基于dsp的光伏并网逆变器硬件电路的设计学位论文.docx
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基于dsp的光伏并网逆变器硬件电路的设计学位论文
分类号TP273单位代码11395
密级学号1105230205
学生毕业设计（论文）
题目
基于DSP的光伏并网逆变器硬件
电路的设计
作者
冯露露
院（系）
能源工程学院
专业
电气工程及其自动化
指导教师
荆红莉
答辩日期
2015年5月23日
榆林学院
毕业设计（论文）诚信责任书
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
论文作者签名:
年月日
摘要
伴随着人类生活水平的不断提高，环境污染和能源危机已成为人类的一个巨大的难题，而太阳能作为一种可再生新能源，它具有清洁、环保、丰富等特点，因此其开发利用越来越得到人们的青睐。
在过不久，太阳将会成为人类所需能源的主要来源，它的开采形式主要是并网发电系统，是将太阳能以光的形式转化为电能而被人们利用。
近些年，随着人们对光伏并网逆变系统的深入研究，一些高性能的数字信号处理器芯片也相继问世，它们的出现不仅简化了光伏并网的控制结构，而且极大的提高了光伏并网的系统性能。
本篇论文主要研究的是光伏发电系统，而且实现了单相光伏并网逆变器硬件电路的设计。
论文首先描述了太阳能光伏并网的国内发展现状，并介绍了光伏并网系统的基本原理。
然后提出了以双级式非隔离电压型逆变器为核心的单相光伏并网逆变器的硬件电路设计方案，同时对硬件电路的参数进行了计算与设计，并在Matlab软件上实现了仿真测试。
最后对本篇论文进行内容总结以及对后续研究工作进行了展望。
关键词：
光伏并网；逆变器；数字信号处理器。
PhotovoltaicGridInverterBasedOnDSPHardwareCircuitDesign
ABSTRACT
Alongwiththehumanlivingstandardenhancesunceasingly,environmentalpollutionandenergycrisishasbecomeahugeproblemofmankind,andsolarenergyasakindofcanbeborninenergy,ithasaclean,environmentalprotection,richcharacteristics,etc.soitsdevelopmentandutilizationofmoreandmoregetthefavorofpeople.Soonsolarenergywillbecomethemainsourceofenergyneededforhuman,itsminingformmainlyphotovoltaicgridpowergenerationsystems.Isthesolarenergyintoelectricalenergyintheformoflightandbeusedbypeople.Inrecentyears,withthein-depthstudyofthephotovoltaicgridinvertersystems,somehighperformanceDigitalSignalProcessorchipalsoappeared.theirpresencenotonlysimplifiesthecontrolstructureofthephotovoltaicgrid,andgreatlyimprovetheperformanceofphotovoltaicgridsystems.Thispapermainlystudiesthephotovoltaicpowergenerationsystems.Andimplementsthesingle-phasephotovoltaicgridinverterbasedonDigitalSignalProcessorhardwarecircuitdesign.
Thepaperfirstlydescribedthedevelopmentofsolarphotovoltaicgridintheworld,andexplainedthecontrolledphotovoltaicgridsystem.Andthenputforwardtothetwo-stagetypeofisolationvoltagetypeinvertersingle-phasephotovoltaicgridinverterasthecoreofhardwarecircuitdesign,atthesametimeparameterwascalculatedandthedesignofhardwarecircuit,angrealizesthesimulationontheMatlabsoftwaretesting.Thelastofthispapersummaryaswellastothefurtherresearchworkisprospected.
