光伏并网发电设计doc.doc

本文由z1234zzzx贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 扬州大学能源与动力工程学院 本科生课程设计 题 课 专 班 姓 目： 程： 业： 级： 名： 2kw 并网发电正弦波逆变器 现代电力电子技术 电气工程及其自动化 电气 0704 周国荣 史旺旺 2011 年 3 月 1 日 指导教师： 完成日期： 目录 1 光伏发电系统基本构成及其工作模式3 2 光伏电池的输出特性及 MPPT 控制6 3 光伏并网发电的主电路拓扑及控制技术.14 4 2KW 光伏并网发电硬件系统的设计21 2 第一章 光伏发电系统基本构成及其工作模式 1.1 光伏发电系统的基本构成 太阳能光伏发电系统的典型结构框图如图 1 一 1 所示，主要由光伏阵列、直流 变换与控制系统、储能系统与逆变器四个部分组成。 4 (1)光伏电池阵列 光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池功率较小， 最大输出功率不超过 5 佛8 ，为满足不同等级负载供电需要，人们将光伏电池串、 并联后统一封装构成光伏模块(Ph。t。v。ltaiCM。dule，PV)，这是目前光伏器件 的主要存在及应用方式，用户可根据需要构建 10W 到 3OOW。的光伏模块。因大功 率光伏模块安装、维护方便，因此在光伏发电系统中 200W。以上的光伏模块更受 欢迎。如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，则需要根据光伏发电系 统的功率要求，将同规格的光伏模块串联起来构成光伏阵列 (PVArray)为系统 提供更高的输出功率和输出电压。 图 l 一 1 光伏发电系统基本结构框图 (2)直流变换及控制系统 直流变换部分作用主要是把光伏阵列输出电压变换成能够满足储能系统和 逆变器要求的电压等级。同时由于光伏阵列输出特性的特殊性，其输出功率为日 照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大输出功率跟踪 (Max1InumPower P。 intTracking，MPPT)问题。如果不加以控制直接用于给负载提供能量，则很 难有较好地发挥光伏模块转换效率。为此，控制系统除了完成对 DC 一 DC 变换和 DC 一 AC 变换所需的基本控制外，还需在 DC 一 DC 变换环节中增加 MPPT 控制，以实 现光伏阵列的最大功率输出。具体内容在第二章作详细介绍。 (3)逆变器 光伏电池发出的只能是直流电，而包括电网然内的许多用电场合需要交流 电，因此 DC 一 AC 逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。它的功能是受控制 3 系统控制，将直流转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电。该环节的 5 指标要求是变换的高可靠性和高转换效率。目前我国在小功率逆变器上与国 外处于同一水平，但在大功率逆变器上差距较大仁 3 。 (4)储能系统 光伏发电系统只有在白天有阳光时才能发电，而人们的一般用时间会在晚 上，所以储能单元(主要是蓄电池)可以在白天将太阳能储存起来以供人们夜间 使用，同时也可作为交流电网断电时不间断电源(U。 interruptlblePowerSupply， UPS)的功能，为本地重要交流负载供电。这种包括蓄电池作为储能环节的光伏 发电系统称为“可调度式光伏交网发电系统” 。尽管这种系统在功能上有很多的 优点，如作为 UPS、有源滤波、可根据运行需要控制并网输出功率以实现一定的 电网调峰功能等，但增加了储能环节后，系统成本增加、蓄电池的寿命短、体积 笨重及必须回收处理等缺点极大地制约了可调度光伏并网发电系统的广泛应用。 所以目前这种形式应用较少3 ，而用得较多的是“不可调度的光伏并网发电系统” ， 其结构框图如图 1 一 2 所示，与“可调度式光伏并网发电系统”不同的是它不含蓄 电池组储能环节。