毕业设计(论文)光伏并网发电系统设计

摘要随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。地球中的化石能源是有限的，总有一天会被消耗尽。随着化石能源的减少，其价格也会提高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。可再生能源是满足世界能源需求的一种重要资源，特别是对于我们这个人口大国来讲更加重要。其中太阳能资源在我国非常丰富，其应用具有很好的前景。光伏并网发电系统是通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，并通过并网逆变器将直流电变为与市电同频同相的交流电，并回馈电网。光伏并网发电系统的核心技术是并网逆变器，在本文中对于单相并网逆变器硬件进行了建摸及设计。给出了硬件主回路并对各部分的功能进行了分析，同时选用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作为控制CPU，阐述了芯片特点及选择的原因。并对并网逆变器的控制及软件实现进行了研究。文中对于光伏电池的最大功率跟踪(MPPT)技术作了阐述并提出了针对本设计的实现方法。最后对安全并网的相关问题进行了分析探讨。文章的主要内容如下:1.目前国内外光伏发电的现状和发展前景，并对光伏并网发电系统的功能、分类和特点作了简单介绍，对光伏并网发电系统建立了一个总体认识。2.研究了光伏电池的基本发电原理和输出特性。重点研究了光伏电池的输出特性和其影响因素，并得出相应的结论。3.并网逆变器主要包括DC/DC及DC/AC两部分，文中分析了各部分设计重点，明确了选用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作为控制CPU的原因及优点，同时给出了控制及软件实现方法。4.光伏电池发电输出是非线性的，存在输出最大功率(CMPPT)跟踪问题。本文阐述了常用的最大功率点跟踪方法，并结合本设计提出了改进方法。使光伏电池工作于最大输出功率点上，获得高效功率输出。5.在实际太阳能并网发电系统中，太阳能电池的输出及电网的电压是不断波动的，如何实现安全并网以及在运行中对各种故障的检测及报警进行了探讨，重点对“孤岛效应”进行了分析。关键词：光伏电池;并网安全;光伏逆变器;最大功率点跟踪;DSP目录TOC\o"1-5"\h\z\u15433致谢42 3245791绪论 3136681.1光伏系统的应用发展前景 324991.2光伏发电系统概述 732201.3本课题所做的工作 9194612.单相光伏并网逆变器的工作原理及总体设计 1079212.1光伏并网逆变器的工作原理 10306242.2光伏并网逆变器的总体设计 11106722.2.1单相光伏并网逆变器的基本结构 1135482.2.2硬件设计中的各部分介绍 1197792.2.3控制电路设计 13130032.2.4逆变部分的主回路设计 15244722.3CPU控制芯片的选择 16100182.3.1DSP技术概括 16219272.3.2DSP芯片特点 18117422.3.3TMS320F2812型DSP芯片的性能简介 19246603.最大功率跟踪及其实现 2092973.1最大功率跟踪的常用方法 20246233.2光伏并网系统中的最大功率跟踪 2218573.2.1DC/DC变换器控制方案 23275143.2.2最大功率跟踪的实现 24138784.单相光伏并网逆变器控制及实现 2594004.1DC/AC逆变器控制方案 2536474.1.1电压相量图及其分析 2538294.1.2控制单元框图结构 27326754.2软件设计与实现 2854024.2.1系统软件总体设计 2877754.2.2系统主程序流程图 29258614.2.3SPWM波的实现方法 30274934.2.4主要元器件选择与试验波形 3210875.光伏并网系统的“孤岛效应”分析 34176495.1孤岛效应的产生及危害 34295755.2光伏系统孤岛效应的特点 3577975.3孤岛监测和系统保护方法 3580726.总结与展望 37258316.1总结 3742156.2展望 3823155参考文献： 38致谢391绪论1.1光伏系统的应用发展前景随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。地球中的化石能源是有限的，总有一天会被消耗尽。随着化石能源的减少，其价格也会提高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。据测算，全世界能源消耗的大部分被家庭所占，改善家庭的能源消耗方式便可改善全球的环境质量，节约大量的化石能源，用于化工等他用，而不只是当作燃料使用。因此自然能发电技术的应用受到越来越普遍的重视，洁净廉价的太阳能正适合于作为可再生的替代能源。太阳能是一种自然资源，将太阳能进行采集、转换，使其变为可控电能的系统，即为太阳能光伏发电系统。这项技术由美国贝尔实验室于上世纪五十年代初研究成功，最初仅用于航天等高科技领域。上世纪七十年代爆发的全球性能源危机，促使该技术向民用方面迅速推广。经过三十多年的不断改进与发展，目前己经形成一套完整而成熟的技术，随着全球可持续发展战略的实施，世界各国都在大力鼓励太阳能光电产业的发展。据报道，日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。中国的常规能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10%。2007年能源消费总量约为19.8亿吨，比2006年增长13%，其中:煤炭占67.1%,石油占22.7%、天然气占2.8%、水电等占7.3%。2007年石油进口达到9900万吨，约占中国总石油消耗4096。由于能源需求的强劲增长，煤炭在能源消费结构中的比例有所提高，比2006年提高1个百分点。按照目前的经济发展趋势和中国的资源情况，2010年和2020年的电力供应单靠传统的煤、水、核是不够的，尚存在一定的缺口，需要由可再生能源发电来填补。我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总面积达960万平方公里。在我国广阔富饶的土地上，有着丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量为928-2333kWh/㎡，中值为1626kWh/㎡。从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/㎡.天以上，西藏最高达7kWh/㎡天。与同纬度的其它国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。而这里正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，经济发展较为落后。因此可充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳光发电技术，发展经济，提高人民生活水平。