基于DSP光伏并网逆变器的硬件电路设计.doc

1、 本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：基于 DSP 的光伏并网逆变器硬件电路的设计 学生姓名： 学 号： 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 毕业设计说明书（毕业论文） 41 基于 DSP 的光伏并网逆变器硬件电路的设计 摘 要 由于近年来不可再生能源的不断消耗，能源危机日益凸显，各国都在加紧开发新能源。 太阳能发电作为一种全新的电能生产方式 ，具有清洁无污染、来源永不衰竭且维护措施简单等特点， 因而受到越来越广泛的关注。 本 文针对太阳能应用的一个重要研究领域 光伏发电系统，尤其是小功率光伏 并网 发电系统， 设计实现了基于 DSP 控制的单相光伏并网逆变器的硬件电路。

2、论文首先介绍了太阳能光伏并网的国内外发展现状，阐述了利用 DSP 控制光伏并网系统的基本原理。然后提出了以逆变器 DC/AC 变换技术为核心的单相光伏并网逆变器的硬件电路设计方案，并在 Matlab 软件上进行了仿真测试。最后对后续研究工作进行了展望，为进一步制作电路板及其调试提供了参考。 关键词： 光伏并网；逆变器 ； 数字信号处理器； Matlab 仿真毕业设计说明书（毕业论文） 41 PV Grid-Connected Inverter Hardware Circuit Design Based on DSP Abstract In recent years, with the cont

3、inuous consumption of non-renewable energy, the energy crisis has become increasingly prominent, countries are stepping up the pace to develop new energy. Solar power, as a new energy production methods, owns many features, such as, clean, non-polluting, never failure of source and simple maintenanc

4、e measures, and thus draws more and more attention. In this paper, as for an important research field of solar energy applications-photovoltaic systems, especially low-power photovoltaic power generation system, the hardware circuit of the DSP-based control of single phase photovoltaic grid-connecte

5、d inverter is designed and implemented. The paper firstly described the development of solar photovoltaic grid in the world, and explained the basic principles of DSP controlled photovoltaic grid system. Then objective of the single-phase PV grid inverter with the core of DC / AC conversion technolo

6、gy inverter hardware circuit is designed and its simulation tests on the Matlab software is proceeded. Finally, the prospect of follow-up study provides a reference for the further production of circuit boards and their debugging. Key words: grid-connected photovoltaic; inverter; DSP; Matlab simulat

7、ion 毕业设计说明书（毕业论文） 41 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景、目的和意义 . 1 1.2 国内外研究的现状 . 1 1.2.1 国内研究的现状 . 2 1.2.2 国外研究的现状 . 2 1.3 本课题研究的主要内容 . 3 第二章 太阳能光伏并网的研究 . 4 2.1 光伏并网逆变器的拓扑结构设计 . 4 2.1.1 按变压器拓扑结构分类 . 4 2.1.2 按功率变换级数分类 . 6 2.1.3 按控制方式分类 . 7 2.2 光伏并网控制策略基本原理 . 10 2.2.1 光伏并网逆变器的控制方式 . 10

8、2.2.2 光伏并网逆变器的控制目标 . 10 2.2.3 输出电流控制方式 .11 2.2.4 最大功率点跟踪 . 12 2.3 孤岛效应 . 14 2.3.1 孤岛效应的影响和危害 . 14 2.3.2 孤岛效应的检测方法 . 15 毕业设计说明书（毕业论文） 41 第三章 基于 DSP 的并网逆变器 硬件电路的设计 . 16 3.1 并网逆变器总体结构 . 16 3.2 基于 DSP 的控制系统硬件设计 . 16 3.2.1 DSP 概述 . 17 3.2.2 DSP 系统硬件电路设计 . 18 3.3 采样和调理保护电路设计 . 24 3.4 主电路设计与关键参数选择 . 28 3.4

9、.1 Boost 电路设计与参数选择 . 28 3.4.2 逆变器电路设计与参数选择 . 31 第四章 光伏并网逆变器仿真测试 . 35 4.1 Boost 升压电路仿真测试 . 35 4.1.1 Matlab 搭建电路图 . 35 4.1.2 仿真波形和分析 . 35 4.2 逆变器电路仿真测试 . 36 4.2.1 Matlab 搭建电路图 . 37 4.2.2 仿真波形和分析 . 37 第五章 总结和展望 . 39 5.1 工作总结 . 39 5.2 展望 . 39 参考文献 . 41 附录 . 42 附录 A DSP 控制电路 PCB 板 . 42 附录 B 3D 模式的控制电路 PC

