1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 太阳能并网逆变器主回路设计 一、 选题的背景、意义 近年来 ,随着能源短缺 及能源对人类生存环境的日趋严重的破坏作用 , 人类越来越重视可再生和无污染能源的利用。太阳能、风能将成为理想的可再生能源和无污染能源。然而太阳能和风能产生的只是直流电和电压频率都在不断变化的交流电，可再生能源分布式并网发电技术逐渐成为研究的热点。并网逆变器作为整个分布式并网发电系统的核心部件 ,其拓扑结构和控制技术越来越受到关注。其主要控制问题是逆变器输出正弦波电流控制技术 ,要求并网电流能实时跟踪电网电压频率、相 位和并网容量给定的变化 ,且电流的总畸变失真要低 ,以减小对电网的谐波
2、影响 ,即使得逆变器以单位功率因数输出电流。 逆变器（ inverter）是把直流电能（ 电池 、蓄电瓶）转变成 交流电 （一般为220v50HZ 正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成 220V 交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（ DC）转化为交流电（ AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成 。 逆变器根据输出波形的不同可分为方波逆变器和正弦波逆变器。 正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的 电网 一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的
3、不稳定影响。 此外，这类逆变器中有的调压范围不够宽，有的保护功能不够完善，噪声也比较大。正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波，此类逆变器的优点是：输出波形好，失真度低，对通信设备无干扰，噪声也很低。此外，保护功能齐全，对电感性和电容型性负载适应性强。缺点是 ：线路相对复杂，对维护技术要求高，价格较贵。正弦波逆变器就须通过产生 SPWM实现。 1 二、 相关研究的最新成果及动态 太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分，其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电你变成单相或者三相交流电，并送入电网。同时实现对太阳能电池板输出功率的最大功率点追踪（即 MPPT） .并且具有完善的并网保护功能，保证系
4、统能够安全可靠的运行。 目前国内并网型你变器的研究主要集中于 DC-DC 和 DC-AC 两级能量变换的结构，而且研究主要围绕集中型展开。其中， DC-DC 变换环节主要使输出电流与电网电压同相 位，同时获得单位功率因素。由于 DC-DC 变换环节和 DC-AC 逆变环节具有独立的控制目标和手段，两部分可以分开设计，系统前后级之间耦合不紧密，因此系统的控制环节比较容易设计和实现：由于单独具有一级最大功率跟踪环节，系统中相当于设置了电压预调整单元，系统可以具有比较宽的输入范围；同时，最大功率跟踪环节的设置可以使逆变环节的输入相对稳定，而且输入的电压较高，这样都有利于提高逆变环节的转换效率平 11
5、。 DSP 技术 DSP 又称数字信号处理器，是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比 最快的 CPU 快 10-50 倍。在当今的数字化时代背景下， DSP 已成为通信、计算机、消费类电子产品领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。业内人士预测， DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素，它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。 DSP（ digital signal processor）是一种独特 的微处理器 ，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是 接收模拟信号 ，转换为 0 或 1 的数字信号 。再对数字信号
6、进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或 实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 DSP 微处理器（芯片）一般具有如下主要特点： （ 1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （ 2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （ 3）片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； （ 4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （ 5）快速的中断处 理和硬件 I/O 支持； （
7、 6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； （ 7）可以并行执行多个操作； （ 8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比， DSP 微处理器（芯片）的其他通用功能相对较弱些。 DSP 优点： 对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部参与影响小； 容易实现集成； VLSI 可以分时复用，共享处理器； 方便调整处理器的系数实现自适应滤波； 可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等； 可用于频率非常低的信号。 DSP 缺点： 需要模数转换； 受采样频率的限制，处理频率范围有限； 数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可
