（物理电子学专业论文）3kw光伏并网逆变器的研制.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 摘要 太阳能作为当前人类最理想环保的新能源之一，已经得到人类越来越广泛 地应用。而光伏并网逆变器是太阳能并网发电系统中必不可少的设备之一。 光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合公共电网要求 的交流电并送入电网的设备。按照不同的标准光伏并网逆变器的拓扑结构分为很 多种，本文介绍了一种工频隔离型光伏并网逆变器。 本文详细介绍了该系统的主功率模块、主控制板、辅助电源板等硬件电路 的设计原理，元器件的选用及参数的选定，阐述了并网逆交器的各种控制方式， 并进行比较。以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片为主控芯片，详细介绍了该芯片 的功能特点及产生s p w m 波的过程，并绘出了主要程序的流程图。最后介绍了孤 岛效应的危害及几种常见的孤岛检测方法。 关键字：光伏并网逆变器、太阳能电池、电网、s p w m 、孤岛效应 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo ft h eo p t i m a ln e w e n e r g y $ o u l v ：c s ，t h es o l a re n e r g yh a sb e e na p p l i e d m o r ea n dm o r ew i d e l yb yt h eh u m a n a n dt h eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a l ci n v e r t e ri s o n eo ft h en e c e s s a r ye q u i p m e n to ft h eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l l a i cs y s t e m t h eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l l a i ci n v e r t e ri sae q u i p m e n tw h i c hc h a n g e st h ed c f r o mt h es o l a rc e l lt oa c a c c o r d i n gw i t ht h ep u b l i cg r i da n dt r a n s p o r t st ot h ep u b l i c 鲥d a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts t a n d a r d ，t h es t r u c t u r eo ft h eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c i n v e r t e ri sd i v i d e dt om a n yk i n d s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sak i n do fl i n ef r e q u e n c y i s o l a t e di n v e r t e r i n t h i sa r t i c l e ，t h e p r i n c i p l eo fd e s i g na n dt h e c h o i c eo ft h ed e v i c e sa n d p r e f e r e n c e so ft h e 婵mb o a r d 、t h ec p ub o a r da n dt h ea s s i s t a n tp o w e rb o a r da r e i n t r o d u c e di nd e t a i l i th a si n t r o d u c e de a c hc o n t r o lm o d eo ft h eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r a n dh a v eac o m p a r i s o na m o n gt h e m t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao ft ic o m p a n yi st h em o s t c o n t r o lc h i po ft h es y s t e m t h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ec h i pa n dt h e g e n e r a t i n gp r o c e s so ft h es p w m i si n t r o d u c e di nd e t a i lt o o ，a n dt h ef l o wc h a r to ft h e p r o g r a m sa r el i s t f i n a l l y ，i ti n t r o d u c e st h eh a r mo ft h ei s l a n d i n ga n ds e v e r a lk i n d so ff a m i l i a r i s l a n d i n gd e t e c t i o nm e t h o d s k e y w o r d s ：g 订d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i ci n v e r t e r 、s o l a rc e l l 、p u b l i cg r i d 、s p w m 、 i s l a n d i n g 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 太阳能利用及光伏发电 1 1 1 太阳能是人类最理想的新能源 新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。