1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 一种新型独立光伏系统逆变器的硬件电路设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 随着世界经济的不断发展，人类对能源的需求也提出了更多的要求，而能源的紧缺问题也越来越受到人们的关注。因此 ，风能、太阳能等新兴 的 能源 得到了迅速发展。如何更好地对利用风能、太阳能等新能源的问题也受到了人们的 广泛关注。近年来，光伏发电技术取得了长足的 发展 ，太阳能已经成为当今能源的一个重要补充。 本文提出了一种基于全桥变换器的正弦波逆变电源的整体设计方案。文章首先设计了基于全桥逆变器和以 DSP 为核心的
2、逆变电源控制电路。其次，设计了主电路以外的辅助电路。数据采集电路，主要的作用是采集逆变前后的电压的相关数据，便于 DSP 控制。键盘输入以及显示功能模块电路，方便了人机交换信息，更有利于系统的控制。保护电路模块，能使系统的运 行更加稳定。 最后简单的介绍了复位电路和时钟电路。 关键词： 光伏系统，逆变器，独立运行， DSP II Hardware Design of a new type of inverter for distributed photovoltaic power generation Abstract For the development of global economy
3、, the demands to energy are increasing day by day and the shortness of energy draws more attention than any time before. This condition gives great opptunity to the development of new energy, such as solar energy and wind energy. The paper comes up with a full-package solution to convert solar power
4、 into AC. this paper gives the procedure to calculate the main circuit parameters. Then, designed auxiliary circuit other than the main circuit. Data acquisition circuit, inverter main role is to collect data before and after the voltage, easy to DSP control. Keyboard input and display module circui
5、t, convenient man-machine exchange of information, more conducive to control the system. Protection circuit module, make the system more stable. Keywords: photovoltaic power generation system， Inverter， stand-alone operation，DSP III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 选题的来源 . 1 1.2 选题的意义 . 1 1.3 相
6、关研究的最新成果及动态 . 1 1.3.1 国内的研究现状 . 1 1.3.2 国外的研究现状 . 3 1.4 课题研究的主要内容 . 4 1.4.1 课题的研究内容及拟采取的研究方法 . 4 1.4.2 研究难点及预期达到的目标 . 4 2 光伏系统的 基本工作原理 . 5 2.1 独立光伏系统的组成 . 5 2.1.1 太阳能电池方阵 . 5 2.1.2 蓄电池组 . 5 2.1.3 控制器 . 5 2.1.4 逆变器 . 5 2.2 逆变电源基本工作原理 . 6 2.3 系统信号处理模块 . 6 3 控制方案及各种元件的选择 . 8 3.1、逆变器控制方案选择 . 8 3.1.1 模拟控