中国光伏产业在国家大型工程项目、推广计划和国际合作项目的推动下，以前所未有的速度迅速发展。到2003年底，中国太阳能光伏系统累计安装量约达到了55兆瓦，主要为边远地区居民及交通、通讯等领域提供电力，现在己开始进行并网光伏发电系统的试验和示范工作。全国己有太阳能电池生产及组装厂10多家，制造能力超过100MWp。到2003年底，全国太阳热水器使用量为5200万平方米，约占全球使用量的40%，年生产量为1200万平方米。太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域较多，形式比较单一;而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式一电能，从而具有热利用不可比拟的优势，光伏发电系统与其他发电系统相比具有许多优点:(1)它的能源取之不尽用之不竭，而且清洁无污染。(2)没有动作部件，不会产生噪声，运行更可靠。(3)轻便，易安装维护;(4)分布极其广泛，凡是太阳光能照到的地方就能发电。(5)无论规模大小，其发电效率几乎是相同的。(6)能在用电的现场发电。光伏发电系统的应用可根据用户情况分成三大类:专业性应用、家电设备方面的应用和农村应用。一些边远或孤立的地区对电力的需求问题可以依靠光伏系统来解决，如我国西藏、新疆等的一些边远偏僻的区。这种市场的主要特点是能源需求量小，因此无论是通过扩展电网，还是利用柴油发电机，所提供的常规电力的价格都很高。而光伏发电系统受用电规模的影响则不大。此外，维修量小是光伏发电系统的另一个优点。有些地区游牧居民较多，由于居住比较分散且不固定，所以适于使用分布式电源，尤其适于用光伏电源系统或者风能发电系统，但风能发电装置易损坏，并且维护量大，不如光伏电源适合户用。光伏发电市场发展的另一个特点是光伏联网市场增长迅猛。据有关方面调查，世界联网市场用户从2000年的1zoMw增长到2001年的2MMW。单晶硅和名晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位。澳大利亚一家名为IntegralEnergy的公司己开始销售适合于家庭和办公楼使用的、可与大电网联接的太阳能成套设备。最小的太阳能成套设备发电出力为150W，包括安装费在内的零售价是290美元，占澳大利亚普通家庭每年耗电量的5%，每年可减少温室气体排放350kg。更大的太阳能发电设备出力为2.5kW，零售价为20000美元，完全能满足澳大利亚一般家庭的用电需求。目前.最大的太阳能发电装置出力己达到lOMW。1kW的太阳能发电装置每年发电量为1670kWh，这意味着在澳大利亚每年可节省160美元的电费。表1-1为光伏发电与电网供电的比较，可以看出光伏发电价格还比较高，但维修费用很少，随着发电价格的下降，其优势将逐渐体现出来。由于环保和能源持续供应的需要，太阳能光伏发电(即光伏电池)近年来始终保持30-40%的年增长量，因而被誉为全世界增长最快的能源。1999年世界光伏电池总产量为202MW,2001年增为375MW，随着美国“百万个太阳屋顶计划”、“欧洲可再生能源白皮书”和“日本新阳光计划“的实施，到2010年世界光伏电池容量将达20000MW。目前全球20亿无电人口将从中得益。我国于1958年开始研究太阳能电池，于1971年首次成功地应用于我国发射的东方红二号卫星上。于1973年开始将太阳能电池用于地面(天津港航标灯)。我国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形，太阳能电池的年产量一直徘徊在IOKW以下，价格也很昂贵。由于受到价格和产量的限制，市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，在地面上太阳能电池仅用于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电、电围栏、黑光灯、直流日光灯等，功率一般在几瓦到几十瓦之间。在“六五”(1981一1985)和“七五”(1986一1990)期间，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持，中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金，使得我国十分弱小的太阳能电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范，如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波系统、小型户用系统和村庄供电系统等。同时，在“七五”期间，国内先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，除了一条1MWP的非晶硅电池生产线外，其它全是单晶硅电池生产线，使得我国太阳能电池的生产能力猛增到4.5MWP/年(实际年销售量达到0.5MWP)，售价也由“七五”初期的80元/WP下降到40元/WP左右，这对于光伏市场的开拓起到了积极的推动作用。太阳能电池己不再仅仅用于小功率电源系统，而开始广泛用于通信、交通、石油、农村电气化、民用产品等各个领域，光伏发电不但列入到国家的攻关计划，而且列入到国家的电力建设计划，同时也在一些重大工程项目中得到采用，如国家计委的“光明工程”、电力部的西藏无电县建设计划、西藏阿里光电计划、林业部的森林防火通信工程、邮电部的光缆工程、石油部的管道阴极保护工程、广电部的村村通工程等。2001年，我国的太阳能电池年实际年销售量已达4.5MWP,累计用量超过20MWP。2002年，原国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”，即“送电到乡”工程，通过光伏和小型风力发电的方式，最终解决了西部七省区(西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川近800个无电乡的用电问题，光伏组件用量达到19.6MWp，风力发电机840KWp。另外，中科院电工所先后建成了西藏双湖25kW,安多100kW、班戈70kW、和尼玛40kW光伏电站的建设。这大大刺激了光伏工业的发展，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使我国太阳能电池组件的年生产能力迅速达到100MWP(组件封装能力)，2002年当年销售量为20MWP。截止到2003年底，我国太阳能电池的累计装机已经达到55MWpo1995年以后，大部分非晶硅太阳能电池出口到国外，2003年，我国晶体硅太阳能电池也有一部分出口。随着《联合国气候变化框架公约》缔约国签订的《京都议定书》在2005年2月16日正式生效，签署的国家已达185个。《议定书》对中国的环境保护、新能源和可再生能源开发提出了更高的要求。北京申办2008年奥运成功，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想。