Keywords:
grid-connectedphotovoltaic;inverter;DSP
第一章绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着人类社会的现代化、工业化、智能化的不断发展，能源在人们生活和社会发展中起着决定性作用。
它已经成为人类社会发展的动力，不断的为人们提供便利，因此人类的能源需求也在日益扩大。
随着人类对一次性能源的无节制开采，环境污染也在日趋严重。
如温室效应、酸雨、厄尔尼诺现象等一系列环境问题都在威胁着人类的可持续发展。
因此，能源和环境已经成为人类所要迫切解决的问题。
在人类社会中，由于人们对自然资源的过度采集，致使能源枯竭和环境污染已成为人累面临的最大的危机。
因此，整个人类都在寻找更加清洁、便利的二次能源。
而太阳能不仅资源丰富，而且使用环保、方便，是人类所寻找替代能源的不二选择。
它是由光伏并网逆变系统将光能转化为电能的新型能源，其中光伏发电系统是人类利用太阳能发电的高新技术，在人类社会进程中具有巨大的发展潜力。
在过去由于受到发展水平的限制，导致光伏电池的生产成本昂贵，而且技术实现难度较大，所以光伏发电多用于一些比较偏僻的地区。
而如今随着相关技术的不断成熟，光伏技术也有了闪电式的发展。
伴随着光伏系统的飞跃式发展，生产成本在不断下降，工作效率和市场业绩也在不断提升，这些将会为人类将来光伏并网技术的全面发展打下来坚实的基础。
从人类所开采利用能源结构变化的发展趋势中可以明显的看出，在今后很长的一段时间里，对环境污染较严重的非一次能源的使用将会急剧下降，而光伏发电的使用将会大幅度的提升。
所以积极推进太阳能发展对能源危机和环境问题的解决具有十分重要的作用，而且它对人类社会的可持续发展具有极为重要的意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
由于光伏并网逆变系统的经济、环保、效率高等特点，因此在国际市场中，具有良好的发展前景。
近些年，随着西方国家不断加大对光伏发电产业的投资力度，光伏并网逆变器的发展速度也越来越快。
但在全球光伏并网逆变器市场中，主要由美国、日本、德国等国家占据了大部分市场份额，他们不仅拥有完整的产业结构，而且还具有世界领先的技术。
在全世界的光伏市场中，欧洲以绝对的优势处于世界的首要位置。
它们的光伏产品已经实现了产业化的发展，而且拥有十分完善的市场规模。
但是，随着人类对光伏技术的不断重视，一些发展中国家对光伏市场的投资力度也在不断增加，他们光伏市场也已经具有一定的规模，而且在部分光伏产品的研制方面已经处于较为先进的地位。
从以上可以看出，光伏发电在全世界范围内有着及其广泛的应用，己逐渐成为光伏产业的重要支柱，具有良好的发展趋势。
1.2.2国内研究现状
我国是一个土地面积广阔、人口众多，太阳能丰富的国家，因而太阳能的开发具有巨大的潜能。
但由于我国在光伏发电领域的发展较晚，而且仅仅在部分领域拥有较多的应用，因此我国的光伏产业与国外相比还有一定的差距。
但近些年，随着我们国家对光伏并网型逆变器研究费用的巨大投入，在逆变器研究方面我国有不少厂家已取得了优良的成绩，并且在市场也形成了一定的规模和市场竞争力。
与其他国家的相关企业相比，我国光伏产品的相关技术相对落后，市场规模较小，但光伏市场有着巨大的发展潜力和应用空间，将给我国的光伏企业迎来前难得一见的发展机遇。
1.3本课题研究的主要内容
在本论文中，首先我们介绍光伏并网的国内外发展情况，然后对光伏发电系统的控制原理进行了分析与比较，并提出了以双级式非隔离电压型逆变器为核心的单相光伏并网逆变器的硬件电路的控制方法，对主电路中的元件参数进行了计算与设计，最后对逆变电路进行的仿真来检验系统的硬件电路和所选的参数进准确性。
在设计结束后，我们对本论文的内容进行总结，并对日后的相关工作进行了展望。
第二章光伏并网逆变系统的控制策略
在光伏并网系统中，其原理是首先利用光伏阵列将其接收的光能转化为电能，然后由升压斩波电路将直流电压升高后送入逆变器，经逆变器作用后转换为交流电。
最后我们对所获得电能进行滤波处理后接入电网。
在控制系统的设计中，选用不同的控制方式往往会对系统产生不同的效果。
因此，本章主要通过对逆变器的结构、性能进行分析，从而确定系统的控制方案。
2.1逆变器的拓扑结构分类
