1、i本科毕业论文（20 届）小型三相光伏并网逆变器的设计与仿真所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师ii完成日期iii目 录摘要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 分布式发电是适应我国国情的新能源发电发展趋势 .11.2 分布式发电的发展对并网逆变器提出的需求 .11.3 并网逆变器的生产研究现状 .21.4 本课题的研究内容 .22 基于 PWM 技术的三相并网逆变器电路设计 .22.1 三相并网逆变器的主电路结构 .32.2 三相并网逆变器主电路基本原理 .32.3 三相并网逆变器 LCL 滤波电路设计分析 .62.3.1 三相并网逆变器输出滤波器的选取 .62
2、.3.2 有源阻尼控制在 LCL 型滤波器中的应用 .73 基于 DSP 控制的三相并网逆变器控制系统设计 .93.1 数字控制芯片的选择.93.2 基于 DSP 控制的三相并网逆变器控制电路设计 .103.2.1 IGBT 驱动电路的设计分析 .103.2.2 TMS320F2812 芯片电源电路设计 .113.3 三相光伏并网逆变器的系统控制策略概述 .123.4 三相光伏并网逆变器 SPWM 程序设计与分析 .133.4.1 PWM 控制的基本原理 .13iv3.4.2 SPWM 波形的实现方式 .133.4.3 基于 DSP2812 的 SPWM 控制软件设计 .153.5 最大功率点
3、跟踪(MPPT)技术的讨论与应用 .154 基于 MATLAB 的三相并网逆变器建模和仿真 .194.1 利用 SIMULINK 进行三相并网逆变器的建模 .194.2 SIMULINK 仿真结果的运行和仿真结果分析 .195 总结和展望 .215.1 总结 .215.2 展望 .21参考文献 .23致谢 .24附录 .25vContentsAbstract .II1 Introduction .11.1 Distributed generation is the trend of new energy generation to meet the situation of our count
4、ry.11.2 Demand for grid connected inverter with the development of distributed generation.11.3 Research status of production of grid connected inverter .21.4 The content of this research.22 Design of three phase grid connected inverter based on PWM Technology .22.1 Main circuit structure of three ph
5、ase grid connected inverter .32.2 Basic principles of main circuit of three phase grid connected inverter.32.3 Design and analysis of LCL filter circuit for three phase grid connected inverter.62.3.1 Selection of output filter for three phase grid connected inverter .62.3.2 Application of active dam
6、ping control in LCL filter.73 Design of control system for three phase grid connected inverter based on DSP control .93.1 Choice of digital control chip.93.2 Control circuit design of three phase grid connected inverter based on DSP control .103.2.1 Design and analysis of IGBT drive circuit.103.2.2
7、TMS320F2812 chip power supply circuit design .113.3 Overview on the control strategy of three phase photovoltaic grid connected inverter.123.4 Design and analysis of SPWM program for three phase photovoltaic grid viconnected inverter.133.4.1 Basic principle of PWM control .133.4.2 SPWM waveform impl
8、ementation .133.4.3 Design of SPWM control software based on DSP2812 .153.5 The discussion and application of maximum power point tracking (MPPT) technology.154 Modeling and Simulation of three phase grid connected inverter based on MATLAB.194.1 Modeling of three phase grid connected inverter using
9、SIMULINK.194.2 Simulation results of SIMULINK simulation results are analyzed .195 Summary and Outlook.215.1 Summary.215.2 Outlook.21Reference .23Appreciation.24Appendix.25I小型三相光伏并网逆变器的设计与仿真摘要：当前，随着人类环保意识的不断增强，随着国家对新能源发电的愈加重视，我国的新能源发电也在蓬勃地发展。其中，风力发电、太阳能发电等分布式发电方式以其清洁、安全、技术相对成熟等优点受到了格外的关注。并网逆变器是实现分布式
10、发电的重要元件，是集电力电子技术、控制技术等多学科于一体的重要设备。作为电气工程及其自动化专业的学生，能够完成这样一个器件的软硬件设计与仿真，是对多学科知识杂糅和研究学习能力的重大考验，也是锻炼和提高综合实践能力的绝佳机会。本论文从小型三相并网逆变器的原理出发，设计出小型三相并网逆变器的基本电路图，利用DSP2812 控制，实现脉宽调制，并在 Matlab 中进行建模仿真，并对仿真结果进行分析评价。希望借此机会，完成本科阶段知识与设计研究能力的杂糅与升华。关键词：三相并网逆变器 PWM 技术 DSP 控制 MATLAB 建模仿真IIDesign and Simulation of Small
11、Three-phase Photovoltaic Grid Connected InverterAbstract：As the growing awareness of the human environmental protection, the new energy generation is booming in China as the country paying more attention to the new energy generation. Among them, wind power, solar power and other distributed power ge
