（电力电子与电力传动专业论文）单相数字式光伏并网逆变器的研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ed i g i t a ls i n g l e p h a s e p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r p o w e re l e c t r o n i c s l u ol i p r o f s h e ny u l i a n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i c ( p v ) t e c h n o l o g i e s ，s o l a re n e r g yh a sb e e n o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p e n s a t i o n f o rl a r g es c a l eu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g y , p h o t o v o l t a i c 酣d c o n n e c t e ds y s t e mw i l lb et h em a i na p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h e 葩d - c o n n e c t e d i n v e r t e rw h i c hi st h ek e yd e v i c eo fp v g r i d c o n n e c t e ds y s t e m a r l a l y z m gt h ep r o c e s so fh a r d w a r ed e s i g n , t h e nr e s e a r c h i n go n t h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) m e t h o d sf o rp va r r a y s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s a n dc o n t r o ls t r a t e g i e so f 鲥d c o n n e c t e di n v e r t e r , t h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n s u b s y s t e m t h eh a r d w a r ed e s i g ni st h eb a s i ca n do n eo fd i f f i c u l t i e si nt h es y s t e m at w o 。s t a g e 酣d c o n n e c t e di n v e r t e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ep r o c e s so fd e s i g ni s i n t r o d u c e d a n dt h ep r i n c i p l e so fc i r c u i tt o p o l o g ya l ea n a l y z e df u l l y m p p ti st h em o s ti m p o r t a n tm e t h o df o ri m p r o v i n gt h es y s t e me f f i c i e n c y s o m e m p p tm e t h o d sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e di nt h i sp a p e r a ni m p r o v e di n c r e m e n t a l c o n d u c t a n c ea l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do np h a s e s h i f tf u l lb r i d g ec i r c u i ti sp r o p o s e d t h e r e a l i z a t i o np r o c e s so ft h i sa l g o r i t h mi nd s pf 2 812i ss t u d i e dt o o t h et r a c k i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yo f 西d c o n n e c t e di n v e r t e ro u t p u ts t a g ei so n eo f t h ec r u c i a lt e c h n o l o g yo fp vi n v e r t e r i nt h i sp a p e r , t