在光伏并网系统中，逆变器结构的选择是逆变系统设计的一个非常重要的部分，它的结构和性能对并网系统的安全运行有着决定性作用。
因此，逆变器拓扑结构的设计必须严格谨慎，以下是光伏并网逆变器的分类。
根据有无隔离变压器可将逆变器分为隔离型和非隔离型两种结构，如图2-1所示。
图2-1光伏并网逆变器的分类
（1）隔离型光伏并网逆变器
由上图可知，隔离型可分为工频隔离型和高频隔离型两种。
其中工频隔离型并网逆变器结构如图2-2所示。
其原理是将直流电转化为交流电能并入电网，所以它的主要功能是分配电能和把输入和输出电能隔离开来。
其优点是主电路结构和控制电路结构简单，电磁干扰小，维护方便，系统可靠性较高。
但是体积庞大，安装和运输难度大。
图2-2工频隔离型并网逆变器结构
高频隔离型光伏并网逆变器是经过两次逆变成交流电的装置。
它是利用高频方波逆变来提高变压器的工作频率，因此具有体积小、质量轻、便运输等优点。
其缺点是由于能量传递级数增多，导致能量损失较大。
其结构如图2-3所示。
图2-3高频隔离型并网逆变器结构图
（2）非隔离型并网逆变器
非隔离型并网逆变器的能量传递一般只有两级，因此减少了变压器在电磁转换过程中的能量损失，可以有效提高光伏并网逆变系统工作效率。
它具有体积轻便，结构简单，成本低，工作效率高等优点。
按其拓扑结构可分为单级和多级式两种结构，如图2-4所示。
（a）单级式非隔离型结构
（b）多级非隔离型结构
图2-4非隔离型并网逆变器结构
在上图中，图（a）是单级非隔离型结构。
光伏阵列是以逆变器为枢纽接入电网，而逆变器的工作频率始终是50Hz。
在电路结构中缺少升压电路，光伏阵列要想并入电网，就得使光伏阵列输出的直流侧电压达到直接并入电网的电压等级，否则就会可能在光伏并网逆变系统中产生漏电现象。
图（b）是多级非隔离型结构系统，它的功率变换功能是由DC/DC升压斩波电路和DC/AC逆变器组成的多级变换器实现的。
而设计多级变换器的核心部分在于合理选择DC/DC变换器的电路拓扑结构，我们从DC/DC变换器转换电能的效率方面来考虑，一般选择Buck和Boost变换器。
但Buck变换器的缺点是它属于降压变换器，不能升高直流侧的电压，只有大幅值的提高光伏阵列的输出电压等级时，才能实现并网发电，同时会带来更复杂的问题。
而Boost变换器刚好具有升压功能，只需要适当的控制方式就能使输入Boost逆变器的电压波动很小，也能使光伏阵列输出电压趋于稳定，从而提高最大功率点的跟踪精度；因此Boost变换器在多级非隔离型拓扑设计中是较为理想的选择。
根据逆变器的控制方式可将逆变器分为电压控制型和电流控制型，如图2-5所示。
图2-5逆变器按照控制方式分类
电压控制型逆变器需要控制逆变器并网电压与电网电压同步，即频率、幅值、
相位相同。
但由于该电路锁相环节反映缓慢，因此无法实现对输出电压的精确控制。
而电流控制法是保持逆变器输出电流与电网电压的同步，因此在光伏系统中经常采用电流控制型结构。
根据以上分析，我们选择双级式非隔离电压型逆变器结构作为本设计的主电路，前级升压斩波电路采用Boost升压斩波电路，后级逆变器选择单相全桥逆变电路，前后两级电路由DC-Link连接起来，从而来保持输出交流和电网电压的同频同相。
2.2输出电流控制方式
在电流型输出系统中，输出电流的控制方式有SPWM电流跟踪方式、SVPWM、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[4]。
2.2.1SPWM电流跟踪方式
SPWM电流跟踪方式又被称为三角波比较法，其原理首先将电网实际电流值
与给定电流参考值
作比较，并将其结果通过PI调节输出后与三角波进行比较，从而产生PWM波。
其结构如图2-6所示。
图2-6SPWM电流跟踪方式
在上图中，我们通常采用改变三角波载波频率来调整输出波形。
由于在该方式中的开关频率是一个定值，这给高频滤波器的设计省去了很多不必要的环节。
其优点是输出电流稳定，所含谐波成分较少。
2.2.2电流滞环瞬时比较方式
瞬时值电流滞环比较控制方式是一种经常使用的电流跟踪控制方式，应用十分广泛。
其原理如图2-7所示。
图2-7电流滞环瞬时比较方式
在上图中，
是滞环比较器的环宽，
是给定电流，
是实际电流。
首先将电流参考值
与实际值
作比较，然后通入滞环比较器，将其输出经驱动电路调节后来控制主电路中开关的通断，从而控制实际电流
