KW离网型光伏逆变器的设计.docx

智能建筑电气文献综述 院（系）：新能源学院专业班级： 学号： 学生姓名： 5.1 辅助电源设计 . 25 5.2 系统检测与保护电路设计 . 285.2.1 直流电压电流采样电路 . 28 5.2.2 交流电压与频率的采样 . 29 5.2.3 温度检测电路 . 30 5.2.4 功率驱动模块IGBT . 30 5.2.5 逆变器保护电路设计 . 33 6系统软件设计 . 35 6.1 系统主程序设计流程 . 35 6.2 设计 . 36 6.3 A/D中断程序的设计流程 . 37 结论 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 43 附图 . 441绪论1.1 本课题的意义目前传统的石化能源与经济、环境的矛盾越来越突出。能源是经济与社会发展的基本动力但由于常规能源的有限性和分布不均匀性造成世界上大部分国家的能源供应不足不能满足经济可持续发展的需要。从长远来看全球已探明的石油储量只能用到2020年天然气也只能延续到2040年左右即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二、三百年。而传统的石化能源所带来的环境问题也令人担忧。每年有数十万吨二氧化硫和二氧化碳等有害物质排向空间使大气环境遭到严重污染直接影响居民的身体健康和生活质量局部地区形成严重的酸雨区又严重污染水土。同时由于排放大量温室气体而产生的温室效应已引起全球气候恶化。发展可再生能源已成为全球课题。而综观可再生能源种类风能、生物能、太阳能中太阳能的利用前景最好潜力最大。近30年来太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。而其中的太阳光伏发电是世界上节约能源、倡导绿色电力的一种主要的高新技术产业。发展光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。而随着我国光伏发电系统的迅速发展尤其是光伏屋顶计划的实施国内对离网型光伏逆变器的需求将越来越大。离网型光伏发电系统主要是由光伏电池阵列、控制器、逆变器、储能装置等环节组成其中逆变器则是光伏系统中重要的器件之一其可靠性和转换效率队推行光伏系统、降低系统造价至关重要。1.2 太阳能光伏发电的现状近几年国际上光伏发电快速发展美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划。国际光伏市场开始由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。美国政府最早制定光伏发电的发展规划1997年又提出“百万屋顶”计划能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策总光伏安装量已达到3000MW以上美国连续三年光伏产业均高于30%的年增长率上升其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励引起的。日本于1974年开始执行“阳光计划”投资5亿美元一跃成为世界太阳电池的生产大国1994年提出朝日七年计划计划到2000年推广16.2万套太阳能光伏屋顶已完成。1997年又宣布7万光伏屋顶计划到2010年将安装7600MW太阳电池。1993年德国首先开始实施由政府投资支持被电力公司认可的1000屋顶计划继而扩展为2000屋顶计划现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过5000。德国政府并于1999年开始实施10万太阳能屋顶(每户约3kW5kW)计划。并且1999年德国光伏上网电价为每千瓦时0.99马克极大地刺激德国乃至世界的光伏市场。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国也纷纷制定光伏发展计划并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。印度、马来西亚等东南亚国家也制定了国家的光伏发展计划。我国光伏发电经历了两次飞跃。