光伏發(fā)電逆變器-畢業(yè)設(shè)計-論文

PAGEPAGE28摘要隨著太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國的推廣和普及，國內(nèi)對并網(wǎng)逆變器的需求必將越來越大，僅僅依靠進(jìn)口已很難解決日益增長的巨大需要。因此，研制完全實用化、工程化的太陽能光伏并網(wǎng)逆變器成為該領(lǐng)域急需解決的問題，存在著廣闊的市場前景。在此背景下，本文對正弦波并網(wǎng)逆變器的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計、控制算法研究和系統(tǒng)仿真等方面進(jìn)行了深入探索。首先介紹了國內(nèi)外光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和廣闊的前景，詳細(xì)分析了并網(wǎng)逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，討論了全橋逆變電路直流側(cè)和交流側(cè)濾波器的設(shè)計思路，并推導(dǎo)出逆變電路關(guān)鍵參數(shù)的計算公式。其次分析了單相電壓控制和單相電流控制的不足，采用了基于DSP軟件算法的電流電壓雙閉環(huán)控制技術(shù)。比較幾種常用的光伏電池最大功率點跟蹤方法，采用能夠快速、準(zhǔn)確跟蹤光伏電池最大輸出功率點的電導(dǎo)增量法來實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。為了使并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻、同相，需要使用鎖相環(huán)技術(shù)。本文詳細(xì)分析了軟件鎖相環(huán)的原理，并結(jié)合實際系統(tǒng)設(shè)計方案和繪制軟件流程圖。本文對孤島效應(yīng)的含義及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了說明，分析了產(chǎn)生孤島效應(yīng)的原因和危害，證明了添加反孤島保護(hù)的必要性，并分別對孤島效應(yīng)的主動和被動檢測法進(jìn)行了比較，用MATLAB仿真工具對本文所采用的主動頻率偏移法進(jìn)行了仿真驗證。最后，根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計要求，對并網(wǎng)逆變器控制電路、驅(qū)動電路和保護(hù)電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，并制作了基于DSP控制的3kW光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)。通過實驗表明，所采用的控制策略和設(shè)計的硬件電路能夠滿足設(shè)計要求，統(tǒng)可安全、穩(wěn)定運行。關(guān)鍵詞光伏逆變器:DSP最大功率點跟蹤軟件鎖相環(huán)孤島效應(yīng)AbstractWiththepromotionandpopularizationofsolarphotovoltaic，therewillbeagreaterdemandforgrid-connectedinvertersinourcountry．Theincreasingdemandforgrid-connectedinvertershasbecomeaproblemwhichcannotbesolvedonlybymeansofimport．Anurgentproblemtobesolvedisthatthestudyanddesignofthephotovoltaicgrid-connectedinvertersmustbefullypracticalinuseandinmanufacture，andthereforetherearedesirablemarketprospectsoftheabove-mentionedproducts．Inthispaper,thegrid-connectedinverterisexploredinthehardwaredesign，controlalgorithmresearch，simulationandsoon．Firstofall，thepresentsituationandbroadprospectofphotovoltaicindustryathomeandabroadareintroduced．Thetopologyandworkingprincipleofgrid-connectedinvertercircuitareanalyzedindetail．AndthedesignideasandprocessesofthefiltersonbothDCandACsidesarediscussed；moreover,theformulasofthekeyparametersofthemaincircuitarederived．Next，thecurrentandvoltagedualclosed-loopcontrolbasedonsoftwarealgorithmsofDSPischosenbyanalyzingthedeficienciesofvoltagecontrolandcurrentcontro1．ThearithmeticofincrementalconductanceofMPPTofgrid-connectedsystemrealizesthetrackingofMPPTbycomparingwithseveralmethodsofMPPTofgrid-connectedsystem．APLL(PhaseLockedLoop)isneededinordertokeepthesamefrequencyandphasesynchronoustothegrid．Inthispaper,theSPLL(softPLL)principleisanalyzedindetail，thedesignschemeandsoftwareflowchartsaregivenbasedonpracticalsystem．Then，themeaningsandthecriteriaoftheanti-islandingareexplainedandthecausesanddisadvantagesofanti-islandingareanalyzed．Andittriestoprovethenecessitytoaddprotectionofanti—islandinginthispaper．Theactiveandpassivedetectingmethodsofanti—islandingareanalyzed；moreover,theanti-islandingofactivefrequencydriftmethodissimulatedandconfirmedbyMATLAB．Finally,accordingtotherequirementofsystemdesign，thegrid-connectedinvertercontrolcircuit，drivecircuitandprotectioncircuitaredesignedingreatdetailandasampleof3kWgrid-connectedphotovoltaicgeneratorbasedonDSPisdesignedandmade．Testresultsshowthatthecontrolstrategyandthedesignedcircuitcansatisfythedesignrequestsandthesystemcanworksafelyandstably．Keywordsphotovoltaicinverter；DSPmaximumpowerpointtrackingsoftPLLanti—islanding目錄摘要 IAbstract II緒論 11光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介 31.1國內(nèi)外光伏發(fā)電現(xiàn)狀 31.1.1世界光伏發(fā)電現(xiàn)狀 31.1.2我國光伏發(fā)電現(xiàn)狀 31.