（微电子学与固体电子学专业论文）基于dsp的光伏发电远程监控系统的研究.pdf

皆由。一。二 黝雨延搬杀￥妊掣 y 圜按掣干号酉垂挺嚣 d so u o p o s 它qm o l s 天ss u ! j o ”u o ，p ! a 9a d j oq o 此9 s 9 3 q 工 q8s s 8i 琶抱朝骑当群珊乱娶目髯河采朝d s ( i 士署 茸观再杀千避 豢x 姥孥 拄影：獬翠 s s 0 0 i：钮抖辫嘉 ：加n ：鲁椠彤园申 。擎徘皂革磁珥毒拦移非婪申甭箪扭毒￥拦掣删蟛萃观珥毒拦珏非髟 斗囤辫萃詈毒焉( 料丝箪一) 剪晕勒甲。萃砚珥毒明千逊、千斟挚蚶明士戮辫椠出娶锋群群卓：干， 茸磁妊影非椠耿骥显吾 ：瑕曷 ( i l o o o e ) 6 0 z 。i e 罩汤因显杀￥妊单：( 嘴卿) 弭研署联 - w o o i ! 留m s s 8 6i 似暑u ! 弘i l b m 妒0 妒8 ii 乙9 9 e l 县印萋独 杀士印璐回与杀士审璇不拿鞠嘉杀性半辑冒粤玛i 崔l 瓢 口+ 迹华赤翁刨口必辚珥掣口再杀环拿千班口千鞋幽杀口千斟眙椠茸现 目妒z 日s 由0 1 0 乙脬目挺嚣 ii z 0 厶0 0 乙i 乙 鲁杀车罩缸零辅 錾擅明驹显群珊醇娶印髯采朝d s g = e 霉目野茸现 冒毋晕勒革拱珥毒苇荜也丢￥岳单 目i e 日s 0由 o i o i ； 罩鼋匿一：古蓊y 砰群基岩动 。掣曷勘钭二国瞠鞠雨延搬甲船鞋草一岳蓊锋砰群牢。晕群驻丁卑瓤晕刨y 卓 。酉目y 卓甲凿g 碍业掰朵刨业圉蹲琏一站早朝茸现卓雪狮与到壬印茸砚珂杀朝莓瞢 2 挺嚣茸砚罂联 己冀智劬明搿莘助阿刨脬区杀嘉￥妊单翠并茸现四杀明y 卓：张凄y 牢 。t t u t l x a p u y i 0 0 8 ：1 9 i o 乙e i i z o u ：d l l q 。辚幽勘诈圈辫互蕈暂醑印茸砚 。茸砚妊孑到暂砷哇萆鬻g 逻鹄暂殂静鬻唑蕈鬻嘶刨业掣刮睁逻哿茸砚珥杀妊移非 。胖砰明茸砚擎髯材聱劭髯翠禺哿y 章翱刨。暂硼冒髫身幂蟛拯鞭豳￥胖罾驳豇 犁群磉茸歌码杀翠胖y 劲冀列壬印暂谣茸砚砑杀朝幽弹犁群革鬻裂狲帘士砷( 鼙咪) 吐睁半 杀国士瞠抬錾施冯署瓣性国串刨骅杂砰群箬勘茸砚再杂( 哥) 2 茸砚再葫鲷妊影萃鬻西贡犁群 僻旦辚掣杂￥妊掣羊群￥单勰旦磷群斟( ) o 暂邵冒身罐丐舄禧生、甄孵茸弓茸砚谣询鳞 茸、攀弭善目茸现鞲暂丁豳圉珥翠罄闻雨蛳掣辫讯鬻鲻瞬戋勘斗固翠僻鞭椠勤茸观珥杀朝 妊影琳伯且珥奈脚目地性咄杀骣椠( z ) 2 茸辨鞣覃弓茸砚珥嘉千煎斟素￥妊掣y 孵# 茸砚斜嘉雨琶搬掣哿秘圭陴暂砚茸筝由黪、由缮时滥相且辫秦( 狲士日谣牢瞪由驾狮并 b ) 茸刁4 珂杀萆静犁群辫彭巧县勘罪珥杀( i ) ：d 目砰出现茸观珥杀朝掣幽弹犁群餮砰勘鐾 翠单眸杀￥妊阜。晕酶整县6 f i 目唑瞠撵劲茸现弭杀币距搬* 阜嘉￥妊掣拷工弓华y 卓 。列乒审犁群谣宰智狮茸砚码杂鲥y 卓藁斟杀￥拦单删彰簖某勘 罪弭嘉千煎千斟朗辫錾嚣华承昌目脞咄攀劲茸识珥杀甭距抱壬￥杀￥拦掣辨诽 纬砰群茸科茸歌斟丢毒￥妊掣 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文 原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：呈定主2 0 1 0 年5 月3 1 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申请 和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本说明 为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准e l 期 2 0年 月 日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长l o 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 近年来，随着国民经济的飞速发展，光伏产业得到了迅速的发展。很多地 方都相继修建了大量的光伏设施，其中以光伏发电系统占大多数。因此，随着 光伏发电系统的大量兴起，其发电监控系统就相应的发展。 本文主要研究光伏发电系统的远程监控系统的设计与实现。 第一章介绍了光伏产业的发展，光伏发电系统的发展以及其监控系统的发 展，讨论了论文的立题背景和意义，以及本论文的主要工作内容。 第二章首先介绍了光伏发电系统的主要拓扑结构，包括常用的d c d c 变换 电路和逆变器的拓扑结构，分析了其工作原理。然后着重介绍了光伏发电监控 系统，包括控制系统和通信系统的结构，分析了其组成部分和功能。最后着重 讨论了应用工业以太网技术和现场总线技术相结合的方法实现监控系统核心的 通信系统设计。 第三章主要介绍了光伏发电监控系统前端控制电路的作用和设计方法，分 别介绍了控制部分电路和采集部分电路的设计实现。 