h er u nm o d ea n dm a t h e m a t i c a l m o d e lo fo u t p u ts t a g eo fp vi n v e r t e ri ss t u d i e d ，t h e na n a l y z i n gt h ed i g i t a lp ic o n t r o l a l g o r i t h mw h i c hb a s eo nf e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o n c o n t r o l l e r t or e a l i z et h em o n i t o ra n ds e t t i n go fp v 鲥d - c o n n e c t e di n v e r t e r , ah u m a n i t c o m p u t e ri n t e r a c t i o ns u b s y s t e mi sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s u b s y s t e ma n dp vc o n t r o ls y s t e mi sr e a l i z e db ym o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 i n t h i sp a p e r , a n a l y z i n gt h ed e s i g np r o c e s so ft h ew h o l es u b s y s t e m ，i n c l u d i n gh a r d w a r e a n ds o f t w a r e a tl a s t ，d i ds o m ee x p e r i m e n t si nl a bt ov e r i f yt h ec o n t r o ls t r a t e g y t h er e s u l t sh a v e v e r i f i e dt h et h e o r e t i c a la n a l y s e sw h i c hi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d ：p h o t o v o l t a i cg d d - c o n n e c t e d ，m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，l c lf i l t e r ， d i g i t a lp ic o n t r o la l g o r i t h r n ，h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n h i 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。f ，独立进行研冗 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。对本文的研究作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：l 军勿 日期：f 年多月7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 学位论文作者签名：l 胃而 日期：j 刃，年月7 日 导师签名：多忆圳趣 日期：川年月7 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：4 形匆 j 日期：j 口叩年莎月7 日 1 1 背景与意义 第一章引言弟一早亏i 苗 作为一种重要的可再生能源发电技术，近年来，太阳能光伏( p h o t o v o l t a i e ， p v ) 发电取得了巨大的发展，光伏并网发电已经成为人类利用太阳能的主要方式 之一。目前，我国已成为世界最大的太阳能电池和光伏组件生产国，年产量已达 到1 0 0 万千瓦。但我国光伏市场发展依然缓慢，截至2 0 0 7 年底，光伏系统累计安 装1 0 0 m w p ，约占世界累计安装量的l ，产业和市场之间发展极不平衡。为了推 动我国光伏市场的发展，国家出台了一系列的政策法规，如中华人民共和国可 再生能源法、可再生能源中长期发展规划、可再生能源十一五发展规划等。 这些政策和法规明确了太阳能发电发展的重点目标领域【5 】：在偏远地区利用太阳能 光伏发电解决无电人口用电问题；在经济较发达、现代化水平较高的大中城市， 建设与建筑物一体化的屋顶并网太阳能光伏发电设施；在太阳能资源丰富的西北 地区建设几个较大规模的太阳能光伏电站和太阳热发电示范项目。可再生能源中 长期发展规划还明确规定了大型电力公司和电网公司必须投资可再生能源，到 2 0 2 0 年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例要达到 3 以上。对于这一目标的实现，光伏发电无疑会起到非常关键的作用。