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介 41.2.1獨立系統(tǒng) 51.2.2并網(wǎng)系統(tǒng) 61.3課題的主要研究內(nèi)容 61.3.1主要研究內(nèi)容 61.3.2逆變器的性能指標(biāo) 72光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的設(shè)計與研究 82.1系統(tǒng)組成 82.2逆變主電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 82.3全橋逆變電路的工作原理 102.4逆變電路開關(guān)器件選擇 112.5逆變電路的吸收保護(hù) 122.5.1直流側(cè)電容的選擇 122.5.2逆變器輸出濾波電路設(shè)計 123光伏逆變器的控制系統(tǒng)分析與電路設(shè)計 143.1并網(wǎng)逆變器的控制實現(xiàn) 143.2并網(wǎng)逆變器輸出控制 153.3逆變電源控制方法 153.3.1電壓反饋控制 153.3.2電流反饋控制 163.3.3基于DSP的PWM電流電壓雙環(huán)控制 173.4MPPT控制方法 183.4.1太陽能電池輸出特性 183.4.2太陽能電池的最大功率點跟蹤方法的研究 203.4.3最大功率點跟蹤方法的實現(xiàn) 213.5逆變器控制電路設(shè)計 223.5.1DSP電源設(shè)計 223.5.2A／D轉(zhuǎn)換電路 223.5.3SPWM信號發(fā)生電路 233.5.4逆變器驅(qū)動電路 233.5.5CAN通信電路 244光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島效應(yīng)的仿真實驗研究…………254.1孤島效應(yīng)的分析………………………254.2孤島效應(yīng)檢測仿真實驗………………26結(jié)論 28致謝 29參考文獻(xiàn) 30緒論21世紀(jì)，人類將面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在環(huán)境污染和資源短缺的雙重制約下，能源問題更加突出，而太陽能具有儲量大、普遍存在、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點，因此太陽能的利用越來越受到人們的廣泛重視，成為理想的替代能源。中國的常規(guī)能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，約為世界總儲量10%。從長遠(yuǎn)來看，太陽能將是未來人類主要能源來源，可以無限期的使用，因此世界上許多發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家都十分重視太陽能在未來能源供應(yīng)中的重要作用。太陽能開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展很快，特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機(jī)有力的促進(jìn)了太陽能的開發(fā)和利用。經(jīng)過半個世紀(jì)努力，太陽能光熱利用技術(shù)及其企業(yè)異軍突起，成為能源工業(yè)的一支生力軍。利用太陽能的方式很多，主要有太陽能發(fā)電，太陽能熱利用，太陽能動力利用等，出于電能是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的直接能源，因此太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能是太陽能利用中的最具有前景景的方式，而太陽能光伏發(fā)電是最重要的形式。太陽能光伏發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比具有下列優(yōu)點：⑴數(shù)量巨大。每年到達(dá)地球表面的太陽輻射能約為18x1014t標(biāo)準(zhǔn)煤，即約為目前全世界所消費的各種能量總和的lxl04倍。⑵清潔干凈。太陽能安全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染，不損害生態(tài)環(huán)境，是當(dāng)之無愧的清潔能源。⑶獲取方便。太陽能分布廣泛，既不需開采和挖掘，又不用運輸，對解決邊遠(yuǎn)山區(qū)以及交通不便的鄉(xiāng)村、海島的能源供應(yīng)具有很大的優(yōu)越性。⑷時間長久。只要有太陽，就有太陽輻射能，因此是取之不盡，用之不竭的能源。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)計，2020年光伏發(fā)電在世界電力生產(chǎn)中所占比例將達(dá)1％左右，2050年約占25％?？梢詳嘌裕夥l(fā)電正在快速進(jìn)入電力能源結(jié)構(gòu)，并且將逐步成為其重要的組成部分。誰掌握了可再生能源和太陽能發(fā)電技術(shù)，誰就掌握了未來發(fā)展的主動權(quán)。1光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介1.1國內(nèi)外光伏發(fā)電現(xiàn)狀1.1.1世界光伏發(fā)電現(xiàn)狀世界光伏發(fā)電正在由邊遠(yuǎn)農(nóng)村和特殊應(yīng)用向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑結(jié)合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電己由補(bǔ)充能源向替代能源過渡。近幾年，世界光伏發(fā)電市場發(fā)展迅速。近10年太陽能電池組件的年平均增長率為33％，近5年的平均增長率為43％，2004年比上一年增長61．2％，光伏發(fā)電已成為當(dāng)今發(fā)展最迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。2004年世界光伏電池組件產(chǎn)量達(dá)到1200MW，其中日本生產(chǎn)610MW，歐洲320MW，美國135MW，其他國家135MW。2004年世界光伏系統(tǒng)的總裝機(jī)容量超過4GW?，F(xiàn)在世界實力大國都制定了雄心勃勃的光伏發(fā)電近期發(fā)展規(guī)劃：到20lO年日本計劃累計裝機(jī)容量將達(dá)到5GWp，歐盟3GWp(其中德國2.7GWp)，美國4.7GWp，澳大利亞0.75GWp，印度、中國等發(fā)展中國家估計為1.5～2GWp。統(tǒng)計資料表明至2010年，世界光伏系統(tǒng)累計裝機(jī)容量預(yù)計將達(dá)至14～16GWp。世界光伏發(fā)展目標(biāo)見表1-1。1.1.2我國光伏發(fā)電現(xiàn)狀中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，90年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時期。太陽電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。到2005年底，中國光伏電池總產(chǎn)量超過250MW，光伏組件總產(chǎn)量超過400MW。中國光伏發(fā)電市場的發(fā)展為：90年代初期，光伏發(fā)電主要應(yīng)用在通信和工業(yè)領(lǐng)域，包括微波中繼站、衛(wèi)星通信地面站、程控電話交換機(jī)、水閘和石油管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)等。從1995年丌始主要應(yīng)用在特殊應(yīng)用領(lǐng)域和邊遠(yuǎn)地區(qū)，逐步建立了較大型的光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)，建成各種規(guī)模的縣、鄉(xiāng)、村級光伏電站40多座，推廣應(yīng)用家用光伏電源系統(tǒng)約15萬套。2000年以后，中國的光伏技術(shù)已步入大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電階段，開始建造100kWp級的光伏并網(wǎng)示范系統(tǒng)。