（信号与信息处理专业论文）单相光伏并网逆变器的研究.pdf

学校代码： 10289 分类号： tm615 密 级： 公开 学 号： 092030032 江苏科技大学江苏科技大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 单相光伏并网逆变器的研究 研 究 生 姓 名 王志兵 导 师 姓 名 王宝忠 申请学位类别 工学硕士 学位授予单位 江 苏 科 技 大 学 学 科 专 业 信号与信息处理 论文提交日期 2011 年 12 月 12 日 研 究 方 向信号信号处理理论与技术处理理论与技术 论文答辩日期 2012 年 3 月 17 日 答辩委员会主席 评 阅 人 2012 年 3 月 15 日 单 相 光 伏 并 网 逆 变 器 的 研 究 王 志 兵 江 苏 科 技 大 学 分类号： tm615 密 级： 公开 学 号： 092030032 工学硕士学位论文 单相光伏并网逆变器的研究 学生姓名 王志兵 指导教师 王宝忠副教授 江苏科技大学 二 o 一二年 3 月 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering research and design on one-phase photovoltaic inverter submitted by wang zhibing supervised by professor wang baozhong jiangsu university of science and technology march, 2012 江苏科技大学学位论文原创性声明江苏科技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，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。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发表或撰写过的作品成果。 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。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 江苏科技大学学位论文版权使用授权书江苏科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文 被查阅和借阅。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 摘 要 i 摘 要 随着人类的发展，能源短缺和生态危机等问题已迫在眉睫，亟待人们解决， 人类正在不断寻求新的替代能源。其中，太阳能则是被大量应用的主要常规替代 能源之一，而光伏并网发电技术是太阳能利用的主要发展趋势，必将得到飞速的 发展。因此，本文就对光伏并网逆变器进行了详细的介绍，并对系统控制算法、 系统仿真、软硬件设计等方面进行了深入的研究。 本文首先详细介绍了光伏并网逆变器的结构及其工作原理， 根据系统的性能 要求，确定合适的并网逆变系统的拓扑结构。 其次对光伏并网逆变器的控制策略进行了深入的研究。 基于光伏逆变系统的 控制目标，分析了常用逆变器的控制方式及 dds 原理，在此基础上确定 spwm 控制方式作为本系统的控制方式。 本文还对光伏电池的工作原理进行了阐述， 得到光伏电池的等效电路和输出 特性。通过对常用的最大功率点跟踪控制（mppt）算法的分析和比较，提出了 基于恒压法结合变步长的电导增量法来实现光伏并网逆变器的最大功率点跟踪。 本文应用 dds 技术实现光伏并网逆变器的频率、相位跟踪和最大功率点跟踪。 最后本文对光伏并网逆变器的部分重要参数进行了设计说明，在此基础上， 利用 matlab 对系统进行了仿真，并对仿真结果给出了详细的说明。本文采用 tms320f2812 高速数字信号处理器作为核心处理器，对光伏并网逆变器的软硬 件设计进行了研究。在硬件平台上进行实验，验证了系统仿真的正确性。最后对 本论文的工作进行了总结，指出该系统存在的不足，对以后的研究工作进行了展 望。 关键词 光伏并网发电系统；最大功率点跟踪；spwm；dds 江苏科技大学工学硕士学位论文 ii abstract iii abstract as human development, energy shortages and imminent ecological crisis and other issues in urgent need of people to solve, humans are constantly looking for new alternative energy sources. among them, solar energy is applied by a large number of major conventional alternative energy, and photovoltaic power generation technology is the major trends in the use of solar energy, will be developed rapidly. therefore, this article on the grid-connected pv system has been described in detail, and the system control algorithm, system simulation, hardware and software design and other aspects of the in-depth study. this paper details the photovoltaic power generation system structure and working principle, the system performance requirements, determine the appropriate