10、B 板 . 42 毕业设计说明书（毕业论文） 41 附录 C 主电路 PCB 板 . 43 附录 D 3D 模式的主电路 PCB 板 . 43 附 录 E 总体原理电路图 . 43 附录 F DSP 控制电路原理图 . 43 致谢 . 44 毕业设计说明书（毕业论文） 41 第一章 绪 论 1.1 课题研究的背景、目的和意义 当今世界 ， 人类对于能源的依赖性越来越强，能源已经成为我们生活中必需的部分，它为人类的各项活动提供着动力。随着一次能源煤、石油、天然气等不可再生能源的过度开发，以及地球环境的日益恶化 全球变暖、酸雨、厄尔尼诺现象等，一系列环境问题危及人类的可持续发展。环境、 能源和可持

11、续发展已经成为人类迫切要解决的问题。 能源短缺和环境恶化加快了人类去寻找替代能源的进程，各国都在大力发展新能源。在新能源家族中，有风能、太阳能、地热能、潮汐能等。由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电以清洁可再生的太阳能为能源，直接将太阳能转换成电能，是一种不需要燃料、没有污染获取电能的高新技术，因此光伏发电被认为将是 21 世纪、最具活力的新能源 1。过去太阳能光伏发电系统中因为太阳能电池的制造成本比较高，所以太阳能光伏发电只能应用于一些偏远地区的供电。例如，一些分散的农牧户、基站的通信设 备供电、气象、国防等。而且应用于村庄的大都是小型的光伏发电系统，大多未能并入电网，属于独立的离

12、网式发电。当今太阳能电池硅板成本有所降低，电力电子技术、自动控制技术、计算机处理技术等也有了飞速发展。太阳能光伏发电系统有了质的飞跃，发电成本在逐年下降，发电的效率和市场效益也在进一步提高，这为大规模发展太阳能光伏发电并网技术提供了基础。 从 2004 年欧盟联合研究中心预测的世界能源结构大致变化发展趋势 2中可以看出，在接下来的近一百年里，石油、煤炭、天然气等不可再生能源在一次能源消费中所占的比例将呈下降趋势，而太 阳能光伏发电则会大比例的增加。所以大力发展太阳能有利于缓解能源危机和解决环境问题，促进人类社会的可持续发展。 我国拥有丰富的太阳能资源，所以发展太阳能占有一定的先天优势。从我国所

13、处的地理位置、地形以及纬度来分析，我国中西部地区太阳能资源比较丰富，西藏、青海、甘肃、内蒙古、新疆、宁夏均属于世界太阳能资源丰富的地区。这些地方又有十分广阔的面积，有利于大规模安置太阳能光伏并网发电设备，也有利于部分地区环境的改善。 1.2 国内外研究的现状 与独立光伏发电系统相比，光伏并网发电系统具有一些自己的优点。它省掉了体积庞大、价格高昂、不易维护的蓄电池，具有造价低，输出电能稳定的特点，因而具有更为广阔的市场前景。典型的光伏并网逆变器发电系统包括：光伏阵列，直流到直流斩波电路（ DC-DC）， Dclink，直流到交流逆变器（ DC-AC）控制电路，采样电路，保护电路，故障处理电路等。

14、 1.2.1 国内研究的现状 由于我国在光伏发电等可再生能源发电技术的研究起步相对较晚，光伏发电只在一些尖端领域应用比较多，核心技术方面和国外还有一定的差距。就光伏并网型逆变器而言，合肥工业大学能源毕业设计说明书（毕业论文） 41 研究所、燕山大学、上海交通大学、中国科学院电工研究所等科研单位在这一方面进 行了相关的研究，并且在“九五”、“十五”期间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作 3。 目前 我 国光伏并网逆变器市场 发展 规模 还比 较小，国内生产逆变器的商 家虽然很 多， 但 专门 用于生产 光伏发电系统的逆变器制造 厂 商 却并不多 ， 而且有 不少国内 制造厂商 已经在逆变

15、器 方面 研究 开发 多年，已经 发展到拥有一定的 规模和 市场 竞争力，但在逆变器技术质量、 验证技术上、 规模上与国外企业仍有 很大 差距 。 目前 我国 具有较大规模的厂商有北京索英、南京冠亚、北京科诺伟业、志诚冠军上海英伟力新能源科技有限公司等企业。国内市场规模虽然 比 较小， 核心技术还 处在不算成熟的阶段， 但未来光伏 发电 市场的巨大发展潜力和发展空间 将 给国内 光伏 企业带来 前所未有的发展 机遇。目前国内光伏 并网 逆变器主要被阳光电源、艾思玛、 KACO 等品牌所占领， 而 国外 的 企业多数通过代理渠道进入国内 的 市场，由于售后服务提供难度大 的问题导致其 整体市场占