由于 常规能源的有限性和环境压力的增加，世界上许多国家重新加强了对新能源和可 再生能源技术发展的支持。随着经济的发展、社会的进步，传统能源却面临着急 缺枯竭的危险，人们对能源提出的要求也越来越高，寻找新能源成为当前人类面 临的迫切课题。 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、 水能等都来自太阳能。广义地说，太阳能包括以上各种可再生能源。太阳能作为 可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射 能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能 热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属 于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行 光电转换的，因此又称太阳能光伏技术【1 】。 太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的 能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太 阳能每秒钟到达地面的能量高达8 0 万千瓦，如果把地球表面0 1 的太阳能转为 电能，转变率5 ，每年发电量可达5 6 x 1 0 1 2 千瓦小时，相当于目前世界上能 耗的4 0 倍阁。 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际 社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资 源，寻求经济发展的新动力。截至2 0 0 2 年底，太阳能光伏发电制造能力己达5 6 万肼，实际装机容量近4 0 0 万k w ，组件成本下降到3 5 美元w p 。预计，2 0 2 0 年光伏组件的价格将下降到1 美元w p 以下。目前世界最大的光伏工厂年产 3 6 m w ，价格为3 4 美元w p a ! 。 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000 亿吨标准煤。太阳 能资源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在5 000 公里以上。在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年 平均日辐射量在每平方米4 千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7 千瓦时。 年日照时数大于2000 小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、 日本优越得多。 在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的光伏制造业争相投入巨资，扩 大生产，以争一席之地。中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。与国际 上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于发达国家l o 1 5 年，甚至明显落后于 印度。我国光伏产业正以每年3 0 的速度增长，国内光伏电池生产能力已达 i o o m w 。在国家各部委立项支持下，目前我国实验室光伏电池的效率已达2 1 ， 可商业化光伏组件效率达1 4 1 5 ，一般商业化电池效率l o 一1 3 。目前我国太 阳能光伏电池生产成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从2 0 0 0 年的4 0 元 瓦降到2 0 0 3 年的3 3 元瓦，2 0 0 4 年已经降到2 7 元瓦嗍。这对国内太阳能市场 走向壮大与成熟起到了决定作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。 与此同时，我国其他方面的太阳能开发利用也在蓬勃发展。我国太阳能热 水器销售量在2 0 0 4 年已经达到1 2 0 0 万平方米，在世界各国排名首位，整个太阳 能热水器行业产值超过1 3 0 亿元人民币，行业正以每年2 0 一3 0 的高增长率迅猛 发展。作为一种有效的节能绿色产品，太阳能光热产品将在建筑供热系统中发挥 越来越重要的作用。在众多的供热装置中，太阳能集热板与空气源热泵相结合的 装置，具有很强的竞争力。太阳能空调作为近几年新发展起来的太阳能利用方式 也已经有了较为成熟的产品，而太阳能照明系统和太阳能灶的应用在部分地区已 小有普及。 作为2 1 世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。太阳能产业是 新兴的朝阳行业，再加上良好的政策环境、行业本身的特性，使得太阳能产业具 有较高的投资价值和发展潜力。 中华全国工商联合会新能源商会在北京举行的“首届中国能源国际国锋论 坛”上发布了中国新能源产业年度报告，报告指出，中国将大幅度提高风能、 太阳能、生物质能等新能源在整个能源消费中的比例，2 0 5 0 年中国百分之三十 2 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 以上的能源需求将依靠新能源来满足。