第一次飞跃始于二十世纪80年代末当时我国正处于改革开放蓬勃发展时期。国内先后引进多条太阳能电池生产线太阳能电池生产能力由原来的几百瓦升至几兆瓦。引进的光伏电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次飞跃在2000年以后为光伏产业的大力发展阶段。在国际大环境影响下国际项目的启动和市场需求以及国家政策的促进下我国光伏技术及应用显著发展。如2002年国家实施的送电到乡和送电到村的工程都采用了光伏发电技术。我国西部居住人口分散太阳能资源丰富太阳能光伏发电成为首选能源。自20世纪80年代我国太阳能光伏技术得到了迅速发展以每年30%-40%的速度持续高速增长尤其是进入21世纪以来世界光伏产业的发展年均增长超过了60%经历了从小规模到现在的地面睡觉大规模利用的时代。2000-2002年光伏发电技术在我国的优势显现出来。特别是在2002年近800个无电乡政府用电问题被解决。这样巨大的规模在国际上也是很小见得。接下来的2002-2005年我国解决了上万个自然村和行政村的用电问题。这些村庄都处于偏远地区十分分散只能建造独立的太阳能发电系统。2007年以后我国光伏产业的年增长率超过100%。经过近30年的发展我国光伏发电产业已初具规模但在总体上和国外相比仍然有一些差距我国的光伏发电的生产规模较小光伏发电的技术水平较低光伏电池的使用效率及封装水平都与国外存在差距我国的光伏发电的产出成本高光伏发电的材料性能与国外有一定的差距而且部分只能采用进口材料市场培育和发展迟缓缺乏培育和开拓的支持政策、措施。1.3 太阳能光伏发电的概述太阳能发电可分为光热发电和光伏发电两种。通常而言太阳能发电指的是太阳能光伏发电简称“光电”。它是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护即可形成大面积的太阳电池组件再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。根据需求和应用场合的不同太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。1.4 本课题的内容和设计要求本设计围绕着光伏发电展开的对于光伏发电系统中的独立光伏发电系统的光伏电池、逆变器进行全面的分析研究重点对光伏逆变器做了详细的设计包括对其硬件电路和软件编程的设计。结合实际需求设计出一个单相离网型光伏逆变器可以广泛用于离网型光伏发电系统、风光互补发电系统具有输出电压精度高、波形好、现场总线实现智能控制等特点。本文的重点是设计一种离网型的光伏逆变器从以下几个方面进行研究设计1首先介绍光伏发电的基本情况及前景。了解光伏发电系统的组成和分类概述了下光伏发电系统的分类并提出离网型光伏逆变器的作用与发展及设计的目的。2分析光伏发电的原理及光伏电池的工作原理及分类分析了光伏电池的输出特性并针对其输出特性介绍了MPPT方法。3对逆变器中逆变电路的设计其中包括硬件电路的设计以及软件的设计。硬件设计包括对主回路的设计以及辅助电路的设计对滤波电路的设计选型以及对功率驱动模块IPM 和UC3842的介绍。软件设计包括生成SPWM的程序以及在线计算SPWM波的占空比的编程的设计。4设计通过TMS320LF2812A实现对全桥逆变电路的控制实现对光伏离网型逆变器的运行状况的监测与保护2光伏发电系统2.1 光伏发电系统的组成光伏发电系统是利用光伏电池的光伏效应将太阳能转化为电能储存或直接供给负载使用的一种新型发电系统。白天日照达到一定强度由光伏电池阵列直接向负载和蓄电池提供电能或者是部分电能直接送到电网。夜晚或阴雨雾天光伏电池阵列输出的能量太小则由蓄电池向负载提供能量。负载可以是直流负载也可以是交流负载。如果是直流负载发电系统直接对其进行供电如果是交流负载光伏电池输出的直流电通过DC/AC电路逆变向其提供交流电能。基本的光伏系统主要是由光伏电池阵列、控制器、变换器、逆变器及蓄电池组成。光伏电池是整个系统的核心部分其主要功能是将太阳能转换成电能储存或者直接供给负载使用。控制器的主要作用是控制光伏电池的工作状态的使其工作在最大功率点上同时控制蓄电池的充放电对蓄电池和负载起到保护作用。变换器是将光伏电池阵列提供的直流电压变换成适合负载使用的电压。