光伏逆变器研究与设计

毕业论文题目：光伏逆变器研究与设计摘要随着全球对燃烧化石燃料导致地球温室效应加剧的担忧，以及化石燃料在地层中的含量的逐渐枯竭，促使各国加快探索可再生能源的应用，其中的太阳能由于它的取之不尽用之不竭、无污染等特性，且光伏发电的技术已经成熟，已经成为最重要的发电方式之一，在整个发电量占比中逐年增长。作为光伏发电技术核心设备之一的逆变器的需求也是快速增长，对产品的技术要求也是不断加强。一款技术先进，安全可靠的逆变器产品的成功设计是本文的主要目标。本文首先介绍光伏发电的基本概念、基本组成部分。介绍了逆变器的种类区分，逆变器市场的现有状况和下阶段技术发展方向。主要分析研究光伏逆变系统、控制系统模型，三相并网光伏发电系统的光伏阵列模块，直流升压与最大功率点跟踪控制模块，逆变并网模块。包括直流升压变换电路，光伏的最大功率点跟踪（MPPT）算法分析、逆变电路及其并网方式的比较与选择，DSP控制芯片的应用。将各个模块选取的硬件整合，配合外围电路和CPU控制回路的设计，实现三相并网光伏发电系统模型的整体设计。并且运用MATLAB仿真软件实现对硬件电路设计的检验。本毕业设计主要用到电路设计软件MULTISUM,或AD，仿真软件MATLAB,AUTOCAD，WORD等。最终设计出可实际应用的逆变器产品实际进行发布。关键词：光伏；逆变器；DSP；太阳能；最大功率点（MPPT）ABSTRACTWiththeglobalconcernabouttheaggravationoftheearth'sgreenhouseeffectcausedbytheburningoffossilfuels,andthegradualdepletionoffossilfuelcontentinthestratum,countrieshaveacceleratedtheexplorationoftheapplicationofrenewableenergy.Solarenergyisinexhaustibleinsupplyandalwaysavailableforuse,asoneofthemostimportantelectricpowergenerationmodestheproportionoftotalelectricpowerincreasedyearbyyear.Asoneofthecoreequipmentofphotovoltaicpowergenerationtechnology,thedemandofinverterisalsogrowingrapidly,andthetechnicalrequirementsforproductsareconstantlystrengthened.Thesuccessfuldesignofanadvanced,safeandreliableinverteristhemaingoalofthispaper.Firstintroducethebasicconceptsandcomponentsofphotovoltaicpowergeneration.Thenthemarketstatusandtargetoftechnologydevelopmentofinvertersareintroduced.Thispapermainlydescribestheprincipleofthephotovoltaicinvertersystem,controlsystemmodel,photovoltaicarraymodule,DCboostmoduleandmaximumpowerpointtrackingcontrolmodule,invertercircuitmodule.IncludingDCconvertercircuit,photovoltaicmaximumpowerpointtracking(MPPT)algorithmanalysis,thecomparisonandselectionofinvertercircuitanditsgridconnectedmode,DSPcontrolchipfirmwaredesign.TheintegratedhardwareofeachmoduleisintegratedwiththedesignofperipheralcircuitandCPUcontrolcircuittorealizetheoveralldesignofthree-phasegridconnectedphotovoltaicpowergenerationsystemmodel.Andusematlabsimulationsoftwaretotestthehardwarecircuitdesign.Thisgraduationprojectmainlyusescircuitdesignsoftwaremultisum,orad,simulationsoftwareMATLAB,AutoCAD,wordandsoon.Finally,theinverterproductsthatcanbeusedinpracticearedesignedandreleased.Keywords:photovoltaic;Inverter;DSP;SolarEnergy;Maximumpowerpoint(MPPT)trackingPAGEIIPAGE目录TOC\o"1-5"\h\z\u前言 Ⅰ1光伏发电概述 11.1光伏发电的背景和意义 11.1.1光伏发电的背景 11.1.2光伏发电的意义 11.2国内外光伏发电现状及发展趋势 21.2.1光伏发电现状 21.2.2光伏发电发展趋势 81.3课题主要研究内容 101.4本章小结 112光伏电池组件的原理与特性 122.1光伏电池组件简介 122.1.1光伏电池的物理学原理 122.1.2光伏电池的分类 132.1.3光伏电池的特性 132.2本章小结 163光伏逆变器架构设计 173.1主电路设计 173.2控制电路设计 183.2.1DSP核心板简介 183.2.2DSP主控板简介 183.3.3信号调制板简介 193.3.4IGBT模块简介 193.3.5通信扩展模块 193.3控制方案及软件编程 193.3.1MPPT控制 203.3.2双闭环并网逆变控制 203.3.3DPLL控制 203.4本章小结 214DC/DC变换与MPPT算法 224.1DC/DC变换 224.2MPPT的实现 244.3本章小结 275逆变电路的实现 .285.1逆变器的基本构成 285.2逆变器的分类 295.3逆变器的数学模型 295.4逆变器并网的控制策略 325.5本章小结 416逆变电路的硬件设计 426.1逆变电路设计 426.2辅助电源设计 436.2.1辅助电源的选用 436.2.2信号检测电路 436.2.3驱动与保护电路 446.3CPU控制电路设计 456.3.1控制芯片简介 456.4逆变器整体设计 466.5本章小结 467逆变器的仿真 477.1三相逆变器的仿真 477.2BOOST电路仿真 497.3本章小结 49致谢 .50参考文献 51附录 54北京理工大学现代远程（继续）教育学院毕业设计(论文)PAGE1PAGE前言当今时代，电能的应用越来越广泛和深入，各种各样的用电设备正从根本上改变着人类的生活方式，同时也对电能的需求越来越旺盛。