本文主要讨论并实现的对象是对不可调度的光伏并网发电系 统。 1.1.1 光伏发电系统的运行模式 所谓光伏发电系统的“独立运行模式”是指远离电网的光伏发电系统。它通 常用作便携式设备的电源，向远离现有电网的地区和设备供电或者用于任何不想 与电网发生联系的供电场合。该系统中，蓄电池作为储能单元一般是不可缺少的， 它将日照时发出的剩余电能存储起来供日照不足或没有日照时使用，所以它属于 可调度光伏发电系统。其结构框图如图 1 一 4 所示。 4 虽然独立系统的构成分类有许多，但其基本原理都是太阳光辐射能通过光伏 器件转换成电能，再经过能量储存、控制、保护和能量变换等环节，最终提供给 负载直流或交流形式的电能，满足用户不同负载的要求。 2.并网运行模式 在公用电网的场合，光伏发电系统可直接与电网连接，在系统容量足够大而 日照强度较大时，可将多余的电能回送给电网。所以该系统对应的逆变器所输出 的交流电要求满足并网的条件。其结构框图如图 1 一 5。本文主要完成在并网运行 模式下光伏并网发电系统的分析与设计。具体过程在后续章节中将作详细阐述。 3.混合型光伏发电系统 所谓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。较为常见的混合系统是风一光互补系统，系统结构框图如 图 1 一 6 所 示 。 5 在通常情形下，白天日照强，夜间风多;夏季日照强、风小;冬春季日照弱 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，无须启动备用电源和备用发电机，以此 获得较好的经济效益。当然，风/光互补联合发电系统存在一次性投资较大，并 需定期更换蓄电池等缺点。 第二章 光伏电池的输出特性及 MPPT 控制 光伏电池输出的电能的大小与其周围环境条件有密切的关系，其输出功率随 太阳光照的强度和电池模块所处的环境温度的变化而变化，并存在最大功率输出 问题。为此必须对光伏电池的输出功率加以检测与控制，以使其有最大的功率输 出。本章主要分析光伏电池的工作机理和输出特性;根据光伏电池物理机制的数 学表达式建立单个电池的电路仿真模型及任意功率级的光伏阵列的仿真模型;并 在了解常用最大功率点跟踪控制技术的基础上，采用双模式最大功率点控制方法 进行专门的实验，取得了较好的跟踪控制效果。2.1 光伏电池的工作机理 在自然界中，物体根据其导电能力和电阻率的大小分为导体、绝缘体和半导 体三类，其中把电阻率在 IOe 一 310e+8Q.Cm 左右的称为半导体。半导体有许 多的特性如掺杂特性、热敏特性、光敏特性等，这些特性在现代电力、电子技术 中己得到极为广泛的应用。除此之外，半导体还具有很强的光伏效应。 所谓光伏效应是指当物体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子的分布状 态和浓度发生变化，由此产生电流和电动势的效应。光伏电池是以半导体 PN 结 上接受太阳光照射产生光生伏特效应为基础，直接把光能转换成电能的能量转换 器。当光照射到表面时，部分光线被其表面反射，对发电不起作用;部分被电池 吸收，给电池加热，产生电池的温升:其它部分太阳光进入半导体内部，冲击 N 区和 P 区的价电子，使其得到超过禁带宽度 Eg 的能量，从而脱离共价键的束缚， 形成非平衡状态的电子一空穴对。这些被激发的电子一空穴对，部分复合后对外 不显电性，属于光伏电池能量损耗部分;剩下部分处于非平衡状态的电子一空穴 对，在原 PN 结垫垒电场的作用下，把 P 区的光生非平衡少子电子拉入 N 区，同 6 样把 N 区的光生非平衡少子空穴拉入 P 区，从而形成一个与原垫垒电场 Ei 方向 相反的光生电场 Epv，如图 2 一 1(b)所示。当光伏电池的外部与负载接通后，就 会形成电流，电流方向由电池的外部从 P 区流向 N 区。这就是光伏发电的基本机 理。光生电压可以由式 2 一 1 给出3 ，从式中可以看出，PN 结的饱和电流越小， 光生电压 Up，就越大。 