逆变器是将直流电逆变成交流的220V供给交流负载使用。蓄电池是当白天日照强度大的时候光伏电池发出的直流电除了提供给负载外还有剩余就存贮在蓄电池中以供夜晚或阴雨天没有光照或者光照强度不足时提供给负载。提高了系统供电可靠性。2.2 光伏发电系统的分类光伏发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况把光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统。并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统将光伏电能馈送给公共电网。当太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段并网光伏发电系统成为电力工业重要的组成部分是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。带蓄电池组是并网光伏发电系统称为可调度式并网发电系统该系统具有不间断电源的作用还可以充当功率调节器稳定电网电压、消除高次谐波分量从而提高电能质量不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统逆变器将光伏电池阵列提供的直流电能逆变成为和电网电压同频、同相的交流电能送往公共电网当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时电网自动向负载补充电能。1所示是典型的并网光伏发电系统结构示意图主要包括光伏电池阵列、DC/AC逆变器、DC/DC变换器、控制器和电网五个组成部分。根据负载及系统的供电可靠性的需要在DC/DC变换器输出端连接蓄电池组。独立光伏发电系统是不与公共电网相连接的主要在一些离公共电网太远的五点地区和一些特殊场合所使用如一些偏僻农村、牧场和偏远的岛屿即公共电网难以覆盖到的地区为其提供照明、广播电视等基本生活用电。还有像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊场所也使用独立光伏发电系统。交流负载蓄电池控制器光伏电池组件DC/DC变换器直流负载DC/AC变换器电网图2-1 并网光伏发电系统独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和逆变器及负载等部分。图2-2所示是典型独立光伏发电系统的结构示意图。光伏电池组件控制器DC/AC变换器DC/DC变换器直流负载交流负载蓄电池图2-2 独立光伏发电系统控制器中含有阻塞二极管阻塞二极管的主要作用是利用二极管的单向导电性阻止无日照时蓄电池通过太阳能电池方阵放电。对阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵最大输出电流反向耐压要高于蓄电池组的电压。在方阵工作时阻塞二极管两端有一定的电压降。由于光伏发电系统具有使用方便安全可靠维护简单等优点常用来为一些无电或电网供电不稳定场所供电。独立光伏发电系统的应用范围非常广泛如光纤通讯系统、微波中继站、卫星通讯和卫星电视接收系统、农村程控电话系统、部队通讯系统、铁路和公路信号系统、灯塔和航标灯电源、海洋浮标电源、石油和天然气输送管道阴极保护、气象和地震台站、水文观察、污染检测等灾害测报仪器电源等甚至还可以用在航空设备以及飞机、车辆、船舶等交通。混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系统以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的阵列发电不足或电池容量不足等因素带来的供电不连续。较为常见的混合型光伏发电系统是风光互补系统系统结构框图如下图2-3所示。光伏阵列DC/DC变换器风力发电AC/DC变换器蓄电池逆变器直流负载交流负载图2-3 混合型光伏发电系统在通常情况下白天日照强夜间风多夏季日照强风小冬春季日照强度小但是风大。