完整版基于DSP光伏并网逆变器的硬件电路设计毕业设计.docx

完整版基于DSP光伏并网逆变器的硬件电路设计毕业设计.docx

《完整版基于DSP光伏并网逆变器的硬件电路设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版基于DSP光伏并网逆变器的硬件电路设计毕业设计.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

完整版基于DSP光伏并网逆变器的硬件电路设计毕业设计

以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。

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：

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DCAC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

PVGrid-ConnectedInverterHardwareCircuitDesignBasedonDSP

Abstract

Inrecentyears,withthecontinuousconsumptionofnon-renewableenergy,theenergycrisismethods,ownsmanyfeatures,suchas,clean,non-polluting,neverfailureofsourceandsimplemaintenancemeasures,andthusdrawsmoreandmoreattention.Inthispaper,asforanimportantresearchfieldofsolarenergyapplications-photovoltaicsystems,especiallylow-powerphotovoltaicpowergenerationsystem,thetheworld,andexplainedthebasicprinciplesofDSPcontrolledphotovoltaicgridsystem.Thenobjectiveofthesingle-phasePVgridinverterwiththecoreofDCACconversiontechnologyinvertertestsontheMatlabsoftwareisproceeded.Finally,theprospectoffollow-upstudyprovidesareferenceforthefurtherproductionofcircuitboardsandtheirdebugging.

Keywords:

grid-connectedphotovoltaic;inverter;DSP;Matlabsimulation

摘要I

AbstractII

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

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

3.2.1DSP概述17

3.2.2DSP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

3.4.1Boost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

4.1Boost升压电路仿真测试35

4.1.1Matlab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

4.2.1Matlab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ADSP控制电路PCB板42

附录B3D模式的控制电路PCB板42

附录C主电路PCB板43

附录D3D模式的主电路PCB板43

附录E总体原理电路图43

附录FDSP控制电路原理图43

致谢44

第一章绪论

一.1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。

一.2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。

一.2.1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。

一.2.2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、Outbackpower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%。

一.3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ProtelDXP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

2

电池输出电压DC

60～140V

3

交流输出电压AC

220V50Hz

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

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。

二.1光伏并网逆变器的拓扑结构设计

二.1.1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ACDC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DCAC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DCDC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]。

二.1.2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。

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DCAC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、DCDC直流斩波、DCAC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。

二.1.3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。

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DCDC直流升压斩波变换器和后级DCAC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DCDC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DCAC逆变器，采用单相全桥逆变电路，将DC-Link直流电转换成220V50Hz正弦交流电，实现并网输送功率。

DC-Link的作用除了连接DCDC升压斩波变换器和DCAC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。

二.2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（），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。

二.2.1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]。

二.2.2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2.9（a）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2.9（b）所示。

（a）（b）

图2.9逆变器输出电流和电压的矢量关系

其中为光伏并网逆变器输出交流侧电压，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，电网侧电压和光伏并网逆变器输出电压之间存在相位差。

二.2.3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。

它将电网电流在线实时值和给定电流进行比较，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2.10SPWM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

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

以作为滞环比较器的环宽，当实际电网电流和给定电流的差值超过环宽时，就会产生PWM波信号。

若确定，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