grid-system topology. second, the pv inverter system control strategy in-depth study. pv inverter system based on control objectives, analysis of the inverter control method used and the dds principle, on this basis to determine the spwm control mode as the systems control. this also works on the photovoltaic cells are described, to get the equivalent circuit of photovoltaic cells and output characteristics. through the common control of the maximum power point tracking (mppt) algorithm analysis and comparison, the paper introduces the constant voltage method with variable step size of the incremental conductance method to achieve the photovoltaic power generation system, the maximum power point tracking. in this paper, dds technology to achieve grid-connected pv system frequency, phase tracking and the maximum power point tracking. finally, this paper tms320f2812 high-speed digital signal processor as the core processor, the photovoltaic inverter hardware and software design of a study on the photovoltaic inverter topology, the digital control circuit, the ac filter parameters gives a detailed design features and methods of calculation. in this paper, grid-connected pv systems for simulation, the simulation results and gives a detailed description. the hardware platform on an experiment to test the correctness of system simulation. finally, this paper summarizes the work, pointing out the shortcomings of the system, for future research were discussed. 江苏科技大学工学硕士学位论文 iv key words grid-connected pv systems; mppt;spwm;dds 目 录 v 目 录 摘 要 . i abstract . iii 第 1 章 绪论 . - 1 - 1.1 课题研究的背景和意义 . - 1 - 1.2 光伏并网发电在国内外的现状和发展 . - 1 - 1.3 本文研究的主要内容 . - 3 - 第 2 章 光伏并网逆变器的分类及拓扑结构 . - 5 - 2.1 并网逆变器的分类及其控制方式 . - 5 - 2.2 光伏并网逆变器的拓扑结构 . - 6 - 2.3 本文所研究的光伏并网逆变器的总体结构 . - 8 - 2.4 本章小结 . - 9 - 第 3 章 光伏并网逆变器控制策略的研究 . - 10 - 3.1 电压源型并网逆变器的拓扑结构及工作原理 . - 10 - 3.2 光伏并网逆变器的控制目标 . - 10 - 3.3 并网逆变器控制策略的比较 . - 11 - 3.3.1 滞环控制电流瞬时值比较方式 . - 11 - 3.3.2 定时控制的电流瞬时值比较方式 . - 12 - 3.3.3 spwm 控制原理 . - 12 - 3.3.4 系统控制模型的建立 . - 14 - 3.3.5 基于 pi 反馈控制的电流闭环 . - 16 - 3.4 光伏并网逆变器频率跟踪、相位跟踪研究 . - 17 - 3.4.1 dds 技术原理 . - 17 - 3.4.2 nco 的实现 . - 18 - 3.4.3 频率计的设计 . - 19 - 3.4.4 相位差检测 . - 20 - 3.5 最大功率点跟踪（mppt）技术的研究 . - 21 - 3.5.1 定电压跟踪法 . - 24 - 3.5.2 扰动观测法 . - 24 - 3.5.3 逐步逼近法 . - 26 - 3.5.4 电导增量法 . - 27 - 3.5.5 恒压法结合变步长的电导增量法 . - 27 - 江苏科技大学工学硕士学位论文 vi 3.6 光伏并网逆变器频率跟踪、相位跟踪及 mppt 的实现 . - 29 - 3.7 孤岛效应及其防护 . - 29 - 3.7.1 相位突变检测法 . - 30 - 3.7.2 主动频率漂移法 . - 30 - 3.8 本章小结 . - 31 - 第 4 章 系统仿真实验 . - 32 - 4.1 系统参数的设计 . - 32 - 4.1.1 直流母线电容的设计 . - 32 - 4.1.2 交流侧滤波器设计 . - 33 - 4.2 仿真实验及其分析 . - 36 - 4.2.1 交流滤波器效果仿真对比 . - 38 - 4.2.2 光伏电池仿真 . - 36 - 4.2.3 光伏并网发电系统仿真建模 . - 37 - 4.2.4 spwm 波仿真结果与分析 . - 38 - 4.2.5 频率计和鉴相器仿真结果与分析 . - 39 - 4.2.6 并网仿真结果和分析 . - 42 - 4.3 本章小结 . - 44 - 第 5 章 基于 dsp 的单级式光伏并网逆变器的硬件设计 . - 45 - 5.1 系统的总体结构 . - 45 - 5.2 主功率变换电路的设计 . - 45 - 5.3 主功率器件驱动电路设计 . - 47 - 5.4 采样电路设计 . - 48 - 5.5 信号整形电路设计 . - 50 - 5.6 保护电路设计 . - 50 - 5.6.1 过流保护 . - 50 - 5.6.2 过压保护和欠压保护 . 