1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 一种新型独立光伏系统逆变器的硬件电路设计 一 、 选题的背景、意义 最近几十年，太阳能的能量利用得到了迅猛的发展。 90 年代以来，发达国家重新掀起了发展光伏系统的高潮，特别是发展“屋顶光伏系统”。屋顶光伏系统不单独占地，将太阳能电池安装在现成的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都优于大型并网光伏电站，有利于普及、战备和能源安全，受到了各国的普遍重视。专家估计，太阳能电池及相应的系统将通过并网发电和独立供电迅速发展为全球重要产业 1。 前几年国内的一些 光伏生产还仅仅局限于直流发电，也就是通过光伏电池直接将能量储存到蓄电池中，利用直
2、流给负载进行供电。它携带方便，结构紧凑，容易操作，维护方便也给无电的农牧区带来了一些方便，但是由于系统较小，不能满足普通家庭的正常用电需要，所以不能广泛的得到普及 2。 近年来 ,光伏发电技术有了广泛的应用 ,随着我国新能源法的颁布 ,光伏发电系统在我国拥将有更广阔的发展空间。为了将太阳能电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电 ,逆变 器 成为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较大影响。 二 、 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文献。 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
3、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
4、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 3。 此方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
5、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 4。 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
6、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 4。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 40 w 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
7、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 , 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 ,
8、 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
9、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
10、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。 J.Leuchter,V.eucha 和
11、 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 15。 Stefan C.W. Krauter 阐述了逆变器的一些工作原理，现在应用的一些技术，并对一些技术参数、性能、产量等进行了分析。 三 、 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究
12、难点及预期达到的目标 本研究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。 （ 1）分析新能源发电系统的研究现状，了解其发展趋势。 （ 2）了解几种控制器的工作原理，选择合适的 DSP。 （ 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控制的光伏并网逆变器的硬件电路设计。 四 、 研究工作详细进度和安排 1、 2010 年 11 月 21 日前完成课题题目的选取； 2、 2
13、010 年 12 月 1 日前确定研究方向、内容，完成设计计划书； 3、 2011 年 1 月 10 日前完成文献综述、外文翻译； 4、 2011 年 2 月 25 日完成开题报告； 5、 2011 年 5 月 5 日前完成毕业论文初稿； 6、 2011 年 5 月 25 日前完成毕业论文终稿。 五 、 参考文献 1 赵玉文 .21 世 纪 我 国 光 伏 产 业 发 展 战 略 思 考 J. 中国工程科学 ,2001,3(7):17-20. 2唐友怀，张海涛，罗珊，姜拮 . 一种新型独立光伏系统逆变器的研究 J.解放军理工大学， 2008. 3李志江 .逆变电源控制方案的研究与实现 D.杭州
14、 :浙江大学 ,2004. 4田斌 .SPWM逆变器带极点配置的重复控制研究 D.武汉 :华中科技大学 ,2004. 5付登萌 ,陶生桂 .基于 TOPSwitch 的反激式 DC/DC 电源设计 J.同济大学学报(自然科学版 ),2004,32(5),680-684. 6郝琦玮 ,李树华 .开关电源的原理与设计 J.内蒙古大学学报 (自然科学版 )，2003,34（ 4）， 440-444. 7王英剑 ,常敏慧 ,何希才 .新型开关电源实用技术 M.北京 :电子工业出版社 ,1999. 8吴东升，基于 DSP 的数字式正弦波逆变电源的研究与设计 J.合肥工业大学，2006. 9吕小涛 .基于
15、 DSP 的正弦波逆变电源研究 D. 武汉： 武汉理工大学， 2009 10张占松 ,蔡宣 三 .开关电源的原理与设计 M.北京 :电子工业出版社 ,1999. 11姜敏 .DSP 技术在逆变电源控制中的应用 J.电子技术 ,2001,12. 12向建玲 ,吴渭 ,王大庆 ,邢岩 .在线式逆变电源的数字化控制技术 J.电气技术与自动化 ,2002,8. 13 沈辉 , 曾 祖 勤 . 太 阳 能 光 伏 发 电 技 术 M. 北京 : 化 学 工 业 出 版社 ,2005:106-119. 14BARBOSA P G,ROLIM L G B,WATANAB E H, et al. Contro
16、l strategy for grid-connected DC-AC converters with power factor correction J. Generation Transmission and Distribution, IEE Proceedings, 1998,145(5):487-491. 15J.Leuchter,V.eucha,P.Bauer.The Temperature Effect of Photovoltaic Systems with dc-dc ConvertersJ. University of Defence, Faculty of Military Technology,2010. 16 Stefan C.W. Krauter. Solar Electric Power Generation - Photovoltaic Energy SystemsM. Springer Verlag,2006.