要把2008年奥运会办成最好的一届奥运会，太阳能发电应用必然要担当一个重要的角色，在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及太阳能发电站的建设均占主要的地位。1.2光伏发电系统概述太阳能光伏发电系统的典型框图见1-2，其主要由以下四部分构成：图1-2光伏发电系统典型结构框图1.光伏电池阵列光伏电池是组成太阳能光伏发电系统最基本的单位。但单体光伏电池发出的电能很小，而且是直流电，在大多数情况下很难满足实际应用的需要。为了获得足够大的发电量，需要将单体光伏电池连接成电池组件，再由电池组件组合连接成为太阳能光伏阵列。2.储能系统太阳能发电系统只是在日间有阳光的时候才能发电，但一般来说，人们主要在夜间大量用电，这样系统中就需要有储能单元(蓄电池)将白天所发出的电能储存起来供夜间使用。3.逆变器光伏电池阵列所发出的电能为直流电，但是大多数用电设备以交流供电方式为主，所以系统中需要逆变单元将直流电转换为交流电供负载使用，逆变器的效率将直接影响到整个系统的效率，因此光伏系统逆变器的控制技术具有重要的研究意义。4.直流控制系统在电能从光电阵列到储能单元，再到逆变单元间的传输和交换过程，为了保持系统的高效与安全运行，还需要直流控制系统对整个过程进行调整、保护和控制，如最大功率点跟踪(MPPT)控制技术。实际应用中的光伏发电系统因对象的不同，会比这个典型的结构多出或省略某个部分，但大体上都是从这个典型结构中演变而来的。从结构特征上看，太阳能光伏发电系统主要可分为两种类型:独立运行、并网型光伏发电系统。1.独立运行光伏发电系统独立运行光伏发电系统的结构如图1-3示，在独立运行系统中，蓄电池作为储能单元一般是不可以少的，它将由日照时发出的剩余的电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。为了延长蓄电池的寿命，直流控制中应具有一个调节和保护环节来控制蓄电池的充放电过程的速率和深度。2.并网型光伏发电系统在有公用电网的地区，光伏发电系统可以同电网连接，这要求逆变器具有同电网连接的功能，其结构见图1-4，并网型光伏系统的优点是系统可以省去蓄电池而将电网作为自己的储能单元，当日照很强时，系统将所发的多余电力回馈入电网，而当需要用电时再从电网输出电力。省去蓄电池后光伏发电系统的造价可以大幅度降低。图1-3独立运行光伏发电系统图1-4并网型光伏发电系统1.3本课题所做的工作通过以上分析，可以认识到目前利用可再生能源代替化石燃料是当务之急。而作为可充分利用太阳能的光伏并网发电系统，除了可以给本身所带的交流负载提供电能之外，还可以将多余电力回馈电网。由于本系统本身不带蓄电池，成本较低，体积较小，适合推广应用，目前我国大力发展此种并网发电系统。并网型光伏发电系统的核心为并网型逆变器。并网型逆变器是影响和决定整个系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行的一个主要因素，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素。其关键技术设计对提高光伏发电效率、降低成本有重要意义。特别是那些使用资源有限的化石燃料发电的地区，这更是当务之急。这也是当今世界范围内研究和开发的一个课题。提高光伏发电效率、降低成本必须选择以下一种或多种途径:1.最大限度输出功率。2.提高并网逆变器转换效率。3.安全并网。本课题正是基于这三个途径来展开研究的，从多个方面采取措施来降低发电成本:1.采用DC/DC转换装置实现最大功率跟踪，以使光伏电池工作于最大输出功率点上，获得高效功率输出。2.DC/AC逆变器电路采用闭环控制技术:电压反馈控制技术，提高了系统的效率和动态性能。3.并网输出电流为失真度较小的正弦波，并且“孤岛”检测保护响应快、可靠性好。2.单相光伏并网逆变器的工作原理及总体设计2.1光伏并网逆变器的工作原理光伏并网逆变器实现并网运行有两个基本要求必须满足:(1)输出的电压与电网的电压同频率同相位同幅值;(2)功率因数为1，也就是输出的电流必须与电网的电压同频率同相位。光伏并网逆变器的输出控制有电压控制方式和电流控制方式两种。由于电网可视为容量无穷大的交流电压源，因此逆变器的输出采用电流控制方式，控制逆变器的输出电流相位跟踪电网电压的相位，幅值保持正弦输出，即可达到并网运行的目的。因光伏组件既有恒流源特性，同时也有恒压源特性，所以光伏组件输出需经电感稳流和电容稳压后输送给逆变桥。逆变桥的输出经L2滤波和变压器升压隔离，通过并网电感接人电网。单相光伏并网逆变器采用全桥逆变电路，其原理如图2-1所示:图2-1光伏并网逆变器原理图设Un为隔离变压器的输出电压，Lg为并网电感，Ig为并网电流，Ugrid为电网电压，则它们满足如下关系:Ugrid=Un+jwLgIg2.2光伏并网逆变器的总体设计2.2.1单相光伏并网逆变器的基本结构在实际应用中，单相逆变器适用于小功率的用电场合。例如:太阳能路灯、草坪灯、家用电器及普通照明电路中。而对于功率在5KW以上的并网发电系统来说，应采用三相互联电路形式。基于以上原因，本文设计了一个700W并网发电系统，建立如图2-2所示的单相光伏并网逆变器结构图。图2-2单相光伏并网逆变器基本构成图2.2.2硬件设计中的各部分介绍该逆变器主要由输入断路器、直流噪音滤波器、电容电感(L1,C1),DC/DC升压器、DC/AC逆变器、LC滤波器、单相变压器，交流噪音滤波器、电能表、接触器、输出断路器等部分构成。逆变器控制部分包括DSPCPU控制板、驱动检测回路、仪表开关、控制电源等。各主要部分的具体功能及特点如下:1.断路器断路器分别用于分断直流输入，交流输出，为用户提供安全保证。2.噪音滤波器NFL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电磁噪音和共模干扰，以保证并网逆变器在运行时不对电网中其它设备产生不良影响。3.DC/DC升压单元DC/DCBoost升压回路。通过控制该回路中IPM功率器件的导通与关断，将太阳能电池板输出的低压直流电升压成高压直流电，为DC/AC逆变器的工作提供前提条件。升压回路通过脉宽调制技术(PWM)，可在直流输入电压大范围变化的情况下，保证高压侧直流的稳定输出，并同时实现MPPT控制功能。4.DC/AC逆变单元DC/AC逆变单元是该并网逆变器的核心部分，根据CPU控制回路发出PWM开关信号控制单相IPM功率器件的开通和关断，实现将高压直流电逆变成单相交流电，并将其平稳送入电网的功能。L2和C3构成低通滤波器，滤除DC/AC产生的开关电流高次谐波，使流入变压器的电流为50Hz的基波电流。5.单相隔离变压器单相隔离变压器，起隔离逆变器和电网的作用。由于有了变压器的隔离，逆变器功率器件开关导致电位浮动所产生的漏电流，以及逆变器在控制中产生的微小直流电流均被有效隔离和抑制，从而不会对电网产生不良的影响。6.交流接触器MC交流接触器MC直接由CPU控制，通过MC的开闭实现并网系统的并网。在系统停电或逆变器内部出现故障时由CPU控制断开，以隔离太阳能发电系统与电网系统，避免造成严重故障。7.CPU控制回路采用TI公司的TMS320LF2407型DSP芯片实现逆变器控制，主要依靠DSP的事件管理模块和A/D转换模块。