1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 太阳能并网逆变器控制单元的设计 -软件部分 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 随着世界能源危机和环境问题日益严重，开发可再生能源和各种绿色能源越来越被人们重视。随着电力电子技术的不断进步 ，太阳能光伏发电不断向低成本，高效率和高功率密度方向发展，高性能数字信号处理芯片 DSP 的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网控制。 本论文研究太阳能光伏并网发电系统控制算法，从逆变器的开关损耗、波形失真度、电压利用率角度出发，对正弦脉宽调制 SPWM（ Sine Pulse Width Modula
2、tion）和空间矢量脉宽调制 SVPWM（ Space Vector Pulse Width Modulation）进行深入研究。 本论文首先详细分析了对称规则采样产生 SPWM 波的算法，以 DSP 芯片TMS320F2812 为控制器，给出了 SPWM 波的实现方法。通过软件调试，得到了正确的波形，验证了该算法的可行性。 论文随后详细分析了空间矢量脉宽调制 SVPWM 波的算法，同样是以 DSP芯片 TMS320F2812 为控制器，给出了 SVPWM 波的实现方法。在 CCS 的编译环境下调试编译通过，得到了正确的波形，验证了算法。 最后，对上述两种算法进行了比较，总结两种算法的优缺点。
3、 关键词： 光伏逆变， TMS320F2812， SPWM,SVPWM II Grid Integration of Photovoltaic Solar Energy control unit design- Software components Abstract As the world energy crisis and growing environmental problems, development of renewable energy and a variety of green energy has been growing attention. With the con
4、tinuous advancement of power electronics, solar photovoltaic power generation to keep the low-cost, high efficiency and high power density.High-performance digital signal processing chip DSP making a number of advanced control strategies used in photovoltaic grid control. This paper is consider the
5、inverter switching losses, waveform distortion, voltage utilization tostudy solar photovoltaic power generation system control algorithms SPWM（ Sine Pulse Width Modulation） and SVPWM（ Space Vector Pulse Width Modulation） . Firstly ,this paper describe symmetrical regular sampling produce SPWM wave,
6、TMS320F2812 DSP chip to the controller, SPWM wave is given realization. Though software debugging, waveform obtained the right to verify the feasibility of the algorithm. Secondly,this paper describe Space Vector Pulse Width Modulation, TMS320F2812 DSP chip to the controller, though software debuggi
7、ng, waveform obtained the right to verify the feasibility of the algorithm. Last but not least,compared two algorithms and summed up the advantages and disadvantages. Keywords: Photovoltaic Inverter , TMS320F2812， SPWM,SVPWM III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1课题的背景及意义 . 1 1.2太阳 能光伏逆变发展现状 . 2 1
8、.2.1 太阳能逆变器的研究现状 . 2 1.2.2 控制芯片的现状 . 2 1.2.3 控制策略的研究现状 . 2 1.3课题研究的主要内容 . 3 2逆变器控制部分的 SPWM 的软件实现 . 4 2.1 SPWM技术的原理 . 4 2.2 SPWM波的算法分析 . 4 2.3 SPWM波总体设计 . 5 3逆变器控制部分的 SVPWM 的软件实现 . 9 3.1 SVPWM技术的原理 . 9 3.2 SVPWM控制算法 . 14 3.2.1 合成矢量 US所处的扇区 N 判断 . 14 3.2.2 基本矢量的作用时间计算和三相 PWM 波形的合成 . 15 3.3 SVPWM波整体设计