的变化。
该比较控制方式具有以下特点：
1.逆变器输出电流稳定，但滤波电路复杂。
2.硬件电路简单。
3.当开关频率相同时，输出的电流中含较多高次谐波。
4.电流响应较快，属于实时控制方式。
2.2.3SVPWM电流控制方式
SVPWM是近期发展的一种新的控制方式，在该领域有着较为广泛的应用。
它是利用空间电压矢量变换来实现完成对电路的控制。
其优点是即使开关频率较低时逆变器输出也能获得较好的性能。
综和以上几种控制的优缺点，由于SPWM控制方式能明显降低高次谐波对电网的干扰，从而能够有效提高逆变器并网电能的质量。
所以在本设计中我们选择SPWM电流控制方式。
2.3最大功率点跟踪
最大功率点跟踪控制的原理是对某时刻的功率进行测量，并且与峰值点进行比较，经过对电流或电压的调整促使输出功率尽可能与最大功率保持一致。
以此来提高系统的工作效率。
但在实际情况中，由于电池工作的输出功率会随着电流、电压、光照、温度等因素的改变而变化，所以我们采用最大功率算法来提高电能的转换效率。
通常太阳池的最大功率点跟踪的常用方法有：
扰动观察法、电导增量法、基于平均功率的变步长算法。
（1）扰动观察法
扰动观察法是一种常用的动态追踪方法，它的原理是是给出一个扰动值
，并将此时太阳能电池的输出功率P1与之前的输出功率P0作比较，如果输出功率增加，即△P＞0，表明扰动方向准确，则按原方向调整；如果输出功率减小，即△P＜0，表明扰动的方向错误，则按与原方向相反的方向调整，如图2-8所示。
图2-8扰动观察法示意图
该方法的优点是控制结构简单，实现方便，输出电压调节灵活，太阳能电池发电利用效率较高。
但其缺点是由于存在扰动电压，在最大点跟踪过程中会有功率损失，而且当外界条件变化时不能快速跟踪到另一最大功率点。
（2）电导增量法
电导增量法是通过检测太阳能电池的等效导纳增量来确定最大功率点。
该方法能够详细地判断出最大功率点电压和实际电压的联系。
由最大功率点知：
（2-1）
两边求导得：
（2-2）
所以有：
（2-3）
电导增量法的优点是当外界条件变化时，能够及时的跟踪太阳能电池最大功率点的变化，调整比较灵活。
其缺点是对硬件电路中的控制器处理速度要求较高，调整步长选取较为严格。
（3）基于平均功率的变歩长算法
基于平均功率的变歩长算法可以有效克服最大功率点附件产生的振荡。
其工作原理是系统将当前时刻光伏阵列输出功率P与上一个时刻的输出功率P0作比较，若P＞P0，则爬坡方向正确；若P＜P0，证明爬坡方向与原方向发生了偏差，则按与原来电压变化相反的方向爬坡。
由于存在对直流侧的电流和电压的电磁干扰和采样误差等问题，导致对功率的大小造成误判，可能会造成搜索方向错误。
综合以上三种控制方法的优缺点，同时也为了能快速的跟踪到随着外界条件发生变化的最大功率点，本设计的光伏并网逆变器采用电导增量法来捕捉最大功率点。
2.4孤岛效应
在光伏系统中，太阳能在转换为电能的过程中会发生各种各样的故障，如器件驱动信号欠压、器件过流、电网过压等，因此需要我们设置各种保护措施。
对于光伏发电系统，孤岛效应是我们必须考虑的一种常见的故障状态。
2.4.1孤岛效应的影响和危害
孤岛效应是指当电网因某种原因而停止供电时，部分电网没有及时与电网隔离而形成一个失去控制的供电孤岛[5]。
它可能对电网、电气设备、以及维修人员造成危害。
主要有以下几种情况：
1.当电网发生故障或者中断后，会对电力公司线路维修与保障人员的安全造成危害。
2.当电网发生故障或者中断时，导致输出电流、电压和频率不稳定，影响传输电能质量。
3.当重新供电瞬间，由于电网和逆变器的电压、电流不同相而对用电设备造成损坏。
由此可知，孤岛效应不仅会严重影响电力系统的安全运行和正常维护，还会对电力公司和用户造成重大财产损失。
所以，为了消除由孤岛现象引起的严重后果，我们应该选择一个合理的应对方法。
2.4.2孤岛效应的检测方法
孤岛效应检测系统是检测孤岛效应的产生，并且当出现孤岛运行时，能使电网快速停止供电。
该技术分为被动式和主动式两种，被动式检测技术通过检测逆变器交流输出端的电压、频率、相角等参数来判断孤岛效应是否发生。
但被动式检测的检测范围较小，而且当断电后负载的电压，频率变化很小，此时被动检测失效。
主动式检测技术通过有意的引入扰动信号通过观察电网是否受到影响来判断电网是否发生故障。
