基于DSP的光伏发电单相并网逆变器设计

基于DSP的光伏发电单相并网逆变器 本科毕业设计说明书 基于DSP的光伏发电单相并网逆变器设计 DESIGN OF SINGLE-PHASE GRID-TIED INVERTER FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEM BASED ON DSP 学院,部,: 专业班级: 学生姓名: 指导教师: 2012年6月1日 毕业设计 基于DSP的光伏发电单相并网逆变器设计 摘要 由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重，清洁的可再生的太阳能越来越受到人们是重视。 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。 我们主要研究光伏发电系统中的逆变电路而其中的电压型单相全桥逆变电路是我们所要详细研究的对象，而其中本论文会涉及最大功率跟踪及PWM控制技术。 全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。 几种逆变器的主电路均需要有控制电路来实现一般有方波和正弦波两种控制方式，方波输出的逆变电源电路简单，成本低，但效率低，谐波成份大。正弦波输出是逆变器的发展趋势，随着微电子技术的发展，有PWM功能的微处理器也已问世，因此正弦波输出的逆变技术已经成熟。 关键词:光伏系统，单相，DSP控制 I 毕业设计 DESIGN OF SINGLE-PHASE GRID-TIED INVERTER FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEM BASED ON DSP ABSTRACT Due to tight global energy and environmental pollution gradually growing, clean, renewable solar energy more and more people are seriously. Solar energy is the first time, but also renewable energy. It is rich in resources, can use free of charge, and without transportation, without any pollution to the environment. For mankind to create a new life, so that social and human energy into a era of reducing pollution. Is a component of photovoltaic panels in the sun exposure will generate direct current power generation devices, from virtually all semiconductor materials (eg silicon) are made of thin photovoltaic cells composed of solid. Because there is no part of activity, and would thus be a long time operation would not lead to any loss. Simple photovoltaic cells for watches and computers to provide energy, and more complex PV systems to provide lighting for the housing and power supply. we almost go deeply into the source inverter in PV systems，and the Voltage Single-Phase Full-Bridge Controlled Rectifier is the most important simple for us to research, as thus it will relate to MPPT and PWM controller technology. The bridge has push-pull inverter circuit to overcome the shortcoming, power transistor circuits of the output pulse width adjustment; the output voltage of the RMS is changed. Because of this circuit has free-wheeling loop, even to the perceptual load, the output voltage waveform nor distortion. This circuit faults is under the arm, bridge, no power transistor must therefore be adopted by isolating circuit or special driving power. These kinds of inverter circuit are needed to control circuit, general square wave and are weak wave two control mode, the output pulse inverter circuit is simple, low cost, low efficiency, harmonic components. Sine wave output is the development trend of the inverter, along with the development of II 毕业设计 microelectronics technology, PWM function of micro processor is also available, so the sinusoidal output inverter technology has matured. KEYWARDS: PV systems, single-phase，DSP III 毕业设计 目录 摘要(中文) ........................................................................................................................ I 摘要(外文) ....................................................................................................................... II 1绪论 .................................................................................................................................... 1 1.1光伏电池的历史及其工作原理 ................................................................................1 1.2光伏发电系统的国外与国内发展 ............................................................................2 1.3光伏发电系统形式....................................................................................................3 1.4光伏发电系统中逆变器的架构及类型(单相) .....................................................4 1.4.1电压型单相半桥逆变电路 ..............................................................................4 1.4.2电压型单相全桥逆变电路 ..............................................................................5 1.4.3电流型单相全桥逆变电路 ..............................................................................5 1.5主电路的拓扑结构....................................................................................................6 1.5.1单相半桥式电路的拓扑结构 ...........................................................................6 1.5.2单相推挽式逆变器拓扑结构 ...........................................................................7 1.5.3单相全桥逆变电路电路拓扑结构 ...................................................................7 1.6本课题的目的、任务及意义 ....................................................................................8 2光伏并网发电系统的结构和基本原理 .............................................................................. 9 2.1光伏并网发电系统的组成 ........................................................................................9 2.1.1光伏阵列 .........................................................................................................9 2.1.2光伏并网逆变器 ..............................................................................................9 2.2控制策略的分析与实现 .......................................................................................... 10 2.2.1逆变器电流跟踪控制方式 ............................................................................ 10 2.2.2 PWM波形的生成 .................................................................................. 