2 0 2 0 年中国能源需求总量超过三十亿吨 标准煤之后，新能源的战略地位将日益突出。中国新能源发展的战略目标将是： 最大限度提高能源供给能力，改善能源结构，实现能源多样化，保障能源供应的 安全。 报告还指出： 第一步，在2 0 2 0 年达到新能源发展装机一点二亿千瓦，占全国发电装机总 容量的百分之十二。新增商品化新能源三亿吨标准煤。大力推进风力发电、生物 质发电、太阳能发电。 第二步，大幅度提高新能源在整个能源消费中的比例，在2 0 5 0 年实现新能 源满足能源需求的百分之三十到四十的战略目标。要实现这样的目标需要：风力 发电在三十年后发电装机可能超过核电，成为第三大发电电源，2 0 5 0 年后可能 超过水电，成为第二大主力发电电源，形成三到五亿千瓦的装机能力。 太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大特点：第一：它是人类可 以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的1 l 亿年中，太阳消耗了它本身 能量的2 。今后足以供给地球人类，使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。 第二：地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤 其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三：太阳能是一 种洁净的能源。在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不 会影响生态平衡。绝对不会造成污染和公害。 太阳能是真正取之不尽、用之不竭的一种新能源。而且太阳能绝对安全、干 净，不产生公害也不会威胁人类和破坏环境。所以太阳能被誉为当前人类最理想 的新能源。各国政府也都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内 容。 i 1 2 太阳能利用的主要形式 太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。太阳能利 用主要有太阳能热利用、太阳能热发电、太阳能光发电等。太阳能热利用又有 太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能海水淡化、太阳 能空调等；通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技 3 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电；通过转换装置把太阳辐射能转换 成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光 伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术圈。由于太阳能电池无转 动部件，简单易用，并可小型化，因此具有巨大的潜在应用前景。多个太阳能电 池构成一个组件，而多个组件可串联成一排电池阵列，再将电池阵列并联，就可 输出可观的电流 8 1 。 1 i 3 光伏发电的优势及广阔前景 光伏发电同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：无枯竭危险； 绝对干净( 无公害) ；不受资源分布地域的限制：可在用电处就近发电； 能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。但光伏 发电的不足之处是：照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积：获得的能 源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。所以要使太阳能发电真正达到实用水平， 一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的 电网联网即光伏并网发电。 近几年，国际光伏发电迅猛发展。1 9 7 3 年，美国制定了政府级阳光发电计 划；1 9 8 0 年正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资8 亿多美元；1 9 9 4 年 度的财政预算中，光伏发电的预算达7 8 0 0 多万美元，比1 9 9 3 年增加了2 3 4 ； 1 9 9 7 年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，美国计划到2 0 1 0 年安装 1 0 0 0 3 0 0 0 m w 太阳电池。日本不甘落后，1 9 9 7 年补贴“屋顶光伏计划”的经费 高达9 2 0 0 万美元，安装目标是7 6 0 0 删。印度计划1 9 9 8 - - 0 0 2 年太阳电池总产量 为1 5 0 m w ，其中2 0 0 2 年为5 0 m w f d 。 国际光伏发电正在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。到目前为止，世界太阳电池 年销售量己超过6 0 兆瓦，电池转换效率提高到1 5 以上，系统造价和发电成本 已分别降至4 美元峰瓦和2 5 美分度电；在太阳热利用方面，由于技术日趋成 熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾1 0 亿美元。 目前，太阳能发电已是世界各国新能源研发的重点。