（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp2812的光伏并网逆变器研究与设计.pdf

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o r d e rs i n g l e - p h a s es p w mm o d u l a t i o n 2 4 3 2 1a n a l y s i so f t h i r d - o r d e rs i n g l e p h a s es p w mm o d u l a t i o n 2 7 i i i 山东大学硕士学位论文 3 2 3s i n g l e p h a s ep vi n v e r t e r 、加mt h eo v e r a l ld e s i g no f t h em a i nc i r c u i t 2 9 ： 3p h o t o v o l t a i ci n v e r t e r sl o c km e t h o d 2 9 3 3 1i n v e r t e r sc o m m o nd i g i t a ll o c km e t h o d 3 0 3 3 2t h eg r i dl o c km e t h o do f t h i sp a p e r 3 2 ：；4a n t i - i s l a n d i n gd e t e c t i o no f g r i d 3 6 3 4 1i s l a n d i n ge f f e c t 3 6 3 4 2i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d 3 7 ：；4 3a n t i - i s l a n d i n gd e t e c t i o ns y s t e mm o d e l 3 8 3 4 4a n t i i s l a n d i n gd e t e c t i o no f g r i d 3 9 3 5i n v e r t e rw i t hd o u b l e l o o pc o n t r o la n dc i r c u i ti m p l e m e n t a t i o n 4 2 3 6i n v e r t e rw i t hp r o t o t y p eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n 4 6 3 6 1d e s i g no fd s pc o n t r o lb o a r dc i r c u i t 4 6 3 6 2e x t e r n a ls i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i tb o a r dd e s i g n 5 0 3 7s u m m a r y 5 2 c h a p t e r4t h r e e p h a s ep h o t o v o l t a i ci n v e r t e rd e s i g n 5 4 4 1a n a l y s i so f t h r e e p h a s ei n v e r t e rm a i nc i r c u i t 5 4 4 1 1 t h em a i nc i r c u i tt o p o l o g y 5 4 4 1 2t h r e e - p h a s ei n v e r t e r 、玑t ht h ec o n t r o ls t r a t e g y 5 6 4 1 3t h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e rd qm o d e l 5 8 4 2t h r e e - p h a s ei n v e r t e rw i t hh a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n 6 0 4 2 1h a l f o f t h ed i g i t a ls i g n a l sc o n t r o lb o a r dc i r c u i td e s i g n 6 0 4 2 2i g b td r i v e rc i r c u i t 6 2 4 3s u m m a r y 6 3 c h a p t e r5s u m m a r ya n do u t l o o k 6 4 5 1s u m m a r y 6 4 5 2p r o s p e c t 6 5 r e f e i 江玎呵c e s 6 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 ( ) 山东大学硕士学位论文 摘要 随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，寻找一种储备大、无污染的新能 源已经成为世界各国的重要战略计划。