目前科学技术所发展出来的几种发电方式，像燃煤电厂（火电厂）、水电站、核能电厂、风电厂、光伏电厂等，构成了整个电网电能的来源。地球蕴含了丰富的化石燃料比如煤炭，通过燃烧产生热能进行发电，目前是世界上最主要的发电方式，但是伴随的煤炭燃烧过程中产生的硫化物等，飘入空气中形成酸雨，导致环境污染日益严重。对于我们生存环境的担忧使各国形成共识要大力发展可再生能源，包括太阳能，风能等。地球上的大部分能源都来自于太阳，通过煤炭和石油等形式储存在地底，随着时间推移及大规模的开采，所蕴藏的量已逐渐减少，迫使地球人类寻求新的能源替代。而太阳无私的发光照耀地球，每秒到达地球的光能是非常巨大的能源量，如何利用这庞大的太阳能是我们永远的追求。正是对环境污染及能源耗尽的担忧催生出了太阳能光伏发电，如今正受到世界各国最热烈的追捧，都在大力发展光伏发电，而它的发电量也在整个电网发电量的比重占比也越来越高，当前正处于光伏发电的高速发展期，对整个发电系统的技术及产品都提出了更高的要求。大科学家爱因斯坦在1905年发现了光电效应，并获得了诺贝尔奖。因为光电效应产生直流电，而现代电网大部分都是交流电传输，因此把直流电转换为交流电的核心转换设备-逆变器就应运而生。在此大背景下，各种各样的新技术应用在逆变器上，使产品也越来越丰富和完善，使用寿命、可靠性、效率等要求也越来越高。 北京理工大学现代远程（继续）教育学院毕业设计(论文)PAGE7PAGE1光伏发电概述1.1光伏发电的背景和意义1.1.1光伏发电的背景光伏(Photovoltaic)是光生伏特的意思，爱因斯坦在1905年发表了一篇后来获得诺贝尔奖的关于光电效应的论文，解释了光照射到某些物质表面而产生的电流的原理，这个为后期的光伏发电从理论上垫定了基础。随着人类生产生活活动对能源的需求特别是电能的需求越发旺盛，传统的发电方式也凸显了一些弊端，化石燃料的储存有限，随着不断的开采逐渐耗尽，基本上在未来50年会枯竭，而且燃烧产生的废弃物排放对地球环境的影响巨大；核能发电效率高，但是存在出现意外情况导致核污染的威胁；水能发电对河流生态的影响较大，影响鱼类生物的洄游等。这些传统能源的局限性，迫使人们想要找到一个安全、环保、永不枯竭的能源替代。太阳是地球能源之母，太阳照射到地球的能量在每秒钟可达173000TW,等于每秒钟燃烧500万吨标准煤释放出的能量。太阳能在广义上可以包括化石燃料（因为化石燃料是远古储存下来的太阳能），风能、水能、海洋温差能，生物质能、潮汐能等。狭义上的太阳能是指光热、光电、光化学能。随着对太阳能发电的无限前景的渴望，光伏发电应运而生，从而诞生了蓬勃发展的光伏发电系统行业。1.1.2光伏发电的意义光伏发电可以说是最理想的可再生能源发电方式，近些年随着科学技术的进步，太阳能光伏发电相关产业发展十分迅猛，已经成为最大的新能源产业，其巨大的市场，使世界主要国家都投入了大量的资金，加速研发及建设这一能源产业。光伏发电主要有以下优点：储量巨大，取之不尽：太阳光每秒照射到地球的能量高达1.73*1014KW,而且太阳光遍布地球各个角落，使用非常简单，不需要开采，运输，储存。清洁无污染：发电过程不排放废气废水，无环境污染。可以在20年内连续使用太阳能而不使用化石燃料。无噪声：发电过程中无噪声污染，非常安静。可安装在厂房屋顶，荒漠戈壁，山坡湖泊。适应地区广阔。可靠稳定寿命长：整个发电系统设计有20到35年的寿命，维护简便，保证了发电系统的可操作性。1.2国内外光伏发电现状及发展趋势1.2.1光伏发电现状进入新世纪以来，光伏发电行业进入高速发展阶段，人们逐渐认识到光伏发电的优势，光伏发电规模逐年增大，技术快速进步，成本迅速降低，整体行业展现出良好的发展前景，有不少国家把光伏发电作为重要的新兴能源产业，提供了大量的投入。全球累计装机容量到2018年已达到480.36GW,发展速度惊人。随着光伏发电行业的发展，系统核心产品逆变器也迎来了高速发展期，整个逆变器市场也呈现出以下现状：全球逆变器行业发展迅猛，竞争越发激烈逆变器性能影响系统发电效率和稳定性。光伏逆变器负责直流电到交流电的转换，与光伏组件、汇流箱、直流交流电缆、箱式变压器等共同构成整个光伏系统。作为光伏系统能量转换的设备，逆变器同时具有最大功率点追踪(MPPT)及孤岛效应保护等功能。逆变器只占系统总成本不到8%，却直接影响发电效率，运行稳定性和使用寿命，从来都是投资方和安装方关注的重点。逆变器按应用场景可分为集中式、组串式和微型逆变器。集中式逆变器应用于大型地面电站，输出功率通常在500KW以上;组串式逆变器容量较小主要用于分布式应用;微型逆变器具备组件级(“MLPE”)最大功率点跟踪，功率小于等于1kW。传统的逆变是将多个组串串并联汇集一起，通过逆变器转成交流电并入电网，微型逆变器则对每块组件进行逆变，再汇集后并入电网。

逆变器技术迭代与市场变化，大浪淘沙沉者为金追溯逆变器过去25年发展历史，集中式与组串式应用各有千秋。随着行业电站容量的扩大和对经济性的考虑，2002年以SMA为首的各大逆变器厂商相继推出了集中式逆变器，在地面电站得到了广泛应用。2013年以来，随着组串式逆变器技术进步，成本已经接近集中式逆变器，被越来越多的客户所接受。市场决定逆变器的需求，我们认为“组件级控制”的逆变器未来将成为新主流。由于技术的迭代与需求的变化，市场从大型地面电站转向分布式光伏。根据GTMResearch发布的《全球光伏逆变器市场份额和出货量趋势》报告，2017年组串式逆变器出货量首次超过集中式，规模约为4GW。2018年随着各国分布式光伏的崛起。未来随着政府及业主对安全性重视的不断提升，“组串式+关断”和微型逆变器有望成为新主流。逆变器厂商聚焦不同细分赛道，各具优势。华为主要推广组串式逆变器。阳光电源主要研发500kW以上集中式逆变器。

光伏逆变器行业集中度逐年降低，竞争越发激烈。根据BNEF在2020年5月发布的《SolarManufacturers’2019Production》显示2019年全球逆变器产量为126GW，行业集中度从2016年开始呈现分散趋势，前五名光伏逆变器企业市场占有率逐年降低。根据赛迪顾问数据显示，2019年全球光伏逆变器市场CR5为54%，比2017年市场CR5下降9%。光伏逆变器市场新加入者和其他厂商在不断瓜分龙头企业占领的市场。新增装机+旧机替换，预计2025年市场达180亿美元受益于分布式发展迅猛和旧机替换，预计2025年逆变器市场可达180亿美元。根据WoodMackenzie数据，2019年全球逆变器出货量达到126.7GW，同比增长18%，营收达到85.9亿美元，同比增长15.5%。全球逆变器替换需求2025年可达到45GW。光伏逆变器的使用寿命一般在10年左右，这就要求在光伏电站运行周期内，至少需要更换一次逆变器产品。全球光伏市场自2001年进入商用化发展快车道，逆变器替换市场需求逐步显现。据WoodMackenzie数据显示，截至2020第一季度“使用到寿命终止”需要更换的光伏逆变器有21GW。我们根据2019年《光伏发电站设计规范(征求意见稿)》发布的容配比新规，假设容配比国内1.12海外1.35进行测算，保守估计2025年全球逆变器替换需求可达45GW，空间广阔。