美国、日本、德国等 发达国家都已制定了相关的法规，保证进行太阳能发电的利益，鼓励家庭进行太 4 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 阳能发电。2 0 0 4 年德国太阳能发电的总功率已超过50o 兆瓦。 煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风 能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。 太阳能光伏发电应用始于7 0 年代，真正快速发展是在8 0 年代。在1 9 8 3 年一1 9 8 7 年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，使我国太 阳电池的生产能力从1 9 8 4 年以前的年产2 0 0 千瓦跃到1 9 8 8 年的4 5 兆瓦。目前 太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏辟无 电地区，年销售约i i 兆瓦，成效显著。 光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等 优点，在我国西部广袤严寒、地形多样和居住分散的现实条件下，有着非常独特 的作用。 i 2 光伏并网发电的广阔前景 1 2 1 并网发电是太阳能光伏利用的未来主流 光伏电池发电有离网和并网两种工作方式。过去，由于太阳电池的生产成 本居高不下，所以光伏电池多用于偏远无电地区的中小功率离网用户但是，太 阳能光伏市场近年来发生了很大变化，开始由边远农村地区逐步向并网发电以及 和建筑结合的常规发电方向发展，开始由补充能源向替代能源过渡。 1 2 2 并网发电系统在国际上的应用 目前，已经有不少发达国家开始实施太阳能光伏发电屋顶计划：日本、德国 先后实施了千座和万座光伏屋顶计划。已经完成了数千座太阳能光伏发电的屋顶 计划，系统总装机超过了i o o m w 。其中德国的西门予太阳能公司在慕尼黑建成了 1 姗的世界上最大的太阳能光伏发电屋顶系统。 1 9 9 7 年1 2 月日本京都会议之后，美国副总统格尔和能源部部长分别宣布了 “克林顿总统百万屋顶光伏计划”，预计2 0 1 0 年完成。该计划的目的之一是保持 和加强美国光伏产业在世界的领先地位和世界市场的支配地位。欧洲也不甘落 后，于大致相同的时间宣布百万屋顶计划，以保持和发展欧洲光伏工业在世界上 5 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 的地位。目前，国外已开发出并网发电专用逆变器及相应的配套组、部件，并网 发电技术日趋成熟。 1 2 3 我国目前迫切需要发展光伏并网发电系统 尽管我国研制太阳能电池始于一九五八年，中国的光伏技术经过四十年的努 力，已具有一定的水平和基础，但是，与世界先进国家相比仍有不小的差距。9 0 年代以前，我国边远地区的光伏发电市场主要由国家扶贫项目和双边或多边援助 项目支撑。9 0 年代以来，随着边远地区经济发展和农牧民收入水平的提高，边 远地区的光伏发电市场也开始向商业化发展。根据世界银行全球环境基金可再 生能源商业化项目准备研究过程中的资料显示，我国西部地区经营太阳能光伏发 电系统的各种公司和团体由8 0 年代的不足1 0 家，发展到1 9 9 7 年底的5 0 多家， 其中大多数公司以商业化赢利为目的。这从侧面表明，我国的光伏发电技术已经 具有了一定的市场潜力和市场吸引力，但是主要的技术仍来源于国外，其中，太 阳能并网发电技术更是刚刚起步。“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶并 网发电系统列入国家科技攻关计划，企业界已经在深圳和北京分别建成了 i o o k w p 、1 7 k w p 和7 k w p 的光伏发电屋顶系统并成功的实现了并网发电。 我国地域广大，人口众多，正处在经济转轨和发展时期，能源问题突出而紧 张；另一方面，有近7 0 0 0 万人口生活在无电地区，光伏发电的潜在市场是非常 巨大的。同时我国具有丰富的太阳能资源，太阳能并网发电的前景广阔。本课题 就是在这样的背景下提出的，目的是开发出安全可靠、经济性好的光伏并网发电 系统，为我国的光伏发电事业提供有力的技术支持。 1 3 光伏并网逆变器的简介 光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交 流电再输入电网的设备。按照交流用电负载与直流输入电源的电气隔离元件的工 作频率，逆变技术可以分为低频逆变、工频逆变和高频逆变 8 1 ，而应用于光伏并 网的逆变器拓扑结构又有很多种，其中最常用的有：直接耦合并网、高频隔离并 网、高频不隔离并网、工频隔离并网等几种，本文介绍的属于工频隔离并网结构。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 其基本构成如图卜1 所示： 图1 - 1 光伏并网逆变器的基本构成 主要有太阳能电池阵列、直流噪音滤波( r c 滤波) 、解耦电容、主功率模块、 工频隔离变压器、辅助电源板、d s p 控制板等几部分构成。各主要部分的具体功 能如下： 太阳能电池阵列 太阳能电池阵列输出1 8 0 - 3 0 0 伏的直流电，其电流电压输出特性曲线符合一 般太阳能电池的输出i v 特性曲线。它作为主功率模块的直流端电源也给辅助电 源板提供电源。 直流噪音滤波 直流噪音滤波主要功能为滤除逆变器主回路开关器件在工作时产生的高频 噪音和共模干扰，以保证并网逆变器工作时不对电网中其他设备产生不良影响。 解耦电容 为了能够将光伏阵列输出的平稳的直流功率转化为并网所需的交流功率，直 流功率和交流功率的变换需要一个耦合环节。这就要求在逆变器中设计一个较大 的储能装置，以实现二者之间的解耦。 主功率模块 主功率模块内部有4 个i g b t 开关管，组成一个全桥逆变电路。