并网逆变器Word文档下载推荐.docx
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Keywords：
DCmicro-networkGrid-connectedinverterGridControl
DSPcontrol
目录
1绪论1
1.1能源现状分析及发展新能源的意义1
1.2什么是直流微网3
1.3本课题的研究意义5
2并网逆变器的硬件电路设计6
2.1主电路的设计6
2.1.1主电路的拓扑结构6
2.1.2开关管的选择6
2.2驱动电路的设计9
2.2.1驱动电路的作用与器件的选择9
2.2.2驱动电路11
2.2.3参数计算12
2.3采样电路的设计12
2.3.1采样电路的作用和器件的选择12
2.3.2电压采样电路14
2.3.3电流采样电路17
2.4三相继电器电路的设计18
2.5基于DSP的控制系统设计19
2.5.1DSP的端口资源分配21
2.6开关电源23
2.6.1开关电源的概念23
2.6.2本设计中用到的开关电源24
2.7其他的一些硬件25
2.8本章总结26
3逆变器控制策略仿真27
3.1PSIM软件的介绍27
3.2控制策略27
3.2.1dq变换27
3.2.1控制策略的实现27
3.3仿真的原理图30
4逆变器的软件设计35
4.1DSP软件开发环境简介35
4.2SPWM产生原理36
4.3软件的整体设计37
4.4部分代码39
4.5实验结果41
4.6本章总结42
5总结与展望43
致谢44
参考文献44
1绪论
1.1能源现状分析及发展新能源的意义
近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。
对我国来说，由于人均能源资源短缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这个问题尤为严重，它将极大的制约我国的可持续发展。
近年来，我国GDP每年以10%的速度发展，能源消耗急剧增加，环境、生态日益恶化。
这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已不断地凸现出来，并还要继续加重。
新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，也指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。
发展新能源和可再生能源十分紧迫，也是世界各发达国家竞相研究的热点课题之一。
新能源与可再生能源不仅有利于解决和补充我国化石能源供应不足的问题，而且有利于我国改善能源结构，保障能源安全，保护环境，走可持续发展之路。
不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从为世界上200多亿无电人口和一些特殊用途解决现实的能源供应出发，发展新能源和可再生能源均具有重大战略意义。
（一）、新能源和可再生能源是人类社会未来能源的基石，是化石能源的替代能源。
在当今的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。
1997年世界一次能源消费总量为121.56亿，其消费构成为：
石油占39.9%，天然气占23.2%，煤炭占27%，核电占7.3%，水电2.6%。
随着经济的发展、人口的增加、社会生活的提高，预计未来世界能源消费量将以每年2.7%的速度增长，到2020年世界的能源消费总量将达到195亿吨标煤。
截至1996年末，世界石油、天然气和煤炭的可采储量为1.3万亿吨标煤，其中：
石油和天然气占1/5，煤炭约占4/5。
尽管今后还可能有新的储量被发现，但按目前的世界能源探明储量和消费量计，这些能源资源仅可供全世界大约消费172年。
根据目前国际上通行的能源预测，石油资源将在40年内枯竭，天然气资源将在60年内用光，煤炭资源也只能使用220年。
由以上分析可见，在人类开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期，仅是一个不太长的阶段，它们终将走向枯竭，而被新能源所取代。
人类必须未雨绸缪，及早寻求新的替代能源。
研究和实践表明，新能源和可再生能源，资源丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。
根据国际权威单位的预测，到21世纪60年代，即2060年，全球新能源和可再生能源的比例，将会发展到占世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石，世界能源舞台的主角，目前大量燃用的化石能源的替代能源。
（二）新能源和可再生能源清洁干净、污染物排放很少，是与人类赖以生存的地球生态环境相协调的清洁能源。
化石能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。
如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球生态环境，已经成为一个全球性的重大问题。