第四章中主要介绍光伏发电监控系统核心的通信系统的硬件电路设计，即 以d s p 和网络控制芯片为核心的硬件平台的设计。 第五章主要介绍了光伏发电监控系统通信系统的软件系统设计，主要包括 嵌入式t c p i p 协议栈的实现和s o c k e t 通信的实现。 第六章在完成了光伏发电监控硬件系统和软件系统的基础上，主要介绍了 系统功能的具体实现过程和测试的结果，并介绍了后端显示平台的实现。 本论文所做的工作，对光伏发电监控系统的实现做出了有益的尝试，最终 目标是监控系统安全，准确及高效的运行，对于光伏发电系统的安全生产以及 推广具有深远的意义。 关键词：光伏发电监控系统d s p 以太网t c p i ps o c k e t a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i de c o n o m i ct h ep h o t o v o l t a i ci n d u s t r yh a sb e e n r a p i d l yd e v e l o p e d m a n yp l a c e s h a v eb u i l tal a r g en u m b e ro fp h o t o v o l t a i c i n s t a l l a t i o n s ，w h i c ht h em a j o r i t yo fi sp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e ，a sag r o w i n gn u m b e ro fp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s ，t h ep v m o n i t o r i n gs y s t e mi sc o r r e s p o n d l yd e v e l o p e d t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ep vr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n t h ed e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i ci n d u s t r y , t h ed e v e l o p m e n to fp vs y s t e ma n d t h e d e v e l o p m e n t o fi t sm o n i t o r i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r1 。t h e b a c k g r o u n d ，p u r p o s ea n dm a i nc o n t e n to ft h i s d i s s e r t a t i o nw i l lb ed e t a i l e di nt h i s c h a p t e r i nc h a p t e r2 ，t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ed c - d c c o n v e r t e ra n di n v e r t e ra r ea n a l y z e df i r s t t h e nf o c u s e so nt h ep vm o n i t o r i n gs y s t e m ， i n c l u d i n gt h ea r c h i t e c t u r eo fc o n t r o ls y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n a l y z e si t s c o m p o n e n t sa n df u n c t i o n s f i n a l l yf o c u s e so nt h em e t h o do fc o m b i n i n gi n d u s t r i a l e t h e r n e ta n df i e l db u st e c h n o l o g ya n du s e si tt oa c h i e v et h ec o r ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mo fm o n i t o r i n gs y s t e m c h a p t e r3d i s c u s s e st h ed e s i g no f t h ec o n t r o lc i r c u i to ft h ep vm o