通过d s p 微 7 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 控制器发出s p w m 开关信号来控制4 个开关管的导通和关断，从而实现将直流逆 变成符合电网要求的交流电。 工频隔离变压器 工频隔离变压器的匝数比为1 ：1 2 5 ，频率为5 0 h z 。 辅助电源板 辅助电源板通过一个反激变换器将电池电压转化为+ 5 v ，一5 v ，+ 1 5 v , 一1 5 v 等 系统工作所需电源。 d s p 控制板 d s p 控制芯片处理所采集的信号，发出相应的s p w m 控制信号同时还进行孤 岛检测等。 1 4 本课题所做的主要工作 本课题主要完成了光伏并网逆变器整个系统的硬件电路设计和系统的软 件控制算法。其中硬件电路主要包括：主功率逆变电路、辅助电源电路、d s p 主 控制电路及通讯和接口几大部分。软件部分主要包括：采用电压源输入电流源输 出的控制方式，结合使用软件锁相环实现与电网同频同相的交流输出、孤岛保护 等。 8 郑州大学硕士学位论文 第二章逆变主电路设计 第二章逆变主电路设计 根据有无隔离变压器，光伏并网逆变器可分为隔离型和非隔离型，隔离型的 逆变器又可以分为高频隔离型和工频隔离型。工频隔离型是最常用的结构，也是 目前市场上使用最多的逆变器类型。它有两个突出的优点：一是最后一级加入了 工频变压器，保证了系统不会向电网馈入直流分量；二是安全性提高了，如果没 有隔离变压器，当人接触到光伏侧的正极或者负极时，电网的电就有可能通过桥 臂形成回路对人构成伤害。 本设计属于单相工频隔离型逆变器，整个逆变主电路的主要模块图如图 2 - 1 ，内部电路图如图2 - 2 ： 图 太阳 电池 a 图2 - 1 逆变主电路的主要模块图 o 图2 2 逆变主电路的内部电路图 9 郑州大学硕士学位论文第二章逆变主电路设计 2 。1 直流输入侧设计 2 1 1 直流侧滤波电路 在直流输入端加上去共模干扰的滤波电路和去差模干扰的滤波电路及r c 低 通滤波器，从而有效去除直流输入侧的共模、差模及高频干扰信号。 电路如图2 3 所示： 脚扩= 州：h 拼 l 砌i 扩2 ： i 图2 - 3直流输入侧滤波电路 2 1 2 解耦电容设计 因为在稳态时，太阳能光伏阵列输出的功率是一条平滑的直线，而馈入电 网的电能是一个1 0 0 h z 的交流信号，即在交流电压的正半周期输出一次功率， 负半周期又输出一次功率。为了能够将光伏阵列输出的平稳的直流功率转化为并 网所需的交流功率，直流功率和交流功率的转化需要一个耦合环节。这就要求在 逆变器中设计一个较大的储能装置，以实现二者之问的解耦。可以是一个大的电 容或电感，在此设计中使用电容进行解耦。 电容值的计算方法如式2 1 和2 2 ，其中c 为直流电容，6 v 为直流电压变 化值，f 为逆变器输出的瞬时功率与光伏阵列输入的平均功率之差，p 为光伏阵 列输出的平均功率，为角频率表示电容上电压的波动，本设计中设电压波动为 1 0 v ，平均功率为3 k w ，取太阳能电池的工作电压3 0 0 v ，频率为1 0 0 h z ，计算 可得解耦电容c l i n k 1 5 9 2 u f 。本设计采用6 个5 6 0 u f 4 5 0 v 的电容并联。 总的容量为3 3 6 0 u f ，能够满足解耦要求。 郑州大学硕士学位论文第二章逆变主电路设计 - 挣一击s 妯撕 c j - 一 神拼 2 2i g b t 主逆变模块 2 2 1 主逆变结构介绍 本设计的主逆变电路采用全桥逆变结构，结构图如图2 - 4 ： a 太阳 电池 ( 2 1 ) ( 2 2 ) o 图2 - 4主逆变电路结构图 表2 - 14 个开关管的组合状态 模式 t 1t 2t 3t 4 1 l a u s ll0ol 0u s u s 2lo 0 0u s 3o 0l 0u s 4 o a 0 0u s u s 5011o 0u s u s 6010a 0 u s 7 010 2 丌时，则干扰信号可以认为是辐射场，它以 平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号以漏电和 耦合形式，通过绝缘支承物等( 包括空气) 为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰 的线路、设备或系统。如果干扰源的频率较低，干扰信号的波长 比被于扰对象 的结构尺寸长，或者干扰源与干扰对象之间的距离r 2 丌，则干扰源可以认 为是似稳场，它以感应场形式进入被干扰对象的通路。干扰信号可以通过直接传 导方式传入线路、设备或系统。 系统的布局的好坏对电磁兼容性影响很大，一般来讲要按系统各部分功能 不同而将划为不同的功能模块，如果布置不合理则相互间可能产生较大的串扰， 各功能模块的输入输出口相距不易太远，因为他们之间是由线或电缆连接的若 相距太远，个模块的输入输出口的共模干扰电流不易减小，从而引入较高的对地 干扰电压。一般常采取的电磁兼容措施除了众所周知的抑制干扰传播的技术，如 屏蔽、接地、搭接和合理布线等方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理， 如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等。电磁兼容性设计策 略与控制技术方案可分为如下几类： ( 1 ) 传输通道抑制：具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地和布线： 1 8 郑州大学硕士学位论文 第二章逆变主电路设计 ( 2 ) 空间分离抑制：地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制和电场矢量方向 控制： ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 时间分隔抑制：时间共用准则、主动时间分隔和被动时间分隔： 频率管理抑制：频率管制、滤波、频率调制、数字传输和光电转换： 电气隔离抑制：变压器隔离、光电隔离、继电器隔离和d c d c 变换隔离。 