太阳能作为当今最环保的能源之一，已经 得到了人类越来越广泛的应用。本文以最大限度利用太阳能、把高质量电能回馈 电网为主要目标，来研究和设计光伏并网逆变器，具有重要的现实意义。光伏并 网逆变器是整个光伏并网发电系统中必不可少的一部分，其效率的高低、输出电 能的质量和可靠性的好坏将直接影响整个光伏发电系统的性能和投资。 本论文来源于某公司全数字化光伏并网逆变器的研制项目，主要研究内容是 数字化并网逆变器的开发。在项目开发的过程中完成了以下工作内容。 首先，对太阳能光伏电池板的数学模型进行了分析，并详细阐述了光伏电池 板的伏安特性和最大功率点。在分析光伏电池板不同日照、不同温度下输出特性 的基础上介绍了几种常用的最大功率点跟踪控制方法，对几种方法进行了详细的 对比和分析，给出了几种方法的优缺点。在结合自身研发的实际情况下提出了本 文的m p p t 算法基于输入电压环的功率扰动法，并进行了整机实验，取得了 较好的跟踪效果。 其次，分析和研究了单相和三相逆变器主电路的拓扑结构，并根据现在主流 的研究方向，选择了较为先进的带变压器单级能量回馈结构，即只采用d c a c 逆变部分，通过隔离变压器来完成部分升降压的功能。研究并确定了逆变器输 出电流的控制方式，并最终确定了光伏并网逆变器研发的总体方案。 再次，在单相全数字控制并网逆变器的设计中，详细分析和研究了并网逆变 器的两个技术难点：数字锁相和反孤岛检测，并提出了本文所采用的数字锁相算 法和反孤岛检测算法。在三相半数字化并网逆变器的设计中，与单相逆变器的不 同点进行了分析，研究了三相逆变器特有的d q 变换法，并进行了仿真分析。 最后，本文以t i 公司的数字处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主控芯片，设计了控 制电路、外围检测电路、驱动电路，并制作了实验样机，进行了整机实验。采用 数字化控制器必定会造成控制上的时间延迟和相位滞后，为了减小这一影响，本 文采用了不对称采样方式，有效地避免了采样过程中的数据混叠，减少了采样的 时间延迟。在进行硬件电路设计过程中详细介绍了控制部分的设计方法。采用这 山东大学硕士学位论文 一方法后控制部分的精度和抗干扰能力得到了显著提高。 论文最后给出了样机实验结果，验证了所提出的控制策略的有效性，并且对 所作的工作进行了总结和展望。 关键词：最大功率点跟踪；数字锁相；反孤岛检测；d s p ：并网逆变器 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h eg r o w i n ge n e r g ys h o r t a g e s ，l o o k i n gf o ran e we n e r g yo fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n dp o l l u t i o n - f r e eh a sb e c o m ea l li m p o r t a n ts t r a t e g i cp l a nf o rt h ew o r l d s o l a re n e r g ya so n eo ft h em o s te n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y , h a sb e e nm o r ea n dm o r e w i d e l yu s e d i nt h i sp a p e r , t h em a x i m u m u s eo fs o l a re n e r g ya n dg r i d d i n gq u a l i t y e l e c t r i c i t yb a c kt ot h em a i nr e s e a r c hg o a lt od e s i g na n dd e v e l o pp h o t o v o l t a i ci n v e r t e r h a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e p h o t o v o l t a i ci n v e r t e ri sa l li n t e g r a lp a r to ft h e o u t p u tp o w e rq u a l i t yo ft h ep vp o w e rs y s t e m ，a n di t sr e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f g o o do r b a dw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e ma n di n v e s t