目前，世界各国都在纷纷采取提高能源效率和改善能源结构的措施，以解决这一与能源消费密切相关的重大环境问题。
即所谓的能源效率革命和清洁能源革命，也就是我们通常所说的节约能源和发展清洁干净的新能源和可再生能源。
全球气候变化是当前国际社会普遍关注的重大全球环境问题，它主要是发达国家在其工业化过程中燃烧大量化石燃料产生的
等温室气体的排放所造成的。
因此，限制和减少化石燃料燃烧产生的
等温室气体的排放，已成为国际社会减缓全球气候变化的重要组成部分。
而新能源和可再生能源污染物排放很少。
目前各种发电方式的碳排放率：
常规燃煤电为304，煤气化联合循环发电为270，燃气联合循环发电为118，带烧天然气备用机组的太阳能热发电为47，地热发电为2.5，光伏发电和风力发电则为0。
由上述分析可见，新能源和可再生能源是保护生态环境的清洁能源，采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施。
（三）新能源和可再生能源是世界不发达国家的20多亿无电人口和特殊用途解决供电问题的现实能源。
迄今，世界上不发达国家还有20多亿人口尚未用上电，其中我国约占6000多万人。
由于无电，这些人大多仍然过着贫困落后、日出而作、日落而息、远离现代文明的生活。
这些地方，缺乏常规能源资源，但自然能源资源丰富，人口稀少，并且用电负荷不大，因而发展新能源和可再生能源是解决其供电问题的重要途径。
另外，有些领域，如海上航标、高山气象站、地震测报台、森林火警监视站、光缆通信中继站、微波通信中继站、边防哨所、输油输气管道阴极保护站等在无常规电源等特殊条件下，其供电电源由新能源和可再生能源提供，不消耗燃料，无人值守，最为先进、安全、可靠和经济
。
1.2什么是直流微网
随着国民经济的发展，电力需求迅速增长，电力部门大多把投资集中在火电、水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上。
但是，随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高，运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。
尤其在近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故之后，电网的脆弱性充分暴露了出来。
分布式发电也称分散式发电或分布式供能，一般指将相对小型的发电装置（一般50MW以下）分散布置在用户（负荷）现场或用户附近的发电（供能）方式。
分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时，它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。
分布式电源尽管有点突出，但本身存在诸多问题，例如，分布式电源单机接入成本高、控制困难等。
另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。
IEEEP1547对分布式能源的入网标准做了规定：
当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。
这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。
为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，在本世纪初，学者们提出了直流微电网络的概念。
直流微电网络的系统如图所示,
图1-1直流微电网络
从它的系统观点看，是将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。
直流微电网络中的电源多为微电源，亦即含有电力电子界面的小型机组（小于100kW），包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。
它们接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点。
直流微电网络既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。
它还具有双重角色：
对于公用电力企业，直流微电网络可视为电力系统可控的“细胞”，例如，这个“细胞”可以被控制为一个简单的可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足传输系统的需要；
对于用户，直流微电网络可以作为一个可定制的电源，以满足用户多样化的需求，例如，增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支持当地电压，通过利用废热提高效率，提供电压下限的校正，或作为不可中断电源。
由于直流微电网络灵活的可调度性且可适时向大电网提供有力支撑，学者形象地称之为电力系统的“好市民”（goodcitizen）和“模范市民”（modelcitizen）。