式中: (2 一 1) (2 一 2) K 一一波耳兹曼常数 T 一一电池绝对温度 q 一一电子电量 JPv 一一光生电流密度 Jsat 一 一 二 极 管 反 向 饱 和 电 流 密 度 J 一一负载电流密度 U 一一光伏电池端电压 2.2 光伏电池的输出 V 一 I 特性 为了更好地描述光伏电池的输出 V 一工特性，考虑工程精度要求，图 2 一 2 给出了实际使用的单个光伏电池的等效电路模型。在该模型中，光伏电池相当于 一个电流为工 P、的恒流源与一个正向二极管并联。图中的 R，为串联电阻，该值较 小，理想状态下可以等效为 O;RsH 为旁路电阻，阻值相对较大，理想状态下为无 穷 大 。 实 际 上 希 望 RS 尽 可 能 小 ， 而 RsH 尽 可 能 的 大 。 7 2.4 最大功率点跟踪控制技术 通过 2.2 节对光伏电池的输出特性分析和实验仿真，已经清楚地看到光伏电 池的输出与环境条件的关系。所以，为了使光伏电池有更大的功率传输，必须实 时检测电池的输出功率，以及时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大工 作点附近，即进行最大功率点跟踪 (MaximumPowerPointTraeking，MPPT)。目 前最大功率点跟踪控制的方法有很多，较为常用的 MPPT 控制技术有恒压法、扰 动观察法、电导增量法等8 。 2.4.1 常用 MPPT 控制技术 1 一恒电压控制(Constantv。 ltageTraeking，CVT) 根据 2.2 节分析，当光伏电池的结温不变的前提下，其输出功率的变化随电 压的变化情况如图 2 一 3(b)所示。当光照强度发生变化时，电池输出的开路电压 变化不大，最大输出功率会随光照强度的增强而增加，但在最大功率点处对应的 输出电压基本不变，为 um，见图中虚线，该值近似为电池开路电压的 0.76 倍 ，。 根据电池的这一特性，只要知道电池的开路电压，即可得到最大功率点对应的工 22 压 Um。这就是 CVT 法的理论基础。 实际控制时，只要以某一温度下最大功率输出对应的工作电压呱作为控制 目标，实际电池输出电压叽与之比较，经 P 工调节后与三角波比较得到的 P 枷 波去驱动功率管，从而改变电池阵列的负载阻抗，最后使其工作在最大功率点上。 CVT 控制框图如图 2 一 20 所示。 8 这种控制方法控制简单，可靠性和稳定性较高，但受工作场合季节、早晚时 间、天气情况及环境温度变化的影响较大，实际使用时一般在 CVT 算法的基础上 采取一定的措施以补偿这些影响。如手工调节给定电压、软件根据测量的环境温 度查表得到给定等。另外根据 2.2.1 节中光伏电池的 V 一工特性分析，同样也可 以采用固定电流的方法实现最大功率控制。 2.扰动观察法(Perturb&Observe，服 O) 扰动观察法是目前最常用的 MPPT 方法之一。根据图 2 一 7(b)可知，光伏电池 的输出工作点在最大功率点的左侧，dP/dVO，而在最大功率点的右侧，在最 大功率点时，dP/dy=0。根据这个特点，P&o 法的控制过程为8 川:首先初 设一个光伏电池工作电压，然后通过调节功率管的占空比给光伏阵列输出电压周 期性的扰动，例如使其增加，然后比较扰动前后光伏的输出功率，如果输出功率 也因此增加，即 dP/dVO，说明光伏工作于最大功率点的左侧，则应在下一扰 动周期继续保持当前的扰动方向，增大光伏电池输出端电压;反之，若输出功率 减小，即 dP/dV0 且V0，则系统工作在 MP 点的左侧，否则工作在 MP 点的右侧，并 改变功率管的占空比以使系统工作点移到 MP 的左侧恒流区; 然后判断工作点是否在 M 即附近，若是，则进入扰动观察控制，若不是，则 11 根据得到的短路电流，进行固定参数法 M 即控制，判据为相邻两次电流的采样值 是否近似相等。若较接近，则当前系统工作于恒流区，该电流值即为电池短路电 流，以此计算得到最大功率点电流工。 ，进行固定参数法 MPPT 控制。若两电流相 差较大，则系统已工作在 M 即附近，程序转入扰动观察控制; 上述过程不断重复，直到连续两次光伏系统输出功率采样误差夕=0，此时 系统己工作在最大功率点。 图 2 一 23 给出了验证该控制方法的实验原理图。