n i t o r i n gs y s t e m w h i c hi sm a d eu po ft h ec o n t r o lc i r c u i ta n dt h ea c q u i s i t i o nc i r c u i t c h a p t e r4d i s c u s s e st h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft h ep vm o n i t o r i n g s y s t e mw h i c hu s e sn e t w o r kc o n t r o l l e rc h i pa n dd s p a st h ec o r et od e s i g nh a r d w a r e p l a t f o r m c h a p t e r5 i n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， i n c l u d i n gi m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c ka n dt h er e a l i z a t i o no f s o c k e tc o m m u n i c a t i o n c h a p t e r6m a i n l yi n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fi m p l e m e n t a t i o na n dt h em e a s u r e d r e s u l t sw h i c hi sb a s e do nt h eh a r d w a r ea n ds o f e w a r es y s t e m t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h eb a c k - e n dd i s p l a yp l a t f o r mi sa l s oi n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e r 垒! 墅型 一 t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sag o o da t t e m p tt or e a l i z et h es t a b l ea n d h i g h e f f i c i e n c yo p e r a t i o no ft h ep vm o n i t o r i n g1 s y s t e m a l lo ft h e s ew i l lh a v ea n a c t i v ei m p a c to nt h ea p p l i c a t i o no ft h ep vm o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：p vm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m d s pe t h e m e tt c p i ps o c k e t i i ! 目录 目录 第一章引言1 第一节课题背景1 第二节光伏监控系统研究现状3 第三节本文所作的工作。4 第二章光伏发电系统及其监控系统6 第一节光伏系统概述6 2 1 1 直流斩波器6 2 1 1 1 降压型变换电路6 2 1 1 2 升压型变换电路1 0 2 1 2 逆变器1 3 2 1 2 1 电压源型逆变器1 4 2 1 2 2 电流源型逆变器1 5 第二节光伏发电监控系统1 6 2 2 1 以太网( e t h e r n e t ) 概述1 7 2 2 1 1 工业以太网1 8 2 2 1 2 以太网技术的特征1 9 2 2 1 3e t h e r n e t 帧结构2 3 2 2 2 现场总线技术的概述2 4 2 2 3 以太网技术和现场总线技术在光伏系统中的结合2 7 2 2 3 1 以太网技术和现场总线技术的优点与缺点2 7 2 2 3 2 以太网技术和现场总线技术相结合的探讨2 8 第三章光伏发电监控系统的控制电路设计3 l 第一节发电系统控制电路设计3 1 第二节发电系统信号采集电路设计3 3 第四章光伏发电监控系统通信系统的硬件设计3 5 第一节系统硬件结构3 5 第二节各功能模块硬件设计3 7 4 2 1 主处理器_ d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 3 7 i 、， 目录 4 2 2 以太网控制芯片- - e t h e r n e tc o n t r o l l e r ( r t l 