m e n t t h i st h e s i sc o m e sf r o mac o m p a n y sw i d ed i g i t a lp h o t o v o l t a i ci n v e r t e rp r o j e c t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti st h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a li n v e r t e r c o m p l e t et h e f o l l o w i n gw o r ke l e m e n t si nt h ep r o j e c td e v e l o p m e n t f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs o l a rp h o t o v o l t a i cp a n e l s i sa n a l y z e da n d d e s c r i b e di nd e t a i lt h ev o l t am e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fp vp a n e l sa n dt h em a x i m u m p o w e rp o i n t o nt h eb a s i so fa n a l y s i s i n go fp vp a n e l si nt h ed i f f e r e n ts u n l i g h ta t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，w ei n t r o d u c es o m ec o m m o n l yu s e dm a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g c o n t r o lm e t h o d ，s e v e r a lm e t h o d s w e r ec o m p a r e da n da n a l y z e dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lm e t h o d si sg i v e n i nt h el i g h to fo u ro w n r & do ft h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h em p p ta l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i sp a p e rb a s e do n t h ep o w e ri n p u tv o l t a g el o o pp e r t u r b a t i o nm e t h o d ，a n dm a c h i n ee x p e r i m e n t sc a r r i e d o u tt oo b t a i nab e a e rt r a c k i n gp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，t h ea n a l y s i sa n ds t u d yt h et o p o l o g yo ft h es i n g l e - p h a s ea n dt h r e e p h a s e i n v e r t e rm a i nc i r c u i ta n di na c c o r d a n e ew i t hc u r r e n tm a i n s t r e a mr e s e a r c hd i r e c t i o n c h o o s eam o r ea d v a n c e ds i n g l e s t a g ep o w e rt r a n s f o r m e r 、 ，i maf e e d b a c ks t r u c t u r e ， t h a ti s ，o n l yu s ed c a ci n v e r t e rs e c t i o nt h r o u g ht h ei s o l a t i o nt r a n s f o r m e rt oc o m p l e t e t h ep a r to ft h eb u c k b o o s tf e a t u r e c o n f i r m e dt h e i n v e r t e ro u t p u tc u r r e n tc o n t r o l m e t h o d ，a n dd e t e r m i n e