图中光伏器件 PV 由三块相同 的光伏模块串联构成，光伏模块参数如下: 开路电压:21.OV 最大输出功率点对应输出电压:17.OV 短路电流:4.ZA 最大输出功率点对应输出电流:3.53A 最大输出功率:60w 12 图 2 一 24 给出了实验波形。图中曲线 1、2 分别是光伏模块输出电流及电压曲 线。实验结果表明短路电流结合小步长扰动观察法具有良好的动态性能和稳态性 能 ， 能 较 好 地 满 足 MPPT 控 制 要 求 。 13 第三章光伏并网发电的主电路拓扑及控制技术 于光伏模块的输出功率受外界环境影响较大，且光伏模块输出电压低，实 际应用中需将光伏模块串联以获得较高的电压。但模块特性的相异和所处环境不 同，即使光伏发电系统所用模块采用相同的产品，也不能使系统中全部光伏模块 工作在最大功率点，从而不能充分发挥光伏电池的效率，造成了资源的浪费。因 此研究性能优良、能充分利用光伏电池输出的光伏发电系统拓扑结构是光伏并网 发电需解决的关键问题之一。理想的发电系统应该具有如下几方面的特点仁间: 能较好地实现 DC 一 AC 变换，产生高质量的电能，以减轻电网的谐波污染; 能较好地给本地负载提供电能，以缓解日趋紧张的用电压力，并还能向 电网输送过剩电能，缓解电网压力; 较高的传送效率和较低功耗; 结构简单、较少的器件、紧凑的模块设计; 能适应较大的输入电压变化。 14 当前分布式发电系统中，按照电路变换的过程分为单级逆变器和多级逆变 器。按是否带电气隔离又分为隔离型结构和非隔离型结构。 3.1.1 单级逆变器 单级逆变结构要求逆变器能同时实现 MPPT 控制、逆变等多重控制。它的输 入端与光伏器件直接相连，通过单级逆变器将光伏阵列输出的直流电直接转换成 与电网同频、同相、同幅度的工频交流电。因它具有电路简单、元器件数少、高 效低功耗及高可靠性等诸多优点，在满足系统性能要求的情形下，单级拓扑结构 将会是首选26 。图 3 一 1 是传统的带工频变压器的单级逆变器。但由于工频变压器 大而笨重，因而在小功率分布式发电系统中逐渐被高频变压器或无变压器的 拓 扑 结 构 所 代 替 25 。 图 3 一 2 是一种无隔离的单级逆变结构，它把两个相同的 BOOST 变换器的输入 与直流电源并接，而负载跨接在这两个变换器的输出端。工作时两 BOOST 电路轮 流工作输出半个工频周期的正弦调制波，而在负载上得到的是完整的工频交流 电。因无工频变压器，所以需要有足够的光伏输入电压，以满足负载电压或并网 的需要， ，J，8 。图 3 一 3 是另一种带隔离的单级逆变结构图，由两个相同的 BUCK 一 BOOST 电路 构成。它用反激式变压器 T 代替原来贮能电感，一方面这个反激式变压器完成贮 能续流的功能，同时也起到输入直流与输出交流间的电隔离的作用。工作原理类 似于图 3 一 2 电路，两 BUCK 一 B00ST 电路轮流工作，在负载获得完整的工频交流电。 通过上述分析可知，由于消除了低频变压器，这种单级变换器结构形式紧凑 简单、高效低耗，但这种拓扑常受到功率、输入电压的限制，且输出电能质量不 高。据观察25 ，在这种变换器中，流过主功率开关的电流通常是不连续的三角波， 而且，即使工作在连续电导模式 (eontinuou:eonduCtionMode，CCM)，通过功率管的电 流也不能被控制。考虑到系统的费用和体积，这种拓扑不适合在大功率发 电系统中使用，避免较大的峰值电流使功率开关管承受较大的电流应力。因此在 大功率、宽输入电压的场合往往使用多级逆变拓扑结构。 3.1.2 多级逆变器 与单级变换器不同的是，多级逆变器并非直接把光伏输出电压送逆变器进行 逆变，而是在逆变的前级先将光伏输出电压进行变换，使变换后的直流能满足后 级逆变负载或并网的需要。所以多级逆变拓扑可以看作是一个两级变换结构，它 15 的第一级可以为 DC 一 DC 变换器，也可以是一个 DC 一 AC 一 DC 的变换器， 主要用来 完 成光伏阵列的 MPPT 控制，并把光伏输出电压变换成能满足逆变需要的直流电， 而第二级则把变换后的直流电进行逆变输出给负载或反馈给电网。电路框图如图 3 一 4 所 示 。 