显然风能发电与太阳能发电具有很好的互补性其优点显见利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出提高系统供电的稳定性和可靠性在保证供电情况下可以大大减少储能蓄电池的容量对混合型光伏发电系统进行合理的设计和匹配可以基本上由风光系统供电不需要启动备用电源和备用发电机一次获得较好的经济效益。但是风光互补联合发电系统的存在一次性投资较大并需要定期更换蓄电池等缺点4离网型光伏逆变器4.1 光伏逆变器的概述随着我国光伏发电系统的迅速发展尤其是光伏屋顶计划的实施国内对离网型光伏逆变器的需求将越来越大。离网型光伏电系统主要是由光伏电池阵列、控制器、逆变器、储能装置等环节组成的其中逆变器是光伏系统中的重要器件之一它的可靠性和转换效率对推行光伏系统、降低系统造价至关重要。在很多场合都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为了能向AC220V的电器提供电能需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能因此需要使用DC-AC逆变器。离网型光伏逆变器的主要作用是将光伏电池输出的直流电变换成适合交流负载使用的交流电。4.2 逆变器的基本结构离网型光伏逆变器的结构如下图所示包含了一次回路和二次回路两部分该设计采用了双电源供电的模式其中主回路由输入滤波电路、单相全桥逆变电路和输出滤波电路等组成辅助回路主要有TMS320F2407A控制电路、信号检测电路等组成。如图所示KMEMI滤波器DC/DC辅助电源UC3842LEM1LEM2DC/ACTLP520光耦数字信号处理TMS320LF2407升压变压器+5V+15V-15V+15V+15V+15V+15VC220V过流欠压或过压超温频率采样IPM逆变C1C2C3图4-1 离网型光伏逆变器的结构方框图主回路是通过输入滤波电路对输入的220V直流电进行滤波处理采用全桥逆变进行逆变处理输出SPWM波经过工频变压器升压输出260V的交流电再经过输出滤波器的滤波输出50Hz220V的交流电。4.2.1 Boost电路Boost电路如图4-2所示其中Q为全控型的功率器件IGBTBoost电路是一种输出电压等于或高于输入电压的非隔离直流变换电路当光伏控制器的输入电压在允许范围内波动时通过控制功率开关器件Q的导通比D使输出电压保持稳定。Us+QDLCUo图4-2 Boost电路根据Boost电路中电感电流是否连续可以分为电感电流连续、电感电流断续和电感电流临界连续三种工作模式。当工作临界工作模式时电感的取值满足式4-1。PUTUUUL0022)( (4-1) 当输出功率等于5kW时计算得L=20H当工作在电感电流连续模式下时输出电压纹波较小电容充放电电流的变化率也较小具有很好的电能输出质量本设计中选取P=100W时所对应的临界电感值L=1mH。电感电流连续模式下需要的电容值为0000UDTIURDTUC (4-2) 要想获得输出为220VAC的正弦波考虑到SPWM调制技术的最大利用率0.866和调制度以及IGBT管的导通范围Boost变换器需要将直流电压升到420V纹波电压为直流电压的5即为2.1V占空比D选取最大值0.9代入式4-2求得电容值为1033F考虑到一定裕量选取3个并联的470F的电解电容。4.2.2 输入滤波电路的设计输入滤波电路是由滤波电容组成是用来减小输入端电压的脉动假如变换器传输最大功率为Pm由输入输出功率相等可得出一个周期内输入滤波电容所提供的能量约为rinfPWmax (4-3) 式4-3中为变换器的效率fr为功率IGBT开关器件的工作频率。将Pm=5KW, =0.94, fr=18kHz代入上式可得Win0.2955J,每半个周期输入滤波电容所提供的能量为minmin22inininVCVW (4-4) 式4-4中Vinmin为最小输入直流电压Vinmin一般取1%Vinmin滤波电容选用铝电解电容为了减小电容的等效串联电阻本设计采用了100V 10000UF*10的电解电容并联实现。4.2.3 逆变电路的设计本设计采用的是电压型单相全桥逆变电路。由于输入的直流电压为220VDC 该逆变器的功率为5KW采用的是日本三菱第五代IPM功率驱动模块。