12 2.2.3控制系统的数学模型 .................................................................................... 13 2.2.4数字PI调节器的设计 ................................................................................... 15 2.3光伏并网发电系统的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略 ....................................... 18 2.3.1光伏阵列输出特性 ........................................................................................ 18 2.3.2最大功率点跟踪(MPPT)控制方法 ................................................................ 19 2.4光伏并网发电系统中的孤岛效应的防止 ............................................................... 22 2.4.1孤岛效应的含义及其危害 ............................................................................ 22 2.4.2孤岛效应的检测与防止 ................................................................................ 22 2.4.3被动式检测方法 ............................................................................................ 22 2.4.4主动式检测方法 ............................................................................................ 23 i 毕业设计 2.4.5本文采用的孤岛效应检测方法 ..................................................................... 24 3单相并网发电系统的硬件设计 ........................................................................................ 27 3.1系统的总体结构框图 .............................................................................................. 27 3.2主电路设计 ............................................................................................................. 28 3.2.1光伏阵列的选择 ............................................................................................ 28 3.2.2输入滤波电容的计算 .................................................................................... 28 3.2.3开关管的选择 ................................................................................................ 30 3.2.4输出滤波电感的设计 .................................................................................... 30 3.3控制电路设计 ......................................................................................................... 31 3.3.1控制芯片的选择 ............................................................................................ 31 3.3.2 ICETEK-5100USB2.0调试软件介绍 ............................................................ 32 3.3.3信号检测电路 ................................................................................................ 33 3.3.4锁相环的设计 ................................................................................................ 35 3.3.5 PWM信号的隔离与驱动电路 ...................................................................... 36 4单相光伏并网发电系统的软件设计 ................................................................................ 38 4.1软件设计总体框图.................................................................................................. 38 4.2 A/D转换模块.......................................................................................................... 40 4.3 PWM波形产生模块 ............................................................................................... 40 4.4光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)控制 .............................................................. 42 4.5孤岛效应的检测 ..................................................................................................... 43 总结 ..................................................................................................................................... 45 参考文献 ............................................................................................................................. 46 致谢 ..................................................................................................................................... 48 ii 毕业设计 1绪论 1.1光伏电池的历史及其工作原理 自从1954年第一块实用光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进步。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大 [1]促进了太阳光伏发电的发展。光伏电池的早期应用主要局限于科学研究及军事，航空等特殊领域。受20世纪70年代的石油危机和90年代的环境污染问题影响，人们对能源和环境问题的认识不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加 [2]大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 太阳能功能电池组件就是将数十个太阳能电池单元进行耐候性封装。把太阳能电池组件内的太阳能电池单元以适当方式相连接能得到规定的电压和输出功率。太阳能电池组件的转换效率，单晶硅太阳能电池为12%-15%，多晶硅太阳能电池为10%-13%，非晶硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池是6%-9%，由于实验的限制，我们大多采用第三者。 因为太阳能电池单元本身产生的电压约低于0.5V，所以使用时必须串联接作为电池组件使用。太阳能电池镇流是有太阳能电池组件集合体的太阳能电池组件串、防止逆流元件、旁路元件和接线箱等构成的。这里所谓太阳能电池组件串，是指由太阳能电池组件串联连接构成的太阳能电池阵列满足所需输出电压的电路。在电路中各太阳能电池组 [3]件串通过防止逆流元件相互并联连接。 PV系统的容量是太能能电池阵列输出功率来表示的。PV系统的输出功率受辐射照度的强烈影响，也受太阳能电池组件内的太阳能电池单元的温度影响，因此用在日 21kwm照强度为、单元温度为25摄氏度的标准条件下的最大输出功率表示标准太阳能电池阵列的输出功率。 1 毕业设计 图1-1太阳能电池阵列结构图 1.2光伏发电系统的国外与国内发展 从上世纪 70 年代开始，各国政府都投入了很大的力量来支持太阳能电池的发展。美国于1973 年首先制定了政府光伏发电发展计划，明确了近、中、远期的发展战略目标;日本于1974 年开始执行“阳光计划”，投资5 亿美元，迅速发展成为世界太阳能电池的生产大国。自上世纪80 年代以来，其他发达国家，如德国、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等，也纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化进程。近年来世界太阳能光伏一直保持着快速发展，十世纪九十年代后期世界光伏市场更是出现了供不应求的局面，进一步促进了发展速度。综观进入新世 [4]纪后世界太阳电池的总产量，年增长率达到30-40%。 充分开发利用包括太阳能在内的可再生能源、实现能源工业的可持续发展具有重大的战略意义。随着对太阳能和可再生能源的广泛的大规模的利用，全球的能源结构必将发生根本性的变化。 我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，由于城市中大量使用化石能源，环境持续恶化。另一方面，我国具有丰富的太阳能资源，日照时数大于2000h， 25016MJm太阳能总辐射量高于的地方约占全国总面积的三分之二以上，尤其是西部地区有很大的潜力。在这些地方发展并网发电计划，对于缓解当地的能源贫乏情况，提高当地人们生活水平有着极其重要的意义。 我国在20世纪50年代开始研究太阳能电池，于1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星。