12、neration has attracted great concern for its clean, safe and relatively mature technology. Grid connected inverter is an important component of distributed generation, and it is an important equipment for power electronics technology and control technology. As students who major in electrical engine
13、ering and its automation, being able to complete the software and hardware design and simulation of such a device is not only a major test of multi-disciplinary knowledge of hybridity and studying ability, but also an excellent chance to exercise and improve comprehensive ability of practice. In thi
14、s paper, starting from the principle of small three-phase grid connected inverter, the small three-phase grid connected inverter circuit was designed; Using DSP2812 control, the pulse width modulation is to be achieved, and the system is modeled and simulated in MATLAB, the simulation results were c
15、ompared and analyzed. I hope to take this opportunity to complete the undergraduate stage, knowledge and research ability of hybridity and sublimation of design.Keywords: three phase grid connected inverter; PWM technology; DSP control; MATLAB modeling simulation11 绪论1.1 分布式发电是适应我国国情的新能源发电发展趋势上个世纪 7
16、0 年代，一些发达国家由于受到两次石油危机的影响，意识到利用和发展可再生新能源是非常紧迫的任务，特别是太阳能光伏发电得到了发达国家的高度重视。美国是最早制定太阳能光伏发电规划的国家，而日本政府对太阳能的开发和利用也非常重视，早在 1974 年就投资 5 亿美元执行“阳光计划” 。欧洲一些国家包括德国、法国、西班牙、意大利、瑞士等国也相继制定了本国的光伏发展规划，其中德国光伏产业发展相对较快 1。近年来，我国的可再生新能源发电(如风力、光伏等发电方式)也得到了快速的发展，尤其是在西北地区和东南沿海地区建立了大量的大型风力、光伏发电站。但是，由于我国幅员辽阔，光伏能源富集分布的区域与负荷中心并不一
17、致，因此，这些大型光伏电厂发出的电能往往必须通过高压甚至特高压远距离输电才能送达负荷端，从而大大提升了光伏发电的建设运行成本，也使电厂运行的稳定性和安全性受到了更多的挑战。对于大型风电场而言，2014 年，台风“威马逊”对东南沿海的大型风电场造成了严重损失，说明我国对大型风电场的建设尚存在一定的盲目性，而对比之下，美国由于遭飓风侵袭较多，很少建有大型海上风电场，欧洲和日本建有大型海上风电厂，但并没有强风侵袭。过度模仿国外风电生产模式，追求风电的集约化、大规模生产，忽略我国东南沿海时常遭台风侵袭的气象条件，使风电厂建设的抗台风设计考虑不足。可见，我国的集中式大型新能源发电的发展建设逐渐开始受到各
18、种制约。在集中式新能源发电发展受困的情况下，分布式新能源发电以其独特的优势将成为新能源发电的新宠。分布式发电(Distributed Generation， DG)，是指在一定的地域范围内，有多个甚至多种形式的发电设备共同产生电能，以就地满足较大规模的用电要求。分布式发电的主要有点有：(1)建设容易，投资少。(2)靠近用户，输配电简单，损耗小。(3)能源利用效率高。(4) 污染少，环境相容性好。 (5)运行灵活，安全可靠性有保障。(6) 可满足不间断供电的要求 2。1.2 分布式发电的发展对并网逆变器提出的需求尽管分布式发电优势明显，但由于分布式发电尤其是光伏发电输出为直流电，而通常的民用和工
19、业用电要求是工频正弦交流电，这一冲突的解决正是依赖于并网逆变器的重要作用。光伏发电中所使用的并网逆变器，一般来讲，是将光伏电池输出的低压直流电逆变成 220V 工频正弦交流电，并能够并入电网运行，在逆变的同时还要完成升压的任务。2为了应对大量分布式并网发电单元对配电网的冲击，并网逆变器作为其中的关键环节，其地位和作用显得十分重要 3。而事实上，并网逆变器的使用在另一方面对电网的安全和电能质量提出了更加严峻的挑战，尤其是并网逆变过程中出现的电压不稳定、谐波等问题对电网影响十分严重，再加上逆变器所消耗的大量无功功率，给电网电能质量、电网安全稳定等带来不小的挑战。可以说，并网逆变器是光伏电池普及应用
20、的关键因素之一，而并网逆变器带来的技术问题恰是挡在其广泛应用路上的拦路虎。解决了并网逆变器的一系列技术难题，也就走通了光伏发电、分布式发电的蓬勃发展之路。本文进行的小型并网逆变器设计与仿真，是针对当前分布式发电的巨大发展趋势下所做的学习性研究。是本科阶段对典型的基于 PWM 技术的逆变技术的深入学习实践，并希望通过对该课题的学习研究，掌握相关的设计、分析、建模、仿真能力。1.3 并网逆变器的生产研究现状自 20 世纪 50-60 年代开始，逆变器技术的发展相继经历了 SCR 晶闸管阶段、GTO可关断晶闸管和 BJT 双极性晶体管阶段、功率场效应管等大功率阶段和微电子阶段，到21 世纪初，已朝着
21、高频率、高功率密度、高可靠性的方向发展。纵观并网逆变器的发展历程，高频化、小型化、智能化、模块化将是其主要发展方向之一。目前，全球逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，全球前七位的生产企业占领了近 70%的市场份额。国内不少企业虽然已在逆变器行业研究多年，已具备一定的规模和竞争力，但在技术和规模上与国外企业仍有较大差距。从技术方面看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距。目前国内在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，而大功率并网逆变器仍需进一步发展。从市场层面来讲，国外逆变器企业起步早、技术成熟，在市场上占据了主导地位，但国内企业近年来发展迅猛，占领了
22、国内市场的主要份额 4。1.4 本课题的研究内容本课题研究的对象是小型三相光伏并网逆变器，基于 PWM 脉宽调制技术，设计典型并网逆变器的主电路基本结构，并为其搭配设计 LCL 滤波电路滤除逆变过程中产生的高频谐波。另外，本文将基于 TMS320X2812 DSP 控制芯片设计控制电路，并编写 PWM控制程序。控制策略上，该小型并网逆变器是为太阳能光伏发电专门进行的配套设计，所以要考虑前级 DC-DC 变换器所进行的最大功率点跟踪(MPPT)控制，并同时对后级 DC-AC 变换器 (并网逆变器)提出保持前后级之间直流侧电压稳定和实现并网电流控制(网侧单位功率因数正弦波电流控制)这两点要求 5。最后，还要利用 MATLAB 进行建模、仿真，校验前述设计的客观效果，并对其仿真结果进行分析和评价。总的来说，对于本科生来讲，这样的工作任务已显得十分艰巨。
