光伏微型发电逆变器的设计

微型光伏发电逆变器的设计摘要目前，人类社会发展迅速，对能源的需求不断加大，能源危机和环境保护成了21世纪的主题。太阳能具有无限性，清洁性等特点，如果能加以利用，对人类以后的发展和延续由很重要的意义。在此背景下，本设计基于TMS320F240对光伏发电并网逆变器做出了分析和研究。本设计首先介绍了国内外光伏发电的现状，分析了光伏发电的工作原理，然后对主电路结构进行分析和选择，最终确定前级采用BOOST升压电路以及后级采用全桥逆变电路，逆变主电路采用无变压器绝缘的两级拓扑结构。控制方法采用滞环反馈调节。分析了太阳能电池的工作原理，确定了采用扰动观测法实现最大功率点跟踪（MPPT）的方法。接着论述了孤岛效应的产生原因和危害，确定了采用周期性扰动正反馈频率漂移AFDPF孤岛检测方法。对系统进行了软硬件的设计，最后利用MATLAB软件对系统部分指标进行了仿真，满足了部分要求。本次设计能够部分解决地区供电难，社会能源短缺问题，对社会发展和稳定有重大现实意义。关键词太阳能，光伏并网逆变器，最大功率点跟踪，孤岛检测，MATLABTHEDESIGNOFPHOTOVOLTAICINVERTERABSTRACTATPRESENT,THEDEVELOPMENTOFHUMANBEINGSGROWINGDEMANDFORENERGY,THEENERGYCRISISANDENVIRONMENTALPOLLUTIONHAVEBECOMETHETHEMEOFTHISCENTURYINTHISBACKGROUND,THISPAPERUSETHESOLARENERGY,BASEDONTMS320F240ISDESIGNED800WMINIATUREGRIDCONNECTEDPHOTOVOLTAICINVERTERATFIRST,THISPAPERANALYZESTHEMAINCIRCUITSTRUCTUREOFSYSTEM,BEFORETHEFINALLEVELUSINGTHEBOOSTBOOSTERCIRCUIT,ANDTHELATTERADOPTSFULLBRIDGEINVERTERCIRCUITWORKINGPRINCIPLEOFINVERTERMAINCIRCUITADOPTSTHETWOLEVELSOFTOPOLOGICALSTRUCTUREOFTRANSFORMERINSULATIONTHENANALYZEDTHEWORKINGPRINCIPLEOFSOLARCELLS,DETERMINESTHEDISTURBANCEOBSERVATIONMETHODISUSEDTOACHIEVEMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMPPTMETHODTHENDISCUSSESTHECAUSESANDHARMOFISLANDING,DETERMINESTHEPERIODICDISTURBANCEUSINGPOSITIVEFEEDBACKFREQUENCYDRIFTISLANDAFDPFDETECTIONMETHODFINALLY,THESYSTEMHARDWAREANDSOFTWAREDESIGN,ANDONTHEPARTOFTHEPERFORMANCEOFTHEMATLABSIMULATION,TOVERIFYTHEPARTOFTHEPERFORMANCEOFTHESYSTEMKEYWORDSTHESOLARENERGY，PHOTOVOLTAICGRIDCONNECTEDINVERTER，MAXIMUMPOWERPOINTTRACING，ISLANDDETECTION，MATLAB目录前言1第1章绪论211微型光伏发电逆变器国内外研究动态212选题的依据和意义213基本内容和解决重点问题314研究进度315主要内容3第2章控制系统总体设计521光伏逆变系统的工作过程522光伏并网逆变系统的性能指标和参数要求6221逆变器性能指标6222逆变器参数要求723光伏并网逆变系统的控制方案7231系统的整体控制方案7第3章控制系统硬件设计1031控制系统的整体构成1032控制系统中变量分析10321变步长扰动观察法实现最大功率点跟踪10322孤岛效应及其检测方法1233控制系统中所用硬件设备的选择14331BOOST电路设计14332逆变电路设计15333驱动电路的设计18334控制电路的设计18第4章控制系统的软件设计1941MATLAB简介2042控制系统整体设计2043DSP锁相环节软件设计20第5章系统仿真2151电流跟踪型逆变器仿真2252光伏阵列的仿真2553扰动观察法模型仿真28第6章总结与展望3161本设计主要完成的工作3162控制系统的性能和优缺点3163控制系统设计过程中的技术难点3264控制系统还需改进的地方32谢辞33参考文献34外文翻译资料36前言本课题主要针对目前能源问题而设计，能源问题一直关乎人类生存和发展，是人类能否延续下去的关键。