2.5本章小结
本章首先对逆变器的拓扑结构以及输出电流控制方式进行了分析，并决定选用双级式非隔离电压型逆变器结构作为主电路。
然后对最大功率点控制方式作了简单的分析，经过对扰动观察法、电导增量法、基于平均功率的变步长法的分析后，我们决定采用电导增量法来跟踪最大功率点。
最后对孤岛效应及其检测方法进行了简单的介绍，了解到孤岛效应检测的考虑在光伏并网逆变器设计中也是非常必要的。
第三章基于DSP的并网逆变器硬件电路的设计
经过第二章对逆变系统控制方法的分析，我们确定了本设计的控制方案，其整体结构如图3-1所示。
它包括一个直流斩波电路、直流/交流变换和LC频率滤波等部分，其中Ugrid代表电网侧的电压。
图3-1逆变器系统整体控制框图
在并网逆变器中的光伏电池阵列的直流输出电压相对较低，所以电池阵列可以直接采用多级串联而获得需要的逆变电路侧的母线电压，但由于电功率的输出以及环境的变化，使得逆变器直流母线电压将会产生波动，电池电源侧输出功率也也会产生波动。
所以为了升高直流母线电压我们需要增加一个DC/DC升压变换电路来，并且采用双闭环控制来实现对母线电压的控制。
3.1基于DSP的控制系统硬件设计
在控制系统中，数字信号处理器是一种专用于数字信号处理的微处理器。
它的原理是利用计算机或专用的处理设备对其接收的信号进行采集、变换、识别等加工处理来实现控制的目的。
该芯片控制精度高、坑干扰性强、性能稳定，在该领域应用较为广泛。
在本设计中，我们选择由TI公司推出的TMS320F2812芯片来实现逆变器的控制。
3.1.1数字信号处理器DSP简介
TMS320F2812是由TI公司研制的32位DSP芯片。
它具有反应迅速，系统运算精度高，处理能力强，具有良好的抗干扰性等特点。
而且它还拥有足够的I/O接口，因此应用十分广泛。
其功能结构框如图3-2所示。
图3-2F2812的内部资源框图
3.1.2DSP系统硬件电路设计
在硬件电路设计中，其电路图是由ProtelDXP软件来完成的。
它是由Altium公司生产的一个电子线路设计软件，可以设计各种电路图和PCB图。
而且其元件集成库中含有每个元件的原理图符号、分装模型等，为电路设计提供了极大的方便。
（1）辅助电源电路
辅助电源的功能是为电路提供低压电源来保证电路的稳定运行。
在本系统中，为了获得更好的电源性能，我们采用双电源供电机制。
它们的所提供的电压分别是3.3V和1.8V。
其中，1.8V是内部逻辑提供电压，3.3V是外部接口引脚电压。
为了获得该供电电压，我们对TPS767D318输入5V的电压，如图3-3所示。
图3-3辅助电源电路
在上图中，我们为TPS767D318的引脚6、7、11、12分别提供5V的电压。
将引脚3、4、9、10分别接地。
其中引脚4和10分别接地使内部的两个电压调整器使能。
当引脚22和23输出3.3V，引脚17和18输出1.8V时，D1导通；当引脚22和23输出1.8V，引脚17和18输出3.3V时，D2和D2导通。
电容在电路中均起滤波的作用。
（2）A/D转换电路的设计
A/D转换调理电路是用来把采集到的信号转换成TMS320F2812芯片所能识别的工作数字信号。
一般情况下，它是由电压互感器、传感器、霍尔元件等器件来将所收集的信号转为弱电信号，并把该信号经调理电路后接入DSP。
图3-4是转换电路与芯片连接图。
图3-4A/D转换电路
在上图中，AD0和AD1为输入，ADCA0和ADCA1为输出。
1OUT和1IN-短接，所以U1OUT=U1IN-。
根据虚断和分压原理可知，U1IN+=R2/（R1+R2）AD0；由虚短可知，U1OUT=U1IN-=U1IN+。
所以ADCA0=U1OUT=R2/（R1+R2）AD0。
所以，当AD0输入高电平时，ADAC0页输出高电平。
同理，ADCA1=R4/（R3+R4）AD1。
电容C1、C2起滤波作用。
3.2采样和调理保护电路设计
（1）直流侧电压采样电路
在本采样电路中，我们通过在直流输入端串入一个电压霍尔传感器来检测直流侧电压，并把采集到的电压信号传输的控制芯片中。
其采样检测电路如图3-5所示。
图3-5直流侧电压采样电路
在上图中，功率电阻R50的作用是检测原电压与被测电流的比值
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