全球光伏逆变器按地区产能分析，中国为第一大产能国家，占据60%以上的份额，德国以SMA为首的逆变器厂商产量紧随其后。根据彭博新能源数据显示，2016-2019年中国逆变器产量占全球逆变器产量的60%左右，居全球第一。搭载“光伏+储能”快车道，储能逆变器前景看好储能逆变器将交流电转换成直流电通过蓄电池储存，当交流电停电时再将蓄电池储存的直流电转换成交流电使用。在无电网支撑的偏远地区以及孤岛电网区域，通过储能系统和逆变器结合的方式，可以在光伏发电发生中断时为系统供电，确保不间断电源(UPS)的正常工作。预计到2025年，将有三分之二的户用太阳能系统和四分之一的非户用太阳能系统配置储能功能。补贴政策极大的推动了储能系统的发展，“光伏+储能”乃大势所趋。为了推动可再生能源的发展，全球多个国家、地区出台补贴政策，促进储能的生产以及在不同领域的应用。在欧洲及大洋洲部分电费较高国家，光伏加装储能可以最大限度实现能源的自发自用，极大降低家庭电费支出，美国加州的SGIP政策、德国、澳洲部分州政府的户用储能补贴政策都促进本国当地储能的发展。预计2022年储能逆变器出货量达7.1GW。间歇性发电特征是制约光伏拓展市场的瓶颈之一，储能逆变器作为保障连续电力供应的首选解决方案，同时受惠成本下降及政策支持，正在成为传统逆变器厂家的一个新的战略先手。2019年，全球储能逆变器出货量上升至3.6GW，同比2018年增长20%。预计到2022年底，全球储能逆变器需求将达到7.1GW，市场前景不容小觑。2019年光伏在美国新增电力能源占比最高，达40%。根据WoodMackenzie的报告数据显示，2019年美国新增电力市场中，光伏发电量占新增发电总容量的近40%，是自2010年以来的历史占比新高，可见光伏在美国市场得到越来越广泛的应用。国外包括美国、欧洲、日本、澳洲等发达国家，对光伏系统中的直流高压问题已出台强制措施。意大利，消防员在建筑物带电压的情况下，是不可以进行灭火工作的;德国，率先执行VDE防火安全标准，明确规定在光伏系统中逆变器与组件之间需要增加一个直流电切断装置;澳大利亚，根据OVER11-1:2013规范，在组件附近必须有断路装置。随着国内对光伏屋顶安全性重视程度的不断提升，未来也有望陆续推出系列措施，保障群众生命财产安全。我们认为未来组件级控制逆变器，如微型逆变器和功率优化器等，将迎来爆发式增长。根据Ember-Climate网站的汇总，2019年风能和太阳能发电量占全球发电量的8%，而这一比例在欧盟高达18%。在亚洲和大洋洲，太阳能发电占发电量的3%，还有很大的增长空间。2019年7%的电力来自风能和太阳能，主要的风能和太阳能发电国家是澳大利亚(15%)、日本(9%)、中国(9%)、印度(8%)、蒙古(7%);比较滞后的国家包括印度尼西亚(0.1%)、马来西亚(0.7%)和孟加拉国(0.8%)。其中澳大利亚的风能和太阳能份额在短短3年内翻了一番，而越南在2019年表现更出色，尤其是太阳能，占总比例从0%增加到3%。逆变器作为光伏发电市场的核心设备，市场逐年增大，2019年全球逆变器市场超过90亿美元，全球逆变器市场份额2016-2025年中国逆变器分类市场比重及预测1.2.2光伏发电发展趋势技术方面，经过几十年的发展，光伏电池组件的功率不断提高，目前一些组件厂已研发出现660W的电池，正式迎来600W+时代，伴随的是整个系统的价格有不小幅度的降低。光伏电池组件通过技术革新如集成多主栅、无损切割技术、高密度封装等实现了效率的提升，对系统的经济性又提升了一截。并网技术上，要求主动频率支撑，即并网发电单元具备一定的备用容量，（减载运行或配置储能），参与系统的一次调频。要求主动电压支撑，光伏电站根据电力调度指令进行自动闭环调整无功输出（光伏逆变器），实现对电网电压主动支撑控制。要求故障穿越支持，能实现短时间内多次低电压穿越，来应对实际运行中有可能出现的极端情况。通过改善低电压控制策略，实现零电压穿越和连续故障穿越，逆变器也有相对应的发展要求，行业发展趋势有以下几点：光伏逆变器容量增大若干关键技术的突破为发展更大容量的逆变器成为可能，包括组串式和集中式都有极大发展。市场上已经出现超200KW的组串式逆变器，同样的集中式逆变器也有3MW到4MW之间的大型集中式逆变器出货量也增长了67%，达到15.5GW,占全球2019年集中式光伏逆变器出货量三分之一以上。直流1500V成为行业主流从系统端着眼，兼具降本与增效的1500V系统逐渐成为光伏发电的主流方案。相比1100V，1500V系统大幅减少了设备成本、线缆成本及施工成本，系统BOS成本每瓦至少降低5分。全球低电价及无补贴光伏项目均采用1500V方案设计。据IHS统计，全球2018年大型地面场景1500V发货量已经超越62%(除中国)。从2011年开始，历经7年时间的概念期、新品期、验证期，2018年包括逆变器在内的1500V设备已大规模发货，成为光伏发电迈过平价的首选方案。光储系统储能对于光伏等新能源大规模并网的重要性不言而喻。尽管受制于成本因素，光储产业化仍处于示范效应及补贴驱动发展阶段，但市场化步伐正加速落地。有些厂家选用报废汽车电池作为储能电池，降低了成本。主动安全防护显而易见，光伏电站的一切价值均构建于“安全”之上。包括直流拉弧检测、组件快速关断和保护等技能加身的逆变器将光伏电站的安全防护由被动型向主动型演变。数字化、智能化，AI使能光伏行业光伏行业在高速发展过程中，传统的降本增效手段效果已接近极限，光伏行业的数字化转型成为大势所趋。随着大数据、云计算、物联网、移动互联等相关技术的不断发展实现管理可视化、运维高效化等要求。AI技术也将逐渐融入光伏，包括现在正在成规模应用的智能IV技术。光伏系统将以逆变器为核心，数字化、智能化不断提升。综合来看，这五大演变无不紧扣光伏行业降本增效与智能化升级的核心任务，由此拉动光伏度电成本快速下滑，加速实现平价上网。1.3课题主要研究内容本课题所研究逆变器包括以下的内容：

主要研究光伏逆变系统、控制系统模型，三相并网光伏发电系统的光伏阵列模块，直流升压与最大功率点跟踪控制模块，逆变并网模块。包括直流变换电路，光伏最大功率点跟踪算法分析、逆变电路及其并网方式的比较与选择。整合硬件，设计辅助电路和CPU控制软件，实现三相并网光伏发电系统模型的整体设计。功率电路设计主要分析并设计DC/DC,DC/AC（逆变）电路。控制驱动电路设计DSP控制电路设计，电源电路设计，开关管驱动电路设计。并网控制系统设计选用合适的并网控制系统模型。电路仿真对所设计电路进行仿真模拟，判断设计可行性。1.4本章小结本章主要对光伏发电的历史，背景，目前发展情况，技术实现，未来发展趋势作基本介绍。