7、制 . 8 3.1.2 由单片机实现数字控制 . 8 3.1.3 由 DSP 实现数 字控制 . 8 3.2 DSP 芯片的选择 . 9 3.3 传感器的选择 . 11 3.4 显示方式选择 . 12 4 基于 DSP 光伏系统逆变器硬件电路设计 . 13 4.1 系统模块的组成 . 13 4.2 各模块的电路设计 . 13 4.2.1 逆变拓扑电路设计 . 13 4.2.2 控制（驱动）电路设计 . 14 4.2.3 数据采集电路设计 . 16 4.2.4 显示、键盘控制电路设计 . 17 IV 4.2.5 保护电路 . 18 4.2.6 复位电路 . 18 4.2.7 时钟电路 . 19
8、4.2.8 电源及其他 . 19 4.3 总电路图 . 20 5 总结与展望 . 21 5.1 总结 . 21 5.2 展望 . 21 6 参考文献 . 23 7 附录 . 24 附图 1 系统组成框图 . 24 附图 2 电路总图 . 24 8 致谢 . 错误 !未定义书签。 一种新型独立光伏系统逆变器的硬件电路设计 1 1 绪论 1.1 选题的来源 在 最近几十年 时间里 ，太阳能 技术有了 迅猛的发展。 上世纪 九十 年代 之后 ，发展光伏系统 就在 发达国家重新掀起了高潮， 人们 特别 了 “ 屋顶光伏系统 ”这一发展前景不错的技术 。屋顶光伏系统 是对现有的屋顶安装太阳能电池板而并不
9、 单独占地， 这正好利用了 太阳能的特点， 与大型并网光伏电站相比，它的 经济性和灵活性 都要好的多 ，各国 科学家都很看好这项技术 。 有 专家估计，太阳能 发电 系统将迅速 的 发展 成 为全球重要 的 产业 之一 1。 前几年 ， 国内 还只是在直流发电上有一定的 光伏生产， 所谓直流发电 就是通过光伏 阵列 直接将 产生的电能 储存到蓄电池 里 ， 提供给负载的也只是直流电 。直流发电虽然 结构 小巧 紧凑，操作 比较简单 ，维护 成本低 也给无电的 地区 带来了方便，但是由于 这种光伏 系统较小，不能满足 大部分 普通家庭的正常用电需要，所以不能广泛的得到普及 2。 1.2 选题的意
10、义 近年来，光伏发电技术 得到 了广泛的应用 ， 随着我国新能源法的颁布 ， 光伏发电系统在我国的发展空间将更广阔。为了将太阳能电池组件 产生 的直流电或转化 成 负载需要的交流电，逆变器 就 成为 了 光伏发电系统的重要组成部分，其性能对光伏系统的应用产生 很 大影响。 1.3 相关研究的最新成果及动态 在逆变器的研究中，目前国 内外已有了大量的文献。 1.3.1 国内的研究现状 唐友怀，张海涛，罗珊，姜拮对独立光伏系统的逆变器的主电路拓扑、控制方法等问题做了较为详细的研究。在此基础上提出了一种新型高性能的全桥谐振式 Buck-Boost 逆变器拓扑，具有占用体积小，能量转换效率高等优点。在
11、对逆变器控制方法上，提出采用电压有效值、电感电流瞬时值双闭环与零电流跟踪误差相结合的控制策略，提高系统的动静态特性。根据控制方案设计了由单片机 MPS430 控制的独立光伏系统逆变器的软硬件装置，实验表明它是一种效率高、性价比高、灵活性强的控制方案 2。 李志江在分析逆变电源控制现状的基础上，提出了逆变电源控制方面存在一种新型独立光伏系统逆变器的硬件电路设计 2 的问题，即逆变电源输出稳态特性与动态性能的兼顾问题。针对这个问题，他提出了一种新的基于 DSP 带重复控制器电压电流双环反馈控制方案。此方案可使逆变电源输出电压波形兼具良好的稳态和暂态特性，可用于逆变电源输出波形质量要求较高的场合此方