雖然我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，但與世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相比，國內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)還處于規(guī)模小、基礎(chǔ)薄弱的階段，應(yīng)用市場不夠穩(wěn)定，同時還缺乏長期穩(wěn)定的激勵政策和長效發(fā)展機(jī)制；太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用還不多；光伏系統(tǒng)和相關(guān)部件的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平還有待進(jìn)一步提高；光伏發(fā)電成本還需不斷降低。在2004年10月中國可再生能源發(fā)展項目辦公室所作《中國光伏產(chǎn)業(yè)研究報告》中，對國內(nèi)太陽級多晶硅的描述是“我國光伏專用太陽級硅材料的研制和生產(chǎn)是空白”。在系統(tǒng)工程方面，由于受到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多種因素的制約，許多具有市場潛力的應(yīng)用領(lǐng)域，光伏或風(fēng)一光一柴互補(bǔ)電站系統(tǒng)、光伏海水淡化系統(tǒng)、太陽能水泵滴灌工程、太陽能電動車、光伏制氧系統(tǒng)以及較大規(guī)模的光伏并網(wǎng)發(fā)電等都還沒有真正發(fā)展起來。因此，我國的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)還有大量工作亟待完成。國家（地區(qū)）2010年2020年2030年日本53072歐盟31530美國4.71525其它國家31023總計15.77070表1-1世界光伏發(fā)展目標(biāo)(累計裝機(jī)容量，GWp)1.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按與電力系統(tǒng)的關(guān)系分類，通常分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與常規(guī)電力系統(tǒng)相連而獨立運行的發(fā)電系統(tǒng)，通常建設(shè)在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)或作為野外移動式便攜電源。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電力系統(tǒng)連接在一起的光伏發(fā)電系統(tǒng)，像其他類型發(fā)電站一樣，可為電力系統(tǒng)提供有功和無功電能。1.2.1獨立系統(tǒng)獨立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)載的種類、用途的不同，系統(tǒng)的構(gòu)成也不同。獨立系統(tǒng)一般都由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、逆變器以及負(fù)載（直流負(fù)載、交流負(fù)載)等構(gòu)成。其工作原理是：如果負(fù)載為直流負(fù)載，太陽能電池的電力可以直接供給直流負(fù)載；如果為交流負(fù)載太陽能電池的電力則通過逆變器將直流變換成交流后供給交流負(fù)載。蓄電池則用來儲存電能，當(dāng)夜間、陰雨天等太陽能電池?zé)o法供電或供電不足時，則由蓄電池向負(fù)載供電。圖1-2獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立系統(tǒng)由于負(fù)載只有太陽能光伏系統(tǒng)供電，且太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電受諸如日照、溫度等氣象條件的影響，因此當(dāng)供給負(fù)載的電力不足時需要適用蓄電池來解決這一問題。由于太陽能電池發(fā)電為直流，一般可直接接用于直流負(fù)載。當(dāng)負(fù)載為交流時，還需要適用逆變器，將直流變成交流供給交流負(fù)載。由于蓄電池在充放電時會出現(xiàn)損壞且維護(hù)檢修成本較高，因此，獨立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般容量較小，主要用于時鐘、無線機(jī)、路標(biāo)以及山區(qū)無電地區(qū)等領(lǐng)域。1.2.2并網(wǎng)系統(tǒng)圖1-3并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實質(zhì)上與其它類型的發(fā)電站一樣，可為整個電力系統(tǒng)提供電能，與獨立運行的太陽能光伏電站相比，并入大電網(wǎng)可以給太陽能光伏發(fā)電帶來諸多好處。首先，不必考慮負(fù)載供電的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量問題；其次，光伏電池可以始終運行在最大功率點處，由大電網(wǎng)來接納太陽能所發(fā)出的全部電能，提高了太陽能發(fā)電的效率；再其次，省略了蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，降低了蓄電池充放電過程中的能量損失，免除了由于存在蓄電池而帶來的運行與維護(hù)費用，同時也消除了處理廢舊蓄電池帶來的間接污染。并網(wǎng)光伏逆變系統(tǒng)由光伏陣列、變換器和控制器組成，如圖1-3所示，變換器將光伏電池發(fā)出的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中，控制器控制光伏電池最大功率點跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的波形和功率，使向電網(wǎng)轉(zhuǎn)送的功率與光伏陣列所發(fā)的最大功率電能相平衡。1.3課題的主要研究內(nèi)容1.3.1逆變器的性能指標(biāo)(1)額定功率3kW，峰值功率4kW：(2)并網(wǎng)電氣方式：單相二線制；(3)額定輸出電壓：AC220V；(4)電能轉(zhuǎn)換效率(額定)：=93％；(5)絕緣方式：工頻絕緣變壓器；(6)MPPT控制范圍：DCl35～350V；(7)保護(hù)功能：“孤島”保護(hù)、過流、過壓、過熱、太陽能電池欠壓保護(hù)；(8)質(zhì)量：=10kg：(9)安裝場所：室內(nèi)。1.3.2主要研究內(nèi)容通過對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較為深入的理論分析和研究，主要關(guān)鍵技術(shù)如下：(1)高功率密度無源諧振軟開關(guān)全橋逆變器主電路拓?fù)涞难芯浚?2)基于TMS320ULF407ADSP的逆變器空間矢量控制算法及其全數(shù)字化控制研究；(3)太陽能電池伏一安曲線與逆變器最大功率跟蹤技術(shù)之間耦合關(guān)系研究；(4)基于DSP的軟件鎖相環(huán)設(shè)計與限脈沖響應(yīng)法鎖相環(huán)算法的研究；(5)采用主動頻率偏移法實現(xiàn)逆變器“孤島”保護(hù)功能的研究。2光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的設(shè)計與研究逆變技術(shù)是一門實用技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，大量高功率開光器件相繼出現(xiàn)，可以滿足各行各業(yè)對逆變技術(shù)的需求，逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。2.1系統(tǒng)組成光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池、主電路、控制電路和負(fù)載組成。主電路包括DC／DC電路、DC／AC電路、濾波電路和隔離變壓器?？刂齐娐凡捎肈SP作為主控單元，其中還包括逆變器的SPWM信號發(fā)生、閉環(huán)控制和最大功率點跟蹤電路。本章將著重介紹逆變器的主電路，對逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選取合適的電路結(jié)構(gòu)以及開關(guān)器件。