8、靠。 DSP 产业在约 40 年的历程中经历了三个阶段：第一阶段， DSP 意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广为流行。随着这个时代的成熟， DSP 进入了发展的第二阶段，在这个阶段， DSP 代表数字信号处理器，这些 DSP 器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化。接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能 (enablement)的时期，我们将看到 DSP 理论和 DSP架构都 被嵌入到 SoC 类产品中。 ” 第一阶段， DSP 意味着数字信号处理 。 80 年代开始了第二个阶段， DSP 从概念走向了产品， TMS32010 所实现的出色性能和特性备受业界关注。方进先生在一篇文章
9、中提到，新兴的 DSP 业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当设计师努力使 DSP 处理器每 MIPS 成本降到了适合于商用的低于 10 美元范围时，DSP 在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到 1991 年， TI 推出价格可与 16 位微处理器不相上下的 DSP 芯片，首次实现批量单价低于 5 美元，但所能提供的性能却是其 5 至 10 倍。 到 90 年代，多家公司跻身 DSP 领域与 TI 进行市场竞争。 TI 首家提供可定制 DSP cDSP，cDSP 基于内核 DSP 的设计可使 DSP 具有更高的系统集成度，大加速了产品的上市时间。同时， TI 瞄准
10、DSP 电子市场上成长速度最快的领域。到 90 年代中期，这种可编程的 DSP 器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。这时， DSP 业务也一跃成为 TI 最大的业务，这个阶段 DSP 每 MIPS 的价格已降到 10 美分到 1 美元的范围。 21 世纪 DSP 发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈， TI 及时调整 DSP 发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的前提就是 DSP 每 MIPS 价格目标已设定为几个美分或更低。 三、 硬件各
11、部分选择 逆变器主要由输入断路器、直流噪音滤波器、电容电感（ L1， C1）， DC/DC 升压器、 DC/AC逆变器、 LC 滤波器、单相变压器，交流噪音滤波器、电能表、接触器、输出断路器等部分构成。逆变器控制部分包括 DSP CPU 控制板、驱动检测回路、仪表开关、控制电源等。 1、断 路器 断路器分别用于分断直流输入，交流输出，为用户提供安全保证 12。 2、噪音滤波器 NFL 主要功能为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，以保证并网逆变器在运行时不对电网中其他设备产生不良影响。 3、 DC/DC 升压单元 L1 及 IPM 功率器件构成 DC/DC Boost
12、 升压回路。通过控制该回路中 IPM 功率器件的导通与关断，将太阳能电池板输出的低压直流电升压为高压直流电，为 DC/AC 逆变器的工作提供前提条件。升压回路通过脉宽调制技术（ PWM），可在直流输 入电压大范围变化情况下，保证高压侧直流稳定输出，并同时实现 MPPT 控制功能。 4、 DC/AC 逆变单元 DC/AC 逆变单元是该并网逆变器的核心部分，根据 CPU 控制回路发出 PWM 开关信号控制单相 IPM 功率器件的开通和关断，实现将高压直流电逆变成单相交流电，并将其平稳送入电网的功能。 5、单相隔离变压器 单相隔离变压器，起隔离变压器和电网的作用。由于有了变压器的隔离，逆变器功率器件
13、开关导致电位浮动所产生的漏电流，以及逆变器在控制中产生的微小直流电流均被有效隔离和抑制 13,从而不会对电网产生不良影响。 6、交流接触器 MC 交流接触器 MC 直接由 CPU 控制，通过 MC 的开闭实现并网系统的解列和并网。在系统停电或者逆变器内部出现故障时有 CPU 控制断开，以隔离太阳能发电系统与电网系统，避免造成严重故障。 7、 CPU 控制回路 采用 TI 公司的 TMS320LF2407 型 DSP 芯片实现逆变器控制，主要依靠 DSP 的事件管理模块和 A/D 转换模块。事件管理模块由通用定时器 f 提供时间基准、非对称 /对称波形发生器、可编程的死区发生单元、输出逻辑控 制
14、单元等组成，以实现 SPWM 波，同时还能够完成 MPPT 跟踪，故障保护等实时性，快速性要求很高的控制。 A/D 转换模块采样输入的直流电压、电网电压并转换为数字信号。 8、驱动检测回路 负责逆变主回路电压电流等模拟信号的处理，及开关量的驱动传送。另外，能够实现瞬时故障锁定和硬件故障保护功能 13。在发生严重故障时能够屏蔽掉 CPU 发出的 PWM 信号，保证 IPM 功率器件在故障期间不被误触发。 9、为了适应太阳能发电的特殊要求，该逆变控制电源应具备从 50V 至 150V 大范围直流电压变化 情况下的稳定工作能力即在光线很弱的情况下仍能保证逆变器控制系统的正常工作。 四、 主要参考文献
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