16 之间的矛盾，其实现仅需适当安排逆变器件的控制脉冲时序。图 3 一 8 给出了倍频 式 SP 恻控制信号产生原理图。从图上可以看出倍频式 PWM 信号的产生比传统方 式更加复杂，但本文所设计的系统是基于 DSP 来实现的，故并没对硬件电路设计 有额外的要求。需要注意的是产生的 PWM 门极驱动信号与桥式逆变器中四个功率 管必须是对应的，否则会导致逆变的失败。图 3 一 8 中的 V:;、VgZ、与、Vg4 四个驱 动信号应分别对应图 3 一 5 逆变器中的 Q2、Q3、Q4 和 Q5。 12.2 逆变器反馈控制技术 逆变器控制的分类中，按其输入电源的性质可分为电压源型和电流源型;按 控制对象或者反馈量的性质又可分为电压型和电流型。因此逆变器的控制方式可 分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制的电流源电流控制四种 方式。而以电流源为输入的逆变器，由于其直流输入侧需串一个大电感以提供稳 定的直流电流输入，大电感的存在往往会导致系统动态响应变差川。因此当前所 使用的并网逆变器大部分以电压源输入为主。下面主要对电压源逆变器的控制模 式进行分析讨论。 1.电压源电压控制 电压型控制技术是以输出电压作为控制对象，其控制原理如图 3 一 9 所示。将 变换器输出电压 V、:与基准电压相比较后得到误差 Ve，经 PI 调节后与锯齿波信号 相比较，产生占空比变化的 P 脚信号去驱动变换器，这是电压型控制技术的基本 原 理 如果反馈采用输出电压的平均值与一个电压平均值基准相比较进行的控制 叫做电压平均值反馈控制;而如果反馈电压为输出电压的瞬时值，与一个电压瞬 时值基准进行比较实现的控制称为电压瞬时值反馈控制。这两种控制策略中，电 压平均值控制是恒值调节系统，其优点是输出可以达到无静差，缺点为是响应快 速性较差，而电压瞬时值反馈控制策略是一个随动调节系统，由于积分环节存在 的相位滞后，系统不可能达到无静差，但相对平均值反馈控制，其快速性较好34 。 总体来说，电压型反馈控制设计和分析较为简单，具有较强的抗干扰能力， 但当输入电源电压、负载、功率电路元器件参数发生变化时，只有等到输出电压 变化后才能起到调节作用，故其动态响应较慢。实际在光伏并网发电系统中较多 使用了电流型控制策略35 ，具体分析见下一节。本文在进行实验研究时，在光伏 发电工作在独立供电模式时，采用了电压瞬时值反馈控制策略，控制结构框图如 图 3 一 10 所 示 。 具 体 实 验 情 况 及 实 验 结 果 见 第 五 章 。 17 2.电压源电流控制 电流型 PWM 控制技术是针对电压型 PWM 控制技术的缺点发展起来的。这种控 制方式是在 PWM 比较器的输入端直接用输出电感电流信号与指令电流信号相比较 产生的误差量去控制输出脉冲的占空比，使输出电感的峰值电流跟随误差电压变 化。这种控制方式有效地改善开关管电源的电压调整率和电流调整率，也改善整 个系统的瞬态响应36 。 电流型 PWM 控制技术又分为瞬时值电流滞环控制技术和电流三角波比较控制 技术。图 3 一 H 为瞬时值电流滞环控制的原理图。图 3 一 11 指令电流 i:与实际检测 电流 ic 比较产生的误差lc 作为滞环比较器的输入。若滞环比较器的环宽为 2 盯， 则 ic 在仁十 AI 一 i:一 AI 范围内，呈锯齿状跟踪指令 i:。显然滞环宽度对跟踪性能有 较大的影响。环宽过宽时，开关动作频率低，但跟踪误差增大，输出电流中的高 次谐波含量也增大;环宽过小时，跟踪误差较小，但开关动作频率变高，甚至会 超出开关器件的允许范围，开关损耗也随之增大。这种控制方式的特点是硬件电 路简单、电流响应速度快，但对功率管的开关频率要求较高，在同一开关频率下 输出电流所含的谐波分量较大，给滤波电路的设计带来困难。 电流三角波比较控制方式是较为常用的控制方式之一，图 3 一 12 给出电流三 角波比较控制原理图。该控制技术是将指令电流 z:和输出电流 lc 进行实时比较产 生的误差电流ic，经 P1 调节后与三角波载波进行比较产生对应的 PWM 驱动信号。 