目前资源短缺使得人类必须找到一种新的能源来替代，同时环境污染也是重大问题。然而太阳能是最好的选择，其一清洁，其二取之不尽用之不竭。如果能对其加以改造和利用，必然对人类的发展起着至关重要的作用1。从20世纪80年代起中国开始研究了光伏逆变器，现有特定的公司生产光伏发电逆变器。我国光伏发电逆变器厂商普遍启动时间晚，所以在规模、结构、工艺、做工、性能稳定性国外企业无法相提并论。不过国内龙头企业合肥阳光电源公司发展迅速，在欧洲市场及国外其他大功率市场取得相当大的成绩。本次设计分析微型光伏发电及并网工艺过程，主电路主要采用两级电路，前级是BOOST升压电路，后级为逆变电路。主要控制方式是滞环反馈控制，采用变步长最大功率点跟踪方法实现太阳能光伏阵列最大功率电跟踪。最后在MATLAB中构建了系统的仿真模型，验证了部分系统性能2。第1章绪论11微型光伏发电逆变器国内外研究动态近年来，欧美各国如德国、美国、意大利以及中国光伏产业不断发展，光伏逆变器在全球的销量与日俱争。欧洲市场得天独厚，成熟的技术使他们具有领先水平，走在世界的前沿。全球光伏市场日渐兴起，欧洲大多数光伏逆变器厂家开始扩张。具有先进半导体技术和工业基础的美国和日本在电路设计、自控设计设计方面颇具实力，他们依靠各自的品牌于光伏逆变器生产设计领域拥有很强的实力与优势。国外主要逆变器厂商有SMA、KACO、FRONIUS、SIEMENS、STUDER、DANFOSS、SPWTICK等公司，其中SMA、KACO、FRONIUS、SIEMENS市场占有率达70，领军国家德国SMA2009年市场销售额占为44。这使得传统厂商不得不开始扩充产能，不断扩展渠道，传统电气控制、自动控制控等工业巨头逐渐开始进入新能源市场。从20世纪80年代起中国开始研究了光伏逆变器，现有特定的公司生产光伏发电逆变器。我国光伏发电逆变器厂商普遍启动时间晚，所以在规模、结构、工艺、做工、性能稳定性国外企业无法相提并论。不过国内龙头企业合肥阳光电源公司发展迅速，在欧洲市场及国外其他大功率市场取得相当大的成绩。如今，虽然国内逆变器生产厂商比较多，但对于光伏发电逆变器的研究的厂家却寥寥无几。合肥阳光电源股份有限公司、南京冠亚电源设备有限公司等企业的光伏逆变器技术不断上升，产量不断提高，甚至成功研发了大型光伏逆变器。逆变器的利率可高达3540，主要因为逆变器成本低、技术成熟、供应商少。以后投资者的不断增加和大规模光伏系统电站的建立必然使得毛利率下降。“金太阳工程”在一定程度上激励国内商家的发展，给未来光伏器发展带来机遇与挑战3。12选题的依据和意义21世纪是能源危机的时代，能源问题是人类能否延续下去的关键。目前资源短缺使人类必须找到一种新的能源来替代，同时环境污染也是重大问题。然而太阳能是最好的选择，其一清洁，其二取之不尽用之不竭。如果能对其加以改造和利用，必然对人类的发展起着至关重要的作用。本设计对光伏发电逆变器的总体控制方案、主电路结构、器件选型、光伏太阳能电池的最大功率点跟踪以及孤岛检测进行了深入研究。13基本内容和解决重点问题本设计基于TMS320F240实现电路控制，主电路采用无变压器绝缘的两级结构，并且有最大功率检测与跟踪以及孤岛效应检测，研究分析了光伏发电并网逆变器，最终输出与电网电压同频同相的正弦电流输出。1分析微型光伏发电及并网工艺过程；2在分析工艺过程的基础上，设计系统整体控制方案，选择控制策略；3进行硬件电路设计，完成元器件参数计算和选型；4硬件电路仿真；5搭建硬件电路；6电路测试及调整。14研究进度13周查找相关资料，设计整体方案，撰写开题报告。45周控制方案设计，元器件参数计算和选型。68周硬件电路的搭建、仿真和测试。910周系统控制软件的设计及测试。1112周撰写毕业论文，答辩。15主要内容本文主要内容分为六个部分一、绪论，介绍了本设计的来源和意义，概述了光伏发电的工作原理以及光伏逆变的关键技术。二、研究了并设计出了本系统的主电路结构无变压器绝缘两级结构，分析了逆变电路。