逆变采用的电路为单相全桥逆变如图4-3所示CUiVT1VD2ZU0VD1VT3VD3VT2VT4VD4i0图4-3 单相全桥逆变电路4.2.4 SPWM的实现产生SPWM波的方法有多种主要分为硬件实现方法和软件实现方法两大类。硬件实现方法是在模拟电路里采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现SPWM波控制但此方法硬件电路复杂实现困难且不易改进。本设计采用数字方法控制即用软件实现。本设计采用软件编程生成PWM波来控制IGBT的触发信号。本设计采用的是规则采样法生成SPWM波。规则采样法就是将自然采样法中的正弦调制波与三角载波周期中心的交点就是阶梯波水平线段地中点。这样三角载波与阶梯波水平线段的交点A、B两点就分别落在正弦调制波的上下两边从而减少了以阶梯波调制的误差。另外由于A、B两点对于三角载波周期中心线对称因而使PWM脉冲信号发生得以简化。由图7-1所示。三角载波的调制度为M正弦调制波的角频率为1根据相似三角形的几何关系容易得出规则采样法SPWM脉宽以及脉冲间隙时间的表达式为式4-5和式4-6中tD为三角载波的中心的时间值 TC为SPWM载波信号周期M为三角载波的调制度。图4-4 SPWM脉冲信号规则采样法生成原理4.2.5 工频隔离变压器当220V的直流电通过逆变器逆变后生成的SPWM波的大小约为140V左右需要通过升压使逆变输出的电压能够给交流负载供电。即逆变输出的电压为220V的交流电。首先把直流电逆变成工频低压交流电再通过工频变压器升压呈220V。50Hz的交流电给负载使用。它的有点事结构简单各种保护功能均在较低电压下实现。因其逆变电源与负载之间存有工频变压器故逆变器运行稳定、可靠、过负荷能力和抗冲击能力强且能够抑制波形中的高次谐波成分。4.2.6 LC输出滤波电路通过变压器变压后的SPWM波中含有载波频率的整数倍及其附近的谐波分量。所以需要滤波常见的滤波装置有单电感滤波LC滤波还有LCL滤波。单电感滤波器结构简单但是由于高频谐波衰减特性不够理想需要较大的电感量才能对谐波进行有效衰减或者需要采用较高的开关频率来降低谐波电流因此单电感L滤波器通常用于小功率高开关频率的并网逆变器中。LC滤波器用场合在公共并网/独立双模式逆变器中当逆变器工作在独立模式时LC滤波器能有效衰减输出电压的高频谐波部分从而可以获得理想的输出电压波形当逆变器工作于并网模式时由于电网电压的钳制作用仅滤波电感对并网电流起滤波作用滤波电容相当于本地负载。LCL滤波器对高频分量呈高阻抗对高频谐波电流可起到很大的衰减作用即使在低开关频率和较小的电感情况下也能满足电流谐波衰减要求。所以LCL滤波器通常用于较低开关频率的中大功率场合。本设计采用的是LC滤波。LC低通滤器的选取主要考虑几个方面的因素噪声、抑制能力、输出阻抗、逆变电流应力。设计中还要综合考虑滤波电路的体积、重量以及制作成本通常截止频率选择在开关频率的1/101/20。本设计中选择系统开关频率为18kHz,逆变器输出交流电源频率为50Hz初步确定截止频率为1kHz滤波器中有两个待定的参数即滤波电感和滤波电容。LC低通滤波器的结构如图4-5所示。CZ2Z1UinLUout图4-5 LC低通滤波器结构图LC滤波器的传递函数为1211)()(220swswsUsUlin (4-7)式5-6中l为LC谐振的角频率,LCwl/1为阻尼系数CLRL21S为拉普拉斯算子。滤波器的截止频率为LCfc21 (4-9) 串联阻抗和并联阻抗的乘积KCLjwCjwLZZ21 (4-10) L、C值确定后K为常数由于L/C具有阻抗平方量纲故K也可以用滤波器的另一参数R表示2RKCL (4-11) 式(4-11中R为标称特性阻抗R和负载电阻LR的关系LRR)8.05.0( (4-12) 本设计中逆变器功率为5kW输入额定电压为220VDC要求输出频率为50Hz电压有效值为220VAC的正弦波。逆变器满载工作时可得68.9500022022PURL (4-13) 所以744.784.4R初步选定R=6将R代入式4-10与式4-11中可得L=995H,C=36.53F实验实际选择L=1mHC=10F则此时LC低通滤波器的截止频率为kHzLCfc6.1215控制回路的设计5.1 辅助电源设计本设计是基于UC3842的单端反激式开关电源的设计来设计该系统的辅助电源辅助电源作用是给整个光伏逆变器系统的控制电路、驱动电路、检测报警电路等提供稳定的低压电源是系统稳定可靠工作的重要保障。