在这种控制方式中，功率开关的开关频率是一定的，即为载波频率，与滞环比较 控制相比，它输出电流的谐波脉动较小，输出滤波器的设计也较方便。 18 上一节主要分析了电压源逆变电路的两种反馈控制方式。在进行光伏并网 电时，逆变器的负载为公共电网，它可视为容量无穷大的交流电压源，如果并 输出采用电压型控制，则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统，这种 情况下要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术使输出与市电同步，并 稳定运行的基础上通过调整逆变器输出电压的大小以避免环流的产生。但在逆变 器切入并网工作模式时，由于电网巨大的平衡作用，逆变器的输出电压等于电 电压，因而对控制对象即逆变器的输出电压工作情况不可知，只能通过控制逆 器输入直流母线电压来控制逆变器，从而较难实现逆变器输出电压对电网电压 跟踪，因而可能产生较大的环流;另外在日照变化较为剧烈的情况下，电压型 制方式也会因响应速度较慢而影响逆变器输出电能的质量。如逆变器采用电流型 控制方式，则逆变器的输出相当于电流源，它与电网的并联可看作电流源与电压 源并联工作，并网工作时只需要控制逆变器的输出电流频率、相位跟踪市电电压 的变化即可达到并网运行的目的。其控制方法相对简单，当电网或日照变化时对 外部响应速度优于电压型控制方式川。因此本文在进行光伏并网发电时采用输入 电压源、输出电流源控制模式。考虑到电流三角波控制技术输出滤波电路设计方 ，更能达到控制效果川，因而采用固定开关频率的电流三角波比较控制技术来 实现光伏并网发电。其控制原理框图如图 3 一 13 所示。它是一个双环控制结构， 外环为输出电压瞬时值反馈控制，内环为输出瞬时电流的反馈控制。从图可知， 电流控制的指令电流信号是由逆变器输出电压与期望正弦电压基准比较后产生 的误差信号产生，该误差信号经调节后与输出检测信号比较调节后再与三角波交 截得到 PWM 波去控制逆变器，经滤波后即得到所需的正弦输出。 19 实现光伏并网发电的一个最主要的技术指标之一是确保逆变器输出为单位 功率因数，即需要使逆变器输出电流与电网电压同频同相。由于光伏发电系统中 光伏器件输出功率、电网电压及相位都是变化的，因此如何根据上述参数确定逆 变器输出电流的参考信号是并网工作模式下一个关键问题。在实际工作中，电网 电压频率、相位变化较小，可以不作考虑(因为如果这些变化超过规定，系统将 会切换到独立运行模式);公共电网作为逆变器的负载相对稳定变化小也可不予 考虑;而光伏阵列的输出功率与其所处环境日照强度、温度的变化有很大的关系， 所以在实际设计中我们主要考虑光伏阵列输出电压和电网电压幅值变化对逆变 器控制的干扰。因此逆变器的指令电流信号应随着光伏器件的输出功率变化而不 断调整。根据上述分析，图 3 一 14 给出了实际光伏逆变并网发电系统的控制结构 框图，与传统电流控制方法不同的是由于逆变器输出与电网连接，因此它的外环 20 第四章 2KW 光伏并网发电硬件系统的设计 4.1 光伏并网发电系统的构成及电路参数 4.1.1 系统的构成 根据上述分析，本文实验所设计的光伏并网发电系统的电路结构 框图。主要有以下几个部分构成： 光伏电池阵列:用于实现光一电转换; DC 一 DC 高频变换器:把光伏阵列输出的电压变换到逆变所需要的直流电压; 逆变器和滤波器:把直流逆变成与负载或电网相匹配的工频交流电; 控制器:MPPT 控制、逆变并网控制; 检测保护:完成控制所需的电压、电流、相位、频率待信号的检测及过 载、短路、孤岛等异常保护。 21 4.1.2 电路主要技术参数 光伏阵列:光伏组件输出额定电压为 48v，功率为 2kw 逆变输出电压有效值:22OVAC 士 5% 逆变输出电压频率:50Hz 士 0.5% 4.2 主电路拓扑 有关系统的电路拓扑，本文在第三章中已经说明并确定实验电路结构形式。 图为 2KW 光伏并网发电系统的主电路原理图。该电路前级由 dc-dc 高频电路组成;后级由 三相全桥逆变电路将前级直流电压逆变并经 LC 滤波后得到工频正弦交流电;逆变工作方式 为并网工作模式，由继电器 SWI 的控制实现。 