12、案在一车载逆变电源上得到实现。重复控制可以抑制逆变电源在负载变化严重 (空载加到满载 )或者非线性负载条件下的输出电压畸变，保证输出波形的质量；电流环用以改善输出波形的动态响应特性，提高逆变控制的能力。此方案很好地解决 了车载逆变电源原有的模拟电压单环反馈控制方法存在的缺陷，即输出电压在逆变电源从空载加到满载的情况下电压跌落明显，且在轻载时动态响应较慢的问题。实验结果验证了此方案的效果 3。 田斌阐述了 SPWM 半桥逆变器的工作原理，把负载电流处理成扰动，在连续域和离散域建立了单相逆变器的通用数学模型，并通过坐标变换证明了三相逆变器可以转化为单相逆变器处理。从非线性负载、死区效应和直流分压电
13、容电压不平衡三个方面分析了 SPWM 半桥逆变器输出波形畸变的原因。在 MTALAB 中建立了精确的仿真模型，其中考虑了具体的开关过程和死区 效应。对重复控制系统进行了全面的理论分析，讨论了系统稳定性、误差收敛速度和稳态误差，针对具体控制对象完成了重复控制器的设计，其中利用陷波滤波器对消逆变器谐振峰，利用超前环节进行控制系统相位补偿。仿真结果表明重复控制能够很好的完成逆变器输出波形校正的任务。为了提高逆变器动态性能，采用状态反馈对逆变器进行极点配置。为了消除负载突变带来的稳态误差，在极点配置中引入了积分控制。以这种改造过的极点配置控制系统为内环，重复控制为外环，两种控制系统共同作用。仿真结果说
14、明采用这种复合控制系统的逆变器可以得到理想的稳态和动态 效果。在一台 50Hz 单相半桥逆变器上进行了实验，结果验证了前文的理论分析和仿真研究，在稳态时得到了低的稳态总谐波畸变率，动态时反应迅速，没有稳态误差 4。 付登萌，陶生桂简述了 TOPSwitch 的工作原理，分析了基于 TOPSwitch 的反激式 DC/AC 电源的工作过程，并通过设计一个输入宽电压范围、输出电压15 V、输出功率 40W 的电源来给出设计过程中各主要参数的确定方法。这对于简化直流源的设计过程，提高设计效率有重要意义，实验结果证明该设计方法是可行的 5。 郝琦玮，李树华从电路工作过程的角度分析了开关 电源的工作原理
15、，提出了较为实用的设计计算方法。开关式电压调整器利用开关控制的电磁感感应，把输入的直流电源提供的能量，变换为另一种电压的直流能量，并利用控制电路实现稳压，因而，又叫做 DC/DC 变换器。开关式电压调整器是开关电源的核心部分，它是低功耗，高效率的电压调整器，并已日益广泛地用作电子学系统一种新型独立光伏系统逆变器的硬件电路设计 3 的二级电源。开关式电压调整器可按功率管的工作方式，分为串联型和并联型两种；按电压变换关系，又可分为降压型和升压型两类。通常的电子学系统中的二级电源，多是用降压调整器组成。并主要对串联降压电压调整器进行讨论6。 王 英剑，常敏慧，何希才在新型开关电源实用技术中内容包括开
16、关电源发展方向，技术指标和基本电路，开关电源集成控制器，开关电源电路设计，开关电源主控元器件，开关电源的电磁干扰抑制，开关电源新技术，并提供微机，显示器，彩色电视机，录像机等应用的开关电源实例 7。 吴东升分析了数字式逆变电源的原理，采用了基于输出电压反馈的双闭环控制结构，并结合 TI 公司生产的高速、低功耗、高性能的 16 位数字信号处理器 TMS320LF2407A 设计了一台 3kVA 样机，进行了完整的系统软硬件设计，最后得出了系统的实验结果；结果表明，系 统具有较好的动静态性能：空载时，输出电压的 THD 为 0.82%；带阻性负载时， THD 为 1.68%8。 吕小涛研究了单相全
17、桥逆变电源与三相桥式逆变电源主电路参数，包括逆变器、吸收电路、驱动电路、变压器和滤波器，并对逆变电源变压器的偏磁产生原因进行了深入分析，最后给出了有效的抗偏磁措施。针对三相桥式逆变电源通常不能保证三相电压输出平衡，研究了一种可以带不平衡负载的三相逆变电源。还研究了逆变电源的控制原理，建立了逆变电源系统动态模型，在此基础上对逆变电源的各种控制方案的性能进行了对比研究，从而确定了一种新颖的高 性能逆变电源多闭环控制方案。另外，针对逆变电源输出相位存在固有滞后问题，采用了一种利用电压瞬时值内环对逆变电源滞后的相角进行补偿控制的策略，分析表明上述控制策略虽然有效，但无法做到输出相角稳念无差，对此，提出