光伏系統(tǒng)的控制電路將在下一章再做介紹。2.2逆變主電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常單相電壓型逆變器主要分為推挽式、半橋和全橋逆變電路三種。這三種方式根據(jù)其不同的特點應(yīng)用于不同的場合。推挽式逆變電路的主電路簡單，如圖2-1所示。只需要兩個開關(guān)管，基極驅(qū)動電路不需要隔離，驅(qū)動電路比較簡單，但是開關(guān)管需要承受2倍的線路峰值電壓，所以適合于低輸入電壓的場合應(yīng)用。同時變壓器存在偏磁現(xiàn)象，初級繞組有中心抽頭，流過的電流有效值和銅損較大，初級繞阻兩部分應(yīng)緊密耦合，繞制工藝復(fù)雜。圖2-1單相推挽式逆變電路與推挽式逆變電路相比半橋式逆變器在電路中所使用的功率開關(guān)晶體管的耐壓要求較低，決不會超過線路峰值電壓，其次，晶體管的飽和壓降也減少到最小，不在是重要的影響因素。再者，對其輸入濾波電容使用電壓的要求也較低。由于半橋逆變電路的特殊結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，其不存在直流偏磁問題，可以廣泛應(yīng)用于數(shù)百瓦一數(shù)千瓦的開關(guān)電源中。但是其晶體管導(dǎo)通時，集電極電流增加一倍，電流的增大的局限性對于中、小功率的開關(guān)電源來說，不會構(gòu)成影響，但是對于大功率的開關(guān)電源，由于能夠承受高電壓，大電流的晶體管價格昂貴，就難以實現(xiàn)了。圖2-2單相半橋逆變器全橋式逆變電路既保持了半橋式逆變電路的電壓性質(zhì)有兼有推挽式的電流性質(zhì)。在逆變電路中，采用相同電壓、電流容量的開關(guān)器件時，全橋式逆變電路可以達(dá)到最大功率輸出，因此該電路常用于中大功率電源中，電路結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。并且與半橋式逆變電路相比，它具有較好的逆變輸出波形。圖2-4單相全橋式逆變電路所以本文設(shè)計的單相光伏并網(wǎng)逆變器采用全橋逆變電路，如圖2-4所示，功率器件VT1～VT4組成逆變橋，VD1～VD4是對應(yīng)的反并聯(lián)二極管。單相光伏并網(wǎng)逆變電源是將太陽電池發(fā)出的直流電變換為正弦波交流電，經(jīng)過隔離變壓器后輸送到電網(wǎng)。在逆變器運行過程中，本文采用帶有電流、電壓瞬時值反饋的單極性控制SPWM控制方案。2.3全橋逆變電路的工作原理在圖2-4所示電路中，首先令VT2和VT3的控制電壓UG2和UG3為負(fù)值，使VT2和VT3截止；令VTl和VT4的控制電壓UG1和UG4為正值，使VTl和VT4導(dǎo)通，如圖2．5中tl～t2時間段。在t1時刻，VT1和VT4導(dǎo)通，電流的流通路徑為：E+→VTl→變壓器初級→VT4→E-。如果忽略VTl和VT4導(dǎo)通后的管壓降，則變壓器初級電壓為Uin=E，變壓器次級電壓為Uout=EN2／N1(N1、N2分別為T的初級、次級匝數(shù))。在t2時刻，VTl和VT4關(guān)斷，此后四個功率開關(guān)器件均截止。圖2-5控制電壓及輸出電壓波形在t3時刻，VT2和VT3導(dǎo)通，電流的流通路徑為：E+→VT3→變壓器初級→VT2→E-。在忽略VT2和VT3的導(dǎo)通壓降情況下，變壓器初級電壓Uin=-E，變壓器次級電壓Uout=-EN2／N1。在t4時刻，VT2和VT3關(guān)斷，此后四個功率開關(guān)器件均截止。電路按照上述方式工作，則可在變壓器次級獲得交變的電壓，從而實現(xiàn)直流變交流的功能。2.4逆變電路開關(guān)器件選擇在逆變系統(tǒng)中要求系統(tǒng)的響應(yīng)快，保護(hù)功能強(qiáng)，可靠性高，對于逆變電路來說，開關(guān)器件應(yīng)該具有合適的導(dǎo)通電流、關(guān)斷承受反壓以及盡量小的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷時的拖尾電流、盡量短的開通和關(guān)斷時間、盡量小的開關(guān)損耗和可靠穩(wěn)定的導(dǎo)通和關(guān)斷性能。目前，新型的IPM智能模塊以優(yōu)良的性能越來越得到人們的賞識。IPM智能模塊內(nèi)部具有低功耗、軟開關(guān)、高性能及擁有過熱保護(hù)的高可靠性IGBT，內(nèi)置有過電流保護(hù)、短路保護(hù)、控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)及外部輸出報警端口。用這樣的模塊做逆變器的功率器件，能夠大大簡化了硬件電路的設(shè)計，縮小電源的體積，簡化了接線，大大縮短開發(fā)周期。所以本次設(shè)計選用三菱公司出產(chǎn)的IPM模塊。IPM模塊的型號選擇可以從器件的電壓等級和電流等級兩方面加以考慮。橋式逆變器的最大輸入電壓為400V，所以各開關(guān)管所承受的最高電壓為400V，考慮電壓尖峰和電壓裕量，可選擇耐壓為600V的器件等級。逆變器輸出的額定功率為3000W，輸出電流峰值為20A，隔離變壓器變比為1：l，考慮到系統(tǒng)的余量，則逆變橋中每只IGBT中耐流值為30A以上。所以本次設(shè)計選用IPM模塊的型號為PM200CLA60，他的耐壓值和耐流值分別為600V和200A。2.5逆變電路的吸收保護(hù)2.5.1直流側(cè)電容的選擇對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)電容器的選擇需要滿足下式試中P——太陽能電池陣輸出功率，取3kWK——波紋系數(shù)，取0.1U——直流母線電壓，取400VW——電網(wǎng)角頻率，取314取C=2200，采用500V／2200的電解電容。2.5.2逆變器輸出濾波電路設(shè)計濾波器是影響輸出波形質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)，在輸入電壓和輸出電壓確定的情況下，輸出濾波電感的最小值主要由設(shè)定的電感電流紋波大小來決定。電流紋波一般取15％～20％的額定電流。本文取18％設(shè)計，輸出為220V／3kVA，逆變器效率設(shè)為95％，可得：式中——紋波電流——紋波電流系數(shù)——輸出功率——輸出電壓有效值為了確保電網(wǎng)電壓波動時，逆變器能向電網(wǎng)中有效回饋電流，取=400V，關(guān)頻率fc=20000kHz，=2.53A得電感和電容構(gòu)成的LC低通濾波器，對高于其諧振頻率的高次諧波將以40dB／decade衰減，設(shè)計其諧振頻率為基波頻率的10～20倍，取12。式中f——基波頻率取電感為2mH，電容為40uF。3光伏逆變器的控制系統(tǒng)分析與電路設(shè)計逆變器的控制系統(tǒng)部分是逆變器設(shè)計的重點部分，采用先進(jìn)的控制技術(shù)是提高逆變電源性能不可或缺的方法。包括逆變器輸出電壓、電流采樣和濾波，正弦波發(fā)生，輸出波形控制，接收功率器件發(fā)出的過流、過壓等保護(hù)信號，實現(xiàn)自動保護(hù)功能等等。3.1并網(wǎng)逆變器的控制實現(xiàn)隨著逆變電源對輸出波形質(zhì)量的不斷提高，傳統(tǒng)的模擬控制型正弦波逆變器已經(jīng)漸漸的不能滿足用戶的要求，同時，隨著各種高性能微處理器的出現(xiàn)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，使逆變電源的數(shù)字控制成為可能，圖3-1為以DSP為控制核心的逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。與傳統(tǒng)的模擬控制方式相比，采用DSP為核心的控制方法具有如下特點：(1)控制靈活、方便，可以在線設(shè)置參數(shù)，實時完善系統(tǒng)。(2)易于采用先進(jìn)的控制方法和控制策略，使逆變器的性能更完美。(3)可以應(yīng)用通訊接口實現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)或與上位機(jī)的通訊，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。(4)用軟件實現(xiàn)不同功能，減少硬件電路。