当下，我 国地方和企业正积极共建兆瓦级以上光伏并网电站，全国已建和在建的兆瓦级并 网光伏电站共1 1 个( 2 0 0 8 年5 月前估计) ，典型的如甘肃敦煌i o m w 并网光伏特 许权示范项目，青海柴达木盆地的1 0 0 0 m w 大型荒漠太阳能并网电站示范工程， 云南石林1 6 6 m w 并网光伏实验示范电站。可以预见，在接下来的几年里，光伏并 网发电市场将会为我国摆脱目前的金融危机提供强大的动力，光伏产业依然会持 续以往的高增长率，光伏市场的前景仍然令人期待。 光伏并网发电系统是利用电力电子设备和装置，将太阳电池发出的直流电转 变为与电网电压同频、同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网馈电的有源 逆变系统。按照系统功能的不同，光伏并网发电系统可分为两类：一种是带有蓄 电池的可调度式光伏并网发电系统；一种是不带蓄电池的不可调度式光伏并网发 电系统。典型的不可调度式光伏并网发电系统如图1 1 所示。 l 本地负载 图1 - 1 不可调度式光伏并网发电系统 从图1 1 中可知，整个并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、连接组件、 计量装置等组成，对于可调度式光伏并网发电系统还包括储能用的蓄电池组。并 网逆变器是整个并网发电系统的核心设备，承担着光伏阵列的最大功率点跟踪、 直流逆变、防孤岛效应等诸多功能。总的来说，光伏并网发电系统对并网逆变器 有以下几点要求嘲： 1 要求具有较高的逆变效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度 地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率，让逆变器自身的 功率损耗尽可能小。 2 要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于太阳电池的端电压随负载和日 照强度而变化，这就要求逆变器必须能在较大的直流输入电压范围内正常工作， 并保证交流输出电压的稳定。 3 要求具有较高的可靠性和严格的保护措施。目前光伏发电系统主要用于边 远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格 的元器件筛选和完善的保护功能。 4 由于是并网运行，逆变器的输出应为失真度小的正弦波，要做到与电网电 压同频同相，不能对电网有干扰和谐波污染。目前，i e e es t d9 2 9 - 2 0 0 0 标准啊要 求并网逆变器总谐波失真( t i - i d ) 小于5 ，3 、5 、7 、9 次谐波小于4 ，1 1 1 5 次小于2 ，3 5 次以上小于o 3 。 目前，光伏并网发电的成本已降至2 元k w h ，但是对于大规模应用来说，成 本依然过高，大多数国家主要靠政府补贴来推动光伏并网发电，对上网电价采取 了差额补贴或固定上网电价的方式。而制约光伏发电成本进一步下降的主要原因 是硅料和并网逆变器的成本过高。据专家预测，随着技术的进步，在今后的几年 里光伏发电成本可望降至1 元k w h ，甚至可望与常规发电成本持平，这对大规模 推广光伏发电无疑是非常有利的一面。因此，开发高性能低价格的光伏并网逆变 器不但对降低光伏发电成本具有积极作用，同时还具有极大的市场前景。 另外，随着电力电子器件的高频化和微处理器性能的飞速提高，使得电力电 子设备的全数字化控制日益增多，模拟控制己逐渐被数字控制取代，一些先进的 数字控制技术也开始应用于各种电力电子设备的研发当中。与传统的采用模拟芯 片控制的逆变器相比，光伏并网逆变器从一开始就采用全数字控制，除主电路变 化不大以外，控制电路及控制方法都有很大的差别。目前，由于涉及到知识产权 和商业化因素，国内外关于光伏并网的数字控制系统设计和数字控制方法研究的 文献还比较少。同时，跟国外的光伏并网发电技术相比，我国的技术水平还有一 定的差距，就并网逆变器而言，我国自主研发生产的知名品牌并不多，大部分的 光伏示范工程都采用进口的国外品牌，导致光伏并网发电系统的造价高、依赖性 强，制约了光伏并网系统在国内市场的发展和推广。因此开展对光伏并网逆变器 的研究，掌握并网逆变器关键技术对推广光伏并网发电系统，实现节能减排有着 十分重要的作用。 1 2 并网逆变器的国内外应用现状 太阳能光伏并网发电始于2 0 世纪8 0 年代，由于光伏并网逆变器在并网发电 中所起的核心作用，世界上主要的光伏系统生产商都推出了各自商用的并网逆变 器产品。这些并网逆变器在电路拓扑、控制方式、功率等级上都有其各自特点， 其性能和效率也参差不齐。目前在国内外市场上比较成功的商用光伏并网逆变器 主要有以下几种： 1 德国s m a 公司的s u n n yb o y 系列光伏逆变器【8 j 艾思玛太阳能技术股份公司( s m as o l a rt e c h n o l o g ya g ) 是全球光伏逆变器 第一大生产供应商，并引领着全球光伏领域的技术创新和发展。该公司推出的 s u n n yb o y 系列光伏组串逆变器是目前为止并网光伏发电站最成功的逆变器，市 场份额高达6 0 。