2光伏电池组件原理与特性2.1光伏电池组件简介2.1.1光伏电池的物理学原理1887年，物理学家赫兹在一次研究中发现，光照射到某些物质表面，会引起电性质的改变，之后的研究证明，这是因为产生电子流导致的，所以这一现象被称作“光电效应”。1905年，伟大的科学家爱因斯坦对光电效应写了一篇论文，对原理给出了创造性解释，并以此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。他提出，光是由光子组成的，而光子的本质是一个个能量包，每一个能量包所蕴含的能量与它的频率有关，光照射到物质上能否产生电子取决于光子（能量包）的能量，而与光的强度（数量）无关。现代物理学已明确电子的能级跃迁。原子由原子核与核外电子组成，核外电子分层排布，靠近原子核能级低，远离原子核能级高。在正常条件下，核外电子总是趋向于以总能量最低的形式进行排布，这样的电子，我们称之为“基态”。基态的原子接收到某种形式的能量（如光子）后，会自发转移到能量更高的能级，实现能级跃迁，跃迁后的电子便称它为“激发态”。现在市场上的光伏组件主要是以硅材料为基础，添加硼或磷做成半导体材料，由此作为电池片接受光照而发电，从原理上说就是一个PN结的结构，在太阳光的照射下，在PN结上产生了电势差，把P端和N端连接以金属电极，则可以输出电流。然后再把多个电池片进行串并联，从而实现了市场上的光伏组件。图2-1常见光伏组件电池器件结构图上图中的活性层就是半导体PN结，通过两个传输层和金属电极实现对外电流输出。2.1.2光伏电池的分类按光伏电池组成的材料分，可分为晶硅电池，非晶硅电池（薄膜电池），铜铟锡光伏电池，砷化镓光伏电池，碲化镉光伏电池，聚合物光伏电池。其中晶硅电池又可分为单晶硅电池和多晶硅电池。2.1.3光伏电池的特性本章主要讨论太阳能光伏电池的电学特性即对外呈现的电气输入输出特性。图2-2光伏电池的电路原理当光子能量照射到光伏电池时，激发PN结产生电流IL,电池两端连接负载RL,等效电路。根据实验检测然后得到光伏电池的特性，再凭借特性可推导出光伏电池的等效电路如下图所示。图2-3光伏电池的等效电路图硅光伏电池的等效电路相当于一个恒流源IPH和二极管并联。Uoc为负载电阻上的电压，Iph为与日照强度成正比例的光生电流，Id为流过二极管的暗电流，Rsh为旁路电阻，由于电池边沿的漏电和制作金属化电极时，在电池的微小裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电，使小部分本来应该正常流过负载的电流短路，大小可以用一并联电阻Rsh来等效。RS属于串联电阻，前面和背面的电极接触，以及材料本身有一定的电阻率，在实际的光伏电池，此电阻值较小，一般小于1欧姆，由等效电路图可得：I上式中，IO光伏电池暗饱和电流;q电子电荷（1.6*10-19C）;K玻尔兹曼常数(1.38*10-23J/K);T绝对温度（=t+273K）;APN结理想因子；I=I理想状态下，Rs很小，Rsh很大，所以在计算时可忽略。I其中：ISCR光伏电池的短路电流（r光照强度（W/M2）KT温度系数（短路电流ISCR开路电压当光伏电池处于开路状态时，光生电流在电池两端会产生电动势，这个电动势大小就是开路电压。理想情况下，流入负载的电流值为I==设I=0(开路),IPH=ISC,则U忽略串、并联电阻的影响，ISC的值可认为与入射光强度成正比。在弱光下，ISC<<I0,因此V其中，R在很强的阳光下，Isc>>Io,V光伏电池伏安特性曲线光伏电池曲线根据纵坐标不同，可分为IV曲线和PV曲线，即电流电压曲线和功率电压曲线。如下图所示：图2-4光伏电池的IV曲线和PV曲线从图中IV特性曲线可以看出，在不同光照强度下，呈现出不同的电流数值，整个曲线呈现出非线性的特点。从PV特性曲线可以看出，整个功率曲线呈现出非线性的特点，随着不同的光照强度产生不同的电压电流即最大功率点不同，这就需要进行最大功率点的跟踪，在后续文章中会详细说明最大功率点跟踪MPPT。2.2本章小结本章主要分析介绍了光伏电池组件的物理学原理、电池组件分类及特性，分析了等效电路，引出了最大功率跟踪的概念。

3光伏逆变器架构设计光伏逆变器的基本功能是把光伏阵列发出的直流电转换成与电网电压同相位、同频率的交流电，给本地负载供电同时并入公共电网发电。完整的逆变器分为电气主电路和控制电路两部分。本文经过分析当前市场上主流逆变器结构，设计的主电路具有并网通断控制的DC/DC和DC/AC两级结构，设计的控制电路部分采用数字信号处理器（DSP）控制芯片作为主控芯片，通过驱动电路和检测电路，实现最大功率点跟踪控制（MPPT）,直流升压DC/DC控制,双闭环并网逆变控制和防孤岛效应控制。逆变器总体设计框图如下图所示：图3-1总体设计框图3.1主电路设计主电路设计为无隔离变压器及具有并网通断控制接触器的电路。典型的光伏并网系统如下图所示：图3-2光伏并网系统图图3-2光伏并网系统电气结构图逆变器分为两级结构，DC/DC电路和DC/AC电路。DC/DC电路功能是把光伏组件输出的非线性直流转换为稳定电压的直流，通过MPPT控制实现最大功率点跟踪。DC/AC电路功能为把经最大功率跟踪后的直流电转换为与电网同相同频的交流电供给负载或馈送电网。3.2控制电路设计逆变器控制电路采用功能模块化设计方法，把相应的各个功能分为独立又相互关联模块，具体组成模块如下图所示：图3-3控制电路组成框图整个控制板模块包括DSP核心板、DSP主控板、信号调理板。每个电路板又分为若干个模块和电路，控制板与主电路板由专用排插进行连接。3.2.1DSP核心板简介TMS320系列是美国TI公司研发的专门用于控制的一款高性能、多功能、高性价比的的32位数字信号处理器，它集成了串行通讯接口SCI、A/D转换模块、事件管理器EV、通用输入输出结构GPIO、以及外部存储器接口XINF等多种功能模块，广泛应用于数字化工业电源领域。3.2.2DSP主控板简介主控板含GPIO扩展模块、液晶显示模块、PWM驱动电路和串口通信电路。GPIO扩展模块采用EPM3128ATC100芯片，通过数据总线，地址总线，片选线和读写信号线与DSP直接连接，通过CPLD来补充DSP外部资源接口的不足。液晶显示模块是利用LCD12864设计的，可以用于实时显示逆变器的电压、电流、功率等参数。PWM驱动电路作用是驱动IGBT管，通过将EV模块产生的PWM信号进行功率放大来实现，并起到隔离和保护的作用。串口通信电路实现DSP与外部通信控制。3.2.3信号调整板简介信号调整板主要功能是主电路中信号的检测与调整，包括光伏阵列产生的电压与电流，DC/DC升压后的输出电压Udc,逆变转换后输出电压Uac及电流，电网电压、电流、频率及相位等模拟量。电流信号通过霍尔传感器按比例转换为小电流信号，串联电阻后通过把电流信号转换为电压信号再进行检测。电压信号通过电阻分压将值调整在以1.5V为中心的0~3伏范围内，用电压跟随器进行隔离和传递，使用稳压二极管限定输入DSP的A3.2.4IGBT驱动模块简介驱动电路由TLP350光电耦合器及其辅助元件构成，DSP的EV产生的PWM信号经驱动电路后得到信号放大为同频率同占空比的PWM信号，驱动主电路的IGBT模块。控制电路含5组IGBT驱动电路，分别驱动DC/DC升压电路的IGBT1和DC/AC逆变电路的4个桥臂IGBT3&4,IGBT5&通信扩展模块通信扩展模块用MAX3232和MAX3485芯片设计两种串行通信接口，用于逆变器系统扩展和集中监控，可以使用RS232串口线在逆变器中加入嵌入式人机界面，替代LCD12864以实现更好的人机交互性，也可以通过使用RS-485串口线连接至工控机的综合监控系统方案，来实现多台逆变器的级联控制。3.3控制方案及软件编程本文所设计的两级式并网光伏逆变器采用分级控制，在DC/DC直流升压控制部分完成MPPT控制，在DC/AC交流逆变部分完成双闭环并网控制，DPLL控制等，实现前后级控制解耦。