9、. 17 4 SPWM 与 SVPWM 的比较 . 25 结论 . 26 参考文献 . 27 致谢 . 错误 !未定义书签。 太阳能并网逆变器控制单元的设计 -软件部 分 1 1 绪论 1.1 课题的背景及意义 在人类数千年的生产生活中，化石能源作为人们最主要的能源已被人们消耗了相当比例，特别是工业革命以来，化石燃料的消费急剧增大，随着煤、石油、天然气等人类社会最主要的能源的日益枯竭并且未来世界对能源消耗将持续增长，终有一天这些能源不能满足人们日益增长的需求 【 1】【 2】 。 此 外，人类肆无忌惮的使用化石燃料给人类生存环境带来了严重的后果。众所周知，化石燃料的燃烧会排放大量的温室气体进而
10、引发温室效应使全球气候变暖两极冰山融化，致使海平面上升，严重影响人类的生存发展。在化石能源日益枯竭、环境污染日益严重的背景下，寻找一种可持续发展并且无污染新能源已成为全球最关心的问题之一。太阳能作为一种真正的无污染、取之不尽用之不竭的绿色能源越来越得到人们的重视，各种以太阳能为依托的开发利用技术得以迅速的发展，其中光伏发电成为重要的研究领域。 利用太阳能光伏发电具有：（ 1）无污染、取之不尽用之不竭。 （ 2）资源的普遍性：基本上不受地区的限制，只有丰富与欠丰富之别。（ 4）使用灵活，既可以离网使用也可以并网使用。（ 5）分布式电力系统：提高了整个能源系统的电能质量和可靠性。（ 6）可以在负荷
11、中心建立电源支点，降低电网线损。基于这些优点，越来越多资金和人力进入光伏行业 1,2。 光伏发电系统一般是由光伏电池阵列、逆变器、控制器、支架、输配电缆、开光、熔断器等一整套“平衡系统”（配套系统）组成 【 3】 。其中，逆变器的任务是控制光伏阵列运行于最大功率点 (MPPT)和向电网注入正弦电流。控制器的任务是控制光伏电池 最大功率点跟踪（ MPPT）、控制逆变器的并网功率和电流波形，使向电网传送的功率与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡 【 1】 。 光伏电池的输出电压是直流，必须通过逆变器变换为交流才可以并网连接电网。逆变器是光伏供电系统最为关键的装置，它的效率高低不仅影响着光伏发电系
12、统的输出电能质量与运行效率，而且还影响着系统各级的电气设备功耗和投资 【 3】 。国内外的专家学者一直致力于结构灵活、高能量传输、低成本的太阳能并网逆变器拓扑结构和算法的研究，使太阳能光伏并网发电系统能高效运行。 太阳能并网逆变器控制单元的设计 -软件部 分 2 1.2 太阳能光伏逆变发展现状 1.2.1 太阳能逆变器的研究现状 并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的直流电能转换成交流电能并传输到公用电网上。在光伏并网发电系统的中，逆变器起着至关重要的作用。现代逆变技术为光伏并网发电的发展提供了强有力的技术和理论支持。并网逆变器正朝着高转换效率，高功率密度、高可靠性、智能化的方向
13、发展。逆变技术的发展与功率器件及其控制技术的发展紧密联结在一起，一般将其发展分为五个阶段。第一阶段： 20 世纪 50-60 年代，晶闸管 SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件。第二阶段： 20 世纪 70 年代，可关断晶闸管 GTO 及双极型晶体管 BJT 的问世，使得逆变技术得到发展和应用。第三个阶段： 20 世纪 80 年代，功率场效应管、绝缘棚型晶体管。 MOS 控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。第四阶段： 20 世纪 90年代，微电子技术的发展使新的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊控制等技术在逆变领域的应用，极大的促进了逆变技
14、术的发展。第五阶段： 21 世纪初，逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展不断的改进，正向高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展 【 6】 。 1.2.2 控制芯片的现状 随着半导体工业的发展，功率器件大部分采用了 IGBT，而且先进的数字信号处理器 DSP 也引入到控制系统中，极大的促进了逆变技术的发展。世界上的DSP 芯片的生产厂家主要有 TI 公司、 AD 公司及 Motorola 公司等，这些厂家生产出来的 DSP 主要有以下几个优点 8： 1）灵活的指令集。 2）内在操作的灵活性。 3）高速运算能力。 4）并行的运算结构。 5）功耗低。目前，
15、TI 公司的主要分为 3 个系列： 1） TMS320C2000 系列，包括 C20X、 C24X、 C24XX、 C28X等，主要应用于数 字控制系统。 2） TMS320C5000 系列，包括 C54X、 C55X 等，主要应用于便携式无线终端系统的产品。 3） TMS320C6000 系列，包括 C62X、C64X、 C67X 等，主要应用于高性能、低功耗的复杂的通信系统或其它一些高端应用等。 1.2.3 控制策略的研究现状 在控制策略方面目前主要有以下几种 【 9】 ： 1）电流瞬间值控制， 2）双闭环控制， 3） SVPWM 控制策略， 4）无差拍控制， 5）多变量状态反馈控制， 6