事件管理模块由通用定时器f提供时间基准、非对称/对称波形发生器、可编程的死区发生单元、输出逻辑控制单元等组成，以实现SPWM波，同时还能够完成MPPT跟踪，故障保护等实时性，快速性要求很高的控制。A/D转换模块采样输人的直流电压、电算机，实现实时数据传送，显示和采集。网电压并转换为数字信号。另外，通过屏蔽的RS232通信口，CPU控制回路可实现与显示板和远程控制计算机的通信。将并网逆变器的工作状态，运行参数传给显示板和计8.驱动检测回路负责逆变器主回路电压电流等模拟信号的处理，及开关量的驱动传送。另外，能够实现瞬时故障锁定和硬件故障保护功能。在发生严重故障时能够屏蔽掉CPU发出的PWM信号，保证IPM功率器件在故障期间不被误触发。2.2.3控制电路设计图2-3系统控制原理框图1.控制电路板总体设计光伏并网逆变器控制板总体设计框图如图2-4所示，以TI公司的TMS320F28I2型DSP芯片为核心，外围辅以电压电流检测调节及过压过流保护电路、电网电压同步信号获取电路、功率管栅极驱动电路、并网继电控制电路、通信电路及液晶显示电路。图2-4TMS320F2812控制板框图2.电压电流信号隔离监测电路电压电流检测电路的功能是把电流电压强电信号转换为DSP可以读取的弱电压信号，同时保证强电和弱电的隔离。本文采用惠普公司的HCPL7800A光电藕合器作为光电藕合隔离器件，其非线性度为0.004%，增益温漂为0.00025V/℃，带宽为1OOkHz。具体隔离检测电路如图2-5所示。图2-5光电藕隔离检测电路3功率管栅极驱动电路功率管选用的是K30N60型IGBT，它是电压驱动型功率管。DSP控制器产生的PWM信号通过驱动电路转换成可以驱动功率管的电压驱动信号，从而控制功率管的开通与关断。选用日本东芝公司的LTP250功率管驱动芯片，该芯片具有光藕隔离功能，避免了对DSP芯片的干扰。具体电路如图2-6所示。图2-6IGBT栅极驱动电路4并网继电控制电路光伏并网逆变器的并网是通过DSP控制器的通用输出端口控制并网继电器开关实现的。DSP芯片控制系统检测光伏板电压，如果满足并网电压要求，就在下一个电网电压过零处输出控制信号使继电开关闭合进行并网。具体控制电路如图2-7所示:图2-7并网输出继电控制电路2.2.4逆变部分的主回路设计图2-8为并网逆变器主回路结构框图。从图中可以看出，逆变器的主回路构成为一个DC/DC直流升压输入单元和一个DC/AC单相逆变输出单元，从而降低了主回路的成本，提高了控制性和可靠性。图2-8逆变部分的主回路图1.回路图中，DC/DC设计成推挽式逆变电路，其输入电压由光伏系统中的太阳能电池组提供。2.DC/AC变换采用单相全桥变换电路。输出经电感L2及C3后，可滤除由于逆变器中开关频率高带来的高次谐波电流，从而起到平衡逆变器和电网基波(50Hz)之间的电压差的作用。3.在DC/DCBoost升压模块及DC/AC逆变模块，控制电路都以DSP芯片为核心。利用TMS320F2812型DSP芯片的两路和四路50KHz的驱动信号，经门极驱动来控制P1和P2以及S1到S4MOS管的开通与关断，这样实现直流升压和直流电逆变为单相交流电。4.从回路结构来讲，该逆变器主回路结构为电压型逆变器。其工作的基本模式是升压脉宽调制方式。但通过交流电感电容滤波器，及瞬时电流控制方法，实际上从外部来看，该逆变器可被看作为电流源，通过输出端向电网输送正弦波交流电流。2.3CPU控制芯片的选择CPU控制回路部分作为该逆变器的大脑部分，其功能为完成脉冲宽度调制波(PWM波)的生成和一些诸如MPPT、故障保护等重要的控制功能的实现。本设计选用美国TI公司的DSP芯片TMS320F2812作为控制CPU，下面将对其性能作一介绍，并同时阐述使用该芯片的理由。2.3.1DSP技术概括DSP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，其处理速度比最快的CPU还快10-50倍。在当今的数字化时代背景下，DSP己成为通信、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。业内人士预测，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素，它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。1.DSP技术的发展历程数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。在DSP出现之前数字信号处理只能依靠CPU(微处理器)来完成。但CPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的52811,1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的UPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。随着大规模集成电路技术的发展，1982年，美国德州仪器公司(TexasInstruments-TI)推出第一代DSPTMS320010及其系列产品。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成技术和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世是一个重要的里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机等领域。90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。经过20多年的发展，DSP产品的应用己扩大到人们的学习、各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。目前，对DSP爆炸性需求的时代已经来临前景十分可观。2.DSP的应用领域DSP应用广泛，其主要应用市场为3C(Communication,Computer,Consumer-通信、计算机、消费类)领域，合计占整个市场需求90%。例如在数字蜂窝、Modem,PC机及消费类电子产品中处处可见DSP芯片的身影。3.DSP的市场规模DSP市场正处于高速成长的阶段。在数字化、个人化和网络化的推动下，1997年世界DSP市场营销额超过32亿美元，预计未来的年均增长率高达40%，按照这一增长速度，至2010年，世界DSP市场营销额将突破600亿美元。在全球DSP产品市场中，TI(TexasInstruments)公司独占鳌头，占世界市场45%的份额，其次是朗讯(28%),ADI(12%)、摩托罗拉(12%)、其他公司(3%)。2.3.2DSP芯片特点1．系统级集成是潮流缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP多数基于RISC(精简指令集计算)结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。