调理电路
为了实现闭环控制,必须对系统各部分运行参数进行全面检测,对各种信号进行及时采样。
光伏发电系统逆变器的运行信号包括逆变器输出电压有效值、输出电感电流、输出电压频率以及直流母线输入电压等[14]。
采样、调理电路必须对这些信号进行有效的预处理,使其满足数字控制部分的输入幅值要求,数字控制部分才能根据相应的反馈信号,采用合适的算法实现有效的闭环
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