基于DSP的单向光伏离网逆变器的设计.docx
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基于DSP的单向光伏离网逆变器的设计
本科毕业论文（设计、创作）
题目：
基于DSP的单向光伏离网逆变器的设计
学生姓名：
学号：
103402035
所在系院：
专业：
电子信息工程
入学时间：
2010年9月
导师姓名：
职称/学位：
副教授/硕士
导师所在单位：
完成时间：
2014年5月
安徽三联学院教务处制
基于DSP的单向光伏离网逆变器的设计
摘要：
随着石油化工资源的枯竭、生态环境的日趋恶化和人类可持续发展的需要，一种低碳环保的绿色能源太阳能引起了众多人群的关注，并且成为现代能源领域发展预期最好的新能源。
以TMS320F2812DSP为核心控制芯片，Infineon公司型号为IGP50N6OT的IGBT（50A,60OV）作为开关器件,以IR公司的IR2llO作为驱动芯片的离网光伏发电系统，可以更好地解决偏远地区供电中出现的种种问题。
设计分析了各种光伏发电系统在应用方面的优、缺点。
比较了光伏发电逆变器三种重要的拓扑结构，给出了系统总体框图及分电路原理,并实现了仿真测验。
关键词：
光伏发电；离网逆变器；DSP
ResearchonSingle-phaseOff-gridInverterofPhotovoltaicPowerbasedonDSP
Abstract:
Withtheexhaustedoftraditionalenergysources,theworseningoftheecologicalenvironmentandhumanrequirementsofsustainabledevelopment,solarenergyasanidealgreenenergyhascausedmoreandmoreattention,tobecometheworld'smostpromisingnewenergytechnology.TMS32OF2812DSP,ahigh–performancedigitalsignalprocessingchip,isusedtocontrollingthecoreinourreseareh.IGP50N60modelofinfienoncorporationisselectedasswitchingdevice.Thesingle-Phaseoff-gridPVinverterisresearched.canbettersolvetheproblemsintheremoteareapowersupply.Designofphotovoltaicpowergenerationsystemareanalyzedadvantagesanddisadvantagesintheapplication.Comparisonofthephotovoltaicinvertertopologystructureofthreeimportant,givesthesystemblockdiagramandcircuitprinciple,andrealizesthesimulationtest.
Keywords:
PV;Off-gridinverter;DSP
目录
第一章绪论1
1.1课题背景及意义1
1.2光伏发电国内外发展现状与基本的趋势2
1.3论文的基本概况2
第二章光伏发电系统及原理4
2.1光伏发电基本结构4
2.2太阳能电池光伏发电原理4
2.2.1太阳能电池等效电路4
2.2.2太阳能电池特性曲线5
2.2.3太阳能光伏发电系统基本器件6
2.2.5太阳能光伏阵列的一般结构6
2.3TMS32OF2812DSP光伏发电单相离网逆变器系统结构图8
第三章离网型光伏发电系统逆变器主电路的设计9