(5)系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力進(jìn)一步提高。圖3-1逆變器控制系纜結(jié)構(gòu)框圖3.2并網(wǎng)逆變器輸出控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池板發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電，從而向用戶以及電網(wǎng)供電的一個裝置。并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)為：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的、高品質(zhì)的正弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻、同相，同時希望通過調(diào)節(jié)輸出電流的幅值使光伏陣列工作在最大功率點。目前逆變器的輸出控制模式主要有兩種：電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為受控量，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號，整個系統(tǒng)相當(dāng)于一個內(nèi)阻很小的受控電壓源；電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為受控目標(biāo)，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電流信號，整個系統(tǒng)相當(dāng)于一個內(nèi)阻較大的受控電流源。由于電網(wǎng)可視為容量無窮大的交流電壓源，如果光伏并網(wǎng)逆變器輸出采用電壓控制，則實際上就是一個電壓源與電壓源并聯(lián)運行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，就必須采用鎖相控制技術(shù)以實現(xiàn)與市電同步。在穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，可通過調(diào)整逆變器輸出電壓的大小和相移來控制系統(tǒng)的有功輸出和無功輸出，但是這種控制方式逆變器輸出電壓值不易精確控制，并且可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，不易獲得優(yōu)異性能。3.3逆變電源控制方法3.3.1電壓反饋控制電壓反饋控制技術(shù)是以輸出電壓作為控制對象，其控制原理如圖3-2所示。將逆變器輸出電壓Uout與基準(zhǔn)電壓相比較后得到誤差Ue，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與三角載波信號經(jīng)過比較器比較，產(chǎn)生占空比變化的SPWM信號去驅(qū)動逆變器，這是電壓型控制技術(shù)的基本原理。圖3-2電壓瞬時值反饋原理框圖如果反饋采用輸出電壓的平均值與一個電壓平均值基準(zhǔn)相比較進(jìn)行的控制叫做電壓平均值反饋控制；而如果反饋電壓為輸出電壓的瞬時值，與一個電壓瞬時值基準(zhǔn)進(jìn)行比較實現(xiàn)的控制稱為電壓瞬時值反饋控制。這兩種控制策略中，電壓平均值控制是恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其優(yōu)點是輸出可以達(dá)到無靜差，缺點為是響應(yīng)快速性較差，而電壓瞬時值反饋控制策略是一個隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于積分環(huán)節(jié)存在的相位滯后，系統(tǒng)不可能達(dá)到無靜差，但相對平均值反饋控制，其快速性較好。電壓型反饋控制設(shè)計和分析較為簡單，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但當(dāng)輸入電源電壓、負(fù)載、功率電路元器件參數(shù)發(fā)生變化時，只有等到輸出電壓變化后才能起到調(diào)節(jié)作用，故其動態(tài)響應(yīng)較慢。3.3.2電流反饋控制電流反饋控制是一種新穎的控制方法，具有其獨特的優(yōu)點。對于電壓型的電流反饋系統(tǒng)，當(dāng)交流側(cè)電壓發(fā)生波動時，若PWM開關(guān)頻率固定，則電流跟蹤偏差大小也發(fā)生波動。然而當(dāng)交流側(cè)電壓發(fā)生波動的同時，若PWM的開關(guān)頻率也作相應(yīng)的波動時，則電流跟蹤的偏差幾乎不變。滯環(huán)控制是一種應(yīng)用廣泛的閉環(huán)電流反饋控制方法，其主要優(yōu)點是響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。圖3-3為采用滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式原理圖。圖中將指令電流和實際并網(wǎng)電流，進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，該PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路控制功率器件的通斷，從而控制并網(wǎng)電流的變化。圖3-3采剛滯環(huán)比較器的電流瞬時值比較原理圖電流滯環(huán)跟蹤控制方式特點有：系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)：由于電流反饋作用，當(dāng)輸入直流電壓波動或負(fù)載突變引起輸出電壓變化時，都將引起電感電流的變化，使功率器件的開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生變化，從而改變輸出電壓波形。系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性：前述具有電壓單環(huán)反饋控制系統(tǒng)是一個二階系統(tǒng)，是一種有條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，需要對電路作精心的校正設(shè)計；相反具有電流單環(huán)反饋控制系統(tǒng)則是一個一階系統(tǒng)，是一種無條件穩(wěn)定系統(tǒng)。電流型全橋電路容易產(chǎn)生失控：電流脈寬不等固然可以維持電感端壓的伏秒值平衡。但卻會導(dǎo)致電容電荷的安秒值不平衡，在全橋電路結(jié)構(gòu)中，這種不平衡會導(dǎo)致直流側(cè)分壓電容端壓不等，電源中點漂移，惡性循環(huán)的結(jié)果將使電路失控。開關(guān)頻率不固定：由于器件的開關(guān)點完全取決于電流到達(dá)上下限值的時間，因此滯環(huán)控制的開關(guān)頻率并不固定，這與電壓型控制下載波頻率恒定的PWM控制有很大不同。由于開關(guān)頻率是變化的，電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜特性變差，所有這些對系統(tǒng)性能都是不利的。除了上面介紹的電流滯環(huán)跟蹤控制法，還有很多電流型控制策略的電路拓?fù)?，例如，定時控制的電流瞬時值比較法，三角波比較方式的電流跟蹤法等等，在此就不在詳細(xì)介紹。3.3.3基于DSP的PWM電流電壓雙環(huán)控制單獨的采用電壓控制和電流控制都有其各自的不足，而采用電壓電流多環(huán)瞬時值控制方案的逆變器，因為其輸出電壓波形質(zhì)量好、控制簡單及動態(tài)響應(yīng)好等特點，受到了人們很大的關(guān)注。目前采用較多的瞬時值控制一般采用雙環(huán)反饋，其外環(huán)為輸出電壓反饋，電壓調(diào)節(jié)器一般采用比例積分(PI)形式，其輸出作為內(nèi)環(huán)的給定，內(nèi)環(huán)為瞬時值電流反饋。雙閉環(huán)控制方案中的電流內(nèi)環(huán)加大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減少，非線性負(fù)載適應(yīng)能力增強(qiáng)。