本设计主要的电磁兼容性设计如下： i 控制系统、逆变系统、辅助开关电源分为不同的区间。在控制系统里数字电 路部分与模拟电路部分分开布局，模拟地与数字地之间用小电感隔开，避免 干扰； 2 在采集信号后加上阻容滤波电路及采用电压跟随的方法增强抗干扰性能； 3 将d s p 控制板做成多层板，增大电源和地的面积；将主电路板的空白区间尽 量以敷铜的方式填满，加粗地线和电源线从而有效捕获射频干扰吸收； 4 在直流输出端接共模扼流圈，在交流输出端与电网之间接隔离变压器， 5 在i p m 与控制信号之间加光电耦合器等。 1 9 郑州大学硕士学位论文 第三章硬件电路设计 第三章硬件电路设计 太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分，其主要功能是将太阳能电池 输出的直流电逆变成交流电，并送入电网。其硬件电路主要包括主功率逆变电路、 辅助电源电路、d s p 主控制电路及通讯和接口等几大部分。 3 1d s p 控制器电路设计 3 1 i 使用t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制c p u c p u 控制回路部分作为该逆变器的大脑部分，其功能为完成脉宽调制波 ( s p 咖波) 的生成和一些诸如m p p t 、孤岛保护等重要的控制功能的实现。以下将 对d s p 技术及所使用的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 的性能作一介绍，并同时阐述使用 该芯片的理由。 d s p 又称数字信号处理器，是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时 处理的专用处理器。在当今的数字化时代背景下，d s p 已成为通信、计算机、消 费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。d s p 应用广泛， 其主要应用市场为3 c ( c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r 、c o n s u m e r 一通信、计算机、消 费类) 领域，合计占整个市场需求的9 0 0 , 6 。在数字蜂窝电话、m o d e m ，p c 机及消费 类电子产品中处处可见d s p 芯片的身影。 该逆变系统所选用的d s p 芯片为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，是由美国t i 公司( 德州仪 器公司) 推出的数字信号处理器t m s 3 2 0 家族中的一员，属于t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列。 作为d s p 控制器t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列的新成员，是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的一种定点 d s p 芯片。2 4 0 x 芯片具有低成本、低功耗、高性能的处理能力。在与现存2 4 x d s p 控制芯片代码兼容的同时，2 4 0 x 芯片具有处理性能更好、外设集成度更高、程 序存储器更大、a d 转换速度更快等特点。内部结构方框图如图3 - i 所示： t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 有以下一些具体的特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的功耗； 3 0 m i p s 的执行速度使得周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制器的实时控 郑州大学硕士学位论文第三章硬件电路设计 制能力。 ( ：) 存储嚣部分 三) 事件蕾理器 图3 - 1d s p 内部结构方框图 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核c 2 x l p ，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的d s p 代码和 t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ；还有可扩展的外部存储器 总共为1 9 2 k 字空间；6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字数据存储器空间；6 4 k 字 i o 寻址空间。 每个事件管理器( 包括两个事件管理器e v a 和e v b ) 均有： 1 ) 8 个1 6 位比较脉宽调制( p w m ) 通道 2 ) 2 个1 6 位通用定时器，有6 个工作模式，包括连续递增和连续n 减计数 郑州大学硕士学位论文第三章硬件电路设计 3 ) 5 个1 6 位全比较单元，有死区单元 4 ) 3 个1 6 位输入捕获单元，2 个有正交编码器脉冲接口功能 看门狗定时器模块( w d t ) 。 1 0 位m d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发两个 8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模块。 串行通信外设接口( s c i ) 模块。 1 6 位的串行外设( s p i ) 接口模块。 基于锁相环的时钟发生器。