8 0 1 9 a s ) 3 9 4 2 3 接口电路设计4 0 第五章光伏发电监控系统通信系统的软件设计4 2 第一节系统软件结构4 2 第二节r t l 8 0 19 a s 驱动程序开发4 3 5 2 1r t l 8 0 1 9 a s 的寄存器4 3 5 2 2r t l 8 0 1 9 a s 的复位和初始化4 4 5 2 3r t l 8 0 1 9 a s 的接收数据过程4 7 5 2 4r t l 8 0 1 9 a s 的发送数据过程4 9 第三节嵌入式t c p ip 协议簇的研究和应用一5 0 5 3 1t c p i p 协议简述5 l 5 3 2s o c k e t 套接字编程5 5 5 3 3 嵌入式t c p i p 协议簇5 8 5 3 3 1a r p 协议设计与实现5 9 5 3 3 2i p 协议设计与实现6 1 5 3 3 3i c m p 协议设计与实现6 5 5 3 3 4u d p 协议设计与实现6 8 第六章光伏发电监控系统功能实现7 1 第一节嵌入式t c p ip 协议通信的实现7 1 第二节系统功能实现7 6 第三节显示平台的实现7 8 第七章总结与展望8 0 第一节本文工作总结8 0 第二节工作展望8l 参考文献8 2 致谢8 5 个人简历、学术论文与研究成果8 6 v 第一章引言 第一章引言 当今是新能源发展和使用的时代，越来越多的国家和地区在关注新能源状 况，而太阳能作为新能源中最具有开发使用价值的能源在近几年有了长足的发 展。随着太阳能产业的发展和技术的进一步成熟，我国和其他国家如德国，日 本，美国等发达国家均修建了许多大功率的太阳能发电设施。这些工业设施一 般修建在采光效果比较好的室外，所以对这些太阳能发电设施进行必要的监控 是必须的。而随着科学技术的飞速发展，尤其是计算机网络技术的高速发展， i n t e m e t 实现了将全世界的计算机系统、通信系统集成起来，形成公用的数据网 络，给人类的生活方式乃至整个人类社会都带来了根本性的变革，因此，工业 控制自动化技术和变电站控制技术也取得了迅速的发展，演变出了新型的技术 工业以太网和智能变电站。近年来，借鉴于工业以太网和智能变电站技术， 太阳能发电设施的监控也逐步走向了以太网技术和智能控制结合的新型监控技 术。伴随着技术更新速度的加快，以太网技术走向了成熟，特别是其良好的确 定性、优秀的传输速度和明确的信息优先级等方面。交换技术的飞速发展直接 消除了以太网结合控制领域的屏障。因此使用以太网技术向底层延伸和现场总 线实现无缝连接是光伏监控的一个新的发展趋势。 第一节课题背景 在最近的几年里，随着能源问题的日益突出，新能源技术的飞速发展，各 国的都相继的投入了大量的资金进行研究，太阳能作为新能源中重要的组成部 分，太阳能发电系统在各国普遍兴起 1 】【2 】。光伏发电系统可以分成两大类：离网 系统和并网系统。离网系统需要蓄电池来存储电能，适用于小功率应用场合， 一般适用于边远地区，市电不易到达的山区等；并网系统使用大功率的逆变器 实现将太阳电池产生的直流电逆变成为符合并网条件的交流电，输送到公共电 网中，因此不需要蓄电池，生产成本可以进一步降低，适用于大功率应用场合。 其中大功率的光伏并网系统是太阳能利用的主要应用方式。光伏发电系统的结 构框图如图1 1 所示。 第一章引言 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ii l - 一一- j 图1 1 光伏发电系统示意图 目前由于这类光伏系统一般建在边远地区，地理环境和自然条件比较恶劣， 不便于用以往传统的传统方式进行分散维护和人工监控，因此，近几年来伴随 着工业以太网和智能变电站技术的兴起，光伏系统监控系统3 8 1 1 3 9 j 4 0 4 1 】也逐渐发 展起来。光伏发电监控系统是一类用于对光伏发电系统进行监视控制的系统， 它主要完成前端系统控制、前后端通信和后台显示三部分的功能，前端系统控 制完成对发电系统的控制和发电系统各项参数的采集，如太阳能电池电压、逆 变器母线电压、电网电压等系统参数；中间通信系统完成前后端的通信，实现 快速，准且和高效的通信；后端显示平台完成采集数据的显示、处理和控制命 令的发送。图1 2 所示为监控系统三个组成部分： 2 li-_-i-_-l 离阿系统 一 并两系统 一 第一章引言 图1 2 光伏发电监控系统组成示意图 第二节光伏监控系统研究现状 光伏发电监控系统应该具备以下功能p 8 】【3 9 | 1 4 0 1 1 4 1 】： 1 、数据采集 实时采集太阳电池阵输出电压、输出电流，环境温度，逆变器输出电压、 电流，电网电压、电流以及配电开关状态等。 2 、故障检测 实时检测光伏系统设备运行状态，当状态设备发生故障时，应立即发出声 光及远程告警信号，通知维修人员及时处理。 3 、数据存储 将光伏系统的运行数据存储在存储器中，当系统发生故障时可将运行数据 传送到远程监控中心，以便进行故障分心和定位。 