此后，光伏发电就不断摸索中发展。在新世纪初，国家发改委在2002年启动了“送电到乡”，该工程光伏系统容量为20MW，极大地拉动了我国光伏市场的需求。 2 毕业设计 尽管我国研制太阳能电池始于1958年，中国的光伏技术经过了50年的努力，已经具有一定的水平和基础，但是与世界先进国家相比仍有不小的差距。近几年来，我国的光伏发电技术己经具有了一定的市场潜力和市场吸引力，但光伏并网发电的关键技术和设备主要依靠进口，光伏并网发电的技术更是刚刚起步，因此，并网型光伏系统的造价高，依赖性强，制约了并网型光伏发电系统在国内的发展和推广。掌握并网型光伏系统的核心——并网逆变技术对发展并网型光伏发电系统具有至关重要的作用。 国内光伏系统主要采用单位功率因数并网，不具备电能质量控制功能。因此，研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统有重要意义，其研究主要放在并网逆变器的控制方法上，相同的拓扑电路，采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。对逆变器建立模型并进行分析，采用先进的控制策略对于光伏并网系统的性能是必不可少的。同时采用先进的控制算法是提高逆变器效率的方法之一。 1.3光伏发电系统形式 典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等 [5]构成，而光伏发电系统按工作条件分为独立型，并网型和介于两者之间的可调度型。 独立型:没有与电力公司的配电线并网的系统成为独立型系统。独立型光伏发电多用于边远山区，因为这些地方需要的电能容量小，建变电站成本昂贵，宜用独立型光伏发电。这种系统中要把使用的电量限制在PV系统的发电量以下，考虑到夜间和雨天PV系统不能发点，此时需要由蓄电池供给电力，西电池必须预先充电。此外，在通信基站等需要小量维持供电的情况下独立型光伏发电也有应用价值，在独立型光伏发电系统中储能部件是损耗最快，维护最频繁的组件。如下图1-2: 蓄电池 太阳能 充电 直流 电池 控制器 负载 交流负载 逆变器 图1-2独立型光伏发电系统 并网型:并网型系统分为逆潮流系统和非逆潮流系统两种。我国现在多数是非逆潮流系统，并网光伏发电多见于城市供电系统，区域内的电力需求通常比PV系统的输出电力大，是城市电网的补充，可以实现用电时段的消峰填谷。与独立型光伏发电系统比较，并网型没用蓄电池，在没有太阳能光照条件下不能独立对用户供电，但极大的节 3 毕业设计 约设备成本，简化了控制结构。如下图1-3: 逆变器 计量电表 电网 太阳能电池 交流负载 图1-3并网型光伏发电系统 可调度型:可调度式光伏发电系统是带有储能部件且可以并网的光伏发电系统。当电网断电也没有太阳光照时，蓄电池等部件提供一定时间的能量供给，而在电网正常或有光照能量输入时，可对蓄电池补充能量。在蓄电池充满电且又有光照的情况下，则应由光伏电池直接给负载供电或是并入电网。可调度式光伏发电系统比并网型和独立型有更大的灵活性，但成本更高，系统控制也较复杂。如下图1-4: S 蓄电池 逆变器 太阳能 充电控 电池 制器 交流负载 直流负载 图1-4可调度式光伏发电系统 本论文所主要研究的是独立型光伏发电系统与并网型光伏发电系统。 1.4光伏发电系统中逆变器的架构及类型(单相) 将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或DC,AC变换，实现逆变的主电路称为DC,AC变换电路。通常将DC,AC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DC,AC逆变电源称为逆变器(Inverter)。 根据输入直流电源的性质、逆变器的直流输入波形和交流输出波形，可以把逆变器分成电压型逆变器(也可以称为电压源逆变器)和电流型逆变器(也可以称为电流源逆变器)。 [6]1.4.1电压型单相半桥逆变电路 U直流母线电容滤波，直流电压经C1、C2分压，VT1、VT2交替导通/关断;负d U载上的电压幅值为的一半，功率为全桥逆变器的四分之一;开关管VT1、VT2上承d 4 毕业设计 受的最大电压为U;控制方式主要是PWM脉宽调制控制，移相控制等。 d V1VD1C1LR Ud C2Uo VD2V1 图1-5电压型单相半桥逆变电路 U半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值仅仅mU2为,且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，d 半桥电路常常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。 [7]1.4.2电压型单相全桥逆变电路 +13VTVTVDVD 13 UCdd负载 42VTVTVDVD 24 图1-6电压型单相全桥逆变电路 C直流母线电容滤波，VT1、VT4和VT2、VT3交替导通/关断;加在负载上的电d U压幅值为，输出功率为半桥逆变器的四倍;开关管VT1,VT4上承受的最大电压为d U2;控制方式有单极、双极式PWM脉宽调制控制，移相控制，调频控制等方式。 -d 1.4.3电流型单相全桥逆变电路 L直流母线电感滤波，VT1、VT4和 VT2、VT3交替导通/关断;负载上的电流波d I形为方波，幅值为;开关管VT1,VT4上承受的电压为负载上的电压。负载上的电压d 幅值和相位取决于负载阻抗大小和性质。 由于电流型不太常用，因此对其不作详细的 讨论。 5 毕业设计 d L+ 13VTVT Ud 负载 24VTVT 图1-7电流型单相全桥逆变电路 -1.5主电路的拓扑结构 [8]逆变器按主电路的拓扑结构分类主要有:推挽逆变器、半桥逆变器和全桥逆变器。 1.5.1单相半桥式电路的拓扑结构 单相半桥式电路的拓扑结构如图 1-8 所示。它包括两个功率开关元件VT1、VT2和两个储能元件电容C1、C2。它的工作原理是当两个功率开关元件不导通时，承受直 UU2流电源电压;由于电容C1和C2两端电压均为(假设 C1=C2),因此功率元件dd 2IVT1和VT2承受的电流为。实质上单相半桥电路和单相推挽电路在电路结构上是对d 偶的，半桥型逆变电路结构简单，由于两只串联电容的作用，不会产生磁偏或直流分量，非常适合后级带动变压器负载，但其缺点也十分明显如直流侧电压利用率低，在同样的开关频率下电网电流的谐波较大。 。 VT1VD1C1 。UdUo。 C2VT2VD2 。 图 1-8 单相半桥逆变器电路拓扑图 6 毕业设计 1.5.2单相推挽式逆变器拓扑结构 单相推挽式逆变器拓扑结构如图 1-9 所示。它包括两个半导体开关(IGBT)VT1、VT2，一个升压变压器组成。其工作原理是，当两个半导体开关VT1、VT2一起运行时，两倍于半导体开关的极限电压将施加于两个开关管，所以单相推挽式逆变器多用于直流母线电压不太高的地方，而且这种结构的逆变器效率低下、很难带动具有感性特征的负载。 VT1 + VD1Uo Ud- VT2 VD2图 1-9 单相推挽式逆变器电路拓扑图 1.5.3单相全桥逆变电路电路拓扑结构 单相全桥逆变电路电路拓扑结构如图 1-10 所示。它由两个半桥电路组成，其工作原理是功率开关元件VT1与VT4互补，VT2与VT3互补;当VT1与VT3同时导通时， UU,，UU,,负载电压;当VT2与VT4同时导通时，负载电压;VT1、VT3和OdOd 、VT4轮流导通，负载两端就得到交流电能。 VT2 VT2VT1 Ud Uo VT3VT4 图 1-10 单相全桥逆变器电路拓扑图 7 毕业设计 综上所述，根据本文的研究需要，本文将选用目前应用最为广泛、技术相对也是最成熟的单相全桥式的逆变器拓扑结构(如图1-10所示)，因为它具有结构简单、控制方便的优点。 .6本课题的目的、任务及意义 1 通过上述分析，在能源需求急剧增加而化石能源日益紧张的背景下，太阳能作为一种取之不尽的、无污染的可再生能源己成为当今最热门的能源开发应用的课题之一，也必将是21世纪最重要的能源之一。因此对光伏发电系统的研究设计无疑具有极大应用价值和现实意义。本文主要要求完成光伏并网发电系统的研制，具体任务如下: 1.对光伏电池阵列的特性进行分析研究，选择一种行之有效的最大功率点跟踪方法， [9]建立光伏阵列的电路仿真模型，使光伏发电系统的仿真与控制策略的验证成为可能; 2.选择一种较为合理的光伏发电系统的主电路拓扑结构，并用合适的控制策略使之能够实现对本地负载的独立发电运行或并网发电运行; 3.完成控制软件的设计并进行实验验证。 8 毕业设计 2光伏并网发电系统的结构和基本原理 2.1光伏并网发电系统的组成 下面介绍户用光伏并网发电系统。它主要包括光伏阵列、并网逆变器等。下面分别对光伏发电系统的各个组成部分以及要解决的关键问题作一一介绍。 2.1.1光伏阵列 本论文基于TMS320F2812的光伏并网发电系统的设计(cell)，是光伏电池(又称太阳能电池)的最基本单元。当太阳光(或其他光)照射到光伏电池上时，电池吸收光能，产生光生电子一空穴对，在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异 [10]号电荷的累积，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。光伏电池片容量小，输出电压只有零点几伏，输出峰值功率也只有1W左右，一般不能满足负载用电的需要，所以通常不直接使用。因此要将几片、几十片或几百片单体太阳能电池根据负载需要，经过串、并联连接起来，构成太阳能电池组件，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串、并联并装在支架上，就构成光伏阵列。目前光伏系统中使用的太阳能电池多为硅太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅以及多晶硅薄膜电池。 2.1.2光伏并网逆变器 光伏阵列所发出的电能是直流电能，需要使用逆变器将直流电变换为交流电。并网逆变器是光伏并网系统的核心部件和技术关键。并网逆变器除了可将光伏阵列发出的直流电转换为交流电外，还可对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质(电压波动、高次谐波)等进行控制。 并网逆变器实质上是一个有源逆变系统。就并网系统而言，可以分为电流型和电压型两大类。典型的电流型逆变器结构如图1-7所示，直流回路的电感是实现直流侧电流源的主要器件，为了改善并网电流的波形，在交流侧要加滤波电容器，光伏阵列要串联电感才能接在相应的直流母线上。典型的电压型逆变器结构如图1-6所示，直流侧采用电容进行直流储能，在交流侧经冲电感接入电网母线。 电网可视为容量无穷大的定值交流电压源。电流型逆变器的输出采用电压控制，并网时实际上相当于一个电压源与电压源并联运行，逆变器输出电压值不易控制，并且可能出现环流，目前较少采用。电压型逆变器的输出采用电流控制，只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，既可达到并网运行的目的，其控制方法相对简单，是最常用的光伏并网逆变器结构。本文中采用的就是电压型逆变器结构。 9 毕业设计 2.2控制策略的分析与实现 2.2.1逆变器电流跟踪控制方式 光伏并网逆变器的控制目标是控制并网逆变器输出为稳定的高质量的正弦波电流，同时要求并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相，因此必须采用合适的控制策略以达到上述的控制目标。 本文中的并网逆变器被设计成电压型控制的电流源结构，这样并网系统和电网电压实际上就是一个交流电流源和电压源的并联。逆变器的输出电压幅值自动被钳位为电网电压，只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。