TI公司的TMS320C80代表当今DSP领域中的最高水平，它在一块芯片上集成了4个DSP,1个RISC处理器、1个传输控制器、2个视频控制器。这样的芯片通常称之为MVP(多媒体视频处理器)。它可支持各种图像规格和各种算法，功能相当强。2.可编程DSP是主导产品可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。3.追求更高的运算速度目前一般的DSP运算速度为100MIPS，即每秒钟可运算1亿条指令。但仍嫌不够快。由于电了设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速工作和生活的度，才能跟上电子设备的更新步伐。DSP运算速度的提高，主要依靠新工艺改进芯片结构。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用VLIW(VeryLongInstructionWord超长指令字)结构设计，其处理速度己高达2000MIPS，这是迄今为止的最高速度。当前DSP器件大都按照CMOS的发展趋势，DSP的运算速度再提高100倍(达到1600MIPS)是完全有可能的。4.定点DSP是主流从理论上讲，虽然浮点DSP的动态范围比定点DSP大，且更适合于DSP的应用场合，但定点运算的DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前销售的DSP器件中的80%以上属于16位定点可编程DSP器件，预计今后的比重将逐渐增大。2.3.3TMS320F2812型DSP芯片的性能简介该逆变系统所选用的DSP芯片为TMS320F2812，是由美国TI公司(德州仪器公司)出品的数字信号处理器TMS320家族中的一员，属于TMS320C2000系列。作为DSP控制器TMS320C24x系列的新成员，是TMS320C2000平台下的一种定点DSP芯片。240x芯片为C2xxCPU功能强大的TMS320DSP结构设计提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力。在与现存24xDSP控制芯片代码兼容的同时，240x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。图2-9TMS320F2812DSP方框图如图2-9所示，TMS320F2812DSP有以下一些具体的特点。采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗;30MIPS的执行速度使得周期缩短到33ns(30MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。基于TMS320C2xxDSP的CPU核C2xLP，保证了TMS320F2812的DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM,549字双动态RAM(DARAM)和2K字的单静态RAM(SAR.AM)。还有可扩展的外部存储器总共为192K空间:64K程序存储器空间;64K数据存储器空间;64KI/0寻址空间。3.最大功率跟踪及其实现光伏发电存在一个很大的问题是光伏电池的输出特性受外界环境影响大，温度和光照辐射强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化；另外，光伏电池转换效率低且价格昂贵，初期投入较大。因此，充分利用光伏电池所产生的能量是光伏发电系统的基本要求。而并网逆变控制的基本目的是通过控制逆变器输出电压的变化，达到控制送入电网的电流的目的，从而实现并网发电。同时，控制太阳能电池板的输出功率，使其工作在最大功率输出状态(即MPPT技术)，提高发电效率。3.1最大功率跟踪的常用方法一般情况下，光伏电源的最大功率跟踪(MPPT)都是通过控制功率变换器来实现的，下面针对几个常用的MPPT实现方法:定电压跟踪法、功率回授法、扰动观察法、增量电导法及交点法进行分析。1.定电压跟踪法在日照强度较高时，该曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，这说明阵列的最大功率输出点的对应电压大致在某个值附近，在系统对MPPT的要求不高的情况下，可以用此特点简化控制设计。其控制原理是，从生产厂商处获得Vmax:值，通过控制使阵列的输出电压钳位于V二值即可实现MPPT，也就是简单的稳压控制。采用此方法较之不带MPPT的直接藕合工作方式效果更好，对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能。但是这种方法忽略了温度对阵列开路电压的影响，在温差较大的场所使用效果不佳。为克服温度变化给系统带来的影响，可以在其的基础上加以改进:对给定的V.通过电位器手动按季节调节。这种办法不够精确，而且需要人工干预，不利于生活上使用，但具有简单易实现的优点;事先将不同温度下测得的Vmax值存储于微处理器中，实际运行时，微处理器通过阵列上的温度传感器获取阵列温度，通过查表确定当前的Vmax值。此法能够自动调节Vmax，但存入的数值是固定的，在设备状态有变化时将会出现较大的误差。总的说来，CVT控制简单，易实现，对系统控制要求不高;可靠性高，系统不会出现振荡，有很好的稳定性;受温度的影响较大。2.功率回授控制法功率回授控制法的原理是通过采集光伏电池阵列的输出电压值和电流值，然后计算出当前的输出功率，再由当前的输出功率P和上次储存的输出功率P'相比较，通过判断比较的结果来控制调整输出电压值，是一种被动式寻找最大功率法。因为在同一功率值下光伏电池阵列输出电压和电流值不唯一，此控制法的控制器要设计成单值控制模式，即只以P-V曲线顶点右侧为控制范围。这种方法的优点是实现较为简单方便，但缺点是可靠性和稳定性均不佳，所以在实际应用中较少采用。3.扰动观察法扰动观察法主要根据光伏电池的P-V特性，通过扰动端电压来寻找MPPT，是目前实现MPPT常用的方法之一。其原理是先扰动输出电压值(Upv+△U)，再测量其功率变化，与扰动之前功率值相比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一方向扰动△U;若扰动后的功率值小于扰动前，则往相反方向扰动△U。通过不断扰动使阵列工作于最大功率点附近。此法的最大优点在于其结构简单，被测参数少。其缺点是由于始终有△U的存在，其输出会有一定的微小波动，在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损失，并且跟踪速度较慢;有时会发生程序在运行中的失序(“误判”)现象;初始值及跟踪步长的选择比较重要，跟踪步长大跟踪速度就大，但精度较小;跟踪步长小时，情况正好相反，所以方法的关键是选好步长和初始值。4.电导增量法电导增量法也是MPPT控制常用的算法。通过光伏电池阵列P-V曲线可知最大功率点Pmax处的斜率为零，即(3-1),(3-2)式成立，将(3-2)式进行推算便得到(3-3)式。