完整控制框图如下图所示：图3-4系统控制流程框图3.3.1MPPT控制为了实现光伏电池组件的最大功率点发电，需要逆变器DC/DC部分实时跟踪光伏组件在变化的光照条件下而变化的输出功率，保证最大功率的输出。逆变器采用扰动观察法，通过DSP模块检测的Upv和Ipv计算功率Ppv,并根据Ppv实时改变EV模块PWM1信号的占空比，也就是通过改变DC/DC升压主电路IGBT模块的开通占空比，实现改变Upv,使Upv的变化方向始终趋向使Ppv变化的方向。3.3.2双闭环并网逆变控制在DC/AC部分采用双闭环逆变并网控制方案，电压外环用于控制Udc,电流内环用于控制ig的幅值，频率和相位。Udc与通过MPPT控制算法得到的电压参考信号Uref进行比较以后，产生的误差值Ɛ经过PI调节后产生并网电流有效值校准指令Ig_e+,再与通过功率计算得到的并网电流有效值主指令Ig_m+进行相加，得到并网电流有效值指令Ig,再通过PLL与ug同步，生成内环电流瞬时电流值指令ig+,再与电流反馈采样值ig比较，产生的误差Ɛ’通过PI控制器输出单位为电压的指令然后与ug相加，然后得到的信号调节SPWM波的幅值、频率和相位，通过电流内环控制实现并网。3.3.3DPLL控制DPLL控制锁相部分包含频率跟踪和相位调节两部分。编程时可通过设置DSP的捕获单元CAP,捕捉TTL信号上升沿，记录TxCNT值，再通过查表法得到fr,然后用fr来改变等腰三角波的周期，以改变输出并网电流的周期，实现频率跟踪。相位调节的方法是通过检测到在电网电压过零时，根据ɵ采样电路参数调整给定的并网电流正弦表起始位置，来实现并网电流与电网电压的同相。3.4本章小结本章主要介绍光伏逆变器的总体框架拓扑。对主电路及控制电路作一个初步介绍。

4DC/DC变换与MPPT算法光伏电池的输出特性是属于非线性的，在光照强度、环境温度变化时，输出特性也会随着明显变化，最大功率点也相应明显变化。这个对实际应用就带来了困难，电压和电流的变化会影响到实际输出功率，这就提出了最大功率点跟踪的概念（MPPT）,就需要逆变器实时跟踪最大功率点，保证输出功率最大获得最佳发电量。采用DC/DC变换电路实现，主要有升压（BOOST）,降压（BUCK）,等。MPPT算法目前最多使用的包括电导增量法，扰动观察法，滞环比较法等。4.1DC/DC变换DC/DC变换器，也称直流斩波器，是一种采用脉宽调制技术把恒定直流转换为高频脉冲直流的装置，用在最大功率跟踪点可以实现实时调节电压电流满足最大功率点的跟踪。通过调节占空比实现调节输出电压值，再用LC滤波实现无纹波直流输出。下图是典型的DC/DC变换器升压变换器原理图。图4-1DC/DC变换器电路原理图图4-2电路连续导电模式下的稳态波形从上图可以看出，电感、二极管、开关管组成了升压电路结构。我们分析它的工作原理：工作模式1：开关管导通直流电压E加在电感上，此时电源E对电感进行充电，假如设开关管导通时间为Ton，那么在此期间内电感上的电压等于E。工作模式2：开关管S断开此时直流电源E以及电感储存的能量通过二极管D对电容C充电至U0。同样，在此设开关管S关断的时间为Toff，根据基尔霍夫电压定律，电感上的电压UL=U0-E;由于稳态下电感上的电流不会突变，即开关导通时通过电感的电流增加量与开关断开时电感电流的减少量相等，用公式表达：E×我们对上式进行变换：U引入占空比D，即设导通期间的占空比为D，则关断时间的占空比为1-D，重新改写上述公式:U0=E×11−D=1\*GB3从①式可以看出，输出电压Uo>E，就是Boost实现了电压的升高。只要给开关管S一个合适的占空比控制信号，就可实现输出电压的调整，从而实现抬升输出电压的目的。当然，占空比并不是随意选取的，而是要考虑诸多设计因素，这里不再展开。总之，DC-DC变换器作为实现MPPT功能的核心电路，已被广泛应用于光伏并网逆变器等领域，并大大提高了光伏能源利用率。特别是在实际应用中，DC-DC还发展出BUCK-BOOST、CUK等特色转换电路，从而满足各种特殊需求。BOOST升压变换器属于并联型开关变换器，此变换器电路结构和控制比较简单，优点比较明显，本文选用此方式来实现MPPT变换。4.2MPPT的实现光伏发电系统的DC/DC变换器主要是为了调节太阳能电池的工作点，使之时时刻刻都运行在最大功率状态。由于外部光照的不断变化而导致的输出变化，必然使输出特性曲线处于相应变化的状态。下图是太阳能电池的等效输出图：图4-3太阳能电池的等效输出本文采用扰动观察法（P&O）,从P-V曲线可知，可以通过控制电压的方法找到最大功率点。算法实现通过以下公式：当dP>dU时，工作点在最大功率点左边，当dP<dU时，工作点在最大功率点右边，当dP=dU时，工作在最大功率点。图4-5扰动观察法控制流程示意图从PV曲线可知，在最大功率点左边，斜率较小，改变固定的电压，此时功率的变化较小。而最大功率点右边，斜率较大，因此在算法上作相应考虑，在最大功率点左边，选用较大的电压步长，而在最大功率点右边，选择一个较小的电压步长，可加快跟踪效果。图4-6变步长扰动观察法算法流程图算法实现代码如下：functionD=PandO(Param,Enabled,V,I)%MPPTcontrollerbasedonthePerturb&Observealgorithm.%Doutput=Dutycycleoftheboostconverter(valuebetween0and1)%%Enabledinput=1toenabletheMPPTcontroller%Vinput=PVarrayterminalvoltage(V)%Iinput=PVarraycurrent(A)%%Paraminput:Dinit=Param(1);%InitialvalueforDoutputDmax=Param(2);%MaximumvalueforDDmin=Param(3);%MinimumvalueforDdeltaD=Param(4);%Incrementvalueusedtoincrease/decreasethedutycycleD%(increasingD=decreasingVref)%persistentVoldPoldDold;dataType='double';ifisempty(Vold)Vold=0;Pold=0;Dold=Dinit;endP=V*I;dV=V-Vold;dP=P-Pold;ifdP~=0&Enabled~=0ifdP<0ifdV<0D=Dold-deltaD;elseD=Dold+deltaD;endelseifdV<0D=Dold+deltaD;elseD=Dold-deltaD;endendelseD=Dold;endifD>=Dmax|D<=DminD=Dold;endDold=D;Vold=V;Pold=P;4.3本章小结本章主要介绍了MPPT的实现及直流升压变换的原理。介绍了通过调节占空比实现电压的调节，及扰动观察法的控制原理及编程实现。5逆变电路的实现逆变电路主要功能是把直流变为交流，主要由硬件电路及控制软件组成，它大致包括下面几个方面的内容：功率电路，控制算法，驱动电路等。5.1逆变器的基本构成并网逆变器电气结构基本如下图5-1所示。