3.1光伏发电逆变器的基本拓扑结构9
3.1.1推挽式逆变器9
3.1.2半桥式逆变器9
3.1.3全桥逆变器9
3.2器件的选择10
3.2.1功率开关器件10
3.2.2滤波电感的选型10
3.2.3滤波电容的选型10
第四章光伏发电逆变器控制电路的设计12
4.1基于TMS32oF2812DSP控制系统设计的优势12
4.2复位电路设计13
4.3时钟电路设计14
4.4JTAG电路15
第五章控制系统软件设计16
5.1PWM控制原理16
5.2TMS32OF2812DSP的PWM控制思想16
5.2.1TexasInstruments公司DSP系统集成开发的环境16
5.2.2高频逆变桥控制脉冲PWM的产生17
5.2.3系统主程序流程图18
第六章实验结果与分析20
6.1驱动波形图及分析20
6.2逆变器输出电压波形及分析21
致谢23
参考文献错误！
未定义书签。
第一章绪论
1.1课题背景及意义
能源与环境，尤其是人类制造的温室气体导致全球气候变暖问题已经成为全世界几乎是每个人都在讨论的问题。
不用说，能源是人类进步和发展中非常重要组成部分，人均能源消费量是一个国家繁荣的晴雨表。
传统的化石能源资源的浪费，一方面随着科技的发展和能源的消耗，造成了环境的严重污染，另一方面制约了世界经济的可持续发展。
这其中化石能源的消耗直接产生了大量的温室气体，这些气体大量排放。
据有关方面测算，全球每一年排放的CO2超过500亿吨，从而间接导致了全球气候变暖、海平面上升等一系列不良结果。
目前煤炭石油能源消费是我国主要的能源消费，SO2的排放量占全世界的17.1%，为世界第一；CO2排放量占世界的15.6%，居美国之后，目前成为全球第二大温室气体排放的国家。
一方面科学技术在飞快地进步，与此同时整个世界需要更加多的能够供社会发展的动力，这也成为了影响我国国际地位和综合国力的一个非常重要的因素。
据不完全统计世界石油消费量每年最少增长2%，如果就此计算，最少隔35年，能源的消费量将增加最少100%。
而我国2013年的能源消费量达到52.2亿，同比增长达12.7%。
到2050年，全球人口将达到90亿-100亿，假使在那时矿物和能源消费总量达到目前发达国家的人均水平，由此可知在40年内，全球所有的煤炭、石油、天然气和铀能源资源将逐渐枯竭[1]。
近年来，光伏发电领域通过大量的实验及研究得到飞越式发展，使得它渐渐成为一种可行性很强的能源，可以用来补充其它能源。
光伏发电系统已成为一种混合能源系统。
光伏发电技术迅猛增长，直接提高了太阳能电池效率、改进了制造太阳能面板技术。
综上所述，可以看出，如果想要应对缺少动力，可用资源的浪费，周边逐渐受到伤害的大地和空气，还要广大人民群众、特别是那些山区的对电力的需要能够得到落实，我们就要大力推进太阳能发电。
由上可知，太阳能发电是势在必行的，是具有很好的实践功用和价值的。
它的研究对于解决国内很多社会问题也具有很好的作用。
更重要的一点是太阳能是一种环保的新型可重复利用的能源。
1.2光伏发电国内外发展现状与基本的趋势
在电逆变器方面，可进行分类。
一种是离网逆变器，而另一种是并网逆变器。
研究这方面的位于世界先进国家的就只有位于美洲的美国和位于东亚的日本。
除了来自美国的一些大型电子企业，还有就是日本和北欧一些国家的企业生产逆变器所需要的主要核心芯片[2]。
这种芯片是生产逆变器所必需的核心模块。
有些南亚的发展中国家在生产逆变器方面也快赶超欧美了，他们都在加快步伐。
现在的这种状态下，中国与世界的很多国家都有相当大的差距，这主要体现在一些比较大的功率的整合网络逆变器的研究上。
就现在来说,能够取得国际认可的，取得技术上突飞猛进的厂家并不多见，而且在实践上有过丰富经验的更加少之又少，屈指可数的就只有合肥的某家公司[3]。
表1-1国内主要生产逆变器厂家
企业名称概况
生产品种