18、一种移相控制方案设想，相当于在原多环控制方案的基础上加了一个相位控制环。这样可以使逆变电源输出相位误差得到有效的补偿，输出相位精度更高。还设计了逆变电源数字控制系统，采用 TMS320LF2407A 控制产生SPWM 波，给出控制系统 DSP 程序运行流程图，并用 DSP 对其进行了实现数字化。多环反馈控制系统的采用 ，使系统具有优异的稳态特性、动态特性和对非线性负载的适应性，使逆变电源的性能得到有效提高 9。 1.3.2 国外的研究现状 J.Leuchter,V.Rerucha 和 P.Bauer 介绍了光伏组件的温度效应及用Matlab-Simulink 仿真的数学建模。温度对总体的影响虽
19、然很小，但总是不能被忽视的。本文展示了应用最大功率跟踪技术（ MPT），使温度对系统的影响减到最小从而使光伏电池有最大的功率。使用最大功率跟踪技术是光伏系统模块化一种新型独立光伏系统逆变器的硬件电路设计 4 设计的一种趋势，这能够实现最优功率，最佳能量产出和最低成本。本文讨论了这种技术 的一些算法，并且对模拟的结果用实验进行了验证 10。 Stefan C.W.Krauter 阐述了逆变器的基本工作原理，现在在逆变器上应用的一些新型技术。介绍了最大功率跟踪法以及脉冲宽度挑战方法这些新的技术。并对一些技术参数、性能、逆变效率等进行了深入的分析 11。 1.4 课题研究的主要内容 1.4.1 课题
20、的研究内容及拟采取的研究方法 本研究需要对独立光伏系统的逆变器的主电路拓扑、控制方法等问题做一个较为详细的研究。在此基础上提出一种新型高性能的全桥谐振式 Buck-Boost逆变器拓扑，具有占用体积小，能 量转换效率高等优点。 1.4.2 研究难点及预期达到的目标 （ 1）逆变电路的选择，直接影响系统的运行效率。 （ 2）控制方法的选择，好的控制方法能使系统运行效率提高。 （ 3）对 DSP控制电路和外围电路进行分析比较和设计。 （ 4）对整个系统的硬件电路进行规划和设计。 （ 5）完成基于 DSP控制的光伏逆变器的硬件电路设计。 一种新型独立光伏系统逆变器的硬件电路设计 5 2 光伏系统的
21、基本工作原理 2.1 独立光伏系统的组成 独立光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、控制器和逆变器四个部分组成。 2.1.1 光伏阵列 光伏发电系统最基本的组成单位是光伏电池。但单 个光伏电池发出的电能是很小，工作电流 2025mA/cm2，工作电压约 0.450.5V，而且产生的是直流电，这种情况是不能难满足实际应用的需要的。为了满足负载要求的输出功率，一般都将电池组串并联成为 光伏阵列 。 2.1.2 蓄电池组 只 有 在 白天 有阳光的时候太阳能发电系统才能进行发电，而 在大 多数情况下人们主要是在 晚上 才会 用到大量的电能 ，所以需要将 光伏阵列 发出的电能存储起来并 能够 随
22、时 给 负载供电。光伏系统对蓄电池组的要求是： 1、较低的自放电率； 2、较长的使用寿命； 3、较强的深放电能力； 4、较高的充电效率； 5、少维护 或免维护； 6、 较 宽 的 工作温度范围； 7、 较 低 的 廉价格。 2.1.3 控制器 光伏系统的核心部件之一就是控制器，控制器 的 主要 功能是 管理整套系统地充、放电。光伏阵列 所产生 的直流电能， 需要 经过控制器 控制 对蓄电池充电。控制器要监控蓄电池电量，在电量不足时发出警报 ， 并且切断放电电路，这样能起到保护蓄电池作用。 随着光伏 技术 的 不断 发展， 功能强大的新型 控制器 也随之产生 ， 这种新型控制器 有将传统的逆变器、控制器以及监测 保护 系统集成的趋势。 2.1.4 逆变器 对逆变器的基本要求是： 1、能 够 输出一个 有稳定的 电压、频率的交流电，无论是 负载 有 变化还是输入电压 有 波动，电压都要能达到一定的精度； 2、 要有较强的 过载能力， 当 过载 125%150%时，逆变器不会损毁 ； 3、输出电压波形尽量 不要有 谐波成分； 4、 要有一定的 保护 、 报警功能，动态响应 速度也要求较快 。