此外，紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化电能质量的供电理念是直流微电网络的2个重要特征。
在接入的问题上，直流微电网络的入网标准只针对直流微电网络与大电网的公共连接点（PPC），而不针对各个具体的微电源。
直流微电网络不仅解决了分布式电源的大规模接入问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了其他多方面的效益。
1.3本课题的研究意义
通过上述分析，在当今能源日益紧张的大环境下，太阳能，风能等新能源作为一种巨大的可再生能源，不仅是近期急需的能源补充，也必将是未来能源结构的基础。
无论从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发和利用新能源都具有重大的战略意义。
2并网逆变器的硬件电路设计
直流微电网络产生的高压直流电由并网逆变器传输到电网上，并网逆变器是直流并网的核心器件。
本章讲述的是并网逆变器中硬件电路的设计，主要包括主电路的设计，驱动电路的设计，采样电路的设计等。
2.1主电路的设计
2.1.1主电路的拓扑结构
图2-1所示的是三相电压型桥式逆变器最常用的拓扑结构，此逆变器是桥式逆变器，采用三桥臂三线制
图2-1三相逆变器的原理图
图的左边是高压直流电，一般在600V左右，通过逆变单元后变成交流电后并到电网上。
2.1.2开关管的选择
20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合产生了新一代高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件。
全控型开关器件主要包括门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（POWERMOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。
其中，电压控制型MOSFET和IGBT开关速度较快，所需驱动功率小，随着它们的技术不断成熟，性能不断提升，集成化程度不断加大，不仅在中小功率系统中被广泛应用，而且在大功率场合也逐渐替代了电流控制型器件。
在三相全桥逆变器中本系统需要六个功率开关器件，器件的驱动、保护电路的设计和应用较为复杂。
如果每只开关管单独设计驱动隔离电路，无疑会增加系统的设计难度和设计周期，也使系统的不稳定性加大，另外，在确保了独立的功率管之间的安全距离的同时，必定会增加逆变部分所占的体积和重量，使得整个系统的重量和体积增加，成本也会随之增加。
IPM（智能功率模块）是一种先进的功率开关器件,兼有GTR（大功率晶体管）高电流、低饱和电压和高耐压的优点,以及MOSFET（场效应晶体管）高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。
而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路,使用起来方便,不仅减少了系统的体积，缩短了开发时间，也增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向,IPM在功率电子领域得到了越来越广泛的应用。
本设计中选用的主电路器件是IPM中的型号PM50CLA120模块，它的外部形状如下图所示。
图2-2IPM外形
图2-3IPM原理图
图2-3为六单元IPM原理图，模块中封装了6个IGBT，模块内部也集成了对各个IGBT的驱动及保护电路。
P、N为直流输入或输出,U、V、W为三相输入或者输出。
VUP1-VUPC,VVP1-VVPC,VWP1-VWPC,VN1-VNC是模块内部电源,典型值为15V,工作时应该在13.5V~16.5V之间。
UFO，VFO，WFO和FO分别为相应的故障输出引脚。
UP、WP、VP、UN、WN、VN分别为对应的IGBT控制引脚。
六单元IGBT拓扑结构需要注意的是，模块要求U，V，W三相的上桥臂驱动电源必须由3个相互隔离的独立电源供电，U，V，W三相的下桥臂公用1个驱动电源。
驱动电源均为+15V电源。
直流母线电压即P，N间的电压推荐不高于1000V。
在25℃时，功耗不大于39W，工作环境温度范围为-20~+100℃。
2.1.3器件的连接
PM50CLA120在本设计中接法如表2-1所示：
表2-1IPM控制引脚
IPM控制引脚
连接对象
VUPC
和开关电源1地相接
WP
接到光耦驱动引脚
UF0
故障信号1
VWP1
接到开关电源3正极
UP
VNC
和开关电源4地相接
VUP1
接到开关电源1正极
VN1
接到开关电源4正极
VVPC
和开关电源2地相接
NC
不接
VF0
故障信号2
UN
VP
VN
VVP1
接到开关电源2正极
WN
VWPC
和开关电源3地相接
F0
故障信号4
WF0
故障信号3
2.2驱动电路的设计
2.2.1驱动电路的作用与器件的选择
DSP的驱动能力有限，不能直接驱动各功率管，同时驱动电路要具有足够的开关速度以满足系统快速开关的要求，而且PWM必须经隔离进行功率放大后才能完成对功率管的开通与关断，本设计驱动电路用到的器件有TLP250，74HC245。