三、介绍了系统各个关键部分升压单元、逆变单元、滤波单元、驱动单元、控制单元等器件选型。四、介绍了系统的软件设计。五、给出本设计的光伏并网逆变器的仿真来验证部分性能。六、主要对本次设计的性能指标做出了总结，说明了系统的优缺点以及需要改进的地方。第2章控制系统总体设计21光伏逆变系统的工作过程白昼，光伏电池组受到太阳光的照射，产生电动势，光伏阵列由数个太阳能电池模块串联形成，它产生的电压应与系统所需要的输入电压相同。光伏系统主要分为两类并网系统和独立系统，并网系统就是要与电网连接，则太阳能产生的电流要接入电网；独立系统则不与电网相连接，单独将太阳能产生的电流供给用电设备。利用光生伏打原理，光伏发电系统将太阳能直接转换成电能。光伏发电系统主要由由电池方阵和逆变器两部分组成。当有光照射太阳能电池板时，电池方阵产生电流通过并网逆变器将电能输送到交流电网上。光伏发电系统主要分为独立式和并网式。独立式光伏发电系统远离电网，适用于远离电网的地区用于不想接电网的用电场合。光伏并网发电系统原理图如图21所示，图21（A）是单级式并网发电系统原理图，图21（B）是两级式光伏并网发电系统原理图4。（A）单级式光伏并网发电系统（B）两级式光伏并网发电系统图21光伏并网发电系统得出结论，逆变器是光伏系统至关重要的环节，影响系统效率和系统工作质量，直接决定系统是否能够稳定运行。表21列举了独立式光伏发电系统和光伏并网发电系统的各自特点，根据表格得出结论并网发电系统相对于独立系统成本较低，发电质量和效率高，是比较好的选择5。表21独立光伏发电与并网发电对比名称描述并网逆变器DCDC电网MPPT控制逆变器控制PV阵列并网逆变器电网MPPT控制PV阵列独立式发电系统成本相对较高；输出功率不稳定；输出电能质量易受外界影响；需蓄电池或风力发电机等设备作为系统补充主要用于边远无电地区，用于发展中国家并网发电系统造价较低、发电成本较独立式低1020；电能供给较稳定；无需其它能源补充设备；发展不受地区的限制，发达国家应用较多22光伏并网逆变系统的性能指标和参数要求221逆变器性能指标并网逆变器不同于普通的逆变器，差别是并网逆变器要保证输出电压（电压型）或电流（电流型）与电网电压同步，这样才能符合给电网供电的标准。然而工频电网的输出频率是变化的，所以逆变器的输出频率要随电网频率的变化而变化。与此同时，功率因数也是一个需要考虑的问题。功率因数过低，电网会被注入谐波和无功分量，线路负担加重，并且谐波会造成电磁辐射。为使生产高质量的电能，降低污染，应尽量使逆变器的输出功率因数趋于1。一般以下要求（1）输出一个频率稳定度在05的正弦交流电。（2）断电状况下逆变器自行切断。（3）保证光伏阵列的最大功率点输出。（4）提高效率，使效率在85以上。（5）启动电流小，系统运行稳定。（6）具有短路、过载、过压、欠压、声光报警保护功能6。222逆变器参数要求额定输出功率；80NPW输出单相交流电压；2ONUV输出单相交流电压；50NZFH系统输入直流电压。17INUV23光伏并网逆变系统的控制方案231系统的整体控制方案本设计采用电压源输入电流源输出的控制方式，采用无变压器绝缘的两级结构，前级为DCDC升压单元，后级为DCAC逆变单元，两部分由直流母线连接在一起，图22为电压型逆变器原理图。本系统中，光伏阵列输出直流电压范围是100170V，升压单元将其升至400V。后级逆变单元采用单相逆变桥，将电压转换为电流并将其输送给电网。主电路结构图如图23所示。图22电压型逆变器原理图MPPT220V50HZIPVC2AV1V2V4UABUBV3UPVBOOST电路单相桥式逆变电路C1VDBVD1VD2VD3VD4L0L1V00UDUV1V2V3V4C图23无变压器绝缘的两级逆变器无变压器绝缘两级式逆变器没有进行隔离，其体积小，效率高，成本低。然而在一些要求隔离的场合并不适用。232系统内部电路工作原理（1）BOOST升压单元工作原理如下图，BOOST升压单元电路由电源E,二极管D，开关管Q，电感L，电容C和负载R构成，实现对输入电压的升压。图24BOOST电路原理图图25是BOOST电路工作原理当开关管Q导通时，二极管D反偏，不能导通输出与输入被隔离，则输入端E向电感L提供电量。开关管Q断开时，二极管导通，输入与负载R形成回路，负载R接收来自输入E和L的电量。ELQCR图25BOOST电路工作过程BOOST升压单元电路有连续和不连续两种工作状态，应该确定每个周期开始电感电流从零开始以保证电路处于连续工作状态。