所占市场份额
合肥阳光电源有限责任公司公司
离网和并网型光伏发电逆变器
风力发电逆变器
70%
北京的索英
回馈式电源逆变器
7.1%
北京科若伟
系统集成逆变器
7.12%
志诚冠军
USP逆变器
6.03%
北京日佳
小功率逆变器
3.38%
南京冠亚
控制逆变器
3.12%
中国深圳索瑞德
UPS逆变器
2.01%
从上面的表1-1中可以看出只有阳光电源才是能真正一家具有资质、有能力从事光伏这一产业的研究与生产的企业，其他的企业仍然需要实践的检验和自身的努力。
越来越多的企业和事业单位愿意加大力度投入到光伏的研究与发展上，一方面在于这是时代的需要，同时也很大程度上是因为中国政府政策的支持不断加强。
1.3论文的基本概况
Ⅰ、基本上读者了解如今社会能源的基本情况，阐述了欧美发达国家与中国对太阳能的研究现状。
Ⅱ、分层次介绍了美日以及我国关于逆变器的设计学习情况。
Ⅲ、详细描述了利用太阳能及与此相关方面的概念，让读者更加深刻了解到利用太阳能的可行性。
Ⅳ、关于离网逆变器的基本概念了解。
对它的一系列方式方法作了系统的相关论证。
第二章光伏发电系统及原理
2.1光伏发电基本结构
所谓的光伏发电系统无非就是用一种原理完整地解释了由太阳能产生的热能经过一系列转变而成为更方便大家使用的电。
但是太阳能所产生的热能经过一系列转变而成为电能以后是可供一家一户使用，还是可供整个城市或者某个系统使用呢？
前者我们所使用的逆变器称之为离网逆变器，也就是本论文主要的研究对象，而后者所使用的即是并网逆变器。
使用离网逆变器，顾名思义就是不和国家的电网或者统一的电站相连。
利用这种逆变器的系统，也就是某个单一的发电系统。
它是将白天的太阳能经过系统装换变成蓄电池的化学能，用电时，化学能再转为电能。
这种方法得到更多的应用，如表2-1所示[4]。
表2-1太阳能应用
领域
用途
实例
电能使用
照明等
偏远乡村用电
建筑
光电一体化
青岛火车站、奥运鸟巢
工业、移动通讯等
独立用电
偏远信号站的建设
发电系统
组成混合发电系统
风力发电和太阳能发电互补系统
图2-1光伏发电系统的基本构成
2.2太阳能电池光伏发电原理
2.2.1太阳能电池等效电路
串联和并联太阳能电池组成光伏发电电池阵列,太阳能电池可经集总参数等效为一个串联电阻RS、并联电阻Rb、一个PN结电容Cj、光生电流IL、暗电流Id其等效电路如图2-2所示:
图2-2太阳能电池等效电路
因二极管品质因子A,PN结并不都是很理想的,取其值为1-5,器件的快速反应可以忽略太阳能的缓慢变化,故忽略结电容Cj,以集总参数表示的太阳能电池I-V方程为[5]:
2.2.2太阳能电池特性曲线
对光伏发电系统进行分析的重要参考数据之一是太阳能电池阵列的伏安特性。
图定性地表明非线性特征非常明显,伏安面积在第一象限的有限区区域。
图2-3太阳能电池特性曲线
分析最大功率点（MPPT）的主要参考数据是太阳能电池阵列的I-V特性曲线。
从图2-7可以定性的看出,伏安面积最大值只存在一个Pmax,即最大功率点。
目前常用的MPPT法有:
1、功率匹配法:
根据太阳能电池的输出特性使太阳能电池的阻抗与负载的阻抗相匹配,而获得最大功率输出的方法。
2、曲线拟合法:
根据先期的太阳能电池输出特性建立一个数学模型,然后通过控制算法实现最大功率跟踪。
此法不适合在气候和环境条件变化快的地区。
3、扰动与观察相补:
法根据输出功率的变化采用迭代原理跟踪最大功率点的方法。
该法稳定性差,有可能造自激振荡。
4、导纳增量法此法很适合在微处理器上实现,能避免对工作点的误判。
是目前常用的方法。
2.2.3太阳能光伏发电系统基本器件
太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、太阳跟踪系统、太阳能控制器、逆变器、蓄电池组等部分组成。
各部分的作用为:
太阳能电池板:
太阳能电池板为光生伏特效应的平台,是光伏发电系统中光电转换的核心部分。
它主要将太阳能转换为电能,或输往蓄电池中储存,或直接驱动直流负载。
太阳能控制器:
主要用于控制光伏发电系统的工作状态。
包含对光伏阵列进行最大功率点跟进、对蓄电池过充电、过放电进行保护、对输出电压、电流波形进行反馈等。
采用光电隔离开关、延时开关及温控开关及传感器等系统实现物理接口的控制。
蓄电池:
主要是把太阳能电池板产生的电能及时储存,在需要时,释放所储存的电育旨。
逆变器:
逆变器为把直流电转换成交流电的电能转换系统。
经太阳能光伏阵列储存下来的电能一般为DCI2V或DC24V或DC48V。
须经DC/AC逆变器转换后,才能广泛应用于各行各业的生产领域的工作电源,但若要大规模地应用,须经并网后才能达到,所以现在为适应不同地域的生产需要,市场上流行的逆变器主要有离网型逆变器和并网型逆变器。
太阳能跟踪系统:
太阳能跟踪系统指按照安放点经纬信息和光照强度等实时跟踪太阳辐射到光伏阵列的最大能量,即实现最大功率点跟进作用。
太阳能跟踪系统是将安放点的参数存储存到PLC、单片机或DSP等芯片中,实时跟踪太阳位置。
2.2.5太阳能光伏阵列的一般结构
单体光伏电池是指单片单晶硅制造成的太阳能电池,是最基本的光伏阵列单元。
然而其容量很小,必须通过串、并联才能直接对外供电,把多个单体光伏电池根据用电负荷的大小组成一个整体,以铝合金材料的板材加以固定,并通过透明玻璃来吸收太阳辐射能量,引出正负极,就组成太阳能电池模块。
太阳能为低密度的平面能源,因此，它需要大量的太阳能电池模块矩阵来收集,目前太阳能光伏阵列有平板式、光伏建筑一体化等结构。
平板式结构是最基本的结构,其它结构是它的变体,它主要适用于荒漠、空阔地带的光伏发站。
其具体样式如图所示。
图2-4平板式结构
光电建筑一体化结构,它适用偏远无电农村分散用户、各式城市建筑,它的形式又多种多样,可以结合具体的建筑而进行设计,是今后发展光伏发电事业最具市场发展前景的太阳能光伏阵列结构,象奥运鸟巢的弯式光伏发电结构等。
图2-5弯式光伏发电结构
2.3TMS32OF2812DSP光伏发电单相离网逆变器系统结构图
图2-6单相离网逆变器系统结构图
如上图2-6,单相离网逆变器系统结构图明了直流电能经高频逆变桥逆变成为高频PWM脉冲,经过高频变压器升至所需幅值,再经周波变换器变成工频的SPWM,后经LC滤波后可获得标准市电正弦波形。
由DSP控制逆变桥和周波变换桥开通与关断,并通过保护电路实时防止过压和过流的发生,及时停止逆变,起到保护主功率电路的作用[6]。
第三章离网型光伏发电系统逆变器主电路的设计
3.1光伏发电逆变器的基本拓扑结构
光伏发电逆变器是将光伏阵列的直流电源转变成交流电源的控制器。
现阶段光伏发电逆变器根据常用拓扑结构分为推挽式逆变器、全桥式逆变器、半桥式逆变器。
现以上三种拓扑结构的逆变器现分析对比如下。
3.1.1推挽式逆变器
推挽式逆变器是指带有中心抽头的变压器,两只开关管Ql、QZ及两只二极管Dl、DZ组成,具有完全对称的拓扑结构。
变压器一次侧带中心轴头的两个绕组随各自连接的开关管导通而轮流工作,故称为推挽逆变器。
推挽逆变器变压器磁芯运行于磁化曲线的第一象限及第三限,完成磁化和去磁过程。
同属双极性逆变器[7]。
推挽逆变器开关管Q1、Q2导通时的通态压降可能不同或开通时间不一致,便会在高频变压器的初级绕组的高频交流电压上叠加一个数值较小的直流电压,这个小直流电压就会引起直流偏磁,致使器件损坏[8]。
为防止这种现象发生,须采出延长消偏磁时间,采用电流型PWM控制芯片,限制过流发生。
3.1.2半桥式逆变器
它是一个桥臂由一个特性相同、容量相等的电容器承担,正是由于本身电路结构上的缺点,同推挽式逆变器一样,也会产生直流偏磁现象,与此同时，因复位电压的存在,故必须限制其空比的大小,两只开关管还可能由于误触发可能同时导通,也就是形成直通而造成逆变崩溃,故应有抗电磁干扰抑制等措施,特别是驱动电路屏蔽及布局工艺[9]。