dt h ep h o t o v o l t a i ci n v e r t e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m t h i r d l y , i nt h ed e s i g no ft h es i n g l e p h a s ei n v e r t e rc o n t r o la n dn e t w o r k ，d e t a i l e d i i i 山东大学硕士学位论文 a n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h et w ot e c h n i c a lp r o b l e mo ft h ei n v e r t e r ：d i g i t a ll o c ka n d a n t i i s l a n d i n gd e t e c t i o n ，a n dg a v et h ef i g u r e su s e dt h el o c ka l g o r i t h ma n dt h e a n t i - i s l a n d i n gd e t e c t i o na l g o r i t h mi nt h i sa r t i c l e i nt h et h r e e p h a s eh a l f - g r i di n v e r t e r d i g i t a ld e s i g n ，t h es i n g l e p h a s ei n v e r t e rw i t hd i f f e r e n tp o i n t sw a sa n a l y z e dt os t u d y t h eu n i q u et h r e e p h a s ei n v e r t e rd qt r a n s f o r m a t i o n ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i s f i n a l l y , u s i n gt h et ic o m p a n y st m s 3 2 0 f 2 8 12d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc h i pa s t h em a i nc h i pd e s i g n e dt h ec o n t r o lc i r c u i t ，t h ee x t e r n a ld e t e c t i o nc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i t 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及提出 第1 章绪论 随着世界人口持续增长和经济不断发展，能源供应的需求量日益增加，而在 目前的能源消费结构中，主要还是煤炭、石油和天然气等化石燃料。而据世界卫 生组织估计，到2 0 6 0 年全球人口将达到1 0 0 亿1 l o 亿，如果到时所有人的能源 消费量都达到今天发达国家的平均水平，则所有的石油、天然气、煤炭和铀将在 而后的4 0 年消耗殆尽n 一1 。世界化石燃料的供应正在面临严重短缺的局面。然而， 太阳能相比于化石燃料取之不尽、用之不竭，太阳能光伏发电又具有不产生任何 废弃物，没有污染、噪声等优点，是解决能源危机行之有效的办法。 太阳能电池板的光伏转换直接实现了光能到电能的变换。而随着半导体技术 的高速发展，光伏发电的成本降低空间巨大，而且通过大批量生产可以实现更高 效的生产流程和更廉价的生产成本。2 0 0 5 年，由于硅材料缺乏，光伏发电设备 出厂价在3 欧元左右口3 。这几年随着硅产量的增加，价格下降了不少。现在市场 上的太阳能电池板的价格大约在1 0 - 2 0 人民币w 。由于光伏发电的成本在逐年降 低，而且能源问题也迫在眉睫，所以许多大规模的光伏发电站和光伏发电系统估 计将在未来几年建造起来。但因为仅仅由太阳能电池板发出的电只是一个功率不 稳定且电能质量较差的直流电，这样的电能很难运用到社会的各个领域，更加不 方便传输。所以，高校和许多技术企业都在积极进行光伏并网逆变器的研究和开 发，将电池板发出的直流电逆变成可以并入国家电网的大功率高质量电能送入予 家万户，真正的解决能源问题呻，。 1 1 1 光伏并网逆变器市场前景分析 进入二十一世纪以来，随着科技的进步和工业的加速发展，地球资源的消耗 日益加剧。根据美国能源部能源情报署国际能源展望2 0 0 4 ) ) 基准状态预测， 全球能源消费总量将从2 0 0 1 年的1 0 2 4 亿吨油当量增加到2 0 2 5 年1 6 2 亿吨油当 量，世界能源消费在2 0 0 1 - 2 0 2 5 年将增加5 4 。日本、欧盟等能源机构预计， 山东大学硕士学位论文 全球能源消费峰值将出现在2 0 2 0 - 2 0 3 0 年“1 。