4 、远程监控 具有远方通讯接e l ，以保证远方监控中心对光伏系统工作的状态的了解及 远程控制，即具有遥测、遥控、遥信和遥调功能。 光伏发电监控系统在近几年已经有了一定的发展，但是，由于本身光伏发 电系统发展时间较短，因此，光伏发电监控系统的发展尚未成熟，尚未形成统 3 一 i。-j 第一章引言 一的业界标准，属于初具规模。现今的光伏发电监控系统，规模上大小不一， 技术上多种多样，所以，要建立一个合理高效的光伏并网监控系统是有必要和 深远意义的。光伏发电监控系统的三大部分中控制电路和显示平台，具有通用 性，各个设计中差别不是很大，其实现也相对简单，因此，监控系统的重点是 通信系统的设计。 目前通信系统设计尚不完善，系统设计比较简单，通信协议尚无明确规定， 整个系统尚未实现标准化和协议化。大多数通信系统类似工业控制中的现场总 线控制系统【1 5 】【1 6 1 ，这类系统采用了微处理器( 如m c u ，a r m ，d s p ) 等和现场总线技 术相结合的方式来实现整个监控系统。现场总线技术把各个分散系统的测量控 制设备转换为网络节点，相互连接成可以互相通信，交换信息和共同完成自动 控制任务的网络化控制系统。但是由于现场总线技术是有条件不彻底的开发协 议，存在许多的问题因而制约了它的发展，主要表现在通信协议不规范，多种 总线并存时实现复杂的问题和传输的速率较慢。 伴随着以太网技术的高速发展，工业以太网1 2 0 1 1 2 l 】的出现，在光伏系统中使 用以太网代替现场总线技术已经成为了一个趋势。高速的微处理器无缝接合具 有传输速度高、低功耗、便于安装和良好的兼容性等多方面优点的以太网技术， 可以支持大多数流行的网络协议，是实现光伏系统控制网络的最好选择。但是， 由于以太网技术不具备现场总线技术的实时性和高安全性，因此，在底层设备 之间依然不具备足够的优势替代现场总线技术。在以后的通信系统设计中，这 两者之间的关系处理是设计中的重点。 第三节本文所作的工作 本文的主要工作是光伏发电监控系统的研究，包括监控系统的设计和实现， 核心工作是完成监控系统的核心一通信系统的实现。将嵌入式技术和以太网技 术结合在一起，实现了将以太网芯片集成到智能化的光伏发电监控系统中，并 在此基础上实现了使用简化t c p i p 协议的以太网接口，在结合前端控制电路和 后端显示平台，一起构成了新型以太网光伏监控系统。本文的主要任务如下： 1 、综述了光伏发电系统，并分析比较了当今光伏发电监控系统现状，提出 了使用以太网实现智能化的光伏发电监控系统的可能性和实现方法。 2 、设计了光伏发电监控系统的控制电路和显示平台，使用t i 公司的d s p 4 第一章引言 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和网络接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 设计嵌入式以太网控制器来完成 通信系统的建立。 3 、详细介绍了t c p i p 协议簇，并精简了t c p i p 协议簇，在d s p 中实现了 简化的t c p i p 协议。 4 、使用了s o c k e t 套接字进行上层程序开发，便于移植和方便与上位机进 行通信，并在p c 上实现了相互通信。 5 第二章光伏发电系统及其监控系统 第二章光伏发电系统及其监控系统 本章主要讲述了光伏系统的一些主要拓扑结构和其核心组成部分一逆变器 的结构和基本原理，并详细介绍了其监控系统的组成，并比较分析了现有的监 控系统，提出了使用以太网来实现智能化的光伏监控系统的新方案，并论证了 它的可能性和实现方法。 第一节光伏系统概述 光伏系统 3 1 主要有两个核心的能量传递控制部件组成，即：直流斩波器 ( d c - d c 控制器) 和逆变器( d c a c 控制器) 。由于太阳电池发出的直流电的电 压和输出功率随着光照强度、温度等外界因素变化，变化规律比较复杂，所以 需要使用d c d c 控制器实现对蓄电池的充放电控制，对直流负载的管理和实现 太阳电池的最大功率点跟踪。逆变器是实现将太阳电池发出的直流电逆变为符 合公共电网标准的交流电，最终并到公共电网中或用于接交流负载。 2 1 1 直流斩波器 d c d c 控制器【4 】【5 1 按是否输出隔离可分为非隔离式和隔离式两大类型。非隔 离式d c d c 控制器有按输出电压和输入电压的关系分为：降压型( b u c k 型) 、 升压型( b o o s t 型) 控制器和升降压型控制器；其中升降压型控制器又可分为： 降压升压型( b u c k b o o s t 型) 、升压降压型( b o o s t - b u c k 型) 和单端初级电感转 换器( s e p i c 型) 。隔离式直流变换拓扑有：反激式变换器、正激式变换器、推 免式变换器、半桥式变换器和全桥式变换器等。 