光伏发电正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，当仅考虑基波频率时，它可以被等效地视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，它通过电抗器并电网。其等效电路如图2-1所示。 XL,,+- RU++LI UUIS -- 图2-1单相等效电路 UU为电网电压，为逆变器输出电压。X为连接电抗，将逆变器本身的损耗(自关SI UU断器件的开关损耗)以及线路电阻用等效电阻R表示，则(-)即为X和R上的电压IS 降，流过电抗器X和电阻R的电流可以由其两端的电压来控制，其电流应与电网电压同相，这个电流就是光伏发电装置流向电网的电流I。 UU要使光伏发电系统能输出电流则必须大于，且逆变器本身提供了有功功率二IS U来补充电路中的损耗，而电网电压与电流同相，因为线路中电抗器X的存在，使IS UU,得逆变器输出电网电压与电网电压不再是同相，而存在一个相位差，改变这个IS U相位差，并且改变的幅值，则产生的电流的相位和大小也就随之改变，光伏发电装I 置流入电网的有功功率也就因此得到调节。根据以上分析可得此系统向量图如图2-2所示。 10 毕业设计 UI UL ,, UURSI 图2-2向量图 UU分析图2所示的工作向量图，由图中电网电压、逆变器交流侧基波电压，和SI U连接电抗器压降构成的三角关系，可得如下等式: L 22UUIRLI,，，()(), (2-1) IS ILL,,tg,, (2-2) ,UUIR，SS，RI ,由(2-1)，(2-2)两式子可得输出有功功率改变(通过I的改变)时，输出电压的相角和 ,UU值，同时变化，这样得控制和，两个参数，可见间接控制实现比较困难，因此II 本设计采用电流直接控制的方式。 直接电流控制，就是采用跟踪型PWM控制技术，根据指令信号和实际供给电流之间的相互关系，得出控制主电路各个IGBT通断的PWM信号，光伏发电系统就相当于一个受控电流源。 目前，跟踪型PWM控制方法主要有两种，即滞环比较方式 和三角波比较方式。 1.滞环比较方式，将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出值之差输入到具有滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开合，从而使逆变器输出电流值实时跟踪补偿电流参考值。该方式电路简单，电流响应快，不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量，电流跟随误差范围固定，但是开关器件的开关频率是不固定的，有可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。针对采用滞环比较器的瞬时值比较方式环宽固定这一缺点，解决的办法是采用定时控制的瞬时值比较方式，用一个由时钟定时控制的比较器来代替滞环比较器，这样器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半，从而可避免器件开关频率过高的情况发生。该方法不足是，补偿电流的跟随误差不固定。 2.三角波比较方式 11 毕业设计 PWM信号 *i,i A --驱动主电路 i 三角波 图2-3 PWM脉冲生成原理图 图2-3所示为三角波比较方式的原理图。这种方式与其他用三角波作为载波的PWM **,i控制方式不同，它不直接将指令信号与三角波比较，而是将与反馈电流i的偏差经ii 过放大器A之后再与三角波比较。放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器。 ,i这样组成的一个控制系统是基于把控制为最小量来进行设计的。与滞环比较方式相比，该方式具有如下特点: 1)控制设计较为复杂; 2)跟随误差较大; 3)输出电压谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波; 4)放大器的增益有限; 5)器件开关频率固定，且等于三角波的频率; 6)电流响应比滞环比较方式的慢。 这两种方式各有优缺点，据日本电器学会的调查结果表明，这两种方式在实际应用中大体上各占一半，基本相当。 本文选用三角波比较法。此方法实现PWM控制有硬件实现方式和软件实现方式，由于硬件电路相对复杂，本文选取了软件编程方式。 2.2.2 PWM波形的生成方法 [11]DSP的PWM信号的产生过程是本文使用DSP来产生PWM信号。:为了产生PWM信号，使用一个定时器来重复PWM的周期，用一个比较寄存器来存放调制值。定时器计数器的值不断地与比较寄存器的值进行比较，当两值匹配时，相关输出产生从低到高(或从高到低)的变化。当第二次匹配产生或周期结束时，相关引脚会产生另一个变化(从高到低或从低到高)。输出信号的变化时间由比较寄存器的值决定。这个过程在每个定时器周期按照比较寄存器不同的值重复，这样便产生了PWM信号。如图2-4所示。 DSP可以产生非对称的PWM波形，也可以产生对称的PWM波形。非对称PWM信号的特点在于它的调制信号不是关于PWM周期中心对称的，只可从脉冲的单边变化每个脉冲的宽度;对称PWM波形的特点在于调制脉冲是关于PWM脉冲中心对称的。 12 毕业设计 对称PWM波形与非对称PWM波形相比，具有的一个优点是:在PWM周期开始和结束的时候，它有两个持续时间相同的不运行区域。本文产生的是对称PWM波形。 定时器PWM 图2-4比较单元和PWM电路产生对称的PWM波形 2.2.3控制系统的数学模型 根据以上分析，为了实现以上的控制方法，下面建立控制系统的数学模型。并网逆 UUi变器输出电流，电网电压，逆变器输出电压，三者之间的相位关系，满足矢量SI 关系式: UUjLIIR,,,, (2-3) sI 只要在实际控制中满足这种关系，输出电流就可以实现与电网电压的同频同相。 对逆变器输出端电路，以逆变器输出电流作为状态变量，可以得到: dit()LututIR,,,()() (2-4) Isdt 写成复数域形式为: 1IsUsUsGsUsUs()(()())()(()()),,,, (2-5) 121121LsR， 其中 1Gs(), (2-6) 1LsR， 是滤波电感传递函数。 逆变器可以等效为一个小惯性环节，传递函数为: kPWM() (2-7) Gs,21Ts，PWM 13 毕业设计 其中T为小时间常数，可以取50us，k为逆变器增益，与PI调节器的最大限PWMPWM 幅有关。 PI调节器的传递函数为: ksk，pI (2-8) ()Gs,3s kkkkT,/T其中，称为比例系数，为积分系数，，为积分时间。 PIIPII 若不考虑电网电压U对输出电流的影响，逆变器电流跟踪系统的数学模型如图2-5s 所示: 图2-5电流跟踪系统的数学模型 Ui这时，电网电压对输出电流的影响可表示为 s Gs()1IsUs()(), (2-9) s1()()()，GsGsGs123 UU考虑到电网电压对输出电流的影响，将电网电压视为扰动信号，在此引入电ss网 电压前馈环节进行补偿，设前馈环节的传递函数为G(s)。 引入电网电压前馈环节后逆变器电流跟踪系统的数学模型如图2-6所示: 图2-6引入电网电压前馈环节的电流跟踪系统的数学模型 ui引入电网电压前馈环节后，电网电压对输出电流的影响可表示为 s 14 毕业设计 GsGsGs()[1()()]，124 (2-10) IsUs()(),s1()()()，GsGsGs123 要消除电网电压对输出电流的影响，则令 Is()0, 则有: 1Gs(),, (2-11) 4Gs()2代入式(2-7)得 Ts，1PWMGs(),, (2-12) 4kPWM Gs()由此可见，引入传递函数为的电网电压前馈环节后，从理论上可以使得电网4 电压对输出电流的影响为零。 用双线性变换法将q(s)离散化: ,1 (2-13) GzGs()(),21,z44s,.,1T1，z其中T为采样周期。 由式(2-13)得: ,1(2)2TTzTT,，，Uz()PWMPWM2Gz(),,, (2-14) 4,1TkzTkUz,,，,()PWMPWMs等效差分方程为 TTTT，,22PWMPWM (2-15) ukukukuk()(1)()(1),,,，，,22ssTkTk,,PWMPWM 2.2.4数字PI调节器的设计 1.数字PI算法 数字PI控制是用计算机实现PI控制，即把模拟PI控制规律数字化。对于连续PI 控制，用时间域来表示，其控制表达式为: t1 (2-16) utKeted,，,,()[()()]1P,TI0ut()式中——PI调节器输出量; 1 ——给定值与反馈值的误差; et() K——比例系数; P T——积分时间; I 15 毕业设计 也可以写成: t (2-17) utKetKed()()(),，,,1PI,0式中K——比例系数; P KKKT,——积分系数，。 IIPI 计算机控制是一种采样控制，算式中的积分运算只能用数值计算方法逼近，如积分 项可以用矩形代替或梯形合式代替。只要采样周期T取得足够小，这种逼近可以相当精 确，其表达式如下: kT2 (2-18) ()[()()]4,，,ukKekejbac,1PT,0jI 同样算式也可以写成: k (2-19) ukKekKej()()(),，,1PI,0j KKTT,其中:。 IPI T积分时间界的物理意义:对输入进行累计，达到比例作用大小所需时间。越小，I T积分越强，反之越大，积分作用越弱。积分有利于提高精度，但对稳定性有影响。 I 下面递推PI算式。 第k-1时刻PI算式为: k,1 (2-20) ukKekKej(1)(1)(),,,，,1PIj,0式(2-19)减式(2-20)则有: ukukKekekKek()(1)[()(1)](),,,,,， (2-21) 11PI 则递推PI算式为: ukukKekekKek()(1)[()(1)](),,，,,， (2-22) 11PI ukukqekqek()(1)()(1),,，，, (2-23) 1101 其中: T[1] qKKK,，,，0PIPTI qK,, 1P KKq在按式(2-23)编写PI工算式程序时，可以根据预先确定的、的值，计算出、PI0 16 毕业设计 q的值，并将其存入内存中固定的存储单元，并设置初始值。 ekekek()(1)(2)0,,,,,1 在式(2-23)表示的PI算式中，控制作用的比例、积分部分是相互独立的，因此不仅易于理解，也便于检查参数变化对控制效果的影响。 2.数字PI调节器参数的整定 整定即调节P、I参数，选择采样周期T，使得控制系统的性能指标达到要求。 [12]整定方法有两类:理论计算和工程整定方法。理论计算要求已知各个环节的传递函数，计算比较繁琐;工程整定法是在实验和经验中总结出来的方法，简单、方便，工程实际中广泛采用。下面介绍工程中常用的试凑法和扩充临界比例法。 (l)试凑法 试凑法是通过模拟或闭环运行(如果允许的话)观察系统的响应曲线，反复试凑参数，以达到满意的响应，从而确定PI参数。 K增大比例系数，一般将加大系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。P T但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。增大将减慢I消除静差的过程，但有利于减小超调，减小振荡。 在试凑时，可参考以上规律，对参数实行先比例、后积分的整定步骤。 1)将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到许可范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例调节器即可，比例系数可由此确定。 2)如果系统的静差不能满足设计要求，则须在比例调节的基础上加入积分环节。整 T定时首先置积分时间为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小(如缩I 小为原值的80%)，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以得到较好的控制效果。 