电源板将输入的电变成+15V的直流电给驱动板和采样板供电。输出的+5V的直流电给液晶板供电。UC3842是一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。内部采用的是双闭环控制内环是电流控制环外环是电压控制环。无论是电流变化还是电压的变化都会是PWM输出脉冲占空比发生变化。这种控制方式可改善系统的电压调整率提高系统的瞬态响应速度增加系统的稳定性。其控制系统框图如图5-1。电流型PWM是在脉宽比较器的输入端直接用流过输入电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统。因此无论开关电压的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高。由该集成电路构成的开关稳压电源与一般的电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有外围电路简单、电压调整率好、频响特性好、稳定幅度大、具有过流限制、过压保护和欠压锁定等优点。其内部电路结构如图5-2所示。UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该调制器单端输出能直接驱动双极型的功率管或场效应管。其主要优点是管脚数量少外围电路简单电压调整率可达0.01%工作频率高达500kHz启动电流小于1mA正常工作电流为5mA并可利用高频变压器实现与电网的隔离。该芯片集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路。其内部结构及基本外围电路如图5-3所示。UC3842是8脚的双列直插的封装形式。如图5-2所示第1脚为补偿脚内部误差放大器的输出端外接阻容元件以确定误差放大器的增益和频响。第2脚是反馈脚将采样电压加到误差放大器的反相输入端再与同相输入端的基准电压进行比较产生误差电压控制脉冲的宽度。第3脚为电流传感端在功率管的源极串接一个小阻值的采样电阻构成过流保护电路。当电源电压异常时功率管的电流增大当采样电阻上的电压超过1V时UC3842就停止输出有效地保护了功率管。第4脚为锯齿振荡器外部定时电阻R与定时电容C的公共端。第5脚为地。第6脚为图腾柱式输出电压当上面的三极管截止的时候下面的三极管导通为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路加速了功率管的关断。第7脚为输入电压开关电源启动的时候需要在该引脚加一个不低于16V的电压芯片工作后输入电压可以在1030V之间波动低于10V时停止工作。第8脚为内部5.0V的基准电压输出电流可达50mA。根据UC3842的特点该设计的辅助电源是由UC3842设计的开关电源。交流输入后通过整流滤波得到直流电压经过LM317后获得16.5V的直流电压作为UC3842芯片的启动电压。芯片启动后通过脉宽调制控制功率管的开关从而实现稳压输出。控制电路的核心是UC3842其后级的高速开关功率管要求满足一定的耐压值和足够大的额定电流。这里可以选用IRF540其耐压值高达100V额定电流可以达到33A。高频变压器的升压系数为1.2采用双桥间距为0.3mm的铁氧铁芯由直径0.65mm的铜丝绕制而成。高频变压器出来的脉动直流电压先通过二极管整理再通过3个50V/3300F的电解电容和由一个33H电感和2个104的电容构成型滤波器进行滤波后输出。其UC3842的核心电路如图5-4所示。如图5-4所示UC3842的工作频率由4脚和8脚间的RT和CT决定的。理论上其内部的振荡频率最高可达500kHz。在本系统中RT和CT分别选用了10k和0.045F可以计算得其工作频率约为40kHz符合开关电源的要求。在UC3842的2脚处接上一个10K的电位器通过改变开关功率管的通断状态来调节输出电压的高低实现稳压的目的。输出的U经过高频变压器的变压后可以输出需要的电压等级。5.2 系统检测与保护电路设计本设计中的采样信号有直流电源的电压与电流、市电的电压与频率、逆变输出的电压与频率、驱动板上的温度等。