主要由输入断路器，浪涌保护器，直流滤波器，直流母线电容，直流电感，DC/DC升压模块，DC/AC逆变模块，交流电感，交流滤波器，交流接触器，输出断路器，显示仪表等构成。图5-1逆变器构成图各主要部分的功能及特点：断路器用于分断主回路的过载或短路电流，起到保护设备和负载的目的。NFL滤波器主要是用于滤掉主回路开关器件产生的高频电磁噪音和共模干扰。DC/DC升压单元，主要功能是实现把光伏电池组件的非线性直流输出转换为稳定的直流输出，并实现MPPT的控制。DC/AC逆变单元，主要功能是把直流转换为可并网的交流。通过CPU控制电路产生PWM脉宽调制来控制主回路IGBT的开通和关断，实现直流对交流的转换。LC电路构成的低通滤波器，可以滤除逆变电路产生的高次谐波，使流入变压器的电流为基波50HZ的电流。输出交流接触器，主要功能是作为并网和断网的开关，接收来自CPU的指令，在系统输出允许并网时吸合并网，又在逆变器内部出现故障时快速分断电路主回路，避免故障的进一步扩大。CPU控制回路，主要功能是由芯片产生脉宽调制波对主回路开关进行控制，同时实现MPPT控制，故障保护等实时性，快速性要求很高的控制。也可以采集显示数据，运行工作状态等。5.2逆变器的分类并网逆变器起着连接光伏阵列和电网的作用，按电源特性控制方式可分为电压源控制和电流源控制。目前市场上大部分逆变器都采用的电流源控制为主的方式。公共电网可看成一个容量无穷大的定值交流电压源，假如输出采用电压源控制方式，实际上就可看成一个电压源与电压源并联运行的系统。这种情况下采用锁相控制技术实现与公共电网电压同步。就是通过调制逆变器输出电压的大小和相位来控制逆变器的有功和无功输出。由于锁相回路的响应速度较慢，会导致输出电压容易失去控制，出现环流等问题，严重的环流会导致设备损坏或脱离电网，不利于并网稳定性。如采用电流控制输出，则只需控制逆变器的输出电流与电网电压同步，即可达到并网运行的目的，这种控制方法比较简单，使用比较广泛。本文采用电流源型电流控制方式逆变器结构。按逆变器的主电路拓扑结构进行分类，有以下几种：半桥式逆变器，全桥式逆变器，组合式逆变器。三相并网发电逆变器主要功能是并网发电，可以看成一个理想的三相平衡负载。5.3逆变器的数学模型三相并网逆变器的电路拓扑如下图所示：图5-2逆变器电气结构拓扑图通过对上图分析，得到在三相静止坐标系的数学描述。具体如下：由基尔霍夫定律得知，a、b、c相回路方程为：经计算得到交流侧电压方程：对直流侧直流电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得：由此可得知上面两式就是在静止坐标系下的三相逆变器开关函数。但这些数学模型中逆变器交流侧参数均为时变交流量，不利于控制系统对数据的分析，因此对这些数学模型进行坐标变换，通过Clark变换将三相静止abc坐标系转换为两相静止α-β坐标系，再通过Park变换转换成两相同步旋转d-q坐标系。通过这些变换，可以将时变交流量转换成直流变量，简化了控制器的设计。我们再列一下上面得出得三相静止坐标系得数学模型：i把上面三相静止坐标系得数学模型转换为两相静止坐标系（α，β）。x再变换得：x把上式代入上面并化简，得到两相静止坐标系（α，β）下三相逆变器开关函数模型：式中Sα，Sβ为坐标系中开关函数。再进一步变换转换为两相同步旋转坐标系（d,q），设复矢量式中Eαβ是电网电压复矢量，Iαβ是电网侧电流复矢量，Sαβ为开关函数复矢量。通过上式变换，得式中sαβ是s假设初始状态坐标系（α，β）与坐标系（d,q）重合，q轴与β轴重合。引入旋转因子ejθ,在坐标系（d,q）以电网基波角频率ω同步旋转时，同步旋转坐标系（d,q）ejθXdq=把上式代入，得到复矢量方程：i式中：I再把上式代入上上式，得到两相同步旋转坐标系（d,q）下逆变器的数学模型，i5.4逆变器并网的控制策略本文采用电压电流双闭环控制策略，是当前技术比较先进的一种控制策略。外环输入是输出电压反馈，目的是控制直流侧电压，输出作为内环输入。内环是交流侧电感电流反馈，电流环设计为电流跟随器性质。由于双闭环控制算法简单，方便程序实现，且控制效果好，所以应用比较广泛。从逆变器的输出控制方式来说，并网逆变器有电压控制方式和电流控制方式两种，在本文中，根据目前主流技术，我们选用电流控制方式。电流源型并网逆变器电路模型如下图所示：图5-3电流源控制方式系统模型在逆变器并网运行时，逆变器对电网来说呈现高阻抗特性，电网电压的扰动不会对逆变器输出电流造成影响。这样逆变器的输出电流比较容易控制，波形比较优质。设并网电压Ugrid,并网电流Igrid,当逆变器输出电流频率和电网电压频率相同时，逆变器输出的有功功率和无功功率分别是：P=Q=在电流源逆变器的电流控制方式下，通常使用电流闭环控制策略来对交流侧电感电流进行控制，实现对电网电压的跟随。这时为了对直流侧电压进行控制，再加入一个电压外环，这就是电压电流双闭环控制策略。光伏逆变器双闭环控制系统如下图所示：图5-4逆变器双闭环控制示意图详细控制过程：从电感侧采样得到输出电流ia、ib、ic,从电网侧采样得到输出电压Ua、Ub、Uc,从直流侧采样得到电压Udc,相位角由采样得到的电网电压经过abc/αβ坐标变换运算得到。把直流电压反馈值Udc与直流电压参考值Udc*进行比较，然后差值进入PI调节器控制，输出的信号id*与电流id比较，id是电网侧采样电流经过abc/αβ坐标转换后得到的同步旋转坐标系dq下的有功电流。然后差值再通过PI调节器控制，输出d轴电压信号ed*,同时，经过坐标变换后的网侧电流q轴分量iq,与无功电流参考量iq*比较，差值经PI调节器控制，输出q轴电压信号eq*,经过PI电压调节器调节的d轴电压信号ed*和q轴电压信号eq*,再通过前馈解耦控制，得到d轴电压参考量vd*与q轴电压参考量vq*,最后，d轴电压参考量vd*与q轴电压参考量vq*经过dq/αβ转换后就得到了SPWM的信号。详细设计如下图：图5-5直流电压调节控制上图直流电压反馈值Vdc_mes与直流电压参考值Vdc_ref进入加法器进行比较，通过放大器放大信号，进入PI调节器执行持续和离散时间的PID算法控制，输出信号有功电流环信号id_ref.图5-6有功与无功电流环比较有功电流环信号id_ref与无功电流环信号Iq_ref1比较，因为并网时无功功率为0，功率因数为1，所以Iq_ref1这个参考值取0.经过比较后输出至电流调节器。图5-6检测和锁相控制上图检测信号Vabc_prim，Iab_prim输入放大器进行放大，然后进入转换器CLARK把三相静止abc坐标转换为两相静止坐标系αβ，再通过Park转换成两相同步旋转d_q坐标系。输出信号VdVq_prim和IdIq_prim至电流调节器。图5-7电流调节器控制将实测的IdIq信号与IdIq参考值进行比较后输出至离散型PI调节器的前向欧拉法后输出信号。将实测的VdVq和IdIq进行比较，信号放大后进行比较输出前馈信号与上述前向欧拉法信号进行比较，经过饱和器输出VdVq逆变信号。图5-8Uabc_ref信号调制控制VdVq信号与额定直流电压信号进行乘法运算，再经过复数信号的幅值角度转换，与锁相环的信号进行比较，经过三角函数发生器后产生Uabc_ref。图5-9PWM调制信号控制电压参考信号Uabc_ref经过延迟后进入PWM调制发生器,产生脉宽调制信号。