半桥式逆变器的电路中由电容器C1、C2组成变压器的一个桥臂,保证C1、C2。
两电容上并并连的电阻是均压泄放电阻,同时保证Rl=R2。
功率开关管Ql、Q2构成逆变桥的另一桥臂,通过隔直通交电容C3高频变压器T接到H桥臂的中点A、B,输出使用二次绕组中心抽头全波整流电路,Ll、C4构组成输出滤波电路[10]。
3.1.3全桥逆变器
全桥逆变器的电路由两个单端正激式变换器电路组合而成。
两组驱动PWM及脉冲是互相的,其是由H桥式一对桥臂功率开关管构成,所以称为全桥逆变器。
全桥逆变器和双管推挽及半桥逆变电路比较而言,功率开关器件所承受的电压应力较低,其获得双倍半桥逆变电路输出功率,比适用于大功率的逆变器应用状态。
3.2器件的选择
3.2.1功率开关器件
由于MOSFET具有较低的通态压降及较高的开关频率，在中小容量低压系统方面,多采用MOSFET用于开关器件,考虑到全桥电路中功率开关器件的耐压要求、开关频率,且具有正温度系数、热稳定性好等优点[11]。
然而,它具有以下2个明显缺点:
1、由于输出滤波电感的作用,会导致电流的续流时间增长,且较容易烧坏MOSFET。
高压大容量逆变器方面,MOSFET会根据电压的升高，通态电阻也因此增大,将会使整个电路的效率降低。
2、IGBT为MOSFET与GTR的复合部件,其有MOSFET的响应速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性强等特点,同时有GTR载流量大、阻断电压高、导通压降低等多项优势,故被广泛使用于各种逆变器系统中[12]。
按照直流输入电压呱=12V,500W逆变器低压侧电流有效值为40A,逆变桥及周波变换器选用Infineon公司型号为IGP50N60T（50A,600V,100kHz）的IGBT,器件本身已反并联了电力二极管。
3.2.2滤波电感的选型
滤波器设计是不仅仅会影响输出电压的动态和静态响应速度,更会影响逆变器的转换效率。
逆变器中滤波器有如下作用:
1、有效滤除经周波变换器后的高次谐波分量,确保负载端输出标准市电正弦波。
2、提高系统阻尼特性,因此利于控制系统更加稳定工作。
LC滤波器为二阶滤波器,滤波效果较好,独立运行的逆变器大部分使用LC滤波器。
空载时，电容能够提供适量的无功电流。
3．2.3滤波电容的选型
滤波电容的选出必须考滤以下几个因素:
1、负载的变化引起输出电压的变化。
2、换流时,由于高频变压器的漏感、引线电感、二极管结电容所引起“寄生”振荡,导致输出过电压。
3、控制电路设计不当或调试不当引起的过电压。
一般输出滤波电容的选取主要是根据可允许纹波电压变化的大小或纹波电流的变化大小。
纹波电压估算法是根据开关管开通和关断其间,滤波电容上充电、放电电荷的变化量为依据,来确定计算滤波电容器的容量;纹波电流估算法是根据特定的电容器的基本特性,依据其参数来确定滤波电容的容量。
本文采用按纹波电流估算法来计算输出滤波电容的容量,这种方法更切合实际。
具体参数如表3-1所示。
表格3-1500W样机逆变器相关参数
输入电压
12V
峰值输出电压
320V
输出电流
2.27A
开关频率
40kHz
高频变压器匝数比
1:
46
滤波电感
2mH
占空比
0.8
效率
95%
纹波电压变化
士5%
逆变器电路
全桥电路
第四章光伏发电逆变器控制电路的设计
4.1基于TMS32oF2812DSP控制系统设计的优势
在光伏独立式离网逆变器的控制电路中,控制算法为控制部分的核心,欲取得好的性能,开关频率必须工作在20kHz以上,文中采用TexasInstruments的数字信号处理器TMS320F2812DSP为主控芯片。