利用霍尔电流传感器分别去采样交流电和直流电。通过旁路电压检测电路、直流电压检测电路和逆变电压检测电路来采集市电的电压与频率、直流电压与电流以及逆变电压与频率。利用温度继电器来进行过温保护。5.2.1 直流电压电流采样电路图5-5所示的为直流电压采样电路图R1、VR1和R10为分压电阻将直流电压分压后给运放本文用的是LM358,这里采用的是其双电源工作模式。电压与电流信号经过光耦隔离后经过去藕电容C105后送给DSP2812的相应端口进行采样。5.2.2 交流电压与频率的采样图5-5是交流电的采样电路主要采样的交流电有逆变输出以及旁路输入的交流电将旁路检测的电压通过变压器的变压后通过分压和RC滤波电路后输入到DSP的对应端口频率采样是通过放大电路后送到DSP的CAP过零捕获来进行频率采样的。对于旁路输入还有电流的检测和交流电压的检测类似这里就不多说了。5.2.3 温度检测电路VA3.3输入输出R19C7R20C8D4图5-7 温度检测电路图5-6是温度检测电路当采样板上的温度传感器检测到的温度过高时这时风扇会转动起来给逆变器降温避免温度过高导致一些元器件的损坏。将输入的温度传感器的信号通过运放送到DSP的相应端口。5.2.4 功率驱动模块IGBT 本设计采用的电压型单相全桥逆变电路。使用的是三菱第五代IGBT芯片的IPM功率模块采用SPWM控制技术采用PI控制与闭环负反馈控制相结合的数字控制策略。IPM是由高速、低功耗IGBT、优选的门极驱动即保护电路构成。其中IGBT是GTR和MOSFET复合由MOSFET驱动GTR,因而IPM具有GTR和MOSFET的优点。其内置栅极驱动和保护电路保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护和短路保护。IPM采用了许多在IGBT模块已经得到验证的功率模块隔离封装技术。由于采用了两种不同的封装技术使得内置栅极驱动电路和保护电路能适用的电流范围很宽同时使造价维持在合理水平。根据内部功率电路配置情况IPM有4种形式单管封装H、双管封装D、六合一封装C和七合一封装R,如图5-8所示。IPM的各种保护功能具体如下控制电压欠压保护UV如7管封装的R型IPM为例当控制电源电压降低时会导致IGBT的Vce功耗增加为防止热损坏当检测到控制电源电压低于12.5V时发生欠压保护封锁门极驱动电路输出故障信号。过温保护OT在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器所以过温保护可直接检测IGBT单元的硅片温度当IPM温度传感器测出基板的温度超过设定值OT动作电平时发生过温保护封锁门极驱动电路输出故障信号。短路保护SC若负载发生短路或控制系统故障导致短路流过IGBT的电流值超过短路动作电流一般为IBGT额定工作电流2倍且短路时间超过offt(SC),则发生短路保护封锁门极驱动电路输出故障信号为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间IPM内部使用实时电流控制电路RTC减小响应时间从而有效抑制了电流和功率峰值提高了保护效果。过流保护OC有些六管封装的C型IPM具有过流保护功能。若流过IGBT的电流值超过过流动作电流值则发生过流保护封锁门极驱动电路输出故障信号。跟短路保护一样为避免发生过大的di/dt,大多数IPM采用两级关断模式。当IPM 发生UV、OT、SC、OC中任以故障时其故障输出信号持续时间ton为1.8ms一般的SC持续时间会长点此事件内IPM会封锁门极驱动关断IPM故障输出信号持续时间结束后IPM内部自动复位门极驱动通道开放。且需要采用电气隔离装置防止干扰驱动电源的绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的2倍;驱动电路输出端地滤波电容不能太大因为当寄生电容超过100pF时噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。因为IPM自身提供的F0信号不能保持为避免IPM保护动作的反复性一个完整的系统不能只依靠IPM的内部保护机制还需要辅助外围电路的保护外围辅助电路将内部提供的F0信号转换为封锁IPM的控制信号关断IPM输入信号实现保护。