其在国内的典型工程包括大兴天普“5 0 k w p 大型屋顶光伏并网 示范电站 、深圳国际园林花卉博览园1 m w p 光伏并网发电工程等。 2 奥地利f r o n i u s 公司的i g 系列光伏逆变器【9 】 f r o n i u s 是专业生产光伏并网逆变器和控制器的高新技术企业，光伏并网逆变 器实力排名世界第二。目前该公司的市场主要在欧洲和北美，在国内参与的工程 还比较少。 3 美国p o w e r - o n e 公司的a u r o r a 系列光伏逆变器【1 0 】 p o w e r - o n e ( 宝威) 是世界知名的电源供应商，该公司于2 0 0 6 年通过收购 m a g n e t e k 而进入新能源领域。在2 0 0 8 年底，该公司已与云南无线电有限公司签 署了光伏并网逆变器项目合作协议，将对推动我国光伏产业的发展做出积极贡献。 4 阳光电源的s u n g r o w 系列光伏逆变器【1 1 】 作为国内最大的光伏逆变器提供商，阳光电源始终专注于可再生能源发电产 品的研发、生产，其产品主要有光伏发电电源、风力发电电源、回馈式节能负载、 电力系统电源等。阳光电源先后成功参与了北京奥运鸟巢、上海世博会、三峡工 程、上海临港大型太阳能光伏发电项目、西班牙m a l a g a5 m w 大型光伏电站等重 大工程。到目前为止，阳光电源还是国内唯一一家取得c e 认证的光伏发电设备提 供商，该公司产品已成功进入西班牙、意大利等对并网技术要求十分严格的欧洲 市场。相对国内同行，其技术领先优势明显。 除以上公司外，能提供成熟的商用光伏并网逆变器的厂家还很多，如加拿大 的x a n t r e x 公司、德国康能( c o n e r g y ) 集团，国内的北京索英电气、南京冠亚电 源等。 同时，国内许多高校和研究机构也长期致力于光伏发电技术领域的研究工作， 其中中科院电工所【3 9 1 在在光伏并网发电系统的开发和工程应用上取得了很大进 展，合肥工业大学能源研究所6 】 1 2 1 2 7 1 【3 2 1 在光伏水泵系统、太阳能光伏并网发电系 统及光伏照明系统方面都进行了深入的研究，上海交通大学能源研究院在太阳能 与建筑节能、中山大学太阳能系统研究所【l 】 3 5 1 在太阳能材料和太阳电池技术、光 伏建筑一体化、太阳能半导体照明等方面都进行了广泛而深入的研究。清华大学【2 1 1 2 6 1 6 1 】、北方交通大学、山东大学【4 5 】【6 5 】等院校也在光伏发电领域开展了大量的研究 和开发工作。 目前随着金融危机对光伏产业的影响进一步加深，光伏并网逆变器市场的竞 争也越来越激烈，技术和价格优势己成为产品的核心竞争力。相对于国外逆变器 4 厂家，国内厂商除了在价格上具有一定优势外，在技术上差距还比较大，对国外 产品进行模仿的痕迹还十分明显。因此有必要继续对光伏并网逆变器及并网发电 技术进行深入的研究，这对提高光伏发电系统的性价比，降低系统造价，提高国 内厂商核心竞争力有重要作用，对推动光伏市场的发展也具有积极影响。 1 3 并网逆变器的技术现状 1 3 1 并网逆变器的分类 并网逆变器的分类方法有多种，按照直流侧输入电源性质的不同可分为电压 型逆变器和电流型逆变器。电压型逆变器直流侧为电压源，或并联有大电容，直 流回路呈现低阻抗；电流型逆变器直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流回 路呈现高阻抗，相对于电压型逆变器，其系统动态响应差。 按照逆变器与市电并联运行的输出控制方式可分为电压控制逆变器和电流控 制逆变器。输出采用电流控制时，其控制方法相对简单，只需控制逆变器的输出 电流与电网电压同频同相，即可达到并网运行的目的。因此，目前世界上的绝大 多数光伏并网逆变器产品都采用电流源输出的控制方式。 按照主电路结构的不同，光伏并网逆变器还可以分为工频和高频两种。 典型的工频逆变器结构如图1 2 所示，太阳电池发出的直流电经d c a c 逆变 过后，通过工频变压器与电网相连。工频变压器起到隔离电网、匹配电压的作用， 而正是由于带有工频变压器导致整个逆变器体积大、质量重。 输入端子逆变电路工频变压器输出 图1 - 2 工频逆变器结构图 高频逆变器又可分为隔离型和非隔离型两种。 隔离型并网逆变器中含有高频变压器，主要起调节电压、隔离电网的作用， 其结构如图1 3 所示，它首先通过d c a c 变换器将太阳电池发出的直流电转换为 高频交流电，接着利用高频变压器隔离升压，在副边经a c d c 整流，最后通过逆 5 变电路与电网相连。由于使用了高频变压器，使整个逆变器的体积小、重量轻、 结构紧凑、工作噪声小。 频逆变 压 图卜3 隔离型高频逆变器结构图 非隔离型并网逆变器典型结构如图卜4 所示，它首先通过d c d c 变换器将太 阳电池的直流电升压或者降压转化为满足并网要求的直流电压，然后经逆变电路、 输出滤波器和电网直接相连。 图1 - 4 非隔离型高频逆变器结构图 另外，按照主电路的拓扑级数，光伏并网逆变器还可以分为单级式并网逆变 器、两级式并网逆变器、多级式并网逆变器等，在本文中不在一一举例。 1 3 2 并网逆变器输出电流的主要控制方式 在数字控制技术不断发展、数字电路硬件成本不断降低的今天，数字化p w m 控制方式具有更加广泛的应用前景。