为了保证系统的稳定性控制其导通占空比在之内7。08D（2）单相全桥逆变单元的工作原理后级逆变单元电路为电压型单相桥式，全控型功率器件，其结构图如图26所示。图26单相桥式逆变器的结构图ELCRLILIELCRLII（A）Q导通，D关断（B）Q关断，D导通CV1V2V4V3L0DCU_UGRIDIGRIDU第3章控制系统硬件设计31控制系统的整体构成本文设计的微型光伏发电并网逆变器的额定输出功率是800W，输出单相交流电压是220V，频率是50HZ。该系统以TMS320F240芯片作为核心控制部分，由光伏阵列单元、升压单元、逆变单元、TMS320F240控制单元、驱动单元、滤波单等六部分组成。如图31所示为系统整体框图8。图31系统整体框图32控制系统中变量分析321变步长扰动观察法实现最大功率点跟踪为了实现光伏最大功率点的跟踪，研究并确定了扰动观察法，因为其控制简单，控制效果良好。然而扰动观察法依然有不足之处，一是可能在最大功率点处功率震荡现象较严重，二是光线变化过大最大功率点将无法跟踪。其中最重要的原因是这种方法下电池输出电压的扰动量（步长）是固定值。步长直接影响了系统的动态响应及稳定状况。若太大，则MPPT随环境变化速度较大，在最大功率点周围震荡幅度也很大。若太小，震荡幅度减小很大，MPPT响应速度骤减，外界环境对其影响也微乎其微。光伏阵列升压单元驱动单元输出AC滤波单元逆变单元控制单元变步长扰动观察法实现最大功率点跟踪可以在保证精度的前提下，同时提高了系统的响应速度。当光伏电池远离最大功率点时，使用较大的步长扰动，很快便可以达到最大功率点。若光伏电池接近最大功率点，用小步长扰动的方法，可以有效提高效率防止输出功率不稳定9。图32是变步长扰动观察法的示意图，假设系统开始时光伏电池的PV曲线是图中曲线1，若太阳能电池目前在V1处工作，离最大功率点较远，则系统以大步长跟踪；若目前工作在V2处，距离最大功率跟踪点较近，系统以较小步长跟踪；若目前工作在V3，几乎处于最大功率点，系统将保持当前值，持续到下一个扰动周期才会判断是否需要扰动；若外界环境变化过大时，如图32中太阳能电池特性曲线从曲线1立刻转为曲线2，同时最大功率点从MPP1变至为MPP2，系统会以较大步长直至跟踪到MPP2。图32变步长扰动观察法示意图当系统工作时，对于太阳能电池的输出功率，最好多次采样求平均值，因为输出功率会受到谐波以及采样精度等一系列因素的影响。取平均值可以有效的对太阳能电池输出功率进行判断，确定准确的扰动方向。根据数据研究和分析，得出当太阳能电池输出电压初始值为开路电压076倍时，便达到了最大功率点。如图33为变步长扰动观察法流程图，进入MPPT中断，首先读取电流电压值，计算出平均功率，P为功率振荡，若它大于2W，就以2V步长进行扰动；若它小于05W就以0V步长进行扰动；若它介于05W与2W之间，则V2V（P/2W）10。图33变步长扰动观测法流程图322孤岛效应及其检测方法（1）孤岛效应及其危害光伏并网发电系统最大的特点是具有对孤岛效应的检测和防止的功能。孤岛效应会给电网带来危害表现在，当电网供电中断时，逆变供电系统继续向电网供电，就使得发电系统和它所带的负载不受控制，这样是比较危险的。下面是孤岛效应的几条危害11。影响电力系统的正常运行；对维修人员的安全造成威胁；MPPT中断读取电流电压值UPK,IPK计算平均输出功率值PKUPKIPK计算平均功率差中断返回12W05P2V0P1REFREFUK2V0YYNNVYN输出电压和频率不受控制，损坏用电设备；光伏并网发电系统是单相供电，会造成三相系统缺相工作。现在电力短缺，人类想尽办法把有限能量转化为电能送到电网，对电网是一种安全性的挑战，所以反孤岛效应在今后的电网发展将必不可少。（2）周期扰动AFDPF周期扰动的检测方法无疑提高检测的效率和质量。周期扰动检测就是在电网正常运行下，为了平衡负载对扰动方向的作用，对逆变输出电压进行双向频率扰动。图34为周期扰动控制流程图，图中有两个扰动信号CF1，CF2。开始工作时，两个方向的扰动开始工作，比较电压频率大小。当一侧频率较大时，选择它并对其加正反馈，这样逆变器输出频率很快达到报警值，保护电路被触发，电网和逆变器断开连接12。图34周期扰动AFDPF方法流程图33控制系统中所用硬件设备的选择开始施加扰动信号孤岛故障发现12,CF12F1CF增强扰动2CF增强扰动11KFF212KFF1ISLANDF2ISLANDFYNNNY331BOOST电路设计（1）电感的选取对于升压单元，最重要的控制其输出电压的稳定性，增加占空比可以使电压有更高的增益，易于维持电压的稳定，实际中，一般使占空比D088。