通常在光伏系统中使用的d c d c 控制器大多是非隔离式的，b u c k 型控制器 和b o o s t 型控制器是非隔离式控制器中的基础，因此下面重点介绍非隔离式 d c d c 控制器中的b u c k 型和b o o s t 型控制器。 2 1 1 1 降压型变换电路 b u c k 型变换电路【4 】【5 1 因其输出电压低于输入电压故又称为降压型变换电路。 降压型变换电路的基本形式如图2 1 ( a ) 所示，图中开关k 可以是各种电子开关如 功率m o s 管、i g b t 等，d 为续流二极管，其开关速度应不小于足的开关速度， 6 第二章光伏发电系统及其监控系统 d 常用快速恢复型的肖特基二极管。电感三和电容c 组成低通滤波器，兄为负 载。为了简化分析，作如下假设：开关k 和二极管d 是无损耗的理想开关器件， 输入直流电源u 是理想电压源，电感三和电容c 为理想元件忽略其损耗。 + u d l l ( c ) 图2 1b u c k 型变换电路 当b u c k 型变换电路中的电容、电感和开关管均为理想的情况下，在电路达 到稳态时，遵循电感伏妙守恒原理和电容电荷守恒定理即在一个开关周期中电 7 第二章光伏发电系统及其监控系统 感的电流净变化量为零和电容的电压净变化量为零。即： t ( 正) 一t ( 瓦) = 了1e =0(t)dt 0 ( 2 1 ) t ( 正) 一t ( 瓦) 2 了上 = ( 2 l 圪( i ) 一v a r o ) 2 砉上i c ( t ) d t = 0 ( 2 2 ) 基于这两个守恒原理我们对b u c k 型电路展开分析。假定开关周期为z ，0 到乙时刻开关管导通，乙到t 时刻开关管截止。 在图2 1 ( f l , ) 所示的电路中，在按键k 闭合期间二极管反向偏置，其等效电 路如图2 1 ( b ) 所示。此时电感两端电压为以一玑，电感三中的电流线性增长， 电感通过电源储能。在按键k 断开期间，由于电感的储能作用，其两端产生楞 次电压，以阻止流过电感的电流减小，致使二极管导通，此时其等效电路如图 2 1 ( c ) 所示，电感两端电压为一乩，电感中的电流线性衰减。 由式( 2 1 ) 我们得出下式： o = 圭 r ( 玑一u o ) d t + ( 一u o ) d t ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 我们推出 u o = 玑i ，o n ；令d = 鲁则虬= d 玑 ( 2 4 js 上式中u 。为电源电压，以为输出电压的平均值。占空比d 总是介于0 和1 之间，因此在d 的变化范围内，输出电压“总是小于输入电压u ，改变d 值就 可以改变输出电压平均值的大小【1 0 1 。 由于电感电流存在一个线性增加和线性衰减的过程，因此电感电流和电容 电压存在一定的纹波。 首先讨论电感电流的纹波大小。 由上面分析可知，在0 到乙时刻电感电流线性增长到某个值，在乙到e 时 刻电感电流再跌落到原来值。由式( 2 5 ) 我们可以推导出电流的纹波值见式 ( 2 6 ) ： u = 竺( 2 5 ) 衍 i l = 圭r 呦= 三lr ( 玑一u o ) a t = 玑等等( 2 6 ) 由此可知电感电流的纹波与电感值三和开关周期z 密切相关，当开关管的开 关频率越高，电感值越大则电感电流的纹波越小。 8 第二章光伏发电系统及其监控系统 接着讨论输出电压的纹波大小。 由于电感电流存在纹波，我们可以假设该电流的纹波分量全部流过电容， 直流分量全部流过电阻。设电流均值为，l ，则在电流，大于t ，时为电容充电， 在电流，小于，时为电容放电。这样输出电压即电容两端的电压的纹波就可以通 过电感电流的纹波计算出来。在理想状态下电感上的电流线性变化，由式( 2 7 ) 我们可以推导出电容电压纹波值见式( 2 8 ) ： 扛c 坐 ( 2 7 ) 呤吉联驴坨渺z 1 1 a i j ( t o q - ( 正粕2 - 舭) ( 2 8 ) = 而1 a 屯乃 联合式( 2 6 ) 推出： = 去馘z = t , 2 u 矿, d ( 1 - d ) ( 2 9 ) 由此可知电容电压的纹波与电感值三，电容值c 和开关周期z 密切相关，当 开关管的开关频率越高，电感值、电容值越大则电容电压的纹波越小。 由上面分析可知在一个开关周期内，电感中的电流存在着一个增大和减小 的过程，这就导致该变换电路存在两种运行情况：电感电流连续模式( c c m ) 和电 感电流断续模式( d c m ) 。电感电流连续模式是指电感在整个开关周期内均有电流 存在：电感电流断续模式是指电感电流在开关管截止期间输出电流提前降为零， 即在整个开关周期内电感电流有一段时间为零。 上面对输出电压大小、电压、电流纹波的分析都是建立在电感电流连续模 式下的。当电感电流处于断续模式时： 由于理想的电感、电容都不耗能，电感电流在一个开关周期内的平均值与 负载电流l 相等，即： 厶= 兰二l ( 2 1 0 ) 其中厶是在一个开关周期中电感电流的最大值，是最小值。 