PI调节器的参数可以有各种不同的搭配，用不同的整定参数有可能得到同样的控制效果，只要被控过程主要指标已达到设计要求即可。 (2)扩充临界比例法 首先，将调节器选纯比例调节器，形成闭环，改变比例系数，是系统对阶跃输入的 T响应达到临界振荡状态，将这时的比例系统记为Kr，临界振荡的周期记为，根据齐r格勒-尼科尔斯提供的经验公式，即可由这两个基准参数得到不同类型调节器的调节参数。 这种临界比例法给出了模拟调节器的参数整定。用于数字PI调节器时，所提供的参数原则也是通用的，但根据控制过程离散化程度，可将这一方法扩充。 l)预选一个足够短的采样周期T，具体说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的1/10以下。 17 毕业设计 2)做纯比例控制，并逐渐加大K的值，是系统出现临界振荡，记下使系统发生振P 荡的临界值K和系统的临界振荡周期T。 rr 3)选择控制度Q。所谓控制度，是以模拟调节器为基准，将数字控制器的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较，是数字控制器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分比，即: ,2[]edtD,0 (2-24) Q,,2[]edtA,0 实际应用中并不需要计算出两个误差平方的积分，控制度仅是表示控制效果的物理概念。通常当控制度Q=1.05时，数字控制器和模拟控制器的控制效果相当;当控制度Q=2.0时，数字控制器比模拟调节器的控制质量差。 KT4)如下表，求出T，，的值。 pI 表2-1 扩充临界比例法整定参数表(衰减比n=4:1) TTKKTT 控制度 控制规律 rPrIr 1.05 PI 0.03 0.53 0.88 1.20 PI 0.05 0.49 0.91 1.50 PI 0.14 0.42 0.99 2.0 PI 0.22 0.36 1.05 5)运行修正 .3光伏并网发电系统的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略 2 在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整太阳能电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(MPPT)。为了提高系统的整体效率，必须使光伏阵列始终工作在最大功率点上，这就需要光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)控制。 2.3.1光伏阵列输出特性 光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，太阳能电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，太阳能电池的输出功率才达到最大值，这时太阳能电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(MPP)。 图2-7为太阳电池阵列的输出功率P-U曲线，由图可知当阵列工作电压小于最大功 UU率点电压时，阵列输出功率随太阳电池端电压上升而增加;当阵列工作电压大maxPV 18 毕业设计 于最大功率点电压U时，阵列输出功率随U上升而减小。MPPT的实质是一个自寻maxPV 优过程，即通过控制阵列端电压场v，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。 PI PmaxI-U P-U U Umax 图2-7 太阳电池的输出特性曲线 2.3.2最大功率点跟踪(MPPT)控制方法 MPPT的实现实质上是一个动态自寻优过程，通过对阵列当前输出的电压与电流检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停的周而复始，可使阵列动态的工作在最大功率点上。我们可以以间接的方式来实现，常用的最大功率点跟踪方法有:定电压跟踪法(CVT)、扰动观察法、电导增量法以及模糊控制算法等，这些方法各有优缺点，有的方法需要大量的计算，有的方法需要实时采样数据并进行分析，可以根据不同的系统要求选用不同的控制方法 1.定电压跟踪法 (CVT) 最大功率跟踪方法很多，最简单直接的方法是定电压跟踪法(CVT)。研究太阳电池特性可以发现:当温度一定时，太阳电池的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧附近，如图2-8所示，这表明最大功率点对应的工作电压相差不大，亦即只要保持太阳电池的输出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保证太阳电池输出在该一温度下的最大功率。把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪 [13]U(CVT)，这就是CVT控制的理论依据。只需从生产厂商处获得数据并使阵列的max U输出电压钳位于值即可，这样实际上是把MPPT控制简化为稳压控制。但是这种跟max 踪方式忽略了温度对阵列开路电压的影响，以常规单晶硅太阳电池而言，当环境温度每升高1?时，其开路电压下降约0.35%-0.45%。在温度变化的情况下，如果仍然采用CVT定电压跟踪控制，阵列的输出功率将会偏离最大功率点。 19 毕业设计 CVT控制可以很方便地通过硬件或者软件实现，具有控制简单、可靠性高、稳定性好等优点;缺点是控制精度差，特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区。 图2-8太阳电池伏-安特性曲线 为克服使用场合环境温度变化对系统造成的影响，在CVT方法的基础上可以采取以下集中折衷解决方法: U手工调节:通过手动调节电位器按季节给定不同的，这种方法使用较少，需要max 人工维护。 根据温度查表调节:事先将特定光伏阵列在不同温度下测得的最大功率点电压值U存储在控制器中，实际运行时，控制器根据检测光伏阵列的温度，通过查表选取合max U适的值。 max 参考电池方法:在光伏发电系统中增加一块与光伏阵列相同特性的较小的太阳能电 U池模块，检测其开路电压，按照固定系数计算得到当前最大功率点电压，这种方法max可以在近似CVT的控制成本下得到近似MPPT的控制效果。 2.扰动观察法(P&O) [14]扰动观察法(P&O)是目前实现MPPT常用的方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减小电压，并观察其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。这种控制方法虽然算法简单，且易于硬件实现，但是相应速度很慢，只适用于那些光照强度变化非常缓慢的场合。而且稳态情况下，这种方法会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近小幅振荡，因此会造成一定的功率损失;而光照发生快速变化时，此跟踪方法可能会失效，判断得到错误的跟踪方向。 下面对经典的扰动观察法算法简述如下:光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减小，控制 20 毕业设计 对象可以是光伏阵列输出电压或电流，这一过程称为“干扰”;然后，比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减小，则改变“干扰”方向。这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。如果采用较大的步长进行“干扰”，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后的精度较差，较小的步长则正好相反。较好的折衷是控制器能够根据光伏阵列当前的工作点选择合适的步长，例如，当己经跟踪到最大功率点附近时采用小步长。 扰动观察法的优点是:跟踪方法简单，容易实现;对传感器精度要求不高。缺点是:只能在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失;跟踪步长对跟踪精度和相应速度无法兼顾;在特定情况下会出现判断错误的情况。 3.电导增量法 P电导增量法 是MPPT控制常用的算法之一。通过光伏阵列P-U曲线可知最大值max处的斜率为零，所以有 PUI,, (2-25) max dPdImax,，,,IU0 (2-26) dUdU dII,, (2-27) dUU 式(2-27)为达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏阵列工作在最大功率点。 本文采用电导增量法来实现MPPT控制，通过调节光伏并网发电系统的输出电流的大小来使光伏阵列工作在最大功率点。采样到的光伏阵列的电压和电流，经过MPPT单 **元的运算，给出指令电流，使系统输出的实际电流跟随指令电流变化。 II 令 dIIF,， (2-28) duU 通过计算F的大小可以判断光伏阵列工作点的位置: 当F<0时，dPdU<0，光伏阵列工作在最大功率点的右侧，由图2-10可知，为了使光伏阵列工作在最大功率点处，需要减小阵列工作电压，可以通过增大系统的输出电 *流来实现，这时增大; I 当F>0时，dPdU>0，光伏阵列工作在最大功率点的左侧，由图2-10可知，为了使光伏阵列工作在最大功率点处，需要增大阵列工作电压，可以通过减小系统的输出电 *流来实现，这时减小; I *当F=0时，dPdU=0，光伏阵列工作在最大功率点，不变。 I 电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。这种控制方 21 毕业设计 法需要对光伏阵列的电压和电流进行采样。电导增量法控制精确，相应速度比较快，适用于大气条件变化较快的场合。但是对硬件的要求特别是传感器的精度要求比较高，因而硬件造价会比较高。 2.4光伏并网发电系统中的孤岛效应的防止 2.4.1孤岛效应的含义及其危害 光伏并网发电系统正常工作时，并网逆变器不仅向本地负载供电，而且还会将剩余电力输送至电网。当电网因为故障或者被人为切断时，并网系统应该能及时断开与电网的连接。若系统不能及时检测到电网的断电状态而继续维持向负载供电，构成独立供电 [15,16]系统，这种现象称为孤岛效应。 孤岛效应具有相当大的危害性，不仅会危害到整个配电系统及用户端的设备，更严重的是会造成输电线路维修人员的生命安全，因此，对光伏并网发电系统来说，具有反孤岛效应的功能是至关重要的。在我国，2004年3月份，由国家科技部能源研究所制定的光伏并网发电系统的技术要求中对反孤岛效应也有了详细的规定，具体是:光伏系统除设置过/欠压保护、过/欠频保护作为防孤岛效应后备保护外，还应该设置至少各一种主动和被动方式防孤岛效应保护。并且防孤岛效应保护应该在电网断电后0.5-2秒内动 [17]作将光伏系统与电网断开。 2.4.2孤岛效应的检测与防止 在光伏并网发电系统中，一般可以通过检测输出端电压的幅值变化、频率漂移以及相位的跳变等信号来判断是否发生了孤岛效应。 孤岛效应通常的检测方法可以分为被动式和主动式两种。被动检测是指主要依靠系统被动地监控电网的运行状态，如电压幅值、频率等参数来判断电网是否停电;主动式检测是指系统主动、定时地对电网施加一些干扰信号，然后通过检测系统输出电压的幅值、频率以及相位等指标来判断是否发生了孤岛效应。被动式检测方式主要有过压和欠压检测法、过频和欠频检测法、谐波电压检测法、电压相位检测法和频率变化率检测法等;主动式检测方式主要有脉冲电流注入法、输出功率变化法(有功功率变化和无功功率变化)、阻抗变动、滑模频率转移法和频率偏移法等。光伏并网系统通常是同时使用几种方法来完成对孤岛效应的检测。 2.4.3被动式检测方法 由于发生孤岛情况时，其电压及频率均不稳定，被动式检测方法利用此点效应来判断是否发生孤岛情况。