3110PVSPVDCSUDTUDT式中是太阳能电池输出电压，为BOOST升压电路输出电压，是开PVDCST关管开关周期，是开关管的导通时间，D是BOOST电路开关管的占空比，S是开关管的截止时间13。1ST由式（31）得321DCPVUD本系统中，电池板的输入电压范围100V170V，BOOST输出电压，40DCUV由32可得MAXMIN40175DCPVUDINAX40DCPV所以本系统中BOOST电路占空比D是0575075。要求最小输出功率为20，则电感大小为（33）2MAXMAX11240PVSDCSDCSLLOUTUTDTIIP开关管工作频率过低输出波形干扰少，易于滤波，过高会增加损耗导致过热。此系统选择频率F10KHZ,D0575时，24MAX0571015948LMHMAX59L所以14。6LMH（2）开关管的选取根据本论文的设计要求，IGBT比较符合要求，它输入阻抗高，开关速度快，大电流，耐高压。虽然MOSFET速度快，导通电压低，但对于大功率场合并不适用。选择IGBT主要依据就是要保证开关时集电极发射极两级之间电压不能超过其耐压值。其次最大集电极电流在工作过程中必须在安全电流去内，保证不会超过最大允许功率。最后应考虑散热问题。电路中IGBT各个参数为耐压400V，电流2A。可选用富士1MBH60100，参数耐压1000V，电流60A15。（3）二极管的选取升压单元电路中二极管参数耐压350V，电流28A。选用DSE16010A,参数耐压1000V，额定电流60A。（4）输入电容的选取假设电网电压和电网电流仅含有基波分量且同相，则向电网提供的瞬时功率为，其中是注入电网的平均功率，是电网角频率，是时2SINOPTWTOPWT间。为了使光伏系统对太阳能电池输出电压和输出电流的采样更加精确，设置输入电容很有必要，减少了其他因素对逆变器造成的波动影响，减少了各部分之间干扰的相互影响。输入电容选取2个1MF/200V的电容并联组成16。332逆变电路设计（1）滤波电感的选取并网系统要求输出功率因数趋于1，输出波形为正弦波，输出电流与电网电压同步，所以，电感的选取非常关键，决定了一系列电路的性能。依据以下两条选取电感电流的纹波系数输出纹波电流电流大小由滤波电感直接决定，则DIVLT可得0ONTLUTID（34）于是求得36MAXDCGD从（34）、（35）可得（37）MAXMAX0GDCGUTLI在本系统中，开关管的AX231GV064IA0DCUV工作频率取，取电流的纹波系数为015，则由式（37）计算可得10FKHZ6048921536240LMH因此，要保证实际电流纹波，则滤波电感应满5IIA17。08962LMH逆变器的矢量三角形关系由逆变器的矢量三角形可得（38）0OGUJWLI所以，他们的基波幅值满足（39）220OGIU由SPWM理论可得（310）ODC其中，为调制比，且1，从而（311）220GDCUWLI得到下式（312）200DCGULWI带入计算得204921536LMH依上可得，滤波电感的取值范围是。实际应用中考虑086291LMH到体积、成本等一些因素，电感值一般只要稍大于下限值就行，上限值无需考虑18。（2）开关管的选取通常小容量低压系统，MOSFET比较常用，因为它通态压降低，开关速率快。但逆变器输出是有滤波电感的存在，电路电流处于连续状态，MOSFET容易被烧坏。同时，MOSFET在大容量系统中通态电阻随电压升高而升高，降低了系统的效率。因此在此选用IGBT作为开关元件。本系统中，因为器件会受到尖峰电压的影响，所以对于IGBT由原来集射极耐压400V增加一定裕量变为600V。缓冲电路选用IMP，型号选用6MBP20RH060，其耐压值为600V，耐流值为20A,主要由六个开光管组成，具有驱动、保护、控制、逻辑等功能。（3）支撑电容的选取与三相逆变器存在差别，并网逆变器需要将光伏阵列产生的直流电转化为电网所需要的交流电，所以需要在BOOST升压单元和逆变单元之间增加一个能量解耦环节，也就是支撑电容，用它来实现电能的存储与解耦。同时在一定程度上对前后两级起到隔离作用。前后两级输入输出功率相等时，系统达到平衡状态。