電壓外環(huán)采用瞬時值反饋，對輸出電壓的瞬時誤差給出調(diào)節(jié)信號，該信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)后作為電流控制給定L，電流內(nèi)環(huán)由電感電流或電容電流瞬時值與電流給定，，比較產(chǎn)生誤差信號，經(jīng)PI調(diào)節(jié)，所得信號與三角形載波比較后產(chǎn)生SPWM信號控制功率管的開通。在實際應(yīng)用中采用電流內(nèi)環(huán)之外還設(shè)置電壓外環(huán)的目的在于對不同負(fù)載實現(xiàn)給定電流值的自動控制，電壓瞬時值外環(huán)能及時、快速的校正輸出電壓波形，使系統(tǒng)在各種負(fù)載情況下均具有良好的電壓輸出波形。3.4MPPT控制方法太陽能電池昂貴的價格限制了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在努力降低制造成本的同時，但是如何使太陽能電池的輸出功率最大化一直是人們研究的熱點。3.4.1太陽能電池輸出特性如圖3-4所示，I-U特性是指在某一確定的同照強(qiáng)度和溫度下，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系I-U特性曲線表明：太陽能電池既非恒壓源，也非恒流源，它不可能為負(fù)載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相對恒定，最終在大于某一個電壓之后，電流迅速下降至零。圖3-4太陽能電池的I-U特性曲線圖中Isc——在給定溫度照度下所能輸出的最大電流Uoc——在給定溫度照度下所能輸出的最大電壓Im——在給定溫度照度下最大功率點對應(yīng)的電流Um——在給定溫度照度下最大功率點對應(yīng)的電壓Pm——在給定溫度照度下所能輸出的最大功率，Pm=Um×Im影響太陽能電池的輸出特性的主要因素為日照強(qiáng)度和表面溫度。當(dāng)溫度不變時，日照強(qiáng)度發(fā)生改變時太陽能電池的I-U曲線見圖3-5(a)，其中P-U曲線見圖3-5(b)。由此兩圖中可知當(dāng)表面溫度不變?nèi)照諒?qiáng)度增加時，其短路電流ISC幾乎與日照強(qiáng)度成正比地增加，而太陽能電池的開路電壓UOC隨著日照強(qiáng)度的增大而略微增加，所以其輸出功率與最大功率點會隨之改變。同照強(qiáng)度的增加，總體效果會造成太陽能電池的輸出功率增加。當(dāng)同照強(qiáng)度不變而溫度發(fā)生改變時太陽能電池的I-U曲線如圖3-6(a)，P-U曲線如圖3-6(b)。由這兩個圖可知，當(dāng)同照強(qiáng)度不變表面溫度升高時，太陽電池開路電壓UOC下降，短路電流ISC則輕微增大。表面溫度的升高，總體效果會造成太陽能電池的輸出功率下降。太陽能發(fā)電系統(tǒng)要求太陽能電池能夠始終工作在當(dāng)前環(huán)境下的最大功率點，以最大效率的輸出功率，但是由于太陽能電池在不同表面溫度和同照強(qiáng)度下的輸出特性不同，并且輸出功率隨著工作電壓的改變而改變，因此需要對太陽能電池進(jìn)行最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking，MPPT)。圖3-5不同日照強(qiáng)度下太陽能電池的I-U，P-U曲線圖3-6不同溫度下太陽能電池的I-U，P-U曲線3.4.2太陽能電池的最大功率點跟蹤方法的研究(1)恒定電壓跟蹤法(CVT)恒定電壓法是一種最直接的最大功率跟蹤方法，在太陽能電池溫度一定時，光伏電池的輸出P-U曲線上最大功率點電壓幾乎分布在一個固定電壓值的兩側(cè)。因此，CVT控制法思路即是將光伏電池輸出電壓控制在該電壓處，此時光伏電池在整個工作過程中將近似工作在最大功率點處。采用CVT控制的優(yōu)點是可以很方便地通過硬件或者軟件實現(xiàn)，具有控制簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但是這種跟蹤方式忽略了溫度對太陽電池開路電壓和輸出功率的影響，CVT方式并不能在所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤最大功率，即當(dāng)系統(tǒng)外界環(huán)境條件改變時，對最大功率點變化適應(yīng)性差。(2)擾動觀察法（P&O）鑒于CVT控制的局限性，擾動觀察法能有效地解決這一問題。它通過對太陽電池輸出電壓、電流的檢測，得到電池當(dāng)前的輸出功率，再將它與前一時刻的記憶功率相比較，從而確定給定電壓調(diào)整的方向。若△P>0，說明參考電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來的方向調(diào)整；若△P<0，則說明參考電壓調(diào)整的方向錯誤，需要改變調(diào)整的方向。采用擾動觀察法的優(yōu)點是控制思路簡單，實現(xiàn)較為方便，可實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤，提高系統(tǒng)的利用效率。但其缺點是穩(wěn)態(tài)時只能在最大功率點附近振蕩運行；存在著因功率跟蹤過程中非單調(diào)性造成的誤差；存在著因自身算法的不嚴(yán)謹(jǐn)，而在日照強(qiáng)度變化時產(chǎn)生跟蹤錯誤。除了以上兩種方法，最大功率點跟蹤的方法還有很多：最優(yōu)梯度法、滯環(huán)比較法、間歇掃描法、實時監(jiān)控法、模糊控制法等等。這些方法都各具優(yōu)缺點，這罩就不再詳細(xì)介紹。3.4.3最大功率點跟蹤方法的實現(xiàn)本文采用電導(dǎo)增量法來實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟隨，雖然此方法對硬件要求較高，其算法在跟蹤的過程中需花費相當(dāng)多的時間去執(zhí)行A／D轉(zhuǎn)換，但這對現(xiàn)在的快速DSP芯片來說已不成為問題。電導(dǎo)增量法最大的優(yōu)點，是當(dāng)太陽電池上的照度產(chǎn)生變化和表面溫度產(chǎn)生變化時，可以始終向后級負(fù)載提供最大功率，并同時滿足快速和高精度的要求。該子程序在周期中斷罩面實現(xiàn)，其程序流程圖如圖3-7所示。圖3-7電導(dǎo)增量法的控制流程圖圖3-7中，通過采樣電壓、電流值UPV，IPV然后計算當(dāng)前的功率PPV,再判斷電壓差值是否為零?(因后面做除法時分母不得為零)若為零則再判斷電流差值是否為零?若都為零則表示阻抗一致，擾動值UREF不變。若電壓差值為零，電流差值不為零，則表示光照強(qiáng)度有變化，電流差值大于零UREF值增加；電流差值小于零UREF值減少。再來討論電壓差值不為零時，若成立則表示功率曲線斜率為零(達(dá)最大功率點)，若電導(dǎo)變化量大于負(fù)電導(dǎo)值，則表示功率曲線斜率為正，UREF值將增加，反之UREF值將減少。3.5逆變器控制電路設(shè)計逆變器的控制電路是采用TMS320LF2407ADSP作為主控單元，其中還包括電流電壓采樣電路、SPWM電路、IPM驅(qū)動電路和CAN控制器通信電路。3.5.1DSP電源設(shè)計TMS320LF2407ADSP芯片采用高性能靜態(tài)COMS技術(shù)，使得供電電壓降到3．3V，而不是通常單片機(jī)所使用的5V電源，減少了控制器的損耗。而現(xiàn)在常規(guī)的電源系統(tǒng)都是5V電源，所以需要一個DC／DC轉(zhuǎn)換電路將5V電源轉(zhuǎn)換為可以給DSP使用的3．3V電源。本文采用TPS7333Q芯片將5V的直流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3．3V直流電供給DSP。3.5.2A／D轉(zhuǎn)換電路(1)DSP基準(zhǔn)電源TMS320LF2407A的A／D轉(zhuǎn)換模塊電源電壓為DSP的供電電壓，一般—如轉(zhuǎn)換參考基準(zhǔn)電壓也不大于3.3V。本次設(shè)計選用MAXIM公司的MAX6003為A仍轉(zhuǎn)換建立參考基準(zhǔn)電壓。MAX6003精度為1％，溫度系數(shù)為100ppm／C，適用溫度范圍40℃～85℃，輸出電壓為3.000V。