（3-1）（3-2）（3-3）(3-3)式就是达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值盯，阵列工作于最大功率点。若不相等，则要判断是大大于零或者小于零，以确定扰动的方向。该控制方法的实现方法为，将新检测的电压、电流值计算与原值进行比较，先判断电压差值是否为零，若为零则再判断电流差值是否为零，若都为零则表示阻抗一致，变换器占空比D保持不变。若电压差值为零，电流差值不为零，则表示照度有变化，电流差值大于零增大D，电流差值小于零减小D;当电压差值不为零时，比较电导变化量与负电导值的关系，若式(3-3)成立则表示在最大功率点处，若电导变化量大于负电导值，则表示此处功率曲线斜率为正，增大D，反之减小D。此跟踪法最大的优点，是当光伏电池上的照度产生变化时，输出端电压能以平稳的方式追随其变化，电压波动较扰动观察法小;缺点是其算法较为复杂，且在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行A/D转换。5.交点法其原理是利用光伏电池P-I曲线和最大功率点曲线相交确定MPPT。根据光伏电池的V-I特性公式推导出P-I公式，由此得到一组与各照度相对应的P-I曲线，其形状与P-V曲线类似P-I曲线上也存在最大值，在最大值处等式成立在P-I坐标中为近似为正比例函数，其图形为直线，这样此直线就是最大功率点的轨迹。与各P-I曲线的交点即为各照度下的最大功率点。本方法的优点是，无需电压扰动，实现容易。但它需要把各照度下的V-I曲线和最大功率点轨迹信息存入微机，由微机求出其交点。这样就需要较大的存储空间，并且微机控制能力要强。图3-1光伏电池P-I曲线3.2光伏并网系统中的最大功率跟踪在一般的光伏并网系统中，最大功率点跟踪多用于阵列后端的升压变换器(亦称Boost变换器)或降压变换器(亦称Buck变换器)，如图3-2所示，此时可直接控制其输出电压以调节输出功率，借此来获得扰动观察信号实现MPPT控制。图3-2DC/DCBoost及MPPT控制3.2.1DC/DC变换器控制方案太阳能光伏阵列输出电压和输出电流的检测对最大功率跟踪功能的实现是至关重要的，精确的电压、电流测量值有助于提高最大功率点跟踪的准确性。本文中采用动态响应快，可交直流兼用的电流和电压霍尔传感器作控制直流电压电流，交流电压电流的传感器，通过霍尔传感器测出电路的电压值UP和电流值IPV即在电路中直流电压霍尔信号和电流霍尔信号作为DC/DC单元的MPPT控制和直流电压控制的反馈信号。本文中DC/DC变换器的逆变电路采用推挽式电路结构。DC/DC变换器由推挽逆变电路、高频变压器、整流电路和滤波电感构成，它将太阳能电池板输出的138V的直流电压转换成400V左右的直流电压。为使DC/DC变换器输出的电压稳定，将检测到的输出电压与指令电压进行比较，该误差经PI调节器后控制DSP芯片输出驱动信号的占空比。该控制电路还具有限制输出过流过压的保护功能。当检测到DC/DC变换器输出电流过大时，DSP芯片将减小门极脉冲的宽度，降低输出电压，进而降低了输出电流。当输出电压过高时，会停止DC/DC变换器的工作。图3-3DC/DC变换器控制框图由于推挽式电路容易因直流偏磁导致变压器饱和，因此，推挽式电路的设计难点在于如何防止变压器的磁饱和。在本电路中，除了注意电路的对称性之外，还设计了磁检测电路，当流经推挽电路的两个支路电流失衡时，就会启动DSP的软启动功能，使DC/DC变换器重新启动，变压器得以复位。偏磁检测电路如图3-4所示。图中只画出了磁环的副边。原边两个线圈接在主电路变压器原边的两个绕组上，流过两个线圈中的电流方向要相反。当变压器发生偏磁时，某一方向的电流异常大，通过电流互感器检测，可在互感器的输出电阻R1上产生一个电压，如果该电压足够大，可以使稳压二极管D5导通，在电位器上产生压降，将电位器的值调到合适的阻值，使电位器上的压降大于三极管的门限电压，使三极管导通，接在芯片DSP的RST脚与地之间的电容放电，然后DSP中的恒流源对它充电，DSP重新启动，从而使变压器磁心复位。图3-4偏磁检测电路3.2.2最大功率跟踪的实现在太阳能电池板电压输出端与一大电容并联时，由于太阳能电池本身的I/V特性，其输出的电压与电流均有一定的波动，并且此波动与日照强度成正比，当日照强度低时，波动会变得很平缓。又从图3-1的太阳能电池阵列的P/I特性曲线可以看出，当电池阵列的输出功率达到P~时，其曲线的斜率应为零，故有如下式子。由推出：（3-4）既，得到：（3-5）所以要判断是否达到最大功率点，须判断式3-5是否成立。如果不成立，则要判断式3-4中dp/du的值是大于零还是小于零。此控制方法的流程为:(先设定Vnwe,Inew，为新测得的电压与电流值;而Vold,Iold为存储器中存储的旧值)。(1)开始读入新值后，先比较与旧值间的差值。由于du要作分母，故需要判断其是否为零。当du为零时，再判断di是否为零。如果di为零，说明扰动前后阻抗值不变，扰动值不变;di不为零，则说明此时由于日照强度的变化，太阳能电池的特性曲线的位置上下产生了位移，需要相应的增大或减小扰动值。(2)若du不为零，即可以作分母，就要判断式子是否成立。如果成立，表明此时P/U曲线的斜率为零，达到了最大功率点;如不成立，而是di/du的值大于-I/U的值，说明此时的曲线斜率大于零，需要增加扰动:反之，则说明此时的曲线斜率小于零，则需要减少扰动。以上讨论了这种方法的实现过程，其中对于输出电压值与电流值的获得可以通过10位的A/D转换器来实现。但存在的缺点是当日照强度很低时，太阳能电池输出的电压值与电流值的变化会很不明显，这时对于转换精度的要求会很高，需要仔细的来选取，并且对于扰动步长的选择也同样要谨慎。4.单相光伏并网逆变器控制及实现4.1DC/AC逆变器控制方案4.1.1电压相量图及其分析图2-7所示的逆变器主回路，在功率因数为1的条件下，基波电压向量可由图4-1表示。图中Ua为逆变器输出电压的基波有效值，UL为电感L1;两端电压的基波有效值，Un为电网电压。图4-1Ua,UL,Un电压相量图从上图可知，当Ua较Un超前角度;固定不变时，设逆变器工作在P2N2点，此时逆变器送至电网的功率为Po，由图4-1的关系可知:，，据三角关系有。可见，前角度，在电感数值和电网电压确定的条件下，依据给定的功率，可以确定超即可以确定逆变器控制信号的相位。设电网电压在N2点为标准220V，当它降低(从N2到N1})或升高〔从N2到N3)时，逆变器的输出电压也会随之变化(从P2到P1、或从P2到P3)，从而可以保证逆变器工作在单位功率因数。当然逆变器向电网送出的功率也会随之变化。由于电网电压波动不大，因此功率变化不会很大。这个调节过程的关系也可以由图4-1直观得出因为SPWM逆变器有上式中:m为调制比;Ud为逆变器输入侧直流母线电压。由两式得：当逆变器直流输出电压较电网电压超前角度不变时，根据实时检测到的直流侧电压和电网电压，通过改变调制比m，可以使得电路在直流母线电压和电网电压波动时，一直工作在单位功率因数。当超前角度从增大到时，若其它条件不变，逆变器输出功率会随之增大。因此，我们可以通过外围电路设定值，从而达到输出功率的调节。