它具有如下特点[13]:
1、采用高性能静态CMOS技术,电源电压可低至3.3V,有效降低内部功耗,主频达到150MHz（时钟周期6.67ns）:
2、搭载128Kx16位FLASH程序存储器、128Kx16位ROM、IK汉16位OTPROM。
3、两片4KX16位单周期访问SARAM、M:
L。
LI。
4、一块SKx16位的单周期访问SARAM:
H0。
5、两块lx16位的单周期访问SARAM:
MO、Ml。
6、外部存储器扩展接口多达IMB寻址空间,可编程等待周期,可编程读写时序,三个独立片选信号。
7、事件管理器EVA和EVB。
二种事件管理器同时具有通用目的定时器、比较单元、捕获单元、正交编码电路以及八个16位脉宽调制通道[14];可实现H桥逆变器上、下臂互补导通,起到互锁功能,同时可编程的PW入1死区控制,能够消除上、下桥臂同时导通可产生对称与非对称的PWM;如果外部引脚PDPINTX发现低电平现象,所有PWM通道将及时关闭;12位的2x8通道刀D复用输入接口,二个采样保持电路,单通道及连续通道转换,流水线最快转换周期60ns,单通道最快转换周期2OOns,可利用两个事件管理器顺序触发八对模数转换[15]。
事件管理器模块适用于运动过程控制和逆变器控制。
8、高达56个可配置通用目的1/0引脚。
9、三种可选电源管理模式,通过编程将外设部件转换成低功耗模式。
10、外置中断扩展模块（PIE）支持96个中断,其中八个为一组,共用一个CPU中断,共有十二组中断（INTI到INT12）[16]。
基于上述优势,采用TMS32OF2812完成逆变器控制算法、数字PJD控制器及控制信号输出。
采用EVA和EVB二个事件管理器模块,其中EVA主要适用高频逆变桥控制信号的输出,EVB主要适用周波变换器控制信号输出,定时器下溢中断的情况下触发采样,在中断子程序中完成占空比、数字PI计算。
之后通过1/0口将PWM波形输出。
TMS32OF2812的最小系统组成和DSP控制电路组成框图分别如图4-1及图4-2所示
图4-1TMS32OF2812的最小系统组成
图4-2DSP控制电路组成
4.2复位电路设计
使用MAXIM公司MAX811芯片组成DSP2812复位电路,助电源芯片TPS7333引脚8复位端和MAX8ll引脚2连接,则MAX811引脚2被拉低,将DSP复位。
如图4-3所示。
图4-3复位电路
4．3时钟电路设计
对芯片的时钟电路设计应考虑到以下方面:
1、频率。
DSP的系统工作时钟频率。
2、信号电平。
3.3V还是3V,兼容CMOS电平还是TTL电平等。
3、时钟的边沿特性。
下降沿还是上升沿。
4、驱动能力。
TMS320F2812DSP的最高工作频率为CLKIN,经PLL倍频锁相可获得150MHz。
150MHz,故选用30M有源晶振接入时钟引脚
如图4-4所示。
图4-4时钟电路
4.4JTAG电路
TMS320F2812DSP配有标准JTAG仿真接口,便于将程序烧写至芯片内,同时也方便调试。
JTAG是具有国际标准的测试协议,符合IEEEI149.1设计标准,其适用于芯片内部测试和对系统进行仿真及调试。
标准JTAG接口配置了四根线:
测试模式选择线（TMS）、测试数据输入（TDI）、测试时钟输入线（TCK）及测试数据输出（TDO）。
TMS320F2812DSP与JTAG接口电路如图4-5,仿真的两个引脚EMUO、EMUI都接上拉电阻,保证信号上升时间不超过10us。
图4-5JTAG电路
第五章控制系统软件设计
5.1PWM控制原理
经过对一系列脉冲宽度进行调制来等效获得所需波形的方法称为PWM技术。
按照载波及信号波是否同步以及载波比变化情况,PWM调制方式可分为同步调制和
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