4.2.1 主功率管的选择 目前，IGBT 以其优良的开关特性、较低的饱和压降以及容易驱动等特点在 中小功率开关电源以及逆变电源中占据了主导地位，因此本系统采用工 GBT 作为 功率开关器件。Igbt：FGL60N100BNTD 60A,1000V,IGBT 仙童. TO-264 封装 Mosfet：FQP55N10 (100V/55A/155W/0.026 欧姆/TO-220) 22 4.3 基于 DSP 的控制系统设计 目前市场上用于控制的微处理器主要有 51 系列单片机、PIC 系列、96 系列 单片机以及高速数字信号处理器 DSP 等。前面几种单片机运行速度较慢，或控制 精度不高，很难满足光伏发电系统数字控制的要求。DSP 是近几年发展起来的高 速信号处理器，它以处理速度快、处理精度高(可为十六位或三十二位)以及完善 的外设很快在信息处理、实时控制方面等方面得到了广泛的应用。本文所研制的 光伏并网发电系统的控制系统是以 DSP 核心来实现的，控制芯片选用了 Ti 公司 的 TMS32OF2812，该系列 DSP 芯片是德州仪器公司专门为控制而设计的定点 DSP， 1.采用高性能静态 C 朋 S 技术，使得供电电压降为 3.3V，减小了控制的功耗; 4OMHz 的执行速度使得指令周期缩短到 25ns，从而提高了控制器的实时控制能力; 2.基于 TMS32OCZXXDSP 的 CPU 内核，保证了 TMS320LF2812DSP 代码与 TMS32O 系列 DSP 代码兼容; 3.有高达 32K 字的 FLASH 程序存储器，高达 1.SK 字的数据/程序 RAM，544 字的双口 RAM 和 ZK 字的单口 RAM; 4.两个事件管理器模块 EVA 和 EVB，每个包括:两个 16 位通用定时器;8 个 16 位有脉冲宽度调制(PWM)通道。并能够完成以下功能:三相反相器控制;P 姗 的对称和非对称波形输出;当外部中断输入引脚出现低电平时快速关闭 PWM 通道; 可编程的 PWM 死区控制可以防止上下桥臂同时输出触发脉冲;3 个捕获单元;片 内光电编码器接口电路;16 通道 A/D 转换器。 5.扩展的外部存储器总共 192K 字空间:64K 字程序存储器空间;64K 字数据 存储器空间;64K 字 1/0 寻址空间。 6.看门狗定时器模块(WDT); 7.10 位 A/D 转换器最小转换时间 375ns，并且两个通道既可工作于独立方式 也可以工作于级连方式。可选择两个事件管理器来触发。 8.控制器局域网络 (CAN)2.0 模块。 9.串行通讯接口(SC 工)模块。 10.16 位的串行外设接口(SPI)模块。 n.基于锁相环的时针发生器。 12.高达 40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GP10)。 13.5 个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。 14.电源管理包括三种低功耗模式，能独立地将器件转入低功耗工作模式。 4.3.1 控制系统的构成及资源分配 该图为 2812 的管脚图 23 由于 DSP 的强大的数据处理能力，所以整个控制系统的外围只要相应的数据 采集和功率驱动，其余的运算处理如 PWM 信号的产生、A/D 转换、锁相等均由 DSP 完成，从而使整个控制系统的硬件结构简单，抗干扰和稳定性较高。根据发电系 统主电路结构及控制要求，结合图给出了本文实验装置的控制系统 结构图，总体可以分为 DSP、取样检测部分、驱动保护部分及人机界面四个部分。 表 4 一 1 为 DSP 端口资源分配 DSP 端口 Pwm1 Pwm2 Pwm3 Pwm3 24 连接对象 Pwm 信号驱动电路 74hc373 实现功能 产生六路逆变器 spwm 信号 Pwm4 Pwm5 Pwm6 Pwm7 Pwm8 Pwm9 Pwm10 ADCINA0 ADCINA1 ADCINA2 ADCINA3 ADCINA4 ADCINA5 ADCINA6 ADCINA7 ADCINB0 4.3.2