将式( 2 1 0 ) 同时代入式a i l = 1 2 一，可得： 厶= i o 一等 ( 2 1 1 ) 令t = a i l 2 ，在整个开关周期中，则当实际负载电流l 大于l 时，始终 大于0 ，电路工作在电感电流连续模式。当厶小于l 时电路工作在电感电流断续 9 第二章光伏发电系统及其监控系统 模式。结合( 2 6 ) 式临界连续的电感值l 为： 乞：簪d 0 一d ) 二c 电感电流临界连续时的负载电流平均值为： l ：簪d o - d ) 厶k 可见临界负载电流与输入电压u 。、电感值、开关周期有关。 高、电感值越大，则l 越小，越容易实现电感电流连续工作模式。 在实际应用中要尽量避免电路工作在电感电流断续工作模式， 成整体功耗的增加和d c d c 控制器的整体性能变差。 2 1 1 2 升压型变换电路 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 开关频率越 否则容易造 b o o s t 型变换电路【4 】【5 】因其输出电压高于输入电压故又称升压型变换电路。 升压型变换电路的基本形式如图2 2 ( a ) 所示，图中开关k 可以是各种电子开关 如功率m o s 管、i g b t 等，d 为续流二极管，其开关速度应不小于k 的开关速 度，d 常用快速恢复型的肖特基二极管。兄为负载。为了简化分析，作如下假 设：开关k 和二极管d 是无损耗的理想开关器件，输入直流电源u 。是理想电压 源，电感三和电容c 为理想元件忽略其损耗。 1 0 第二章光伏发电系统及其监控系统 。 。l 朋 娄c r o i 一、i + k i 一= 。i l 朋 姜i u s u e = 图2 2b o o s t 型变换电路 在图2 2 ( a ) 所示的电路中，在开光k 导通期间二极管d 反向偏置，其等效 电路如图2 2 ( b ) 所示，此时电感两端电压与电源电压相等即u 。= u l ，电感中的 电流线性增长，电感三通过电源储能。在开关k 截止期间，由于电感的储能作 用其两端产生楞次电压，以阻止流过电感的电流减小，致使二极管d 导通，此 时其等效电路如图2 2 ( c ) 所示，这时电感两端电压为u 。一以，电感中的电流f ，线 性衰减。由于楞次电压的方向与电源u 。的方向相同，这就是b o o s t 型变换电路 升压的根本原因【l 。 第二章光伏发电系统及其监控系统 由式( 2 1 ) 我们可以列出下式： o = 圭 r “玑衍+ ( 玑一g o ) t i t - j ( 2 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 我们可以推出 v o - - 玑百i ；令d 2 号则v o = 配f 1 c - 5 ) 上面两式中以为电源电压，以为输出电压的平均值。占空比d 介于0 和1 之间，因此在d 变化的范围内，输出电压玑总是大于输入电压u 。，改变d 值就 可以改变输出电压平均值的大小。假定开关周期为，0 到瓦。时刻开关管导通， 乃。到瓦时刻开关管截止。 与b u c k 型变换电路类似，b o o s t 型变换电路中，电感电流在一个开关周期 中也存在一个线性增加和线性衰减的过程，因此电感电流和电容电压都存在一 定的纹波。 首先讨论电感电流的纹波大小。 由上面分析可知，在0 到乙时刻电感电流线性增长到某个值，在t o 到e 时 刻电感电流再跌落到原来值。由式( 2 5 ) 我们可以推导出电流的纹波值： a i l = z 1r 吼出= 圭r 玑衍= t u s t , d ( 2 1 6 ) 由此可知电感电流的纹波与电感值三和开关周期t 密切相关，当开关管的开 关频率越高，电感值越大则电感电流的纹波越小。 下面讨论输出电压纹波的大小。 分析图2 2 可知，b o o s t 型变换电路的工作分为两个阶段：开关足导通时， 电感储能，此时负载和电容被短路，电源不向负载提供能量，电容通过负载放 电；开关k 断开时，电源和电感共同向负载供电，同时还给电容充电。在稳态工 作时，电容充电量等于放电量，通过电容的平均电流为零，故通过二极管d 的 电流平均值就是负载电流。因此电容电压的纹波值与开关管导通时电容电压的 减少量相等。由式( 2 7 ) 我们可以推导出输出电压u ，即电容电压的纹波值： ：土pi ： ( 2 。 c d t u o d t , t 7 ) c r o 由此可见电容电压的纹波与电容值c ，开关周期乃和负载足密切相关，当 开关管的开关频率越高，电容值越大则电容电压的纹波越小。 由上面分析可知在一个开关周期内，电感中的电流存在着一个增大和减小 的过程，这就导致该变换电路存在两种运行情况：电感电流连续模式和电感电 1 2 第二章光伏发电系统及其监控系统 流断续模式。电感电流连续模式是指电感在整个开关周期内都有电流存在；电 感电流间断模式是指电感电流在开关管截止期间输出电流提前降为零，即在整 个开关周期内电感电流有一段时间为零。 