4.1.2控制单元框图结构DC/AC逆变器的主电路采用全桥式结构，由4个Los管(该管内部寄生了反并联的二极管)构成，它将400V的直流电转换成为220V/50Hz的工频交流电。DC/AC逆变器控制框图如图4-2所示。核心控制芯片采用了TI公司的TMS320F2812。尽管单片机也能实现并网逆变器的脉宽调制，但是DSP实时处理能力更强大，因此可以保证系统有更高的开关工作频率。从图4-2可以清楚看出系统输入和输出信号的情况。由图2-2可知，主电路与电网通过标准工频单相升压变压器隔离和升压。由控制目标可知，系统为输出电流受控的电压型有源逆变器，逆变器的输出侧呈现受控电流源特性。系统的控制部分采用TI公司生产的高速DSP芯片TMS320F2812作为控制核心，电网电压过零检测主要是利用DSP的CAP捕捉单元来实现锁相。以检测到的过零时刻作为基准，控制脉冲超前此基准时刻角度。过流及电网电压过大波动的保护是由电流间接控制，为电流开环控制，因此，应根据所需的功率大小以及器件的额定值设好保护点。当发生过流时，通过交流接触器MC断开主电路，使逆变器脱离电网。当检测到的电网电压超出波动范围时，也使逆变器停止工作，并给出相应的故障指示信号。系统采用单极性SPWM控制方式，单相全桥结构的两个桥臂分别输出相位差互为180°的高频SPWM波，经过电感滤波后，去除高频载波信号，向电网馈入高质量的正弦电流波形。由图2-3可知，DC/DC输出的高压直流先经过全桥逆变和电感小电容滤波，再由升压变压器隔离，升压后以受控电流源的方式并入电网，整个系统和电网隔离，运行安全可靠。图4-2DC/AC逆变器控制框图4.2软件设计与实现4.2.1系统软件总体设计本系统对控制的实时性要求较高，对于时间性要求不高的部分程序，在主程序中顺序循环执行，而对时间要求严格的部分则放在中断服务程序中，这样一旦满足了中断触发条件之后，该部分程序将立即得到执行，从而保证了控制的实时性。控制软件主要完成以下功能:(1)对主电路输入/输出电压、电流等信号量进行检测和处理。(2)Boost电路的MPPT控制。(3)生成固定频率的三角载波并与调制波比较从而产生相应的PWM信号全桥逆变器的SPWM控制，使输出电流和电网同频同相。(4)电网同步信号的检测。(5)对光伏并网逆变器系统进行故障检测和处理。程序采用模块化设计，在流程上比较简洁，主要由以下几部分构成:(1)主程序:完成系统的初始化，各部分的配置以及在主循环中进行系统工作状态检测。(2)定时器TO中断处理程序:这是系统软件的核心，用于产生控制开关器件的固定频率的PWM波。(3)同步处理程序:用于对IF弦表指针的复位从而达到校正电流相位的能力。(4)A/D采样处理子程序:对输入电压、输出电压、输出电流等信号进行A/D转换和数字滤波。(5)电流环处理子程序:完成电流环的信号采集与实时运算。(6)电压环处理子程序:完成电压环的信一号采集与PI调节的运算处理。(7)故障检测及处理子程序:进行故障检测，发生故障后系统的保护、恢复、重试等功能。系统总的流程框图如图4-3所示:图4-3逆变器控制软件框图4.2.2系统主程序流程图系统上电后，从主程序开始执行。首先关闭中断位，屏蔽所有中断，然后初始化CPU，设置时钟频率，初始化中断向量，然后初始化各种外设:包括事件管理器(EVA,EVB),ADC模块、串行外设接口(SPI)模块，以及对I/O端口进行初始化设置。完成初始化设置之后，DSP的各个模块开始正常工作。使能CPUTIMERO定时器周期中断，打开中断屏蔽位，接下来进入系统主循环程序。在主循环程序运行中，如果CPUTIMERO定时器周期到，会暂停当前主循环运行的程序，响应CPUTIMERO定时器中断子程序，在运行完定时器中断子程序后，再回到主循环继续运行下面的程序。主程序流程图如图4-4。图4-4主程序流程图4.2.3SPWM波的实现方法本逆变器的控制方式是在倍频式SPWM基础上，结合DSP的PWM输出特性产生的，如图4-3所示。实际中，三角波的频率与工频的比值为240，为简单起见，图4-3中的比值为12。产生波形的过程如下:DSP的通用定时器1采用连续增/减计数模式，而且在定时器下溢中断后立即装载比较寄存器CMPR1和CMPR2的值，CMPR1决定Ug1,和Ug4,CMPR2决定Ug3和Ug2。在DSP的数据存储区有90°的正弦表的查表程序，对应360个点，此程序作相应调整后，可以产生90°-360°。的正弦值对照表，而装载值是在每个三角波中心时刻所对应的正弦值。图4-3开关器件的驱动波形和逆变器的输出波形在一个工频周期，定时器1产生240次下溢中断，设第M次中断时装载的值对应正弦表中第K个值，在4个不同的象限时，M和K的关系如下:图4-4定时器中断子程序流程图M的初值决定了图4-1中超前角度的大小。例如，M=0表示=0;M=4,则表示=6°，因此，我们可以通过改变M的初值实现功率调节。市电过零检测对应的CAP捕捉中断子程序中设定所需的M初始值。由图5-3可以看出，在0~180°之间，CMPR1在M为偶数时装载查表所得值，PWM输出产生跳变，而在M为奇数时装载大于周期寄存器里面的值，使之不产生跳变，CMPR2与之相反;在180°-360°之间时，CMPR1和CMPR2的装载情况刚好与前面相反。这就使得在180°和240°时存在输出方式的变换:如在M=120(即180°)时，Ug1，由低有效变为强制低，而当M=121后，全部是高有效。而Ug3在M=120时先强制低，紧接着高有效。这需要作特别处理。由于调制比m随着直流母线电压和电网电压的波动而改变，所以，通过查表结果装载到CMPR1和CMPRZ的值还必须乘以m的值。4.2.4主要元器件选择与试验波形推挽式电路MOS管选用的是IRFP350(耐压400V，额定电流为16A)。桥式逆变电路MOS管选用的是IRFPC40(耐压600V，额定电流为6.8A)。DC/DC滤波电感L1选用1.2mH,DC/AC滤波电感L2选用5mH。图4-5输出侧电压和电流波形图4-5(a)是电网电压和逆变器输出电流波形(为了便于观看，电流信号反相)，电网侧电压为220士10%，电流的有效值为1A左右。图4(b)是电感上的电压波形。DC/AC逆变器为全桥逆变电路，是用DSP来控制的，由于DSP的运算速度比较高，因此逆变器的输出电流能够很好地跟踪电网电压波形。该光伏并网逆变器控制方案的有效性在实验室得到验证。该控制系统能确保逆变电源的输出功率因数接近1，输出电流为正弦波形。5.光伏并网系统的“孤岛效应”分析5.1孤岛效应的产生及危害光伏系统越来越多地被利用，尤其是并网发电系统。随着这类系统被越来越多地安装运行，安全问题被加以关注。孤岛问题是一个被广泛讨论的特殊课题，孤岛效应是指并网型逆变电源在电网断电时，逆变器仍然保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态。这样电力孤岛效应区域会发生电压和频率不稳定现象，有可能对外部设备造成损坏或发生触电安全事故。孤岛效应也被用于表示由于光伏并网系统的存在使电压崩溃有一定的延时。图5-1为孤岛效应的发生机理。正常供电时，开关A闭合，逆变电源和电网同时给负载供电。当电网突然停电，即从A处断开，若这时负载阻抗正好与输出电流相匹配，则在电网断开时，负载电压不会有任何变化，采用常规检测电压方法，系统无法判断电网停电，仍然继续向负载供电，即产生了孤岛效应。