1 9 9 2 年“世界环境与发展大会 以 后，受社会可持续发展要求的推动，太阳能、风能等一系列新能源被提到了人类 山东大学硕士学位论文 1 1 2 国内外光伏并网逆变器发展现状 逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能 光伏发电系统中的一个重要部件。随着电力电子技术的发展，逆变技术从交直流 发电机的旋转逆变技术，发展到2 0 世纪7 0 年代晶闸管逆变技术，进而到2 1 世 纪的逆变技术多数采用了m o s f e t 、i g b t 、i g c t 、m c t 等多种先进且易于控制的功 率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制或是更先进的数字信号处 理器d s p 控制。对比国内外光伏并网逆变器发展状况可知，在国外并网型逆变器 已经可以作为比较成熟的产品推向市场，像德国著名的全球光伏领域领导企业 s m a 就推出了很多市场化的产品( 如s u n n yb o y 系列) ，而且除欧洲的科技强国 外，美国、日本等国家也已经实现了并网逆变器的产品化阻1 。现在逆变器的最大 功率点跟踪和逆变器逆变环部分相集成的单级能量变换成为了研究的热点。小功 率的逆变器开发已经越来越受到人们的重视，在这些小功率逆变器中，其控制电 路主要采用数字控制( d s p 等) ，系统的安全性、可靠性和扩展性都有了更高的 要求。而在国内并网逆变器的研究主要集中在基于最大功率点追踪及逆变部分相 分离的两级能量变换结构，同时能够推向市场的逆变器并不多见，只有少数几家 有较为成熟的产品，如合肥阳光。换而言之，在我国光伏并网系统并未真正意义 上实现商业化，所以目前所建立的并网系统多数是和国外逆变器厂家合作。因此， 在光伏行业蓬勃发展的潮流中，开发拥有自主知识产权的全数字控制高质量光伏 并网逆变器是国内企业技术突破和革新的重点。谁越早的拥有领先的技术谁就能 更早更多的占有市场份额。 1 2 光伏发电系统的组成部分 光伏发电系统分为离网型太阳能光伏发电系统和并网型光伏发电系统1 。因 为本文主要的内容是光伏并网逆变器的研究，也是当下光伏发电的主流和技术研 发重点，所以先简要介绍一下离网型光伏系统的组成，重点介绍并网型光伏发电 系统的组成部分。 离网型光伏发电系统分为直流系统、交流系统和混合系统等几种。其主要区 别是整个系统中是否有d c a c 环节( 即逆变器) 。所以一般来说，离网光伏发电 山东大学硕士学位论文 系统主要由太阳能光伏电池方阵、光伏控制器( b u c k b o o s t ) 、储能设备( 蓄电池 组或超级电容) 、d c a c 逆变器、远程监控设备等部分组成。三种类型的离网光 伏发电系统的组成框图如1 1 ，1 2 ，1 3 所示。 图1 - 1 离网型交流系统 图1 - 2 离网型直流系统 图1 - 3 离网型混合系统 并网型光伏发电系统可分为集中式大型并网光伏发电系统( 如各种大型的并 网光伏电站) 和分布式小型并网光伏系统( 如普通家用光伏并网系统) 两大类伽。 而根据并网光伏系统是否配置储能装置，又可分为有储能装置和无储能装置的并 网光伏发电系统。有储能装置的主动性较强，当出现电网限电、掉电、停电等情 况仍可正常供电，可以当作u p s 使用瞄1 。但是储能设备的体积较大并且价格不菲， 各种大型并网光伏电站都采用无储能系统，因此除特殊场合需要的话一般市场上 的并网型光伏系统都是采用无储能装置系统。综合上述情况来说，并网型光伏发 电系统主要由太阳能光伏电池方阵、直流汇流箱、防雷系统、并网逆变器、电网 4 山东大学硕士学位论文 侧配电系统、远程监控设备等部分组成。( 其中直流汇流箱、电网侧配电系统可 根据情况取舍，也可将除太阳能光伏电池方阵的部分统称为光伏并网逆变系统。) 组成框图由1 4 所示： 太阳能 光伏电池 方阵( 1 ) 太阳能 直 防 并 电 光伏电池 流 雷 网 网 交 侧 流 方阵( 2 ) 逆配 汇 系电 o 变 电 o 流 统 系 网 o 箱 器 统 太阳能 r 光伏电池o 方阵( n )远程监控设备 图i - 4光伏并网逆变系统组成框图 1 2 1 太阳能光伏电池方阵 光伏电池单体是光电转换的最小单元，实际上是一块半导体二极管。它是将 杂质填入半导体构成的p n 结，通常使用的单晶硅包含一个原子和四个价电子。 当光照射到半导体上时，在区间内产生电子空穴对，导致带电载流子数目倍增， 这些充电载流子受到内建电场的吸引在空间电荷区内流动，在p n 结逐渐形成一 个光生电场口3 。当光伏电池两端接上负载后，将会有电流流过从而消耗功率。 一般的光伏电池单体尺寸在2 x 2c m 2 到1 5 x 1 5c m 2 之间。光伏电池单体的工作 电压约为0 4 5 - 0 5 v ，工作电流约为2 0 - 2 5 m a c m 2 ，一般不能直接作为电源使用。 将光伏电池单体进行串联和并联并封装后，就成为了太阳能光伏电池组件，其功 率从几瓦到几百瓦不等。