完整逆变系统控制信号图详见附录1。整个逆变器的控制部分由数字处理器DSP芯片TMS320F2407完成。并网需要实时检测电网电压的相位和频率，使逆变器的输出电流的相位和频率同步电网电压和频率，实现同步锁相。锁相环技术（传统锁相）：锁相环技术是一种传统的同步相位和频率的技术。同步锁相技术是并网逆变器的一项重要技术，它的控制精确度直接影响到并网逆变器的运行性能。如果锁相环电路稳定性可靠性欠缺，则会导致逆变器与电网之间在切换时产生环流，严重时甚至会导致设备损坏，影响并网的稳定性。锁相环电路是一种负反馈控制电路，简称锁相环（PLL）,锁相是一个闭环的相位控制系统，能够自动跟踪输入信号的频率和相位，利用锁相技术可产生同步于输入信号的整数倍频或分数倍频的的输出控制信号。锁相环(PLL)的基本结构由鉴相器（PD）、环路滤波器(LF)、压控振荡器（VCO）、和倍频器MF等组成。图5-10PLL锁相环电路的构成其中：Uin（t）为输入的待锁相电压，Uout(t)为锁相过程中由压控振荡器生成的,Uin（t）对应的输出电压。ε为Uin（t）和Uout(t)的相位差，ω为经锁相环产生的Uin（t）的角频率。鉴相器用于检测出两个输入信号的相位差。环路滤波器将鉴相器输出的含有纹波的直流信号变换为交流成分少的直流信号。并作为压控振荡器的驱动信号。压控振荡器是一种可变频率振荡器，用环路滤波器产生的直流信号控制振荡频率。最基本的基于乘法鉴相法的PLL如图5-11所示，图5-11基本PLL结构框图其中：ωff为给定的参考角频率，PI（1）式中θ和θ分别为参考相位和PLL输出的跟踪相位。注意式（1）成立的条件是二者的差值不大。数字锁相技术的实现：设计思路是运用DSP芯片的两路捕获单元分别捕获电网电压和逆变器输出电流的频率和相位并进行计算，根据计算结果调节相应SPWM载波频率和初始相位，从而实现光伏逆变系统输出电流对电网电压的频率及相位的跟踪。具体工作过程如下图：图5-12数字锁相原理示意图从固定数据表中，PWM载波周期的定时器中断读出单位正弦波数据，按照数值大小预处理电流幅值指令信号，得到临时脉宽，再进行综合PI运算处理该数据和经过A/D采样和预处理后的电网电流值、电压值，得到实际的脉宽，进行控制逆变器的功率管的通断。下一周期PWM载波周期中断重复上述处理过程，这样由程序自由控制的并网输出电流通过电流跟踪就可以得到。同步信号的检测分为电网电压与逆变输出电感电流的检测，电网电压频率和相位的检测。经过采样变压器采样的电网电压信号送至过零比较器。得到与电网电压同频同相的方波信号，然后光耦隔离，并限压在3.3V以下，滤去高频干扰，送给DSP的CAP4端口。电网电压信号和输入到CAP4的电网过零信号，逆变电流的的检测与电网电压采样相同，逆变电流信号送到DSP的CAP5端口。DSP芯片的捕获单元可检测两个边沿的时间间隔，作用是捕获引脚上电平的变化，并记录变化的时刻，本文中设置为检测脉冲的上升沿。由于CAP输入信号是方波信号，两个上升沿之间正好是一个周期，同时上升沿发生的时刻就是采样信号从负到正的过零点，从而实现对电网电压和输出电流和频率的检测。本文方案首先是产生50HZ的SPWM波，然后捕获电网频率，通过改变SPWM波的载波频率实现SPWM波的频率调整，从而完成实时跟踪电网电压。SPWM波的发生传统SPWM波是由作为载波的三角波与作为调制波的正弦波进行比较后产生的一组宽度与正弦波幅值成正比的方波。这是传统的SPWM波产生的方法。DSP芯片内有不同的产生PWM波的方法，DSP由内部的通用定时器进行计数，定时器的周期寄存器装载着给定三角波周期所需要的计数值，同时将正弦波各个比较点的幅值取出，送给定时器的比较寄存器，当定时器的计数值与比较寄存器的值相等时，发生比较匹配。定时器持续计数直到达到周期寄存器的值，发生周期匹配，意味着一个三角波载波周期结束。如果需改变三角波载波的频率和比较值，只需要改变相应的周期寄存器和比较寄存器的值，相应的引脚即输出宽度不等的脉宽调制（PWM）波。在整个过程中，三角波载波和正弦波并没有真正出现，只是一种抽象的概念。如下图PWM波发生的简要示意图。图5-13PWM波发生的简要示意图在用软件编程实现时，为了便于分频，假定三角载波的频率是正弦波频率的256*2倍。下面是要用到的两个计算公式：Ui=sini∗NT=4×10f电网=用式1可算出三角波与正弦波（半个周期）相交的256个幅值，用式2，3可算出定时器的周期寄存器需装载的值，f电网捕捉电网频率捕捉器的作用是跟踪输入引脚上电平的变化并记录其变化发生的时间。采用正弦波/方波转换电路将其进行降压和过零检测后得到幅值5伏左右的方波，便于DSP进行跟踪。一个DSP芯片有两个EV模块（EVA和EVB），分别包含3个跟踪器。该系统采用EVB模块的1、2两个捕捉器，其中CAP1捕捉上升沿，CAP2捕捉下降沿。捕捉上升沿可确定电网的频率，两次捕捉值之差即可得到对应的电网频率，捕捉下降沿是为了在方波的后半周期进行锁相调整，这样在一个周期内就可以跟踪上电网，在实际编程时，考虑到CAP1的捕捉值与电网频率有一个对应关系，所以按频率顺序将捕捉标准值做成个范围表，以查表得方式得到相应的电网频率值。同步锁相锁相是控制系统里非常重要的功能，程序采用一个辅助寄存器ARx(x=0,1,2,…,7)进行SPWM波的计数。一个完整的PWM波取256个点进行比较，在上升沿CAP1发生中断时，ARx的初值设为256，以后每比较一次，辅助寄存器值减一。如果在下降沿CAP2发生中断时，该寄存器的值不为0，则通过改变SPWM波的三角载波的频率来调整锁相。下面是调整计算后的发生SPWM波的相关定时器周期寄存器的T1PR值的公式：NT’=NT(X/256)NT=(1-X/256)NT(4)式中，X是ARx中的值。X大于0时，表示SPWM波滞后X个点，NT减小以加快三角载波的频率；相反则表示超前X个点，此时X为负值，NT增大以减慢三角波载波的频率。程序流程图图5-14主程序流程图5-15上升沿CAP1中断自程序流程图是否下降沿捕获中断是否下降沿捕获中断读取辅助寄存器A读取辅助寄存器ARx的值XXX是否等于0否否X小于0X大于X小于0X大于0减小三角波载波频率增大三角波载波频率减小三角波载波频率增大三角波载波频率调用S调用SPWM子程序，发生后半周期的SPWM波中断返回中断返回5-16下降沿CAP2中断自程序流程图5.5本章小结本章详细分析了光伏逆变器并网控制策略，介绍了电路组成，详细的控制电路实现，数字锁相技术，SPWM波的调制，锁相程序流程图。