假设中间直流母线的100HZ电压纹波为，单相逆变器的平均输入功率为RIPU，输入交流功率为，则可近似计算直流母线电容IDCPUICOS2IDPIWT值为313IDCDCRPCU在本系统中，则由80IPW250/WAS40CV140RIPUV（313）计算得807962541DCCUF333驱动电路的设计对于驱动电路设计，考虑到门极开通时间和损耗与开通电压成反比。门极关断时间和损耗与关断电压成反比。所以综合考虑最终确定门极开通电压值为15V，关断电压值为5V20V,选择富士公司的EXB841驱动芯片。EXB841芯片的典型应用电路如图35所示。它的驱动频率高达40KHZ,能够驱动300A/1200V的IGBT。该芯片供电电压为20V,开通偏压是15V,关断偏压是5V。该芯片本身设有过流保护，当IGBT短路，能够迅速切断电路，防止过电流损坏IGBT19。图35EXB841典型的应用电路334控制电路的设计控制算法是光伏并网控制电路设计中最重要的部分，美国T1公司的TMS320F240能够满足本设计计算量比较大，要实现比较好的性能的要求。它的特点如下（1）具有高性能静态CMOS技术，供电电压低至33V，功耗低，指令周期短，控制及时性高；（2）具有大容量的程序存储器。123456141510MA驱动信号过流保护输出TLP21471/2KW47UF7UFIGBTR绞线20V隔离电源3410ERA84EXB控制电路印刷电路板（3）可扩展外部存储容量大。（4）拥有40个可单独编程或复用的双向I/O引脚。（5）可以自由切换外设进入低功耗模式，降低功耗。该系统通过TMS320F240进行最大功率点跟踪运算，逆变运算和对信号输出的控制。通过两个事件管理器EVA和EVB，依靠定时器下溢中断触发采样，完成对占空比的计算。PWM波形则通过高速I/O口输出。TMS320F240控制板如图36所示20。图36TMS320F240控制板框图数码管485通信电平转换整形放大时钟、复位电路模拟信号调理及过压过流检测电路实时时钟串行E2PROMLEDDACPLDRAMAD采样PWM中断总线I/OSPISCITMS320F240直流电压和电流中间直流电压交流电压和电流片选保护信号第4章控制系统的软件设计41MATLAB简介MATLAB简称矩阵实验室（MATRIXLABORATORY），主要包括MATLAB和SIMULINK两部分，是美国MATHWORKS开发的商业数学软件，用于算法开发、数据分析和数值计算，在当今软件领域处于领先水平。MATLAB功能强大，主要功能有矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。应用领域广泛，主要应用于工程计算、工程控制与设计、信号通讯处理、图像处理、信号检测与处理、金融建模与设计。主要优点是其处理数据有效、快速、精细；其数据的格式易于与其他软件兼容，便于以后对其控制特性进行研究与分析。42控制系统整体设计太阳能光伏并网系统置换反馈控制，控制逆变器的输出电流与电网电压保持同步。如图41为并网控制系统框图。图41并网控制框图控制过程将实际检测得到的输出电流IO与给定电流相比较，经PI调节和滞环控制，得到驱动逆变电路的开关信号，改变输出电流，然后不断进行反馈调节，使输出电流趋于给定电流。UC给定电流PI调节滞环控制逆变电路IO_输出电流增益43DSP锁相环节软件设计一般情况下，工频电网频率是50HZ，实际中上下有小的波动，一般不超过5HZ都认为电网是稳定的。为了解决好这种问题，对并网电流实施检测和控制，主要检测其频率和相位。首先来检测电网电压的过零点，通过芯片中的EVA3和过零检测电路来实现。若出现捕获单元控制寄存器A中CAP3EDGE1时，表示上升沿，当上升沿来临时，同时被检测出来，则发生捕获中断，记录捕获上升沿的时间，把它作为基准正弦波起始时间，同时将定时器T1的计数器寄存器T1CNT置零，就实现了同步锁相。变量M用来记录定时器T1的中断次数，当下个上升沿来临时，比较M与载波比N，通过公式定时器周期TTM/N，计算出新的载波周期，并赋给T1，用来计算下一周期的SPWM占空比，令载波比N不变，就可以调整载波周期值，同时使调制波与电网电压同步。程序流程图如图42所示21。