图5-1孤岛效应发生机理“孤岛效应”发生后，电压波动、频率波动、谐波可能会同时出现，或都不出现。负载、PV系统设置、结构、运行情况及其它一些情况都会影响上述现象。所以定义任何一个能总是伴随“孤岛效应”出现的现象是不可能的。同时，必须在尽可能短的时间内阻断“孤岛效应”，因为如一部分电网中发生孤岛现象，将会发生如下问题:(1)当驱动电源为如下情况时，将使施加于负载的“孤岛效应”延长扩大。①非三相运行②较大的谐波含量③频率不稳。(2)孤岛的电压相量会相对于主网趋向于漂移，这可能会干扰重联网。(3)如在重合闸前还未消除“孤岛现象”，将会导致不同步并网。如果在孤岛与电网相量不重合时联网，那么接口处会产生很大的电流，导致可能有损坏逆变器或附近设备的扰动产生。(4)对在孤岛电网中进行检修工作的人员形成安全危害。5.2光伏系统孤岛效应的特点(1)正常运行时，电网控制着电压和频率。当电网被断开后，电压和频率将不再受调节、控制。对于旋转式发电分布系统，频率由转速决定，并且由于旋转磁场的原因，电压波形近似为正弦。因此旋转发电系统的孤岛效应不被视为主要问题。相反，逆变器是静止式发电设备，没有如旋转式发电机中的转子一样的动态部分，因此，不能提供阻止发电机快速停车的转动惯量。光伏系统使用逆变器送电，由逆变器产生的孤岛效应与旋转系统无可比性。因为，在此系统中，频率是跟踪孤岛电网中的主要频率的，或者逆变器本身就设定了一个频率。(2)电网中存在旋转负载的情况下，阳光照射较低，光伏系统孤岛效应持续时间较长，这是由于惯性所发的电能比光伏系统发出的电能多，有效地控制着孤岛的持续时间。5.3孤岛监测和系统保护方法鉴于孤岛效应的危害，对其进行检测并采取相应的保护措施是必要的。对孤岛效应的识别有多种方式，可以分为主动式和被动式两类。一般规定并网逆变电源本机应同时具有主动和被动识别能力，以提高孤岛效应识别的可靠性，并且要求识别响应时间应小于1s。主动式孤岛效应的识别方式有主动频率偏移、有功功率变动、无功功率变动等。被动式方式有电压相位跳动、三次电压谐波变动、频率变化等。分析如下:①过压、欠压跳闸保护这是一种被动式保护方法，如果逆变器电压超过设定的电压范围一定时间，就要使它与电网断开。逆变器的端电压将会略高于联网接口处电压，设计系统时，要求端电压和接口电压之间的电压升高不要超过2%。中速电压保护跳闸也被利用，如电网线电压低于额定电压的80%,10个周波后要把系统与电网断开。当PV所带负载大大高于其功率时，孤岛期间的跳闸都能够实现。选择10个周波是为了在故障后20个周波的快速重合闸之前断开联结。如果在二分之一周波中，电网线电压升高到125%以上或下降到25%以下，则要关掉电源。②频率保护频率跳闸保护也是一种被动式防孤岛方法。如果电网频率超出所设范围100个周波，则要关闭电源;如低于59Hz或高于63Hz多于7个周波，也要关闭。③空载保护当逆变器与电网断开，并且无负荷时，或者光伏电源与负载功率比为5:1时，PV电源在1个周波之内关闭。④频率偏差法此法适于对输出电流进行独立控制的逆变器。输出电流的参考信号被置成与测得的电压波有一定的周期偏差。当电网断开时，如果电流参考量周期比电压长，逆变器被称为频率漂移降低;如果电流参考量周期比电压短，逆变器被称为频率漂移升高。在每个电压过零点，都要重置参考信号的相量。频率偏差量值对电流THD有影响，因此为了不超过5%THD，对偏差量的大小有个限制。把电容加到孤岛负载上时，孤岛频率趋向于减小;而加电感于负载上时，孤岛频率趋向于上升。加大PV发电功率与负载的比率，也会提高孤岛频率;否则相反‘这也就是为什么无论有多大的频率偏差，常常都能够加入电容或电感来抵消频率偏差量的原因。频率偏差法必须与其它的方法搭配使用，才能提供准确的孤岛保护。⑤变输出功率法孤岛效应存在的条件之一就是输出功率与孤岛内的负载功率大致相匹配。因为逆变器运行于单位功率因数，因此孤岛负载也要接近于单位功率因数。是两象限逆变器，并能够提供足够的无功，所以，要产生孤岛效应，负载大体上必须是阻性的。如依靠升降孤岛电压来改变输出功率，那么可以算出一个确保电压跳闸保护发生的功率波动范围，这个电压范围是0.86到1.10(标么值)。变输出功率法没有实际用途，由于相互影响，在有大量分布发电系统的地方将不能有效工作。⑥扰动观察法连续地向电网中注入轻微的扰动并监测孤岛期间它们明显的影响效果。电网断开后，扰动会造成孤岛电网各参数发生大的变化，据此可检测出孤岛是否发生。但绝大部分主动法有缺陷。⑦变结构法此法也是主动法。就是往孤岛网中加入一定阻抗，目的是通过加入阻抗来使负载和电源输出之间的平衡发生变动。电容器便宜，体积小，并且误加入也不会损坏电网;再者，加入电容不但补偿了工频无功功率，而且还有效地改变了谐波谐振电路的平衡条件，因此是有效的反孤岛法。原则上，每个自关断式逆变器都能工作于孤岛模式。如果没有防止孤岛效应的控制策略，那么发生孤岛效应的负载条件只取决于逆变器的频率限制和电压限制。对于给定的电容量和逆变功率，可以在△P-△Q域中作出一个不可探测域(NDZ)，在这个域中预先被设定电压和频率限制的逆变器可能会工作于孤岛模式。DP和△Q是电网解列之前逆变器输出到电网的有功和无功功率。能通过调整负载来调节△P和△Q。6.总结与展望6.1总结光伏并网发电系统优化设计的原则，应当是在可靠并网的前提下，进行合理的配置，尽量减少系统规模，降低投资费用。即能满足使用的可靠性，又有较好的经济性。配置的规模除了取决于负载的类型、耗电量以外，还与当地的气象及地理等条件有关。由于目前光伏电池组件的价格还比较高，所以一个完善的光伏并网发电系统或产品，除了要使用质量可靠的光伏电池组件、蓄电池及其他辅助部件以外，还必须因地制宜，对不同地区使用的光伏产品分别进行优化设计，而不能像一般的机电产品那样可以全国通用。光伏并网发电系统输出的应是与电网电压同频同相的正弦电流信号，但在实际的工作过程中，由于太阳能电池受气候及时间的影响较大，输出的直流电压不稳定。不稳定的直流电压经逆变器逆变后，输出的交流电流幅值也存在波动。再加上由于逆变器自身结构的原因，输出电流存在波形畸变。这就需要在设计并网逆变器硬件结构时，充分考虑以上因素，优化设计，减少逆变器输出波形畸变。本文中考虑到以上要求，提出了如图2-2所示的硬件电路，其中经过DC/AC逆变后的电流，通过电感、小电容滤波后，可以将由于开关器件产生的高次谐波滤除。为进一步减少谐波对电网的污染，增加一高频变压器，使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘。使得输出波形畸变<5%，高次谐波<3%，逆变器有效率多90%，功率因数接近1。但是采用高频变压器后，整个逆变器的体积和重量增加了近50%，又因高频变压器经两级变换，效率问题比较突出。为进一步降低成本，提高效率，目前己开发出无变压器无绝缘方式的光伏并网用逆变器主电路。为减少高频逆变器对太阳电池的电磁干扰，除在逆变器输出部分加电感、电容滤波外，还增加了共模滤波器，比高频变压器绝缘方式主电路简单，仍然是单级变换，效率高。没有变压器，体积小，重量轻，成本较底。但是，太阳电池与外电网没有绝缘隔离，存在不安全因素，为了进行保护和防止电磁干扰，要