50 5.7 基于 dsp 的控制电路的设计 . - 52 - 5.7.1 tms320f2812dsp 芯片特点 . - 52 - 5.7.2 系统时钟电路 . - 52 - 5.7.3 复位电路 . - 53 - 5.7.4 jtag 接口电路 . - 53 - 5.7.5 电源电路设计 . - 54 - 5.8 本章小结 . - 55 - 第 6 章 光伏并网逆变器的软件设计 . - 56 - 目 录 vii 6.1 软件开发环境介绍 . - 56 - 6.2 系统软件设计框图 . - 56 - 6.3 系统主程序软件设计 . - 57 - 6.3.1 初始化程序设计 . - 57 - 6.3.2 频率检测算法程序设计 . - 58 - 6.3.3 相位差检测算法程序设计 . - 59 - 6.3.4 mppt 程序设计 . - 59 - 6.4 中断服务程序 . - 60 - 6.4.1 定时器中断程序设计 . - 60 - 6.4.2 pi 控制器的设计 . 60 6.4.3 adc 中断程序设计 . 60 6.4.4 保护中断程序设计 . - 62 - 6.5 本章小结 . - 62 - 第 7 章 硬件实验结果与分析 . - 63 - 7.1 硬件平台和实验结果分析 . - 63 - 7.1 1 硬件平台 . - 63 - 7.1.2 实验结果 . - 65 - 7.2 本章小结 . - 65 - 结 论 . - 66 - 参考文献 . - 68 - 攻读硕士学位期间发表或撰写的学术论文 . 72 致 谢 . 73 江苏科技大学工学硕士学位论文 viii contents ix contents abstract(chinese) . i abstract . iii chapter1 introdution . - 1 - 1.1 reserching background and meaning . - 1 - 1.2 domestic and foreign research survey of pgcs . - 1 - 1.3 the primary study conerage of the paper . - 3 - chapter2 operating principle and topology of pgcs . - 5 - 2.1 classification and control method of pgcs . - 5 - 2.2 topology of pgcs . - 6 - 2.3 the structure of pgcs which researched in the paper . - 8 - 2.4 subtotal of this chapter . - 9 - chapter3 study of control strategy of pgcs . - 10 - 3.1 control objective of pgcs . - 10 - 3.2 control strategy of grid-connect inverter . - 10 - 3.3 control strategy of pgcs . - 11 - 3.3.1 hysteresis current controlled instantaneous comparison method . - 11 - 3.3.2 timing control current instantaneous comparison method . - 12 - 3.3.3 principle of spwm control . - 12 - 3.3.4 systems control model establishment . - 14 - 3.3.5 based on pi reaction control electric current closed loop . - 16 - 3.4 study of frequency and phase tracking of pgcs . - 17 - 3.4.1 principle of dds technology . - 17 - 3.4.2 realize nco . - 18 - 3.4.3 study of the frequency model . - 19 - 3.4.4 study of phase measure. - 20 - 3.5 study of maximum power point tracking(mppt) . - 21 - 3.5.1 constant voltage for mppt . - 24 - 3.5.2 perturbation observation for mppt . - 24 - 3.5.3 gradually approximation for mppt . - 26 - 3.5.4 electric conductance increase for mppt . - 27 - 3.5.5 mppt based on improved electric conductance increase . - 27 - 3.6 achievement of frequency and phase tracking and mppt of pgcs . - 29 - 江苏科技大学工学硕士学位论文 x 3.7 isol