由于A／D轉(zhuǎn)換的參考基準(zhǔn)電壓為3.0V,因此采樣模擬信號要處理調(diào)整成0～3V范圍內(nèi)的電壓信號，然后再輸入到模擬輸入通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(2)并網(wǎng)電流側(cè)電流采樣電路采樣并網(wǎng)輸出交流側(cè)的電流，電流信號首先要轉(zhuǎn)換成電壓信號才能對其進(jìn)行處理。所以我們此次選用深圳迦威公司生產(chǎn)的CSK3-100A的霍爾電流互感器，他可以將所采集到的電流直接轉(zhuǎn)化為-4～+4V的電壓信號，從而減少使用串聯(lián)電阻所引起的人為損耗。再通過精密電壓放大器INAll4，電壓偏執(zhí)1.5V后，并使其輸出電壓滿足A／D轉(zhuǎn)換所允許的電壓范圍O～3V。(3)直流輸入電壓采樣電路前端的輸入電壓為直流電壓，其采樣無需外加直流電壓偏置，但仍要保證采集的電壓在0～3V以內(nèi)。本文選用森社電子生產(chǎn)的CHV-25P霍爾電壓傳感器，其輸出范圍為0～5V，我們采用分壓電阻3VR2使其采集到的電壓信號控制在0～3V之間。A／D轉(zhuǎn)換電路模塊還包括市電電壓采樣電路、并網(wǎng)電壓平均值采樣電路、太陽能電池輸出電流和電壓以及電壓和電流的相位檢測電路，這些電流電壓采集電路都和以上所介紹的電路基本類似，在此就不在詳細(xì)介紹。3.5.3SPWM信號發(fā)生電路TMS320LF2407A共有兩個事件管理模塊(EVA,EVB)，共能控制輸出16路PWM信號。由于設(shè)計中只需控制逆變器的4個IGBT，因此只用到其中一個事件管理模塊(EVA)的4路PWM信號：PWMl-PWM4，其余8路留作擴(kuò)展。要產(chǎn)生一個PWM信號，需要一個合適的定時器來重復(fù)產(chǎn)生一個與PWM周期相同的計數(shù)周期，一個比較寄存器保持著調(diào)制值。比較寄存器的值不斷地與定時計數(shù)器的值相比較，當(dāng)兩個值匹配時，在相應(yīng)的輸出上就會產(chǎn)生一個變換(從高到低或從低到高)。當(dāng)兩個值之間的第一個匹配產(chǎn)生或一個定時周期結(jié)束時，相映的輸出上會產(chǎn)生又一個轉(zhuǎn)換(從低到高或從高到低)。在每個定時器周期中，這個過程都會出現(xiàn)，但每次比較寄存器中的調(diào)制值是不同的，這要由控制軟件根據(jù)每個采樣周期的反饋量實時計算得到。這樣在相應(yīng)的輸出引腳就會產(chǎn)生一個PWM信號。詳細(xì)的PWM的產(chǎn)生過程將在控制軟件的實現(xiàn)中進(jìn)一步闡述。3.5.4逆變器驅(qū)動電路本次設(shè)計使用的IPM模塊是使用IGBT作為功率開關(guān)元件，IGBT的驅(qū)動條件與其特性密切相關(guān)。在設(shè)計門極驅(qū)動電路時應(yīng)特別注意開通特性，負(fù)載短路能力和誤觸發(fā)等問題。對驅(qū)動電路總的要求包括以下方面：(1)IGBT是電壓驅(qū)動，具有一個2.5～5.0V的開啟電壓，有一個容性輸入阻抗，因此，IGBT對柵極電荷集聚敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短；(2)用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容放電，以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小，IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能夠提供足夠的功率；(3)GBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護(hù)功能，并有極強(qiáng)的抗干擾能力。DSP芯片輸出的PWM信號驅(qū)動能力相當(dāng)弱，不能直接驅(qū)動各功率管，必須先將此信號送入到驅(qū)動電路，經(jīng)電氣隔離及放大后再去驅(qū)動功率器件IPM模塊。本文選用了TLP250高速光耦作為放大隔離芯片。TLP250輸出采用推拉結(jié)構(gòu)，最大輸出電流為1.5A，開關(guān)頻率最高可達(dá)25kHz，上升沿和下降沿時問只有150ns，隔離電壓可達(dá)2500V。3.5.5CAN通信電路CAN(ControllerAreaNetwork)臣P控制器區(qū)域網(wǎng)，是主要用于各種設(shè)備監(jiān)測及控制的一種網(wǎng)絡(luò)。CAN具有獨特的設(shè)計思想，良好的功能特性和極高的可靠性，現(xiàn)場抗干擾能力強(qiáng)。與傳統(tǒng)的通信方法(232、485串口通信)相比CAN具有如下特點：結(jié)構(gòu)簡單，只有兩根線與外部相連，且內(nèi)部含有錯誤探測和管理模塊；通信方式靈活，可以多主方式工作；直接通信距離最大可達(dá)10km，最高通信速率可達(dá)1Mb／s；CAN采用CRC檢驗并可提供錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。為了保障逆變系統(tǒng)的正常運行而且可以實時的查看系統(tǒng)運行時的各種狀態(tài)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的智能化管理，系統(tǒng)設(shè)計中加入了通信電路模塊。本文設(shè)計中采用DSP中的CAN通信接口。在實驗過程中，可以把控制系統(tǒng)與上位機(jī)相連，將系統(tǒng)運行過程中的各個單元的狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，以便設(shè)計人員及時找到系統(tǒng)的不足加以改正。同時加入通信接口也是為了以后多臺逆變系統(tǒng)并機(jī)運行，共同并網(wǎng)發(fā)電時系統(tǒng)之間傳輸一個統(tǒng)一的輸出控制，保證各個并聯(lián)的逆變系統(tǒng)均流輸出。4光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島效應(yīng)的仿真實驗研究4.1孤島效應(yīng)的分析孤島效應(yīng)是當(dāng)電網(wǎng)的部分線路因故障或維修停電時，停電線路由所連的并網(wǎng)系統(tǒng)繼續(xù)供電，并連同周圍負(fù)載構(gòu)成一個自給供電的孤島情況。孤島效應(yīng)的檢測和防止一般是通過監(jiān)控并網(wǎng)系統(tǒng)輸出端電壓的幅值和頻率實現(xiàn)的。當(dāng)電網(wǎng)斷開時，由于并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率和負(fù)載功率之間的差異會引起并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓的幅值或頻率發(fā)生相當(dāng)?shù)母淖?，這樣通過監(jiān)控系統(tǒng)輸出的電壓就可以很方便地檢測出孤島效應(yīng)。然而，當(dāng)負(fù)載消耗的功率與光伏系統(tǒng)相匹配的時候，通過這種被動的檢測方法檢測孤島效應(yīng)就會變得困難。當(dāng)有許多光伏系統(tǒng)同時向電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電時，甚至很多主動檢測的方法也失去了效果。實際并網(wǎng)系統(tǒng)中，雖然發(fā)生孤島效應(yīng)的概率不高，但在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模越來越大的情況下，這種可能性仍然存在。逆變器并網(wǎng)運行時，輸出電壓是由電網(wǎng)電壓控制的，并網(wǎng)逆變器能控制的只是并網(wǎng)電流，包括電流幅值、相位和頻率。其中頻率和相位與電網(wǎng)電壓相同，實際系統(tǒng)中一般都是通過與公共耦合點電壓過零點同步來實現(xiàn)的，幅值都是根據(jù)實際系統(tǒng)來可調(diào)的。因為在研究孤島檢測技術(shù)時，關(guān)心的只是逆變電源的輸出特性。所以，在研究孤島檢測技術(shù)時，逆變電源可以等效為一個幅值可調(diào)、頻率和相位都跟蹤電網(wǎng)的受控電流源。孤島效應(yīng)的檢測和防止一般是通過監(jiān)控并網(wǎng)系統(tǒng)輸出端電壓的幅值和頻率實現(xiàn)的。