与模拟控制相比，数字化控制具有控制灵活、 易改变控制算法和硬件调试方便等优点。针对并网逆变器输出电流的闭环跟踪控 制，国内外学者提出了大量卓有成效的数字控制方案，比较常用的有数字p i 或p i d 控制、电流数字滞环比较控制、无差拍控制、重复控制、滑模变结构控制等等。 ( 1 ) 数字p i 或p i d 控制【1 5 】是利用p i 或p i d 调节器的输出和三角波进行比 较产生p w m 信号，以此来控制开关管的工作。该方法是通过将传统的模拟p i d 控制离散化来实现的，是目前最常用的电流反馈控制，它又可以分为位置式p i d 控制和增量式p i d 控制，由于后者具有更加优越的性能，因此应用更加广泛。p i d 6 控制最大的问题是电流反馈需要加较大的滤波，以保证其谐波成分远比三角波的 频率低。此外，该方法还存在输出电流相位漂移的问题【1 6 】。 ( 2 ) 电流滞环比较控制【1 7 j 【1 8 1 是把输出电流参考波形和电流的实际波形通过滞 环比较器进行比较，利用其结果来决定逆变器桥臂上下开关器件的导通和关断。 这种方法最大的优点是控制简单，容易实现，动态响应极快，并且对负载及参数 不敏感。但是，这种方法中开关频率不固定，在调制过程中容易出现很窄的脉冲 和大的电流尖峰。直流电压不够高或电流幅值太小时，电流控制效果均不理想。 ( 3 ) 无差拍( d e a d b e a t ) 控制【1 9 1 1 2 0 1 是数字控制特有的一种控制效果。该方法 是在负载情况已知的前提下，在控制周期的开始，根据电流的当前值和控制周期 结束时的参考值选择一个使误差趋于零的电压矢量，去控制逆变器中开关器件通 断的一种控制方式。这种控制方法计算量较大，对数学模型的精确度要求较高， 但其开关频率固定、动态响应快，十分适宜于光伏并网系统的数字控制。 ( 4 ) 重复控制f 2 l 】【2 2 】【2 3 】的基本思想源于控制理论中的内模原理。它利用内模原 理，在稳定的反馈闭环控制系统内设置一个可以产生与参考输入及扰动输入信号 同周期的内部模型，从而使系统实现对外部周期性参考信号的渐近跟踪。重复控 制可以消除输出波形的周期性畸变，使逆变器获得低t h d 的稳态输出波形，但 其动态响应慢。因此，重复控制经常与其它控制方法相结合，形成复合控制方法 来改善系统的动态特性。 ( 5 ) 滑模变结构控制阱】【2 5 1 与其它控制系统的主要区别在于控制的不连续性， 系统“结构”不是固定的，而是在控制过程中不断变化。该控制方式最大的优势 是对参数变动和外部扰动不敏感，系统具有很好的鲁棒性，特别适合微处理器的 数字实现。 除以上提及的几种数字控制方案外，还有学者提出了其他一些控制方案，如 神经网络控制、模糊控制、广义预测控制等等，这些控制方案在发挥数字控制的 优势方面都具有各自特点，但目前实际应用还比较少，大部分处于理论研究阶段。 1 4 本文的主要研究内容 本课题是在和珠海麟盛科技有限公司合作基础上，开发出一套额定输出功率 3 k w 的光伏并网逆变器。本课题是由团队合作共同完成的，作者承担的主要工作 7 包括： 1 完成项目可行性报告，确定了并网逆变器的总体设计方案； 2 参与系统主电路及控制电路的硬件设计与调试； 3 撰写系统控制思想及软件流程，编写部分控制代码； 4 负责人机界面模块的设计( 基于a v ra t m e g a 6 4 单片机) ，包括硬件和软 件两部分，同时负责主控制系统和人机界面模块的通信设计。 5 参与整个并网系统的联机调试。 本文的内容安排如下： 第一章，引言。主要论述了课题开展的背景和意义，简单介绍了国内外光伏 并网逆变器的应用现状和技术现状，对其输出电流控制方法进行了初步分析，最 后给出本文主要研究工作。 第二章，详细介绍了光伏并网逆变系统的硬件设计方案及设计过程，包括主 电路和控制电路，对各个电路模块的工作原理进行了深入分析。 第三章，对太阳电池的m p p t 控制技术进行了研究，在详细分析了电导增量 法的基础上，提出了利用d s p 实现的基于移相全桥电路的m p p t 控制。 第四章，详细分析了逆变器输出级的工作模式和数学模型，讨论了t 型滤波 器的工作原理及电网电压对输出电流的扰动作用，提出了基于前馈补偿的数字p i 控制。 第五章，介绍了人机交互子系统的原理和设计过程，包括硬件部分、软件部 分及子系统和控制系统通信模块的设计。 第六章，给出了系统部分实验结果，对本文的研究工作进行了总结和展望。 8 第二章并网逆变器的硬件设计 结合国家光伏行业相关标准和法规：家用太阳能光伏电源系统技术条件和试 验方法( g b t 1 9 0 6 4 - - 2 0 0 3 ) 、光伏系统并网技术要求( g b t1 9 9 3 9 - - 2 0 0 5 ) 、家用 太阳能光伏电源系统执行标准( 中国可再生能源发展项目办公室，2 0 0 5 年) ，参考 国内外其他标准及众多光伏并网逆变器产品，本项目设计的光伏并网逆变器主要 技术参数如表2 1 所示。 表2 - 1 光伏并网逆变器主要技术参数 其他保护功能 温度异常保险丝熔断交流过电流、漏电流保护 直流欠电压直流过电压直流过电流 光伏并网逆变系统的硬件设计，是整个系统设计的基础和难点之一，没有一 个良好而可靠的硬件平台，任何控制功能都难以实现。