上面对输出电压大小、电压、电流纹波的分析都是基于电感电流连续模式 下的。当电感电流处于断续模式时： 由于理想的电感、电容均不耗能，电感电流在一个开关周期内的平均值与 负载电流l 相等，即： i o 学 亿 其中厶是在一个开关周期中电感电流的最大值，五是最小值。 将式( 2 1 8 ) 同时代入式f ，= 2 2 一i i ，可得： ，：，n 一堕：一u o 一堕 ( 2 1 9 ) 。 2r o2 令= 屯2 ，在整个开关周期中，则当实际负载电流厶大于时，始终大于 0 ，电路工作在电感电流连续模式。当l 小于i 时电路工作在电感电流断续模式。 将式( 2 1 6 ) 带入( 2 1 9 ) ，临界连续的电感值t 为： 三：u , t s d( 2 2 0 ) 。 2 。 电感电流临界连续时的负载电流平均值为： i ：旦理：丝( 2 c 一 2 丘尼 2 1 ) 由此可知临界负载电流l 与输入电压虬、电感值厶和开关频率巧有关a 开 关频率越高、电感值越大，则l 越小，越容易实现电感电流连续工作模式。 由式( 2 1 9 ) 可知，当负载电阻过大时，正容易为0 ，即电路容易工作在电感 电流断续模式。实际来说，负载电阻过大，会导致电容c 放电不完全，若此时 开关管导通时间仍然不变，电源输入到电感中的磁能，将会导致眈不断升高， 因此没有输出电压闭环控制b o o s t 电路不宜在输出端开路下工作。 在实际应用中要尽量避免电路工作在电感电流断续模式，否则将造成电感 发热，整体功耗的增加和d c d c 变换器的整体性能变差。 2 1 2 逆变器 光伏发电系统的主要应用场合就是实现光伏并网，而光伏并网系统中核心 部件就是逆变器。逆变器【6 】【7 1 【8 1 1 9 1 的功能就是将太阳电池所发出的直流电逆变成 1 3 第二章光伏发电系统及其监控系统 符合公共电网标准的交流电并到公共电网中或直接带交流负载。当今国内外市 场上成熟的逆变器产品大多是电压源或电流源型。因此下面就着重介绍这两类 逆变器。 2 1 2 1 电压源型逆变器 电压源型逆变器【1 4 】( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r - v s i ) 的显著特征是直流输 入端使用电容储能，使v s i 直流端呈现出低阻的电压源特性。图2 3 所示的是 单相v s i 的电路结构。其中k 为直流输入源，通常是蓄电池、燃料电池和太阳 电池等直流源。电容c 为大容量电解电容，在电路中起到储能和稳压的作用。 s 一蜀为电力开关，通常是大功率的m o s 管或i g b t 等。 通过对电力开关s 一& 施加p w m 调制策略如s p w m 、s v p w i 等，在交流输出侧 得到相应的p w m 斩波电压眈。，通过后级的低通滤波电路将高频分量滤除，得 到正弦基波分量，从而输出波形为正弦波具有一定频率的交流电压。 v s 图2 3 单相电压源型逆变器电路结构图 负 载 至今，电压源型逆变器已经有了广泛的应用，典型的应用场合有：电气传 动( e d ) 、不间断电源供给( u p s ) 、静止无功补偿器( s v c ) 、有源电力滤波( a p f ) 和 太阳能、风能等可再生能源的并网发电。 但是受限于其自身的拓扑结构，电压源型逆变器存在着的一些局限性： l 、从电路拓扑结构看，v s i 拓扑是由b u c k 变换电路拓展而来，因此，使得 逆变器输出电压总是低于直流输入电压。所以，如果需要高的输出电压，通常 要在逆变器输入前端增加b o o s t 型变换电路或在逆变器输出级加入升压变压器。 前者增加了d c - d c 变换器，使系统存在两级变换，因而降低了输出效率，同时 增加了控制的复杂程度；后者因升压变压器的引入，导致系统的成本、体积增 加，且变压器低压侧存在电流相对较大的问题，所以，在设计时将不得不考虑 1 4 第二章光伏发电系统及其监控系统 开关电流应力等诸多问题。 2 、v s i 输入直流侧具有电压源的低阻特性，将禁止逆变器工作在同一桥臂 上的两个开关管直通( 同时导通) 状态如图2 3 所示的s 和最、s 和墨，否则， 输入端短路，导致开关管因过流而损坏。考虑到开关管的开通、关断及驱动电 路的延迟时间，为避免直通状态的发生，v s i 必须加入死区时间，使开关管先关 断、后导通，但死区时间则会带来输出电压波形的畸变。 2 1 2 2 电流源型逆变器 电流源型逆变器 6 1 ( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r - c s i ) 的显著特征就是直流输入端 使用电感储能，使c s i 直流侧呈现高阻的电流源特性。图2 4 所示的是单相c s i 的电路结构。 通过对电力开关s 一墨施加p w m 调制策略如s p i i 、s v p i 删i 等，在交流输出侧 就可以得到相应的p w m 斩波电流厶，通过后级的低通滤波电路将高频分量滤 除