16、）滑模控制， 7）重复控制技术， 8）单周控制。除了以上几种控制方法外，还有神经元网络控制，模糊控制，广 义预测控制等，作为不需要建立模型的控制策略，在发挥数字控制的优势方面都具有各自特点，但是目前实际应用还比较少，太阳能并网逆变器控制单元的设计 -软件部 分 3 大部分处于理论研究阶段。 1.3 课题研究的主要内容 在传统能源紧缺环境污染严重的背景下，人们越来越重视研究和发展可在生能源发电技术。太阳能光伏发电以其众多的优点，深深吸引着众多的研究者从事这方面的研究。太阳能并网发电系统的优化结构和高效率的控制策略的结合使，光伏系统对太阳能的利用率越来越高。逆变器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件
17、。本论文主要描述使用 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F2812 实现软件逆变。 本论文从以下几个方面进行讨论： （ 1） 太阳能光伏发电逆变器、控制策略的发展。 （ 2） 描述 SPWM 的原理与算法并在 CCS 环境下编译验证。 （ 3） 描述 SVPWM 的原理与算法并在 CCS 环境下编译验证。 （ 4） 对上述两种算法进行了比较，总结两种算法的优缺点 太阳能并网逆变器控制单元的设计 -软件部 分 4 2 逆变器控制部分的 SPWM 的软件实现 2.1 SPWM 技术的原理 【 10】【 11】 PWM 的全称是 Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它
18、是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。所谓 SPWM，就是在 PWM 的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲 宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出 。 产生 SPWM 的原理是：用一组等腰三角形与一个正弦波进 行比较，其交点就是开关管“开”或“关”的时刻，这组等腰 三角形波称为载波，而正弦波称为调制波，如图 1 所示。 t (x)i(y )o图 1 SPWM 波生成方法 （ 5号字体） 2.2 SPWM 波的算法分析 本文 SPWM 逆变电源采用对称规则采样，其原理是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，在以阶梯波形与三角波的交点时刻控制开关器件的通断从
19、而实现 SPWM 波。 SPWM 波对称规则，每个脉冲的中点都与相应的三角波中点对称。如图 2 所示，在三角波的负峰时对正弦调制采样得 TP，对正弦波采样得到 E 点， E 点作水平直线与三角波分别交与 A 点和 B 点，在 A 点和 B 点控制功率器件的通断。 太阳能并网逆变器控制单元的设计 -软件部 分 5 图 2 SPWM 对称规则采样图 2.3 SPWM 波总体设计 （ 1） 程序整体的思路 本程序利用 TI公司推出的高速数字信号处理芯片 TMS320F2812 的 EVA 和EVB 模块，定时器 T1、 T2、 T3、 T4 处于连续递增 /递减模式，计数寄存器的数值变化轨迹就是等腰
20、三角形，也就相当于产生了一系列 的等腰三角形，当比较寄存器 EvaRegs.CMPRx(x=1、 2、 3)和 EvbRegs.CMPRx（ x=4、 5、 6）与计数寄存器的数值相等时，对应的引脚 PWMx（ x=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12）上的电平会产生跳变，从而产生一系列占空比不同的方波。这些方波的宽度与比较寄存器的值一一对应，所以只要比较寄存器的值按照正弦的规律变化，就可以得到SPWM 波形。 （ 2） 程序流程图 程序主要有主程序和定时器下溢中断子程序组成，主程序的任务是系统的初始化和产生一个正弦半波数组列表，并且它是一个无限 循环结构。定时器下溢中断子程序
21、的主要功能是为比较寄存器赋新值。流程图如图 3 所示 . 太阳能并网逆变器控制单元的设计 -软件部 分 6 （ 3） 在 CCS 环境下用 C 语言实现 SPWM CCS 是 TI 公司提供的 WINDOWS 下的集成开发环境，它为程序员开发和测试实时的和嵌入式的系统起到了加速和 增强的作用，通过主机和实时分析工具， CCS 方便了使用者对 DSP 目标的完整进行分析。 本 程序把正弦的半波平分为 100 等份并存入数组之中，正弦半波的峰值设置为 3750，因为本程序把定时器周期设置为 3750，其目的是为了产生的 SPWM波形频率为 50HZ, 具体程序如下： #include “DSP281x_Device.h“ #include “stdio.h“ #include “math.h“ #include “float.h“ #define TP 3750 #define PI2 2*3.1415925 #define DETA PI2/200 #define INIA 3.1415925/180 void scin(); int a101,b101; void scin() int i; for(i=0;i100;i+)