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。 3 1 2 选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为控制核心的原因 目前，随着单片机技术的迅速发展，涌现出许多高性能单片机。选择一款合 适的控制芯片十分重要。以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 下称f 2 4 0 7 ) 芯片作为最终选择是由该 芯片强大的功能所决定的，理由如下： 每片f 2 4 0 7 具有两个事件管理器( e v a e v b ) ，并且每个事件管理器都具有2 个通用定时器，8 个1 6 位p 删通道，可以方便地产生三相p w m 波，对功率开 关器件进行s p w m 控制。 f 2 4 0 7 运行速度很快，可以用软件实现滤波，跟踪等功能，而不需使用任何硬 件，这也是数字信号处理器的特点。 f 2 4 0 7 具有方便的a d 接口和数字量接口。 f 2 4 0 7 具有良好、方便的通讯功能，可以和微机进行串口通讯，便于系统网络 化。 f 2 4 0 7 内部具有1 6 k * 1 6 位字的e 2 p r o m ，可以满足普通的系统软件的容量要求。 同时大大简化了外围硬件，提高了系统的稳定性和可靠性【1 1 l 。 f 2 4 0 7 的指令系统功能强大，适合进行数字信号处理。 郑州大学硕士学位论文第三章硬件电路设计 3 2 外围采样电路设计 电网电压同步信号采样电路设计 在控制并网电流和电网电压同步的过程中，d s p 需要采集电网电压值及电网 电压信号的频率和相位以实现逆变系统输出的电流与电网电压同频、同相。在本 系统中，通过d s p 的捕捉功能来捕获电网电压的上升沿，从而产生同步中断，复 位正弦表并重新设定逆变器输出电流的频率。电网电压采样电路如图3 2 所示： 图3 - 2电网电压量及同步信号检测电路 在系统中与电压传感器( 输出电压信号v a c ) 相串联电阻r 1 5 起到一个分压 的作用，电压传感器将电网电压按比例( 本设计比例值为1 0 0 0 ：1 ) 输出为v a c 。 通过比较器将正弦波转换成方波，再通过稳压二极管对方波限幅，然后连到d s p 的c a p 2 管脚上。当方波信号出现上升沿时，即为电网电压过零点，d s p 就会产 生中断，中断子程序就会复位正弦表，从零重新开始执行。 由于参与运算的主要是直流侧电压、直流侧电流、电感电流与输出电压，所 以我们除了采集电网电压信号还需要采集这几个参数。 交流电压检测 交流电压的采样和电网电压同步信号的采样取自同一电压传感器，电路如图 3 2 所示，首先进行r c 滤波，去除高频干扰，然后又通过一电压跟随器进一步 增强抗干扰的能力，上拉电阻将电平提升为零电压之上，再将其嵌位在0 3 3 v 郑州大学硕士学位论文 第三章硬件电路设计 之间，在连接d s p 的a d c i n 2 管脚之前通过两个串联的肖特基二极管进行稳压， 输出接d s p 的a d c i n 2 管脚。 直流侧电压检测 模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为d s p 可以读取的弱电数字信 号，同时要保证强电和弱电的隔离，选用惠普公司的h c p l 7 8 0 0 a 型光电耦合器， 其非线性度为0 0 0 4 ，共模电压为l0 0 0 v 时的共模抑制能力为1 5 k v 1us ， 增益温漂为0 0 0 02 5 v ，带宽为l o o k h z 。具体隔离检测电路如图3 3 所示。 图3 3电池电压检测电路 对于光伏阵列输出的直流电压的检测，我们采用电阻分压的方法进行取样， 然后用光耦进行隔离以保障控制部分的安全。再进行r c 滤波，去除高频干扰， 然后再通过一电压跟随器进一步增强抗干扰的能力，上拉电阻将电平提升为零电 压之上，再将其嵌位在在o 一3 3 v 之间。再通过两个串联的肖特基二极管进行稳 压，输出接d s p 的a d c i n 5 管脚。 直流电流检测 对于直流电流的取样，我们通过在直流输入端串入一个电流传感器来测得 i i ) c ，经过电池电流采样电路再输送给d s p 芯片。具体检测电路如图3 - 4 所示： 郑州大学硕士学位论文 第三章硬件电路设计 图3 4电池电流采样电路 电流传感器的实际和采样输出的比例为1 0 0 0 ：1 ，r 4 4 为取样电阻，将输出 电流信号转化为电压信号。再通过两个串联的肖特基二极管进行稳压，输出接 d s p 的a d c i n 3 管脚。 电感电流检测 电感电流的采样也是通过莱姆公司电流传感器获取电流信号i l ，同样由于 d s p 的a d 采样电平只能为正，所以我们也进行了滤波和电压提升以及嵌位的处 理。电路如图3 - 5 所示： 3 3 辅助电源设计 图3 - 5电感电流采样电路 本设计中的控制用电，以及驱动和传感器用电，都是从辅助电源取得，辅助 电源通过一反激变换器将太阳能电池输出的2 0 0 - 4 0 0 v 的直流电转换为多路+ 5 7 、 一5 v 、+ 1 5 v 、- 1 5 v 等电源。对整个光伏逆变系统供电。另外，它还包括系统的启 动电路、继电器驱动电路、c a n 通讯和4 8 5 通讯等。 郑州大学硕士学位论文第三章硬件电路设计 3 3 1 反激变换器设计 为了给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供 各种工作电源，需要设计一个与主逆变电路隔离的辅助电源。辅助电源的输入电 压为太阳能电池输出的2 0 0 - 4 0 0 v 的直流电，输出的7 路电压分别为+ 1 5 v o 、+ 1 5 v c 、 + 1 5 v b 、+ 1 5 v 、- 1 5 v 、+ 5 v 、- 5 v 。采用高性能的固定频率电流控制器u c 3 8 4 2 芯片 进行辅助电源设计，具体设计的时候采用的是单端反激变换器电路，设计最大功 率为1 2 w 。