本项目设计的光伏并网逆 变系统硬件方案如图2 1 所示，主要包括主电路( 图中虚线框内) 、d s p 主控单元、 信号采样电路、保护电路、驱动电路、辅助电源和人机交互子系统等单元。 9 图2 - 1 光伏并网逆变系统硬件方案 2 1 系统主电路拓扑 光伏并网逆变器的主电路跟传统的逆变器相比，变化并不大，其拓扑结构多 种多样，每种拓扑都有各自特色，在设计时要根据具体情况选择合适的主电路。 由于本项目设计的逆变器功率较大，输入输出电压较高，故主电路拓扑采用两级 式高频隔离并网结构，具体如图2 2 所示。 ，dcdc ，一d c a c i 心l 了 _ i i p v + j k ，- jk丁 zz_ jk ，- jk丁 i 交流直流 侧滤侧滤 p v - 波器波器 i 1 卜1 i 卜1 1 高#页变1 z 一市j 坩j 市j 坩。诺z 图2 2 并网逆变器主电路拓扑 主电路可分为d c d c 和d c a c 两级。太阳电池输出电压经直流侧滤波后， 首先送入前级全桥高频隔离d c d c 变换电路。d c d c 变换器先将直流电压逆变 为高频方波电压，然后经高频变压器隔离传输、电压调整，在通过不可控全桥整 流，变换为后级所需的直流电压，前级d c d c 电路在变换时还必须实现太阳电池 最大功率点跟踪( m p p t ) 功能，保证将太阳电池发出的最大功率送入下一环节。 1 0 后级d c a c 环节采用由4 个m o s f e t 构成的桥式工频逆变电路，通过交流侧滤 波器输出，实现并网。 在前级全桥高频逆变电路中，由于4 个管子参数的不一致，会导致管子的导 通时间不对称，更进一步导致交流方波电压中含有直流分量，在变压器原边产生 很大的直流电流分量，引起变压器磁路饱和，可能造成变压器烧毁。因此在一次 回路中串联了隔直电容，以阻断直流分量。 另外，在前级副边整流电路中，由于变压器漏感的影响，在整流管换流时会 发生寄生振荡而产生很高的反向尖峰电压，因此在整流桥输出侧采用了r c d 缓冲 电路，以抑制高频电压振荡。 总体来看，该电路具有高频电气隔离、电路结构简单、功率单向流动等特点， 特别适合于太阳能并网发电系统。关于主电路的详细工作原理和控制策略，将在 后续各章介绍。 在确定了主电路拓扑后，主电路的设计就主要包括输入滤波器、输出滤波器 的设计，功率管的选择，储能电容的选择，高频隔离变压器的设计、p c b 及电磁 兼容设计等。关于主电路的设计和元器件参数的选择已经有众多文献和书籍做过 深入的研究，故本文仅给出系统主电路的部分元器件参数，如表2 2 所示。 表2 2 主电路元器件参数表 组成单元参数描述 高频逆变功率管a p t 8 0 2 4 l f l l ( 8 0 0 v 31a ) 整流二极管 a p t 6 0 d 6 0 b ( 6 0 0 v 6 0 a ) 工频逆变功率管f q l 4 0 n 5 0 ( 5 0 0 v 4 0 a ) 高频变压器隔离升压，变比l ：2 p v 母线电容1 0 0 0 u f 4 5 0 v ，2 个一组串联后2 组并联 工频逆变直流母线电容1 0 0 0 u f 4 5 0 v ，2 个一组串联后2 组并联 2 2 基于d s p 的控制电路设计 随着高性能微处理器的出现，很多以往必须用模拟器件来实现的算法和功能 现在都可以通过软件来实现，这大大简化了控制系统硬件的设计，降低了硬件成 本，并且极大的提高了控制的灵活性和稳定性，因此，光伏并网逆变器的控制系 统都是基于单片机或数字信号处理器( d s p ) 来实现的。整个并网控制系统包括微 处理器及其周边电路、信号检测及采样电路、驱动电路、通信接口电路、键盘与 显示电路、保护电路等，本文设计的控制电路结构如图2 3 所示。 r 、 i 信号采样电路a d cp w m 驱动电路 i 过零捕获电路c a pi o 保护电路 t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 1 人机交互子系统 s c i 电源及控制电路 图2 3 并网逆变器控制电路结构图 2 2 1 微处理器的选择 微处理器是整个并网控制系统的核心单元，机型的选择往往直接影响系统控 制功能和控制效果的实现。并网逆变系统的控制算法复杂，需要处理的数据量庞 大，控制精度高，对控制芯片的性能要求尤其高，因此本项目选用德州仪器( t i ) 公司的高速数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为系统主控芯片，它是t i 公司针对 电机控制、变频调速、逆变电源等数字控制系统而专门开发的高性能3 2 位定点 d s p 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主要有以下特点： 运算速度快，工作时钟频率最高可达1 5 0 m h z ，指令周期可以达到6 6 7 n s 以内。 采用高性能的静态c m o s 技术，功耗低，核心电压1 8 v ( 工作频率1 5 0 m 时 为1 9 v ) ，i o 口及f l a s h 编程电压均为3 3 v 。 采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力、迅速的中断响应和处理以及统一 的寄存器编程模式。 