开始初始化系统控制模块初始化捕获单元初始化EVA模块开局全中断循环等待中断主程序捕获中断捕获上升沿清除中断向量计算载波周期将T1CN置零变量M赋零返回将载波周期值赋给T1PR捕获中断定时器周期中断M1调用SPWM程序返回定时器周期中断NYNY图42程序流程图UOPULSE2PULSE1CONTINUOUSPOWERGUIIOIGGAUNIVERSALBRIDGEPULSE2TOWORKSPACE5PULSE1TOWORKSPACE4IGTOWORKSPACE3IOTOWORKSPACE2UOTOWORKSPACE1TIMETOWORKSPACESINEWAVESERIESRLCBRANCHRELAY1RELAYPISPI2MULTIMETER1GAINDC2VOLTAGESOURCEDC1VOLTAGESOURCECLOCK第5章系统仿真51电流跟踪型逆变器仿真电流跟踪型逆变器采用滞环控制，控制逆变输出电流与给定的误差稳定在一定范围内，若超过一定值，则改变逆变器开关状态，改变输出电流，使输出电流稳定在给定电流附近。图51为滞环控制仿真模型。图51滞环控制逆变器仿真模型打开MATLAB，新建一个MODEL，在SIMULINK中找出所有需要的模块，然后把它们按照电路图连接起来。建立如图51的滞环控制的仿真模型。图上半部分为电源与单相桥臂组成的逆变电力电子仿真桥，负载为RL。下半部分为滞环控制部分，通过MULTIMETER测量模块测出负载输出的电压电和流，把输出电流与给定的正弦发生波发生器产生电流相比较，产生误差信号，通过PI调节，经过滞环控制参数调节，进而控制仿真桥的开关，控制输出电流，不断循环进行反馈调节，减小输出电流与给定的误差。给定电流波形如图52。图52给定电流波形图51中RELAY是滞环比较模块，其中有四个参数，SWITCHONPOINT阈值上限，SWITCHOFFPOINT阈值下限，OUTPUTWHENON阈值上限输出值，OUTPUTWHENOFF阈值下限输出值。如果一信号阈值上限是2，阈值下限是1，阈值输出上限是1，阈值输出下限是0。则当信号值大于2时，输出为1，若下一个周期小于2，仍大于1，则仍输出1。直至信号输出小于1，输出是0。根据上述规则，对参数进行设置，然后根据输出电流波形不断调整参数值，最后设置出如下图的滞环参数值。图53滞环模型参数调整与设置调整参数之后仿真出输出电流和电压的波形，如图54，可以看出与给定电流存在一定误差。02468X108202X103IBSERIESRLCBRANCH02468X1081000100UBSERIESRLCBRANCH图54滞环整定输出电流波52光伏阵列的仿真首先在MATLAB中画出光伏阵列的仿真图，如图55。图55光伏阵列仿真图图55中，MSX60I是光伏电池模块，UA是其输入电压，由RAMP斜坡信号提供，G是光照强度，通过CONSTANT设置常数来控制，T是温度，通过设置常数调节。PRODUCT此处表示输出电压与输出电流的乘积，即为光伏模块输出功率。GRAPH模块用来显示输出波形。初始设置运行时间为50秒，光照强度G1000，温度T25，检测电流与电压、功率与电压的输出波形如图56。RAMPPRODUCTPUGRAPH1IUGRAPHUAGTIAMSX60IEMBEDDEDMATLABFUNCTIONDISPLAY25CONSTANT11000CONSTANTCLOCKIU图PU图图56光伏模块输出波形图通过改变光照强度的值可以得到一系列输出波形图，分别取G400，600，800,1000，保持温度T25，得出不同光照条件下输出波形图，如图57。图57不同光照下光伏阵列输出波形图同时，通过常数设置改变温度值，分别取温度T25,25,45,55，保持光照强度G1000。得出不同温度下输出波形图，如图58。图58不同温度下光伏阵列输出波形图由图57可以看出，温度不变，随光照加强，输出电流增加，输出功率也增加，但在每条曲线上功率总有最大值，且其最大功率值对应的电压基本相同。由图58可以看出，光照强度不变，随温度升高，输出电流有一定的增加，输出功率增大，且最大功率时，对应的输出电压基本相同。所以为了保证电路实在最大功率点输出，只需要保证输出电压是对应的最大功率时的输出电压即可。53扰动观察法模型仿真当光照或者温度发生变化时，只要能追踪到能使输出到最大功率时的电压，并通过改变BOOST电路的占空比，使升压电路输出这个电压，就能保持最大功率输出。如图58为扰动模型仿真图。BOOST电路通过改变占空比来改变输出阻值，以此可以改变输出电压的大小22。201DRI图58扰动模型仿真模块图温度T保持25，通过对STEP模块进行设置，设置光照初值为800，终值为1000，光伏电池输出功率仿真曲线如下图。