當(dāng)電網(wǎng)斷電時，通常由于并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率和負(fù)載功率之間的巨大差異會引起系統(tǒng)輸出電壓的幅值或頻率發(fā)生很大改變，這樣通過監(jiān)控系統(tǒng)輸出的電壓可以很方便地檢測出孤島效應(yīng)。圖4-1是用于檢測并網(wǎng)逆變器孤島效應(yīng)的示意圖，它由光伏并網(wǎng)系統(tǒng)、本地負(fù)載(使用并聯(lián)的RLC電路組成)以及電網(wǎng)組成。圖4-1逆變器孤島效應(yīng)示意圖4.2孤島效應(yīng)檢測仿真實驗根據(jù)本文設(shè)計的系統(tǒng)，選用主動頻率偏移法來檢測孤島效應(yīng)。通過周期性擾動系統(tǒng)輸出電壓頻率，當(dāng)電網(wǎng)斷電時，由于沒有固定的電網(wǎng)頻率，整個系統(tǒng)的輸出頻將一直升高，最終導(dǎo)致超過頻率保護(hù)的上限值。在此，我們每個周期給輸出電壓0．IHz的擾動。整個系統(tǒng)的反孤島效應(yīng)的仿真圖如圖4-2所示。圖4-2孤島仿真模型圖4-3反孤島效應(yīng)仿真結(jié)果圖從結(jié)果我們可以看出，系統(tǒng)在0．1s與電網(wǎng)斷開后，輸出電壓由于沒有電網(wǎng)的穩(wěn)定頻率，導(dǎo)致頻率越來越大，經(jīng)過lOOms達(dá)到50．5Hz，此時系統(tǒng)的高頻保護(hù)將檢測出系統(tǒng)的頻率異常，而將并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)斷開。結(jié)論本文針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的核心問題，對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上建立起一套相對完善的光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器實驗平臺?，F(xiàn)將本文的主要研究工作總結(jié)如下：(1)分析了全橋逆變電路的工作原理，研究了直流側(cè)和交流側(cè)濾波器的設(shè)計依據(jù)，推導(dǎo)并提供了主電路關(guān)鍵參數(shù)的計算公式。(2)針對逆變器并網(wǎng)運行特點，結(jié)合電流控制和電壓控制的優(yōu)點，選用基于DSP的PWM電流電壓雙閉環(huán)控制方法。(3)研究了太陽能電池伏．安曲線與逆變器最大功率跟蹤技術(shù)之間耦合關(guān)系，選用電導(dǎo)增量法來實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤。(4)選用主動頻率偏移法作為本系統(tǒng)的孤島防止方法，并用MATLAB7．0中Simulink仿真工具對該方法進(jìn)行了仿真。從仿真結(jié)果可知，此方法能夠達(dá)到反孤島。根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計要求，開發(fā)了基于TMS320LF2407ADSP芯片并網(wǎng)逆變器樣機(jī)，對其硬件電路及軟件程序進(jìn)行了分模塊調(diào)試，給出了實驗結(jié)果。通過分析實驗波形，證明了所設(shè)計的樣機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計思想、實際應(yīng)用上都是可行的。但一些功能和參數(shù)方面仍需許多實驗進(jìn)一步驗證和完善，有待于后續(xù)者進(jìn)一步研究和改進(jìn)。致謝首先我要由衷地感謝我的導(dǎo)師武漢理工大學(xué)張立炎副教授，本文是張老師的精心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下完成的。在最后一學(xué)期期間里，張老師一直在學(xué)習(xí)、科研、生活各個方面都給予我極大的關(guān)懷。在論文的選題、研究方向和研究方案的確立以及撰寫的過程中，始終凝聚著張立炎副教授的悉心指導(dǎo)和親切教誨。導(dǎo)師為人和藹而不失嚴(yán)格，其淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的責(zé)任心、精益求精的工作作風(fēng)、豐富的實踐經(jīng)驗給我留下了深刻的印象，半年里一直是激發(fā)我奮發(fā)向上的動力源泉。在此，謹(jǐn)向?qū)煆埩⒀赘苯淌诒硎局孕牡母兄x和崇高的敬意!在課題準(zhǔn)備和研究過程中，還得到了郭磊老師、徐春燕老師、梅秋艷老師的熱心指點，為論文的撰寫打下了堅實的基礎(chǔ)。對幾位老師在百忙之中給予的無私幫助表示深深的謝意。此外，還要感謝季凱健等同學(xué)的幫助和支持，和你們分享的不僅僅是學(xué)習(xí)的進(jìn)步，同時還有生活中的快樂。在這一學(xué)期的時間里他們在生活中始終給予了我無微不至的關(guān)心、鼓勵我專心完成學(xué)業(yè)。他們一直是我精神上不竭的動力。感謝所有幫助過我的老師們、同學(xué)們和朋友們!參考文獻(xiàn)[1]李春鵬，張廷元，周封．太陽能光伏發(fā)電綜述．電工材料.2006，(3)：45-47.[2]馬勝紅，趙玉文．光伏發(fā)電在我國電力能源結(jié)構(gòu)中的戰(zhàn)略地位和未來發(fā)展向．太陽能.2005，(4)：10-16.[3]M．AGREEN．ThirdGenerationPhotovoltaicsComparativeEvaluationofAdvancedSolarConverSionOptions，29mIEEEPhotovoltaicSpecialistsConL2002：39-43.[4]王長貴．新能源和可再生能源的現(xiàn)狀和展望．太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇論文集.2003.(9)：4-7.[5]蔡宣三．太陽能光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢．電力電子.2007，(2)：3-6.[6]楊軍．太陽能光伏發(fā)電前景展望．沿海企業(yè)與科技.2005，(8)：37-42.[7]車孝軒．太陽能光伏系統(tǒng)概論．武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.[8]H．C．MAO．ReviewofHigh-performanceThree-phasePower-Factorcorrectioncircuits．IEEETIE，1997，(4)：437-6.[9]郭沽，丁麗，劉向陽．太陽能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢．許呂學(xué)院學(xué)報.2006，(3)：13-19.[10]張耀明．中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與前景．能源研究與利用.2007，(1)：51-54.[11]X.S.CAI.AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy．RenewableNnrgiesPresent&Future.2005,24(1):25-28.[12]李文婷，劉宏，陳慧玲．國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電發(fā)展綜述．青海電力.2004，(12)：17-21.[13]宮白強(qiáng)，季福坤．我國太陽能應(yīng)用的可行性分析．華北航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報.2000，10(1)：31-34.[14]唐征岐，虞輝．太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)．上海電力.2008，(2)：111-114.[15]楊忠．太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢．金陵科技學(xué)院學(xué)報.2008,(2)：11-14.基于C8051F單片機(jī)直流電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)