依参考的电力参数不同，可分成以下几种方法: 1.电压频率检测法 22 毕业设计 此方法通过检测逆变器与电网连接点的电压幅值与频率是否正常来判断孤岛效应 [18]是否发生。当逆变器向电网正常输送电能时，连接点处电压的幅值、频率基本保持不变;当电网断电时，如果逆变器在与电网断电前输出的功率和负载不匹配，则逆变器的输出电压、输出频率将会发生变化，从而判断孤岛效应发生，这时要将光伏发电系统与电网隔离。但是，当逆变器的输出功率与负载功率达成平衡时，则会因系统的电压及频率变动过小，使得控制系统无法检测而失去作用。 2.电压谐波检测法 此方法通过检测并网逆变器的输出电压的谐波含量来判断孤岛效应是否发生，适用 [19]于电流控制型逆变器。因电流控制型逆变器主要参考信号为电网电压，当逆变器向电网正常输送电能时，逆变器的输出电压不会有太大的谐波含量;当电网断电时，由于没有了电网这个电压源，并网逆变器的输出电流可能产生失真的电压波形，而此失真的电压波形被反馈回来成为逆变器输出电流的参考波型，即会造成逆变器输出电压将含有较大的谐波成分，因此可以判断孤岛效应的发生。这种方法尽管被证明是有效的，但在实际情况中很难选择合适的谐波触发值。 3.急剧相位偏移检测 此方法通过检测并网逆变器的输出电压与电流的相位差变化来判断孤岛效应是否发生。通常情况下，逆变器的输出电流与电网电压同步;当电网断电时，逆变器的输出电流与电压相位差由控制电路决定，当相位偏移超过某一范围时，即表示电网发生故障，则将光伏发电系统脱离电网。 2.4.4主动式检测方法 主动式检测方法是在并网逆变器的控制信号中加入很小的电压、频率或相位的扰动信号，然后检测并网逆变器的输出，当逆变器向电网正常输送电能时，扰动信号的作用很小;当孤岛效应发生情况时，扰动信号将造成系统的不稳定，即使是在发电输出功率与负载功率平衡的状态下，也会通过扰动破坏功率平衡状态，造成系统的电压、频率有明显变动。这时通过控制系统检测出来而将光伏发电系统与电网隔离，防止孤岛现象的发生。主动方法主要有下列几种方式: 1.输出电能变动方式 通过控制逆变器的输出，施以系统周期性的有功电能或无功电能扰动，当市电中断时，由于系统失去稳定的参考电源，扰动将造成系统电压或频率明显的变动，而检测出孤岛现象。 2.加入电感或电容器 此方法是在电力系统输配线路上加装一个电感或电容器，当市电中断或故障时，即将电感或电容器并入，通过无效功率破坏系统平衡状态，达到对电压、频率的扰动。使 23 毕业设计 太阳能发电系统能检测到并与市电解除并联。其中插入的并联阻抗应容里小且短时间插入为宜，以免对系统造成过大影响而发生误动作。 3.频率扰动法 相比较而言，频率扰动法是最为常用的方法，因为电网的频率相对比较稳定，这样容易通过检测频率变化来判断孤岛效应的发生。此方法通过偏移电网电压采样信号的频率作为逆变器的输出电流频率，造成对系统频率的扰动，即而由频率保护电路来检出孤岛现象，但此法会造成系统供电的不稳定以及输出功率因数降低的缺点。 在频率扰动法当中，主动频率偏移法(AFD)是目前受到关注的方法之一。AFD通过软件周期性地改变输出并网电流频率，使并网逆变器输出一个稍有变形的电流波形，如 TTU图2-9所示，是电网电压的周期，是系统输出电流i的周期，在第一个半周期的uSi 开始时，系统的输出电流是一个频率比电网频率稍微高的正弦，当输出电流达到零时，它在开始第二个半周期之前一直保持为零，在第二个半周期开始时，系统的输出电流是第一个半周期的负值，当电流又达到零时，仍保持零，直到电网电压上升过零点。 图2-9 AFD示意图 正常情况下，因为逆变器与电网相连，所以频率始终等于电网的频率;当电网断电时，则逆变器输出电流的频率会周期性的增加，当频率超出门限值时，判定孤岛效应发生，从而使逆变器脱离电网。 2.4.5本文采用的孤岛效应检测方法 本文中，我们采用被动式检测方法中的电压频率检测法来检测孤岛效应的发生。同时检测系统的输出电压和输出频率，当两者中有一种的变化超过正常范围时，即认为孤岛效应产生，立即切断系统与电网的连接。 系统发生孤岛效应的示意图可以用图2-10表示，它由光伏并网系统、本地负载(使 24 毕业设计 用并联的RLC)以及电网组成。 ,PP1 LPV,QQ1 P2 Q2 并网装置逆变侧电压电网电压LRC 图2-10孤岛效应检测等效图 当并网系统正常工作时: PPP,，, (2-29) 12 QQQ,，, (2-30) 12 PQPQ上式中:、是光伏系统输出的有功功率和无功功率，、是本地负载的有功功1122 ,P率和无功功率，、是输送至电网的有功功率和无功功率。并且有: ,Q 2Ua (2-31) P,2R ,,12 (2-32) QCU,,,,,,a2L,,,, 当电网断电后: 2,()Ua, (2-33) PP,,12R ,,12,,, (2-34) QQCU,(),,,,,,a12,L,,,, 由式(2-29)，(2-31)和(2-33)可以得到: 22,()UUaa (2-35) ,，,PRR 25 毕业设计 即: 22,()UUPR,，,, (2-36) aa 若?P>0，即电网正常时系统向电网输送有功功率，则当电网断电后系统输出端电压会升高;若?P <0，即电网正常时电网向负载输送有功功率，则当电网断电后系统输出端电压会降低。 但是也可以看出:当电网断电后，如果系统不能提供负载所需的有功功率，则会引起输出电压的变化;如果并网系统恰好能提供负载的有功功率，则系统输出电压的幅值不变，即: ,UU, (2-37) aa 为了保证准确判断孤岛效应的发生，我们还检测系统的输出频率，由于控制电路要保证输出电流与电网电压同频，当电网断电后，系统的输出频率也会发生变化。 基于以上的分析，电网断电时系统的输出电压和输出频率都会发生改变。在此，我们检测系统的输出电压和输出频率，考虑到正常情况下系统的输出电压和输出频率也是会有波动的，当电压或频率的变化超过正常范围时，即认为孤岛效应产生，应立即切断系统与电网的连接。 26 毕业设计 3单相并网发电系统的硬件设计 本文的目的是要研制一套单相光伏并网发电系统。系统输出的并网电压为220V，输出电流为9A，系统输出功率为2kw。 3.1系统的总体结构框图 系统的总体结构框图如图3-1所示: Boost及滤波电路DC/AC逆变器 L VDVT1VT3输出滤波电网 L1L2光单相VT伏C1调压C2C阵器VT2VT4列 PWM控制驱动输出并网电流检最大功率点跟踪 测控制驱动输出UdcIdc IPI 调 PV输出电压PV输出电流节TMS320F2812采样采样器 电网电压、频 率检测*I 最大功率点跟踪锁相环 孤岛检测 图3-1系统总体结构框图 太阳电池阵列首先将太阳光辐射能量转化为直流电，经电容输入滤波后输出到逆变器转换为交流电，逆变器的输出再经过电感输出滤波后，输出与电网电压同频同相的交流电，达到并网目的。为保证逆变器的输出电流与电网电压严格的同频同相，保证稳定工作，并且能向电网提供最大功率，需要设计一套控制电路。DSP芯片TMS320F2812用来产生PWM信号，以及完成各个被检测量的A/D转换。对需要检测的信号要设计检 27 毕业设计 测电路，包括光伏阵列输出的直流电压和电流的检测、逆变器的输出电流的检测、电网 *电压的检测。然后检测到的直流电压和电流送入MPPT单元，以计算电流给定值。检I *测到的逆变器的输出电流送入PI调节器，与给定值比较后，得到调制系数M，送入I DSP。检测到的电网电压经过锁相环倍频后，为DSP产生PWM波形提供时钟信号。由于DSP的PWM引脚输出电压为3.3V，不能驱动IGBT，所以需要驱动电路。 3.2主电路设计 主电路包括:光伏阵列、输入滤波器、逆变器、输出滤波器。 3.2.1光伏阵列的选择 光伏阵列按外形结构可以分为:平板式、曲面式、聚光式。平板式光伏阵列将若干电池单元按平板结构组装在一起，且所有太阳能电池均朝向相同，直接收集自然照射来的太阳光。因其技术成熟，安装方便，维护简单，所以应用最为广泛。本文中选用平板式光伏阵列。 光伏阵列需要若干太阳电池组件通过串并联构成，基本计算公式如下: 光伏阵列输出电压(V) (3-1) 串联组件数量=组件电压(V) 光伏阵列输出功率(W)组件总数量= (3-2) 组件功率(W) 根据(3-1)和(3-2)基本公式计算出的太阳电池组件，在实际应用中还要进行修正。因为在实际情况下，太阳电池组件的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，泥土、灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变都会降低太阳电池组件的输出。通常的做法就是在计算 [20]的时候减少太阳电池组件的输出10%来解决上述不可预知和不可量化的因素。 本系统中，光伏并网发电系统输出功率为2kw，输出电压为220V，输出电流为9A。为了满足这一设计要求，光伏阵列的输出电压的输出电压要大于220V，即31IV，2取350V。 在此，我们选用型号为 KC1205的太阳能电池组件，单个组件的最大输出功率为120W，开路电压21.4V，最大输出工作电压为16.9V。选用21个该组件串联，当工作在最大功率点时，考虑损耗，输出电压为350V左右，输出功率为2200W左右。 3.2.2输入滤波电容的计算 假定系统母线电压稳定，且该电压位于最大功率点附近，根据光伏阵列的U-I特性，其电流近似不变。因此，可把太阳电池作为稳定的直流恒流源。根据主电路拓扑结构，可以将电容充放电回路等效为图3-2所示。 28 毕业设计 UdcId C 电GIsC1网 E 图3-2主电路等效回路 太阳电池阵列的输出电流Is在确定的日照下基本保持不变，若不考虑损耗，当C UII,电容两端的电压稳定不变时，则。实际上，功率器件的换向作用使直流侧电dcsd U流呈现间断脉冲形式，脉冲频率为f。设太阳电池阵列的开路电压为，直流侧滤波电oc UU,1.15容的耐压通常应留有1.15倍裕量，即。 coc 为简化计算，本文仅立足于工程方法对电容值进行估算，其条件是:在直流母线充放电周期内，电容以最大电流放电时，其压降保持在要求的范围内，即电容值的选择应以直流母线电压的波动限幅为依据。考虑极端情况，当Id不为零时，其电流值完全由电容放电提供，Id的大小就是该时刻电流的最大值，设光伏并网系统输出的额定电流为I，电容C的电压电流关系满足: e 1,,,UdcIt2 (3-3) eC 当要求阵列电压脉动的幅值小于3%时，主电路平波的选择应按如下方程: ,,UdcUdc0.03 (3-4) 将式(3-3)代入式(3-4)，可得 IeC, (3-5) 0.0212Udcf, IU设光伏并网系统输出的额定电流为=9A，阵列工作电压=350V，伪两倍的电网edc C频率即100Hz，可得=l.63mF，耐压值选取630V。 1 按以上方法选取的电容值，虽然可以满足电压纹波幅度的要求，但如果系统响应时间较慢，控制过程中负荷的波动可能对其压降有较大影响，为了提高系统电压闭环控制的稳定性，在实际系统中其电容值的选取要适当大于该计算值。 29 毕业设计 3.2.3开关管的选择 常用的全控型开关管有IGBT、GTR、MOSFET等。在这里，我们选用IGBT，这是因为: 1.IGBT开关速度高，开关损耗小。有关资料表明，在电压1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。 2.在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。 3.IGBT的同态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 4.IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 5.与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。 根据直流侧电压最高输出为450V，稳定工作电压大约在350V左右，逆变器输出电流峰值为 12.7A，设计时留有2倍裕量，选用的IGBT承压要在900V以上，电流在25A以上。本文选用型号为2MBIl00SC-120的IGBT，它能承受100A电流，1200V电压，满足设计要求。 