可通过硬件方式实现也可通过软件方式实现。5.2.5 逆变器保护电路设计保护电路是逆变器系统的重要组成部分其作用是反映系统的运行情况并保障系统的安全运行。逆变器中引起元器件损坏的故障原因主要有短路、过流、过压和过热逆变器的检测包括直流侧电压检测逆变输出电压检测以及旁路输入的电压检测等。因此在逆变器系统中保护电路能够及时地反映出这些故障状态并按照保护策略做出相应的动作。保护电路有硬件保护和软件保护。下面我们就直流母线直流侧的过流保护进行介绍。直流侧过流保护的原理是根据直流侧流过的电流来判断逆变桥以及逆变输出是否过流或者短路。其原理图如6-10所示。直流侧电流保护将对直流侧流过的电流进行采样直流侧电流经过霍尔元件采样后如图5-10b所示采样后经过一个RC滤波电路后将与给定的直流侧电流最大值进行比较。若检测到的直流侧电流大于给定值则比较器输出为负压从而端口Dc-P输出为低电平即保护动作。若检测到的直流电流小于给定值则比较器输出为正压端口Dc-P输出为高电平无保护动作信号。其他的类似都是通过检测电路将需要的量检测然后与给定值进行比较后做出相应的动作。6.1 系统主程序设计流程基于DSP的光伏发电系统的软件程序设计的最终目的是实现前级最大功率点跟踪后级SPWM逆变。软件程序主要包括主程序和中断服务子程序。主程序完成系统的初始化工作中断服务子程序则主要完成采样以及数据处理等工作。在最大功率点跟踪中断服务子程序中先采样电池电压和电流然后对数据进行处理得到实时的功率接着对比上一次采样的功率从而计算出Boost电路的输出占空比在SPWM中断服务子程序中先是对输出电压采样与参考电压比较之后生成电流参考信号和采样的输出电流比较然后进行PID调节最后更新比较寄存器得到SPWM驱动信号。主程序中包括必要的初始化程序和主循环程序。初始化包括对特殊寄存器以及外部事件管理器中的寄存器的初始化同时对变量进行定义。主循环里完成多个非中断的功能一旦中断来临程序就跳转到相应的中断服务子程序根据设计的要求它完成了系统的电压电流采样、过电压检测、逆变器驱动信号产生以及切换交流直流输入的功能等。本设计采用的是以DSP2812为主控芯片系统主流程图如图6-1所示。本设计主要是用DSP来生成PWM波去驱动Boost升压电路和IPM中的逆变桥利用事件管理器的一个全比较单元输出一对互补的SPWM脉冲利用定时器生成PWM波去驱动Boost升压电路。时钟由通用定时器1提供计数器的工作方式设置为连续增减方式。将在每一个周期内产生两次电平翻转即PWM引脚输出一个脉冲。若要实时改变输出脉冲的占空比在每个脉冲周期内在线计算并改写比较寄存器CMPR1的值即可。功率开关器件有一定关断延迟当同一个桥臂的上管关断时下管不能马上开通否则将会由于短路而击穿使用DSP事件管理器的全比较单元中的死区控制器在同一桥臂的开通和管短间插入一个死区时间防止短路现象发生保护功率器件。通过对比较单元的寄存器进行适当的设计可以方便的发出所需要的SPWM波。SPWM程序主要包括对EVA初始化、相关变量初始化、正弦波的产生和CMPR1的重载前三个功能都是在主程序完成的如图6-1所示。DSP端口资源的分配如表6-1所示6.3 A/D中断程序的设计流程CMPR1的重载是通过比较单元匹配中断实现的中断服务程序流程如图6-2所示。整个程序是由主程序和T1定时器中断子程序组成主程序用于DSP TMS320F2812系统初始化及在线计算T1定时器中断子程序用于更新PWM输出的占空比。占空比的计算方法为; )sin1(21DCtaT式6-1中TC三角波的一个周期时间1为正弦调制信号的角频率tD三角波的波谷时间。如上图5-3所示。其中M为调制比NX 为载波比C1C2为常数是通过T1PR寄存器值与调制比计算得出。A/D转换的触发源设置为EV中的事件源触发当AD单元接收到触发信号时自动开始A/D转换且将转换结果自动存入结果寄存器ADC-RESULT中当转换结束信号到来时进入ADCINT中断服务程序进行相应处理。在中断服务程序中首先读取转换结果利用计算平均值滤波算法对转换结果进行数字滤波按一定关系转换成相应的实际电压和电流计算电流和电压的有效值传递到主程序中进行判断和谐波分析并通过液晶显示出来程序流程