16、有率不高。国内重点光伏 发电项目大功率产品几乎全部选用国内产品。 从技术 层次 来 说 ，国内企业在智能化程度、稳定性 、 转换效率、结构工艺等方面与国外先进水平仍有一定差距 。 目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，还有一定的差距， 大功率 并网逆变器仍需进一步发展 和研究 。 1.2.2 国外研究的现状 近几年，随着德国 、 美国、西班牙、日本对本国光伏 发电 产业 在 政策 上大力 扶持，全球光伏 并网 逆变器的销售额 在 逐年 上升 ，光伏 并网 逆变器进入了一个 飞速发展 的阶段。但目前全球光伏 并网逆变器市场被国际几大巨头瓜分，欧洲 作为 全球光伏

17、并网逆变器市场发展 的先驱，具备 了 完善的光伏产业链，光伏 并网 逆变器技术处于世界领先地位。 SMA 是全球最早 、 最大的光伏逆变器生产企业（ 其中 德国市场占有率达 50%以上） ， 2009年 SMA以占据全球市场份额 44%独占鳌头。 SMA、 KACO、Fronius、 Ingeteam、 Siemens、 Studer、 Xantrex、 Danfoss、 Conergy、 Satcon、 Power-one、 Outback power等基本占领全球光伏逆变器市场份额。 其中排名 前五位 的企业占的市场份额已经 超过 了全球的 70%。 1.3 本课题研究的主要内容 本论文主

18、要设计了一种基于 DSP 控制的单相光伏并网逆变器的硬件电路，并用 Protel DXP 软件完成了整个系统的硬件电路，生成了 PCB板。最后通过 Matlab 对电路进行了仿真。其中硬件电路包括：直流斩波电路拓扑结构、逆变器电路、 DSP 控制电路 、采样硬件电路和辅助电源。控制策略选择有：最大功率点跟踪、 SPWM 控制等。仿真部分主要针对升压斩波电路和逆变器部分参数设计的检验和分析。 本文光伏并网逆变器设计参数如表 1.1 所示： 表 1.1 光伏并网逆变器设计参数 序号 名称 参数 1 输出功率 1kW 毕业设计说明书（毕业论文） 41 2 电池输出电压 DC 60 140V 3 交流

19、输出电压 AC 220V/50Hz 4 电网电压允许偏差 -10% +7% 5 电网频率允许偏差 -0.5 +0.5Hz 6 功率因数 =0.9 毕业设计说明书（毕业论文） 41 第二章 太阳能光伏并网的研究 太阳能光伏发电原理是利用太 阳能电池的光生伏打效应，它是通过将太阳能辐射的能量直接通过硅电池板转变成电能的一种可再生发电系统。太阳能光伏发电系统一般由太阳能电池板阵列、充电蓄电池、逆变器和控制器等部分组成。本章将对太阳能光伏并网发电系统中的并网逆变器的拓扑结构进行设计，对其控制策略进行分析。 2.1 光伏并网逆变器的拓扑结构设计 2.1.1 按变压器拓扑结构分类 目前，在实际的光伏发电系

20、统应用中，按变压器拓扑结构分类的主电路有三种，分别是带工频变压器隔离的单级式逆变器、带高频变压器隔离的多级式逆变器和无变压器隔离的两级式逆变器。根据这三种逆变主电路，可以 将现在的光伏发电系统的拓扑结构分为三类，即工频隔离型拓扑结构、高频隔离型拓扑结构和无变压器隔离拓扑结构。 一、工频隔离型拓扑结构 工频隔离型拓扑结构的太阳能光伏发电系统的基本组成：太阳能硅电池阵列、直流侧的滤波器件、光伏并网逆变器、工频变压器、 LC 滤波电路等。其结构如图 2.1 所示。 图 2.1 工频隔离型拓扑结构 这种形式的太阳能光伏并网电磁干扰小，结构简单，维护量小，可靠性高，开关频率低。由于采用了工频变压器能起到与电网侧隔离、保护的作用，所以能够防止人体误触摸逆变器造成的伤害。但是由于采用了工频变压器， 导致整个系统体积庞大、重量增大，比较笨重、占用面积也增加。 二、高频隔离型拓扑结构 高频隔离型拓扑结构的太阳能发电系统指光伏并网逆变器经过两次直流电逆变成交流电能的变换。一次是经过高频方波逆变，用来提高变压器的工作频率，从而能够减轻变压器的体积和重量。变换后产生的高频方波经过高频变压器，然后再通过 AC/DC 整流电路和滤波电路的作用后得到另一种直流电压，这种直流电压通过工频 SPWM（正弦脉宽调制）控制的逆变器，得到并网所需要的波