光伏电池组件再经过串并联并固定，就变成了光伏电池 方阵，可以用于光伏并网逆变器的功率输入。通过导线连接的光伏电池单体被密 封成光伏电池组件，组成的光伏电池方阵具有一定的防腐、防雨、防风、防雹等 能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要的电压和电流较高时，可以 通过防反二极管和直流汇流箱将光伏电池组件就行适当的配备，就可以获得所需 要的电压和电流。光伏电池单体、组件和方阵简单示意图如1 5 所示 5 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 1 3 课题的提出 本课题来源于山东省博奥斯电源有限公司的产品开发项目：全数字光伏并网 逆变器的研制。该企业的主要产品是u p s 和低压大功率变频电源。随着全世界 普遍认识到能源危机的到来，以及国家大力扶持新能源发电，特别是光伏和风力 发电。公司看好在光伏发电方面的市场，并且全数字化控制是今后逆变电源行业 的主流。而且公司以前一直致力于u p s 和逆变电源技术的研发，在技术上有雄 厚的基础。所以，公司投入资金进行d s p 芯片控制的光伏并网逆变器的研发。 如果研发成功正式投入市场的话，可以用于大型光伏电站系统和家用小型光伏发 电系统等，不但可以缓解能源危机的压力，也可用于偏远不便于电力传输地区的 用电，而且是无污染的绿色能源，具有深远的实际意义和市场价值。 1 4 课题的任务 本课题要完成的任务是设计光伏并网逆变器。其中单相光伏并网逆变器采用 d s p 2 8 1 2 全数字控制芯片，制作出相应的样机并进行现场实验。三相并网逆变器 先采用模拟信号控制方法来设计，再进行全数字控制升级，最后再进行样机实验， 为工程应用打好基础。 具体需要完成的工作内容如下： e l , 研究单相和三相逆变电路的工作特性，提出光伏并网逆变器的主电路拓扑， 学习并掌握逆变电源设计的具体参数和方法。 b 研究太阳能光伏电池板的工作特性，确定样机采用的m p p t 算法，并进行优缺 点的比较。 c 研究并结合实习公司原有的u p s 锁相技术，提出有别于主流的光伏并网逆变 器锁相技术，并进行实验验证。 d 研究国内外的反孤岛方法，确定样机所采用的反孤岛策略，并达到国标要求。 e 逆变器的软硬件设计，p c b 板的制作和d s p 2 8 1 2 的c 语言程序的编写。 f 逆变器样机的整机调试，记录和分析相应实验数据，证明课题完成。 g 在综合国内外文献的基础上，展望光伏并网逆变器的发展方向。 7 山东大学硕士学位论文 第2 章光伏并网逆变器的最大功率点跟踪控制策略 最大功率点跟踪控制的目标是使光伏发电系统年发电量最大，实质上是一种 系统优化控制口1 。可简要概括为并网逆变器通过检测太阳能光伏电池板在外界环 境变化的情况下的输出能力而自动调节输出功率，来实现光伏系统能量的最大 化。这个特点主要是因为太阳能光伏电池板在不同外界环境情况下( 如实际日照 强度、光反射度、外部环境温度) 的非线性输出特性。 2 1 光伏电池板电学特性分析 如图2 1 为甘肃武威光伏发电站太阳能电池板照片。 ? 。鬻、孳謦搿j 擎“? j 鹘i 毒，j ? i i | 。j ， 。 ： 。1 ， j 7 。 j ；t ，譬1 。 j“，j 一 2 。 ：；j 。， j ，j _ ? 。 i 、j j “_ 二，一。 j f h ? + ；。l ： i ，| 图2 1 武威光伏发电站太阳能电池板照片 2 1 1 光伏电池板等效电路 8 ( 1 ) 理想光伏电池板等效电路 i p h l， 1 l i 寸 图2 2 理想的光伏电池板等效电路 r 山东大学硕士学位论文 当连接负载的光伏电池受到光照射时，太阳电池可看作是产生光电流i 的恒 流源，与之并联的有一个处于正偏置下的二极管，通过二极管p - n 结的漏电流i 为暗电流，是在无光照时，由于外电压作用下p - n 结内流过的电流，其方向与 光电流方向相反，会抵消部分光电流，i 表达式为： i d = i o ( e g u 州七n 一1 )( 2 1 ) 则流过负载两端的工作电流为： i = i p h id = ip h - i o ( e q u j a 姗一qp ( 2 ) 实际光伏电池板等效电路 l p h 图2 - 3 实际光伏电池板等效电路 实际运用中光伏电池板本身还有一定的内阻，一个是串联电阻，另一个是旁 路电阻。串联电阻主要是由半导体材料的体电阻、金属电极与半导体材料的接触 电阻、扩散层横向电阻以及金属电极本身的电阻等部分产生的r 。，阻值通常小 于l 欧；旁路电阻是由于电池表面污染、半导体晶体缺陷引起的边缘漏电或耗尽 区内的复合电流等原因产生的如，大小一般为几千欧n 1 1 。 在旁路电阻两端的电压为u ，= ( u + 以) ，因此流过旁路电阻r , h 的电流为 乞= ( u + 璁) 如，而流过负载的电流为： ，= 厶一厶一l = 厶一厶( p 掣_ 1 ) 一半 ( 2 - 3 ) 通过分析可以看出，光伏电池板串联电阻越小，旁路电阻越大，越是接近理 想光伏电池板，则该光伏电池