图59温度不变，光照增强输出功率曲线温度T保持25，通过设置STEP模块的值设置光照强度，初值为1000，终值为800。光伏电池输出功率仿真曲线如下图。图510温度不变，光照减弱输出功率曲线由以上可知，无论光照增强还是光照减弱，扰动系统总能保持最大功率工作。第6章总结与展望61本设计主要完成的工作本次设计在分析了当前光伏并网发电系统发展，介绍了并网发电系统的原理的前提下，分析各种电路拓扑结构的优缺点，确定了一种结构简单，成本低的DC/DC升压单元全桥逆变的电路结构。与此同时，也确定了前级实现MPPT控制，后级实现逆变的总体思路，并且对孤岛效应进行了分析和检测。整个系统由光伏阵列、DC/DC升压单元、DC/AC逆变单元、TMS320F240控制单元、驱动单元、滤波单等六部组成。对每个单元进行了设计并且进行了元器件的选择。最后，对设计的电路用MATLAB进行了模拟仿真，验证了该光伏逆变器的一些性能，达到了预计的目标。62控制系统的性能和优缺点本设计采用电压源输入电流源输出的控制方式，控制的性能指标主要有两点一是输出电流与电网电压同频同相，二是要求逆变器输出功率因数接近1。由图52和54对比，可以看出由于对PI调节设计不完善，输出电流与给定电流存在一定误差。由图59，510输出功率的波形可以看出，输出功率总能在最大功率点，可见满足要求。该系统的有点是逆变器采用电压型逆变器即电压源输入、电流源输出的控制方式。可以实现有源滤波和无功补偿。采用无变压器绝缘的两级拓扑结构，体积小，重量轻，但效率高且成本低。缺点是在某些要求隔离的场合不适宜使用。63控制系统设计过程中的技术难点该控制系统中应用的关键技术有光伏阵列最大功率点跟踪、孤岛效应的检测与防止。首先分析了光伏电池的原理，排除了恒定电压法、间歇扫描跟踪法等方法，最终确定了变步长扰动观察法来实现光伏最大功率点的跟踪控制。扰动观察法控制简单且效果好。为了实现光伏最大功率点的跟踪，研究并确定了扰动观察法，因为其控制简单，控制效果良好。然而扰动观察法依然有不足之处，一是可能在最大功率点处功率震荡现象较严重，二是光线变化过大最大功率点将无法跟踪。其中最重要的原因是这种方法下电池输出电压的扰动量（步长）是固定值。步长直接影响了系统的动态响应及稳定状况。若太大，则MPPT随环境变化速度较大，在最大功率点周围震荡幅度也很大。若太小，震荡幅度减小很大，MPPT响应速度骤减，外界环境对其影响也微乎其微。变步长扰动观察法实现最大功率点跟踪可以在保证精度的前提下，同时提高了系统的响应速度。当光伏电池远离最大功率点时，使用较大的步长扰动，很快便可以达到最大功率点。若光伏电池接近最大功率点，用小步长扰动的方法，可以有效提高效率防止输出功率不稳定。同时介绍了孤岛效应的危害，提出用周期扰动AFDPF方法检测孤岛效应。64控制系统还需改进的地方本系统逆变器主电路采用的无变压器绝缘的两级拓扑结构没有采用工频变压器进行隔离，对于某些要求隔离的场合并不适用。由于本人能力有限，未能对本系统实体电路的安装调试，仅在MATLAB中进行了部分仿真，验证了该系统的的部分性能，满足预计的目标。谢辞感谢老师在我的论文设计过程中给我的帮助，在论文选题、结构、格式上给了我很大的帮助，使论文真整体看起来整洁，内容上充实。特别是在MATLAB仿真上老师给了我很大的指导和意见，使我能够做出正确的仿真结果。同时也感谢我的同学们，在软件的使用和论文格式的修改和改错方面给了我很大的帮助。通过这次论文设计我学会了使用很多以前不会用的软件如VISIO、MATLAB，也学会了整体思考问题与具体思考问题的方法。最后再次感谢老师和我的同学们对我这次设计的帮助，希望我们在以后能共同进步。参考文献1吴春华一种新型光伏发电逆变系统的研究与设计电力电子技,2007,41（11）15172王磊一种可并网光伏发电逆变器设计仪表技术与传感器,2012,1（8）22243康秀强微型光伏并网逆变器的设计电器制造电气制造,2013,1（9）30334高文祥光伏微型逆变器研究综述电力系统保护与控制,2012,40211471555李洋光伏微型逆变器的研究电子技术,2014,10412156曹勇光伏发电逆变器工作原理及控制自动化技术与应用,2013,32121191227秦硕光伏发电并网逆变器设计太原科技大学学报,2015,3616118姜子晴光伏并网逆变系统的MATLAB仿真研究微计算机信息,2007,2312489董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