高性能3 2 位c p u ，可实现1 6 1 6 位和3 2 3 2 位乘法累加操作，以及1 6x 1 6 位的两个乘法累加操作，系统还拥有3 个3 2 位的c p u 定时器。 高效的代码转换功能，支持c c + + 和汇编语言编程，与，i m s 3 2 0 f 2 4 ) 己f 2 4 0 x 系列数字信号处理器代码兼容。 4 m b 的程序数据寻址空间，片内自带存储器包括1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 存储 器，1 2 8 k 1 6 位的只读存储器( r o m ) ，1 kx1 6 位的一次性可编程( o t p ) 型只读 1 2 存储器，两块4 k x1 6 位的单周期随机存储器( s r a m ) ，一块8 k 1 6 位的单周期 随机存储器，两块1 k 1 6 位的单周期随机存储器。外部存储器接口可实现多达 1 m 的存储器扩展。 带有引导r o m ，上电时，用户可以选择从内部f l a s h 存储器引导程序，也可 以选择从外部存储器引导程序。 1 2 8 位保护密码，保护f l a s h o t p r o m 和l 0 l 1s r a m 中的代码，防止系统 程序被盗取。 三个外部中断，外设中断扩展模块( p i e ) 最多可支持9 6 个外部中断，每个中断 都有自己的中断向量存放在r a m 中，而不用在另行分配空间，外部实际使用中断 为4 5 个。 两个增强的事件管理器模块( e v a 、e v b ) ，提供了一整套用于运动控制和电机 控制的功能和特性。每个事件管理模块包括两个1 6 位的通用可编程定时器( g p ) ； 3 个全比较单元，能够实现三相逆变器控制及对称、非对称或空间矢量p w m 波形 的产生，可编程的p w m 死区控制可防止逆变器上下桥臂的直通短路的情况；3 个捕获单元；正交编码脉冲( q e p ) 电路；可屏蔽的功率或驱动保护中断，当外部引 脚p d p i n t x 出现低电平时可快速关闭p w m 通道，为系统提供无条件保护。 1 6 通道1 2 位a d 转换单元，单个转换时间为2 0 0 n s ，单路转换时间为6 0 n s ， 可选择由软件触发、两个事件管理模块触发或外部信号触发，这使得a d 转换的 使用非常灵活。 可选择的通信接口众多，不仅具有串行外围接口( s p i ) 和两个串行通信接口 ( s c i ) ，还有增强型的控制器局域网络( e c a n ) 、多通道缓冲串行接1 2 ( m c b s p ) ，另 外还有5 6 个可单独编程或复用的输x 输出引脚( g p i o ) 。 由此可见，美国德州仪器公司的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 非常适合于光 伏并网逆变器的控制。 2 2 2 信号检测及采样电路 由于f 2 8 1 2 外设自带有a d c 模块，其1 2 位的采样精度对于光伏并网系统来 说已经足够，因此在设计系统采样电路的时候，并不需要外扩a d c 芯片，而只需 设计好系统的信号检测及调理电路即可。在确定了系统的主电路结构过后，就可 以确定系统所需检测及采样的信号了。本系统所需采样的电压、电流信号如表2 3 所示。 表2 3 并网系统信号采样清单 从表中可知，系统所采集的信号多，信号变化范围大，并且既有交流量，也 有直流量。目前对电压、电流等模拟量的测量方法一般有三种，即电阻采样法、 电压电流互感器法及霍尔传感器法。电阻采样法线路简单，无延迟，但精度受温 度影响较大；互感器法利用变压器原理，只能用来检测交流信号，且有一定的延 迟；霍尔传感器法把电压电流产生的磁信号转换为电信号，可实现电气隔离，测 量精度好，并且交直流均可测量，但传感器价格高。针对不同的信号，本系统采 取了不同的测量方法，在表2 3 中也同时给出了各信号的采样方式。 1 直流电压采样 在本系统中需采样的直流电压包括光伏组件输出电压、直流母线电压，这两 种电压的采样均采用电阻分压法，具体电路如图2 - 4 。所需采样的直流电压先经可 变电阻器分压，所分担电压作为线性光耦h c p l 7 8 4 0 的输入。h c p l 7 8 4 0 可以起到 电气隔离的作用，同时其输出增益为8 ，可以起到电压放大的作用。光耦输出电压 经滤波后送入d s p 的a d c 口。为了防止采样电压超出f 2 8 1 2 所允许的最大3 v 电 压，在采样电路输出端接了稳压二极管进行箝位。为了保证采样精度，在将可变 电阻器的阻值调好后，最好将其调整端固定，以防意外震动使阻值发生偏移。 1 4 图2 _ 4 直流电压采样电路 2 交流信号采样 在本系统中需采样的交流信号包括交流电网电压、逆变器并网输出电流，这 两种信号的采集均采用互感器法。由于输入信号是有正负的交流信号，而d s p 采 样模块的输入信号范围只能是0 3 v 的正电压，因此在采样信号进入a d 口前必须 进行抬升，转换为d s p 所能接收的单极性信号。抬升电压产生电路如图2 5 所示， r e f l 0 0 4 2 5 芯片是t i 公司出品的并联电压基准源，其阴极输出脚输出电压可稳 定在2 5 v ，且整个芯片功耗极低。