3.2.4输出滤波电感的设计 系统逆变侧电感的作用非常重要，它的取值不仅影响到电流环的动、静态响应，而且还制约并网系统的输出功率、系统功耗、直流电压的确定等等。具体作用体现在:滤除并网系统交流侧PWM谐波电流;使并网系统获得了一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运行。 根据实践结果和理论分析对滤波电感的设计采用工程计算方法，一般取电感电压为输出电压的5%-10%，即 ,LIU,,(5%10%) (3-6) AC 电感值越大，则纹波电流越小，稳定性越好，但电感损耗和体积都会增大，电感上的压降也会增加;反之，电感值越小，则纹波电流越大，稳定性越差，但电感损耗和体积都会减小。在实验室条件下，为安全起见，电感尽量取大，在这里取电感电压为输出 LL电压的10%，代入式(3-6)计算得L为3mH。另外，在LCL滤波电路中一般来说，12 21(2)5,,,f可以取5-10之间的值，而滤波电容C往往需要满足，因为在实际工程中，要求滤波电容C所吸收的无功功率不能大于系统额定有功功率的5%且LCL型输出滤波器的谐振频率应该大于电网电压频率的10倍,小于逆变电路主功率器件开关频率的一 LmH,3半，得到该2kw单相光伏并网发电系统LCL型输出滤波器滤波参数:，1LH,600,，。 CF,18,2 30 毕业设计 3.3控制电路设计 本文中的控制电路的主要作用是保证电流跟踪控制的实现，主要完成以下功能:对信号进行检测，包括:光伏阵列输出的直流电压和电流、逆变器的输出电流、电网电压;为IGBT提供驱动电路;使用锁相环对电网电压进行跟踪;给电路提供电源。 3.3.1控制芯片的选择 控制芯片要实现的功能有:对检测信号进行A/D转换;产生PWM波形;完成MPPT和反孤岛效应的计算过程。 控制电路的核心器件我们采用美国TI公司的TMS320F2812 DSP(简称2812)。这是TI公司推出32位定点DSP芯片，它不但运行速度高，处理功能强大，并且具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计，其性价比极高。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合。选用2812符合本系统的要求。 TMS320F2812的主要性能如下: 1.高性能静态 CMOS技术 .150MHz(时钟周期6.67ns) .低功耗(核心电压l.8V，I/O口电压3.3V) .Flash编程电压3.3V 2.JTAG边界扫描支持 3.高性能的32位中央处理器 .16位16位和32位32位乘且累加操作 ，， .16位16位的两个乘且累加 ， .哈佛总线结构 .强大的操作能力 .迅速的中断响应和处理 .统一的寄存器编程模式 .可达4兆字的线性程序地址 .可达4兆字的数据地址 .代码高效(用C/C++或汇编语言) 4.片内存储器 .8K，16位的Flash存储器 .1，K16位的OTP型只读存储器 5.根只读存储器 (Boot ROM)4K，16位 6.外部存储器接口 31 毕业设计 .有多达1MB的存储器 .可编程等待状态数 .可编程读/写选通计数器 .三个独立的片选端 7.时钟与系统控制 .支持动态的改变锁相环的频率 .片内振荡器 .看门狗定时器模块 8. 3个外部中断 9. 3个32位的CPU定时器 10.马达控制外围设备 .两个事件管理器(EVA、EVB) .与C240兼容的器件 11. 12位的ADC，16通道 .28通道的输入多路选择器 ， .两个采样保持器 .单个转换时间:200ns .单路转换时间:60ns 3.3.2 ICETEK-5100USB2.0调试软件介绍 本文使用ICETEK-5100USB2.0调试软件对DSP进行了调试。通过USB电缆一端 插到计算机的USB接口上，另一端接到USB调试软件上。 ICETEK-5100USB2.0通用数字信号处理(DSP)开发系统支持美国德州仪器公司的 DSP软件和开发硬件仿真，它的突出特点如下: 1.支持TI所有DSP芯片的硬件仿真，如: TMS320C2xx(包括F206、C240、F24X、LF2407、F2812等) TMS320C3x(包括C30、C31、C32、VC33等) TMS320C4x(包括C40、C44等) TMS320C5x(包括C50、C5l、C52等) TMS320C54X(包括VC5410、VC5402、VC5416等) TMS320C55x(包括VC5509、VC5510等) TMS320C8x(包括C80，C82等) TMS320C6x(包括C6201、C6202、C6701、C6211、C6711、C6713、C6416等) 2.对不同种类的DSP芯片，无需重复购买硬件设备，只需改换不同的DSP开发软 32 毕业设计 件，一机多用，同时每种软件均支持C语言和汇编源码调试。 3.ICETEK-5100的硬件设计采用超大规模集成电路技术，功能强大，性能可靠，同时仿真控制板和仿真头之间设计有多级缓冲驱动，大大增强了系统的安全性和可靠性。 4.支持多DSP调试，也就是说，当DSP系统设计有多个CPU同时工作时，只需购买一套开发系统，配上多CPU调试软件，就可以对它们进行并行调试。 3.3.3信号检测电路 本系统需要检测的电路信号包括:光伏阵列输出电压，输出电流，电网电压，系统对电网输出的电流，在此用霍尔电压、电流传感器来测量这四个量。 霍尔电流、电压传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足(互感器只适用于50Hz工频测量;分流器无法进行隔离测量)。利用同一只霍尔电流电压传感器检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态 [21]峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品。霍尔电流、电压传感器具有如下特点: 1.可测量任意波形的电压和电流。霍尔电压、电流传感器可以测量任意波形的电流和电压参量，如直流、交流和脉冲波形等。也可以对瞬态峰值参数进行测量，其副边电路可以忠实地反映原边电流的波形。这一点普通互感器无法与其相比，因为普通的互感器一般只适用于50Hz的正弦波。 2.精度高。一般的霍尔电流电压传感器在工作区域内的精度优于l%，该精度适合于任何波形的测量，而普通互感器精度一般为3%-5%，且只适合于50Hz的正弦波形。 3.线性度优于0.1%。 4.工作频带宽。可在0-100kHz频率范围内很好地工作。 ,5.过载能力强，测量范围大(0-6000A)。光伏阵列输出电压为直流量，电压检测电路如图3-3所示: R1 +HT+15+IsVpIp公共地 SK1T0.01V25V6 MR2-HT--15 OUT 图3-3电压检测电路 光伏阵列的输出电压稳定工作时为350V，最大值为450V。在此，电压传感器选择号为SK1T0.01V25V6的电压传感器，其原边额定输入电压为10-500V，原边测量电型 R压范围为140%。在测量电压时，传感器原边电路必须先串接一只电阻以得到额定值1 33 毕业设计 时原边电流I为10mA，然后再并接到被测电压。额定值时副边电流I为25mA。现计PS算R的值: 1 V350VP RK,,,,251ImA10P 测量电阻凡的计算: V3VS R,,,,1202ImA25S 光伏阵列输出电流为直流量，电流检测电路如图3-4所示: Ip被测电流 SE1T50C50V6+15+ 公共地 M Is=50mA -15-OUT 图3-4电流检测电路 [22]选用型号为SE1T50C50V6的电流传感器，原边额定输入电流为50A。图3-4中测量电阻R的计算: V3VS R,,,,60ImA50S 电网电压，系统对电网输出的电流为交流量，在使用图3-3、图3-4的检测电路时，还要加上信号调理电路，把检测到的信号转换为2812的ADC可以处理的0-3V模拟信 RRRRk,,,,,10号，信号调理电路如图3-5所示，。 123f R3Rf +15V。 -AD 处理器输出+ R2 1.5V。R1-15V 图3-5信号调理电路 34 毕业设计 3.3.4锁相环的设计 在光伏并网发电系统中，为了保证并网电流和电网电压严格同频、同相，必须使用锁相环(PLL)技术。锁相环的实现可以有多种方案。可以用软件编程实现，也可以用硬件电路实现。本文中使用硬件锁相环，采用单片锁相环芯片，这样可以减轻软件编程的压力。 本文中锁相环主要有两个作用:把电网频率倍频后，给DSP的EVA提供时钟输入;倍频后的信号经分频后启动触发DSP的ADC。 1.锁相环原理 锁相环(PLL)是指能够自动追踪输入信号频率与相位的闭环反馈控制系统。它主要 [23]由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)以及分频器组成。锁相环的组成如图3-6所示。 ut()ut()ut()ut()idcoEVA时钟PDLFVCO输入 ut()f 128分频2048分频 启动ADC 图3-6锁相环原理示意图 ut()由图3-6可见，锁相环是一个反馈系统(或叫闭环控制系统)。PD对输入信号和i ut()ut()反馈信号的相位做比较，根据相位差运算处理后输出。LF是一个线性低通网fd ut()ut()络，用来滤除中的高频成分和调整环路参数，LF的输出信号被用来控制VCOdc ut()的频率和相位。VCO是一个电压/频率变换装置，它的频率随变化。分频器则是用c ut()ut()来对VCO输出的高频信号进行分频，然后与输入信号的频率进行比较，以实oi ut()现对输入信号的无相位误差的频率跟踪。锁相环的输入量是输入信号的相位，输出i ut()量是输出信号的相位。 o 鉴相器检测输入信号与反馈信号之间的相位差，利用相位偏差产生控制信号，从而减小或消除相位偏差。这就是锁相环的工作原理。 2.锁相环的实现 锁相环的硬件电路如图3-7，本系统中所采用的锁相环型号为TI公司的SN74HC4046，该锁相环的工作电压为+5V。从电网采样下来的信号经过预处理，得到 SIG与电网电压相同过零点的50Hz TTL波形之后，通过引脚引入锁相环，经过鉴相器、in VCO低通滤波器以及压控振荡器，然后通过引脚输出一个频率为13MHz高频信号，out 此信号作为事件管理器EVA模块的时钟输入。对于锁相环来讲，要使其工作在一个固 35 毕业设计 ,定的频率，必须要选择合理的外部参数。要产生13MHz高频信号，C1=400pF,R1=1k，R2=,R3=2K,C2=10,F。 , 图3-7锁相环电路连接图 VCO图3-7中使用两个计数器对引脚输出的高频信号进行分频，一个是TI公司的out 14位计数器，型号为SN74HC4060，使用其中的低11位对信号进行2048分频;另一个是TI公司的双四位计数器，型号为SN74HC393，将该双四位的计数器级联使用，使用其中的7位对信号进行128分频。这两个计数器相连，可以实现对信号的18位分频。首先锁相环输出的高频信号通过CLKI引脚输入到计数器SN74HC4060，经过2048分频以后，通过QL引脚输出两路信号，一路输出6.4kHz信号启动DSP的ADC模块，另一 COMPin2Q路输入计数器SN74HC393的1CLK引脚，通过级联，最后通过引脚输出，经C 引脚反馈回锁相环，与电网电压相同过零点的 50Hz TTL信号相比较，最终达到频率、相位锁定的目的。 3.3.5 PWM信号的隔离与驱动电路 隔离驱动电路在电路中起到两个作用:1.将DSP输出的PWM信号放大并满足IGBT 36 毕业设计 信号的要求。2.将主回路和控制回路在电气上进行隔离。由于主回路上有4个IGBT，所以需要4个隔离驱动电路。隔离驱动电路原理图如图3-8所示: TLP250 +VDC15+15G26T1R1R3 37 48-VDE PWM R2 图3-8信号隔离与驱动电路 TLP250是东芝公司的专用集成功率驱动模块。适合于IGBT或功率MOSFET栅极驱动电路。TLP250包含一个GaA1As光发射二极管和一个集成光探测器，是8脚双列封装。 