TLP250D是一款具有良好性能的光耦隔离器件，引脚如图2-4所示，
图2-4tlp250引脚
VCC是电源引脚，一般为15V，GND接电源地，V+,V-是输入端，NC不接，VO是输出端，7号和6号脚是接在一起的。
它的原理如图2-5所示：
图2-5TLP250原理图
74HC245为高速3态8路D锁存器，最大工作电压7V，输入/输出传送时间为几十纳秒，各路驱动电流高达20mA，常用来总线数据驱动、锁存。
引脚图如下所示，
图2-674HC245引脚图
74HC245作为缓冲器，它本身能够高速传送控制信号，并且74HC245有高阻态信号封锁能力。
表2-2为74HC245的真值表，从表中可知
端为输出使能端，低有效，而当其为高时，输出高阻态。
这个特性为我们硬件封锁控制信号提供方便。
当电路发生故障需封锁PWM信号时，考虑软件保护时间不够，一般采用硬件封锁PWM信号以实现电路的保护而该器件的
使能端可较好地实现个功能，正常工作时是该引脚为低，不影响其信号传输，当发生故障时，故障检测电路产生高电平给
，从而封锁控制信号。
表2-274HC245真值表
INPUT
INPUT/OUTPUT
DIR
An
Bn
L
A=B
Input
H
B=A
X
Z
注释：
H=高电平；
L=低电平；
X=任意；
Z=高组态。
2.2.2驱动电路
DSP的PWM口输出经74hc245后送后级光耦驱动电路,驱动电路的结构如下图所示：
图2-7驱动电路
PWM信号经TLP250后，接到IPM上，这样，PWM驱动能力提高了很多，同时也达到了隔离的作用。
在这里要注意的是8号和5号引脚间要接一个0.1u大小的电容，在输出引脚上可以接一个反向二极管，本设计中，由于有6个IGBT管，所以必须要有6组这样的驱动电路，整个如图2-8所示
图2-8六组驱动
2.2.3参数计算
输入端的电阻值计算公式
，
为DSP的PWM口输出电压，大概是3.3V，
典型电流是8mA，所以电阻大小为400Ω，输出的电阻，即和VO相接的电阻值为15V/0.5A=30Ω。
2.3采样电路的设计
2.3.1采样电路的作用和器件的选择
取样电路是用来对电路中相关电量的取样并转换成DSP允许的模拟信号送DSP进行转换，以便DSP进行处理。
这就要求取样电路应有足够好的线性度，同时也应使取样电压不超过DSP的允许范围（一般TMS320C2812的各端口最大输入为3.6V）。
系统中需采样的信号分为直流和交流（逆变输出电压、逆变输出电流和电网电压）两类。
为保证对输出功率的取样精度和便于主功率电路与控制电压的隔离，采用霍尔传感器检测，所用电压、电流霍尔型号分别为TBV系列和TBC-SY/SYW系列，为南京中霍传感科技有限公司产品。
主要参数说明见表2-3，
表2-3
TBV电压霍尔传感器
TBC-SY/SYW电流传感器
测量电压
10-500V
原边输入额定电流
15A
副边额定输出电流
25mA
副边额定输出电压
4V
使用霍尔传感器时应注意的是:
电压霍尔在输入电流为10mA额定值左右时测量精度较高，所以应根据实际情况选择限流电阻。
TBV电压霍尔传感器的引脚如图2-9所示：
图2-9TBV引脚图
1，2号引脚是所要测的电压输入端，4,5号引脚是正负15V电源输入端，3号引脚是输出端，输出的是额定电流，根据需要外接你所需要的测量电阻。
霍尔电压传感器用于测量直流、交流及脉冲电压，具有良好的线性度及精度、低漂移、响应时间短，频带宽，原边被测电流与副边输出电流（电压）电气隔离。
它的特点：
•测量频率:
0-20KHz
•响应时间:
20～200μs
•线性度:
0.1%
•无测量插入损耗
•测量AC、DC及脉冲电流
•原边电流与副边输出信号高度隔离。
TBV-SY电流霍尔传感器的引脚如图2-10所示：
图2-10TBC-SY引脚图
6,7号引脚是所要测的电流输入端，1,3号引脚是电源输入端，4号引脚是输出端。
霍尔电流传感器用于测量直流、交流及脉冲电流，具有良好的线性度及精度，低飘移，响应时间短，频带宽，原边被测电流与副边输出电流电气隔离。
0-100KHz
•精度:
0.2%-1%
＜1μs
2.3.2电压采样电路
本设计中总共需要采样电网侧电压、逆变输出侧电压、直流侧电压。
这些电路都用霍尔传感器和比例运放电路构成。
电网侧采样电路的构成如下图所示，
图2-11电网侧电压采样
电网侧电压先接到电压霍尔传感器上，输出的电压因为干扰影响大，必须要接一个滤波器，本设计中用的是二阶低通滤波器，它主要的作用将高频波滤去，其截至频率为
，其电容的计算为
这里
为100HZ，
计算出
得出
电网侧输入到霍尔器件的电流为10mA，所以输入电阻为
霍尔器件输出的电流为25mA，这里所选择的测量电阻R6为100Ω，所以输出的电压
经过滤波后电压为
输出的电压
经过同相求和后最大电压为6V，再经过一个电阻网路分压，将它转换为DSP能够接受的电压，其电路如下图所示。
图2-12采样电路电压变化图
同相求和的运算公式
其中
根据上述这些公式，可以设计出R3=20k，R1=16K，R5=10K，R9=10K，R11=10K，UO=6V。
电阻网络主要是分压作用，
这样就得到了所需要的3.3V，最后经过一个二极管保护装置，
升级会员 