几路+ 1 5 v 分别供运放，、驱动和传感器用电；- - 1 5 v 给传感器供电， + 5 v 、- 5 v 给相关电路中的光耦等芯片供电。集成芯片采用的是u c 3 8 4 2 ，单端反 激电路工作在电流断续状态。 在反激拓扑中，开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容 提供，开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿 电容单独提供负载电流时消耗的能量。反激变换器的主要优点是不需要输出滤波 电感，从而可以减小变换器体积，降低成本。反激变换器广泛应用于高电压、小 功率、多组输出的场合。由于不需要输出电感，输入电压和负载变化时反激变化 时反激变换器的各输出端都能很好地跟随调整旧。 当q 1 导通时，所有的整流二极管都截止，输出电容给负载供电。l o 相当于 一个纯电感，流过l o 的电流线性上升。当q 1 关断时，初级储存的能量传送到次 级，提供负载电流，同时给输出电容充电。而次级本身相当于一个b u c k 变换器。 b u c k 变换器原理详述见本文2 3 节。 3 8 4 2 芯片简介 u c 3 8 4 2 是一种高性能的固定频率的电流模式p w m 发生器，u c 3 8 4 2 的内部框 图如图3 - 6 所示，主要包括：5 0v 基准电压源、振荡器、误差放大器、电流测 定比较器、p w m 锁存器、输入和基准欠电压锁定电路等。 该芯片主要有以下性能： 1 ) 可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比； 2 ) 电流方式工作达5 0 0k h z ； 3 ) 封锁p w m 用于周期电流限制； 4 ) 具有滞后的欠压封锁： 5 ) 带锁定的p w m 可以实现逐个脉冲的电流限制； 郑州大学硕士学位论文第三章硬件电路设计 6 ) 启动电流和工作电流低，起动电流小于1m a ，正常工作电流为1 5l n a 。 y c c 鼍5 置心4 h2 特健i 电藏翻定3 3 3 2 其他电路设计 图3 - 6u c 3 8 4 2 内部框图 基蠢 蹦 i i 继电器驱动电路 来自d s p 控制板的继电器驱动信号o l i a 和d l 2 a 不能满足继电器控制信号的 要求，需要进行驱动和放大。本设计先通过光耦t l p 5 2 1 进行信号隔离和放大， 再通过达林顿晶体管阵列芯片u l n 2 0 0 3 a 进行驱动。u l n 2 0 0 3 a 是一种高电压，大 电流的达林顿晶体管阵列，内部集成7 个门电路。电路图如图3 7 所示： 图3 7继电器驱动电路 郑州大学硕士学位论文第三章硬件电路设计 c a n 通讯 为了更好地实现人机交流，需要将整个逆变器的工作状态参数及一些检测 信号传输到控制中心并显示其工作情况，。以便对整个逆变器系统进行长期监控， 记录其工作时的各项参数，及时发现问题。从而就需要进行通讯电路的设计。 c a n 通讯是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的优势之一，c a n 通讯有结构简单、通信方 式灵活、采用短祯格式、采用非破坏性总线仲裁技术、通讯距离远，通讯速度快 等特点。电路图如图3 - 8 所示： 图3 8c a n 通讯电路 郑州大学硕士学位论文第四章控制系统软件设计 第四章控制系统软件设计 光伏并网逆变器的功能是将太阳能电池输出的直流电转化为符合电网要求 的交流电然后输送到公共电网，从而实现并网发电。根据光伏并网发电系统的功 能和性能要求，能量的传输与变化有多种方式，系统相应的配置、逆交器的拓扑 结构以及系统的控制方法也各不相同。 光伏并网逆变器按控制方式分类，可以分为电压源电压控制、电压源电流控 制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方式【1 3 1 。电压源型逆变器是采用电 容作为储能元件，在直流输入侧并联大电容用作无功功率缓冲环节，构成逆变器 低阻抗的电源内阻特性，即电压源特性。以电流源为输入方式的逆变器，其直流 侧需串联一个大电感作为无功元件储存无功功率，构成逆变器高阻抗的电流源特 性，提供稳定的直流电流输入，但是串入大电感往往会导致系统动态响应差，因 此目前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。 逆变器的并网输出控制可分为电压控制和电流控制。由于电网可视为容量无 穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上就 是一个电压源与电压源的并联运行的系统，这种情况下要保证系统的稳定运行， 就必须采用锁相控制技术以实现与电网同步，在稳定运行的基础上，可通过调整 逆变器输出电压的大小及相位以控制系统的有功输出与无功输出。但是由于锁相 回路的响应慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题，如果不 采取特殊措施，一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性 能。 如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网 电压，即可达到并联运行的目的。由于控制方法简单，因此使用比较广泛。 本系统也采用电压源输入、电流源输出的控制方式。 4 1 电流跟踪控制方式 采用电流型输出的并网系统，输出电流的控制方式一般有s p 删电流跟踪方 式、电流滞环瞬时比较方式、s v p b i 电流控制、重复控制，复合控制等控制方式， 郑州大学硕士学位论文 第四章控制系统软件设计 较常用的电流控制方法有：s p 删电流跟踪方式、电流滞环瞬时比较方式、s v p w