ITLP250驱动主要具备以下特征:输入闭值电流=5mA(max);电源电流F ,IVI=11mA(max);电源电压=10-35v;输出电流=1.5A(max);开关时间CCDO tt/,=l.5s(max);隔离电压可达2500V。选用TLP250满足设计要求。 PLHPHL ,,RV根据上述TLP250的特点，取=15V，R1=3.3k，R2=2.4k。影响到IGBTgD RR实际运行的快关的速度，大，开关速度慢，功耗大;小，开关速度快，电路干扰gg ,,的冲击就大。通常工程的推荐值是10-100，根据实验取30比较合适。 每一个隔离驱动电路需要有独立的供电电源，供电电源原理如图3-9所示: 12 B1 +VD7815 C1C5C2C6D1D2 D3D4C4C3C8CAPC7B2 7815-VD2 1 图3-9 TLP250电源电路 37 毕业设计 4单相光伏并网发电系统的软件设计 本文设计了软件程序来实现光伏并网发电系统的电流跟踪控制和光伏阵列的最大功率点跟踪控制。 在此，使用CCS作为软件开发工具，使用C语言进行了编程。CCS是TI公司提供的Windows下的DSP集成开发环境，它功能强大、使用方便。它的软件开发既可以采用汇编语言，也可以采用C语言，同时也可以使用两者的混和编程结构。这样既可以利用C语言的可读性强、编程简单、以及具有强大的库函数支持，编写出易于实现复杂功能，如各种图像处理，复杂数字计算等应用程序，又可以利用汇编的执行效率高、运行速度快、便于DSP内核管理、充分发挥DSP的硬件性能等特点，编写出实时要求高， [24]对底层硬件直接操作的控制系统。 4.1软件设计总体框图 根据第二章的控制原理和第三章的硬电路设计可以得出光伏并网系统的软件总体 [25]框图，主程序流程图见图4-1所示，中断程序流程图见图4-2所示。 DSP端口设置和变量初始化模块主要决定DSP各个端口的工作状态，比如是输入还是输出，对输入端口要设定相应的初始状态。在控制算法的计算当中会使用到很多变量，这些变量都应该有相应的初值，以保证系统在控制的初始阶段，有较好的相应速度。 DSP的事件管理器主要任务是根据控制策略输出PWM调制信号，以完成系统对输出电流的控制。根据第三章硬件设计中锁相环的设定，可知事件管理器EVA的外部时钟输入频率是13MHz。A/D转换和PWM载波的频率是6.4kHz。因此设定EVA用DSP的定时器T1，作为PWM产生器的时间计数器，计算模式为连续增减计数模式，取DSP的周期寄存器T1PR=1024。比较寄存器取中值即512。 系统中有许多变量需要时时测量，包括光伏阵列的直流输出电压和直流输出电流，还有系统得输出电流和电网电压。这些变量需要由A/D转换模块将其转换为初始量以供DSP数据处理。 从第三章硬件的锁相环设计可以知道，A/D转换的启动信号由锁相环电路提供。该启动信号频率为6.4kHz。在锁相环稳定工作以后，和电源频率(50Hz)同步。即确保每个电源周期正好采样128点，所以A/D转换应该设置为外部启动方式。 为了保证系统稳定工作，DSP的采样频率必须和电源频率同步。所以程序在完成相应的初始化任务以后，要等待锁相环稳定工作以后才能进行进一步的控制。利用DSP的事件管理器的负荷功能，可以方便的检测系统电源上升点，可以方便的检测锁相环的两个输入信号，上升沿的时间差。当该时间差接近1/4电源周期(即5ms)并稳定一段时间后，即表明锁相环已经锁相并稳定工作。 38 毕业设计 主程序入口 A/D中断入口 DSP端口设置相应变 量置初始值 保护现场 DSP EVA初始化 读取A/D转换的数值 A/D转换模块初始化 计算PWM脉宽并 输出 否 锁相环是否稳定 调用MPPT计算最 大功率点 否 检测电源信号上升沿 是否到来调用孤岛效应防 止子程序 中断的初始化 恢复现场 中断返回 等待A/D转换中断 图4-1主程序流程图 图4-2中断服务子程序流程图 控制系统要完成的控制任务较多，在采样周期到达的时候要尽快完成电流控制的决策，要实时计算最大功率点以保证并网发电系统的效率，还要实时检测孤岛效应，以防止危害到整个配电系统及用户端的设备。在上述任务中以PWM的计算量最多，实时性要求最高，最大功率跟踪即孤岛效应检测计算量相对较少。考虑到我们所用的DSP计算速度很快，在一个采样周期内完全可以完成上述3个计算。因而可以将最大156.25,s 功率点跟踪和孤岛效应检测程序安排在电流控制决策程序之后，并共同构成一个中断子程序。这样既保证了电流控制决策的实时性，也保证了最大功率跟踪即孤岛效应的实时性。由于系统只有一个中断程序，避免了多个中断程序的互相干扰，可以简化系统程序设计，并保护系统的稳定可靠。 中断系统的初始化，只需要开放A/D转换结束中断，并设置好中断系统和A/D转 39 毕业设计 换模块相应的中断寄存器值。 4.2 A/D转换模块 从系统和电网采集到的数据必须经过A/D转换才能送入DSP进行运算。在此，我们利用2812的ADC模块进行A/D转换。2812的ADC模块是一个12位分辨率的、具有流水线结构的模一数转换器。ADC模块有16个通道，可配置为两个独立的8通道模块以便为事件管理器A和B服务。两个独立的8通道模块可以级联组成一个16通道模块。两个8通道模块具有对一系列转换和自动序列化的能力，通过模拟多路复用器，每个模块都可以选择可用的8个通道中的任何一个通道。在级联的模式下，自动序列发生器可作为一个单一的16通道序列发生器。在每个序列发生器上，一旦转换结束，以选 [26]择的通道值就保存在各个通道的结果寄存器ADCRESULT中。 进入A/D中断子程序后，首先保护现场，然后利用ADC的4个通道来进行A/D转换。ADCINA0作为光伏阵列输出电压的转换通道，ADCINA1作为光伏阵列输出电流的转换通道，ADCINA2作为系统对电网输出电流的转换通道，ADCINA3作为电网电压的转换通道。转换后的结果分别保存在结果寄存器ADCRESULT0-ADCRESULT3中。读取这些转换后的结果，就可以完成PWM波形的计算，MPPT控制的计算以及孤岛效应的计算。 4.3 PWM波形产生模块 采用软件编程来产生PWM波形的步骤如图4-3所示: i(1)采样系统对电网的输出电流的瞬时值，即读取ADCRESULT2中的数值。 *,ii(2)用给定电流减去实际电流，得到偏差信号。 i ,i(3)偏差信号经过P调节或PI调节后转换为一个比较数值X。 (4)X加上电网电压前馈值得到Y，假设逆变器输出电流为0时，PWM波占空比为50%。所得的Y值取负后，再加上T1PR/2，得到新的值送入定时器1的比较寄存器T1CMPR。 40 毕业设计 PWM子程序入口 检测系统对电网输出电 流瞬时值 给定电流减实际电流 对差值进行PI运算转换 为比较数值X X加上电网电压前馈值 得到Y T1CMPR=512-Y 返回 图4-3 PWM子程序流程图 (5)2812提供的事件管理器EVA提供产生三角波的途径。本设计选用EVA的定时器1，设置通用定时器1(GPT1)为连续增/减计数模式，以此作为时基来模拟前面所述的三角载波，载波周期为2T1PR(定时器1周期寄存器值)个定标输入时钟周期。在定时器1， 计数的过程中，其值不断与比较寄存器CMPR1的值进行比较，当计数值与比较寄存器的值相等时，则发生比较匹配，对应的PWM输出引脚发生电平翻转。在连续增/减计数 [27]模式下，一个周期将发生两次电平翻转，从而输出一对对称PWM脉冲。其脉冲宽度的调节就是占空比的调节，通过实时在线改变Y，就可以改变两次电平翻转的时刻，从而可以改变每个PWM脉冲的宽度。IGBT的开关之间存在一个死区，为了避免其击穿， 41 毕业设计 要求两个器件不能重叠工作，需要再配置死区发生单元和输出逻辑，最后通过EVA模块的PWM输出(比较输出)引脚输出所得的PWM波形。 4.4光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)控制 光伏阵列的最大功率点跟踪的目的是使太阳电池阵列始终工作在最大功率点电压，使太阳电池阵列始终输出最大的功率，这对于提高系统的整体效率有着重要的作用。光伏阵列由众多的太阳能电池组件串、并联构成，太阳能电池的输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。光伏并网系统中通过对太阳电池最大功率点的搜索和跟踪，实现并网电流的最大化，从而保证并网功率最大。 本文采用电导增量法来实现MPPT控制，通过调节光伏并网发电系统的输出电流的大小来使光伏阵列工作在最大功率点。采样到的光伏阵列的电压和电流，经过MPPT单 **元的运算，给出指令电流，使系统输出的实际电流跟随指令电流变化。 II 如2.3.2推导的那样，令 dIIF,， duU ***当F<0时，增大;当F>0时，减小;当F=0时，保持不变。根据判断F与III *零的关系，来改变指令电流的大小。而在实际工程中，F=0是很难达到的条件，不停I *的改变会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近不停的振荡。在这里我取一个I 接近于零的数值?来代替零，若|F|?，则表示功率曲线斜率为正，光伏阵列工作在最大功率点的左侧，需要 **减小;反之则增大，增大或者减小的步长为?i。再来讨论电压差值为零的情况，II *这时可以暂不处理，进行下一个周期的检测，直到检测到电压差值不为零。 I 42 毕业设计 开始 读入U(k)，I(k) dU=U(k)-U(k-1) dI=I(k)-I(k-1) 是 dU=0 是 |F|<Δ 是 F>Δ i*=i*-Δii*=i*+Δi U(k-1)=U(k) I(k-1)=I(k) 返回 图4-4 MPPT控制程序流程图 4.5孤岛效应的检测 本文采用电压频率检测法来检测孤岛效应的发生，如2.4.5小节中所分析的那样， 电网断电时系统的输出电压和输出频率都会发生改变。 43 毕业设计 ,电网额定频率为50Hz。光伏系统的频率允许偏差0.5Hz，频率工作范围在 [28]49.5-50.5Hz之间。正常运行时，电网公共连接点处的单相电压的允许偏差为额定电 压的+7%、-10%。当电压或频率的变化超过上述正常范围时，即认为孤岛效应产生，应 立即切断系统与电网的连接。程序流程图如图4-5所示。 开始 检测系统输出 电压 是 U>235.4V 是 U<198V 检测系统输出 频率f 是 f>50.5Hz 否f<49.5Hz 断开并网开关 结束图4-5电压频率检测法流程图 44 毕业设计 总结 本文对光伏并网系统中的核心问题进行了较为细致深入的分析和研究，本文的主要研究工作总结如下: 1.分析了光伏发电产业在国内外的发展现状。 2.研究了单相光伏并网发电系统的结构和工作原理，设计了一套控制策略，采用电流跟踪控制和电网电压前馈控制的策略，并对控制系统进行了数学建模。 3.设计、制作并调试了基于DSP芯片TMS320F2812的光伏并网发电系统的硬件电路，包括系统的主电路、信号的采样与处理电路、锁相环电路、PWM信号的隔离与驱动电路以及电源电路。 4.设计了一套软件实现方案，包括电流跟踪控制、电网电压前馈控制、数字PI调节器的设计、A/D转换、PWM波形的产生、最大功率点跟踪(MPPT)控制以及孤岛效应的检测。对软件设计进行了编程与调试。 5.最大功率点跟踪(MPPT)是光伏并网发电系统中必须解决的问题。本文采用了电导增量法来实现光伏系统的最大功率点跟踪控制。 6.孤岛效应是光伏并网发电系统中会遇到的问题。本文分析了孤岛效应产生的原因和目前常用的被动和主动的检测方法。本文采用了电压频率检测法来防止检测孤岛效应的产生。 由于时间、条件以及作者水平的限制，该系统仍存在一些不足，许多地方都有待于进一步改进和完善。 45 毕业设计 参考文献 [1]罗运俊,何鋅年,王长贵.太阳能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2005 [2]狄丹.太阳能光伏发电是理想的可再生能源[J].武汉:华中电力，2008，21(5):59-62 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