电压跟随器起隔离缓冲、提高电路带载能力的 作用。该电路所产生的抬升电压为1 4 1 4 v 。 33 v a 3 3 v j s 图2 5 抬升电压产生电路 交流电网电压的采样使用p t 4 1 d 0 0 1 型电压互感器，其额定变比为l m a 1 v ， 输入电压范围为1 0 - 1 0 0 0 v 。交流电压采样电路如图2 6 所示，电网电压先经电压 互感器降压，经过两级r c 滤波器滤除高频杂波后由电压跟随器缓冲隔离输出。电 压跟随器输出经由运放构成的反向加法电路后，电压被抬升至d s p 所能接收的单 极性信号范围内。为了防止输入输出电压过高，在电压互感器的二次侧和采样电 路的输出端都采用稳压二极管进行了电压限幅。该图的上半部分还被用来作为电 网电压过零捕获输入的前一级。 图2 - 6 交流电压采样电路 交流电流的采样电路与交流电压类似，只是将图2 - 6 中的电压互感器换成了 电流互感器，同时为了将电流信号转换为电压信号，在电流互感器的输出端需要 接合适的采样电阻。 3 直流电流采样 在本系统中需采样的直流电流包括光伏组件输出电流、直流母线电流，对这 两种信号的采样使用了传感器法，具体电路见图2 7 。采样所选的传感器为霍尼韦 尔( h o n e y w e l l ) 公司的c s n e l 5 1 1 0 0 型多量程、小体积电流传感器。它基于磁补偿 原理，可测量直流、交流或脉动电流，原n 边电路之间电气绝缘。采用不同的初 级引脚接法，就可获得不同的输入输出电流比。按照本文中电流传感器的接法， 输入输出电流比为1 0 0 0 ：1 。取样电阻负责将输出电流信号转换为电压信号。电流 霍尔后面的电路与交流电压采样电路类似。 + 1 5 v 扣一 l * t l s v i i叠 ；一 2 j 峪；b l 垒意：1 一h i _ 一3 l i 7 l 1 争- 1 1 5 r v 广一i5 可孳? n 95 l t 1 0 l l 图2 7 直流电流采样电路 1 6 2 2 3 过零捕获电路 在光伏并网发电系统中，要求并网电流的频率、相位必须与电网电压的频率、 相位同步，以保证并网功率因素为1 ，因此必须使用锁相环技术，使d s p 主控单 元获取到电网电压的频率和相位信息。利用f 2 8 1 2 事件管理器模块的捕获单元， 通过软硬件的配合，可以很方便实现上述功能。即在硬件电路中，将电网正弦波 电压信号转换成与其具有相同过零点的同步方波信号，设置捕获单元在方波上升 沿到来时发生捕获中断，在捕获中断中通过软件锁相算法，实现对逆变器并网电 流的控制。正弦波转换为方波的电路如图2 8 所示。 图2 8 电网电压正弦波转换为方波 图2 8 中，输入信号u 1 为图2 6 中上半部分的输出。u 1 先经前一级运放构成 的反向比例放大电路放大后，在通过l m 3 3 9 构成的滞环比较电路整形成同步方波。 方波信号经限幅滤波后送入f 2 81 2 的捕获引脚。 为了验证转换电路的可靠性，使用s a b e r 电路仿真软件对该电路进行了仿真。 在仿真时，用幅值为1 v 的5 0 h z 交流电压模拟电网电压，仿真结果如图2 - 9 。图 中，u i n 为正弦波，u o u t 为转换后的方波。仿真结果表明输出方波上升沿较正弦 波过零点有微小延迟，这主要是由于l m 3 3 9 构成的滞环比较电路造成的，可通过 改变电阻r 4 6 的值来改变延迟时间，另外也可以直接开环比较，但这样电路抗干 扰能力较差。实际实验时测得波形与仿真波形完全吻合，表明了该电路设计的可 行性。 1 7 d 0 0 、厂 么 图2 - 9 正弦波转方波电路仿真波形 2 2 4 驱动电路 在采用如图2 2 所示的主电路结构后，系统所需的驱动信号共8 路，其中4 路提供给前级d c d c 高频直流变换电路，另外4 路提供给后级工频逆变桥。由于 d s p 输出的p w m 信号无法直接驱动功率管，所以必须合理设计驱动电路。 驱动电路是主电路与控制电路的接口电路，其输出侧连接着高电压强电流信 号，输入侧为d s p 发出的c m o s 电平控制信号，因此在设计驱动电路，选取驱动 芯片时，首先要考虑强电侧和弱电侧的电气隔离。其次，驱动电路还必须能输出 足够大的驱动电流，以保证能快速的导通或关断开关管。第三，驱动电路还必须 有完善的保护措施，一旦系统运行出现故障，能快速而准确的封锁p w m 输出。目 前的电力电子驱动电路，大多是基于专用的驱动芯片来设计的，而市面上可供选 择的驱动芯片也很多，每种芯片都有各自的特点。在本系统中选用的驱动芯片为 安捷伦科技( a g i l e n tt e c h n o l o g i e s ) 的专用驱动芯片h c p l 一31 6 j 。 h c p l 3 1 6 j 是新一代高集成度的智能型驱动芯片，它采用s o 1 6 封装，将i g b t 驱动常用的一些功能完全集成在一块芯片上，跟分立器件构成的驱动电路相比， 降低了硬件设计的成本、p c b 板的面积和电路的复杂度。3 1 6 j 的主要特点包括： ( 1 ) 最大驱动输出电流可达2 a ，可直接驱动大功率的i g b t 或m o s f e t ； ( 2 ) 芯片内部采用高速光耦对输入