6逆变电路的硬件设计逆变器硬件部分如下图所示，主要由输入断路器、直流噪音滤波器、电容电感、DC/DC升压电路、DC/AC逆变电路，LC滤波器，交流噪音滤波器、交流接触器、输出断路器等部分组成。其中控制电路包括DSP控制回路，显示屏，驱动检测回路，控制电源，保护电路等。图6-1三相逆变器模块图6.1逆变电路设计本文选用三相电压半桥型电路作为逆变器的主拓扑电路，此电路具有电路拓扑简洁，控制简单，功率开关电压应力低等特点。图6-2逆变器主拓扑电路在DC/AC逆变模块中，通过SPWM控制技术，控制6个功率开关管（IGBT）的开通与关断，把直流电逆变为相位差120度的交流电。从外部看，可看成电流源，通过输出端向电网输出正弦波交流电。6.2辅助电源设计6.2.1辅助电源的选用本文中辅助电源主要有以下几种：电源24V：IGBT驱动电源。电源+12v,-12v：为控制系统的模拟集成电路如运算放大器等提供电源。+5V电源：为数字集成电路提供电源。+3.3V，为DSP系统提供电源。开关电源设计采用美国POWERINTEGRATION公司的开关电源芯片TOPSwitch,该芯片集成MOSFET和PWM控制器，采用高压CMOS的先进技术，利用反馈来线性调节电流占空比。本设计采用TOP227集成芯片，实现辅助开关电源电路的设计。6.2.2信号检测电路基于DSP的控制系统中需要检测的信号有DC/DC变换器的电压和电流，逆变器的电感侧输出电压和电网侧的电压，以及其它保护信号的检测。其中对交流电压信号采用高频互感器实现隔离和检测；对直流电压信号采用LV25-P电压传感器实现隔离和检测；然后通过电压调节器及限幅环节将信号限制在0~3.3V之内，输送给DSP的A/D转换单元。锁相环节中只有过零检测和相位检测是由硬件电路完成，其它由DSP的软件实现。本文采用的检测电路如下图所示。图6-3电网电压过零捕获电路图由R1、R2、R3、R4组成的电网电压经差分电路转换后，进入由运算放大器U1A构成的过零比较电路，运放的反相接地，反相端的电位为零，当同相端电位>0时，即同相端电位比反相端高时，放大器输出正电压最大，当同相端电位比反相端低时，放大器输出负电压最小。这样就把电网电压信号转为具有相同过零点的TTL信号，即电网电压上升过零点处脉冲信号变成高电平。过零电压比较电路连接到数字信号处理器（DSP）的信号捕捉端口，该端口电压限制值3.3V,防止冲击对芯片造成损害，所以在实际电路中增加光耦TLP521-2对其进行隔离限压。逆变器输出电流为正弦波，通过电流霍尔传感器将检测到的电流经过滤波，再通过阻容电路变成平滑的直流有效值信号，输入到DSP芯片的一个A/D端口进行采样。6.2.3驱动与保护电路理论上对功率管控制方式比较容易实现，但实际应用中由于半导体器件的特性比如生产工艺等问题导致的器件特性的偏离，会产生一些不稳定不可控的故障，在驱动及保护不够时容易使元器件损坏。所以功率管IGBT的驱动电路设计非常重要，直接关系到系统的稳定性与可靠性，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，如三菱的M579系列，富士的EXB系列。本文设计了高速IGBT驱动和保护电路，该电路同时具有驱动和过流保护。下图中IC为光耦，Q1和Q2构成推挽电路，VR1为5V的稳压管，VR4为10V的稳压管，D4选用高压快速恢复型二极管，RG为驱动电路的栅极电阻，抑制驱动时的浪涌电流，同时抑制误触发。在G-S之间连接10KΩ的电阻，防止在G极电路不良或G极电路完全未动作状态时，而主电路上外加电压对IGBT造成损坏。图6-4IGBT驱动和保护电路当输入驱动信号为高电平时光耦导通，B点电位高电平，Q1导通，Q2截止，+24伏电源向IGBT供电，使G-E电位钳位到18伏，保证其快速可靠导通，R1,C1组成的延时电路使Q3保持截止状态，经过大约1.5us的信号传输时间，虽然C1的端电压按充电规律上升，但由于IGBT已饱和导通，且导通电压降很低，通过D4的稳压作用C1的端电压很低，所以Q3,Q4处于截止状态。当输入驱动信号为低电平时光耦下管导通，B点电位为低电平，Q1截止，Q2导通，IGBT的GE两端电压经C、VR1、Q2稳压在-5V。保证了IGBT的快速可靠关断。同时防止干扰而产生的误触发，在关断期间，D4反相阻断，C1通过R4放电，使A点电压更低，Q3,Q4为截止状态，当发生过流时，IGBT的CE两端电压升高明显，此时D4反向阻断，由R1,C1充电，A点电位开始升高，当过流现象持续1.5us时，A点电压使稳压管VR2导通，Q4随之导通，使IGBT的GE两端电压稳压至10伏左右，延长了IGBT的过流时间（故障检测时间），如果A点电压在6us内又恢复到低电平状态，可以判断为假的过流现象，Q4截止，电路恢复到正常工作状态。若过流现象发生6us以上，则判断为过流发生，A点电压升至击穿稳压管VR3,Q3立即导通将B点电位拉为低电平，迅速关断IGBT。6.3CPU控制回路设计6.3.1控制芯片简介TMS320系列DSP芯片集成了实时处理和控制器外设。TMS320LF2407A具有以下特点：采用高性能静态CMOS技术，供电电压低至3.3V，降低了功耗。40MIPS的执行速度使的指令周期缩短到25ns,提高了控制器的实时控制能力。内部集成32K的字节的FLASH存储器，两个事件管理器模块，EVA和EVB,每个包含：两个16位通用定时器，8个16位脉宽调制通道，能够实现：三相反相器控制；PWM的对称和非对称波形；可编程的PWM死区控制，防止上下桥臂同时输出触发脉冲。控制器局域网络（CAN）2.0B模块。串行通信接口（SCI）模块。基于锁相环的时钟发生器。40个可单独编程的通用输入输出引脚（GPIO）。电源管理包括3种低功耗模式，能独立的将外设器件转入低功耗模式。本设计采用此芯片作为控制器的主要原因是考虑到此芯片具有两组事件管理器，可产生12路PWM脉冲，管理器模块EVA和EVB可分别控制DC/DC电路和DC/AC总7个管子。芯片速度达到40MHZ,具有高速运算能力。32K的程序存储空间，可方便通过接口对程序进行修改和升级。6.4逆变器整体设计光伏逆变器系统原理图如下所示：图6-5光伏逆变器系统原理图逆变器运行概述：由光伏阵列产生的直流电接入逆变器直流断路器，经过直流噪声滤波降噪后输入DC/DC电路，通过脉宽调制技术产生平滑稳定的直流并实现MPPT控制，然后稳定直流输入DC/AC电路，根据DSP控制芯片发出的脉宽调制信号实现6个IGBT功率管的关断与导通，将直流电转换为三相交流电，并通过交流LC低通滤波装置滤除谐波，剩下低于50HZ的电流流入隔离变压器，变压器采用Δ/Y接法，起隔离逆变器和电网作用，通过隔离变压器把功率器件开关导致的漏电流和微小的直流电流均被有效隔离和抑制，从而不会对电网产生影响，然后再由交流噪声滤波器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，以保证逆变器在运行时不对其它设备产生影响，最后DSP控制芯片对交流信号采样，判断其是否满足电网并网标准，满足则控制交流接触器（MC）吸合完成并网。当交流失电或内部出现故障时，DSP芯片发命令分断交流接触器实现解列并网系统，以隔离光伏发电系统与电网系统，避免造成大的故障，同时驱动回路屏蔽PWM信号，保证功率器件不被误触发。6.5本章小结本章对逆变器的硬件电路作分析并设计电路图，纤细介绍辅助电源电路、信号采集电路、驱动与保护电路、控制芯片特性参数。逆变器整体设计介绍。

7逆变器的仿真本文选用最新的使用最广泛的SPWM（脉宽调制）技术对逆变部分进行控制。本文在MATLAB环境下基于SIMULINK对三相并网光伏发电系统的逆变并网模块进行了仿真模拟。7.1三相逆变器的仿真以硬件电路为基础，系统的功率输出级仿真如下图，由DC/DC变换，DC/AC逆变模块，SPWM生成模块，负载显示模块，数字锁相电路等构成。仿真参数调制按照实际运行的逆变器系统各个参数计算得出。图7-1三相并网光伏逆变器功率输出级仿真图7-2同步信号检测与捕获电路