太阳能电池逆变电路毕业设计论文2

1、 2015届毕业设计说明书 太阳能电池的逆变电路设计 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 刘 应 指导教师： 龙卓珉 职称 讲师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1105 完成时间： 2015年6月4日 33摘 要太阳能作为大多数能源最开始的一种形态，在几千万甚至上亿年的积累下为人类的发展提供了的煤炭和石油等不可再生资源。这些资源需要相当长的时间才能完成太阳能对化学能的一个转变，而大部分不可再生资源在支撑社会高速发展的同时，也会在不久的将来使用殆尽。这使得人们不得不把眼光投注在其他能源上。其中，太阳能是迄今为止人们发现的储存量最大的能源。对于太阳能，我们早期只是利用了它

2、的光来照明，热来取暖。而随着光电效应的发现，继而太阳能电池的发明，对太阳能的利用提供了广阔的发展前景。可以预见，太阳能必然也会成为将来社会发展所需能源主要来源之一。太阳能作为一种新型的能源，在现代社会的应用范围越来越广泛。其中，以混合式光纤电流互感器举例，它的关键技术之一就是高压侧电子电路供电电源的问题。但是因为互感器需要的是交流电源，而太阳能电池只能提供直流电，通过太阳能电池逆变电路把太阳能电池产生的直流电逆变成交流电就可以很好地解决这个问题。太阳能逆变电路的设计将以混合式光纤电流互感器作为太阳能电池逆变电路的负载来说明太阳能电池逆变电路数字稳压控制系统的硬件实现方法。该设计设计了一个能够对

3、主逆变电路输出的交流电进行采样分析，然后再经过闭环反馈控制对逆变主电路输出进行调节的数字控制电路，这个数字控制电路可以实现太阳能逆变电路稳压控制。在经过仿真之后，证明太阳能逆变电路实现了稳压控制。关键词： 太阳能电池逆变电路；太阳能电池；混合式光纤电流互感器AbstractAs the first form of most energies, solar energy under tens of millions or even billions years of accumulation provides coal, oil and other non-renewable resources

4、 for the survival and development of human beings. These resources will take a long time to complete a transition of solar energy to chemical energy, and most non-renewable resources will also be depleted in the near future while supporting the rapid development of the society, which forces people t

5、o bet on other energies. Among them, solar energy is the energy with the largest storage which has been found. For solar energy, we just use it for lightening and heating in the early days. The discovery of the photoelectric effect and the invention of the solar cell provide broad development prospe

6、cts for use of solar energy. And it can be predicted that solar energy will inevitably become a major source of energy needed for social development in the future. Solar energy as a new source of energy is more and more widely in modern society. Among them, with the hybrid fiber current transformer

7、as an example, one of its key technologies is power supply of the electronic circuit at the high voltage side. Because the transformer needs alternating current, and the solar cell can only provide direct current, inverting the direct current generated by the solar cell into alternating current thro

8、ugh the solar inverter circuit can solve this problem. Design of solar inverter circuit will use the hybrid fiber current transformer as the load of the solar cell inverter circuit, which illustrates the implementation of the hardware of the digital voltage stability control system of the solar cell

9、 inverter. A digital control circuit which can sample and analyze the alternating current output by the main inverter circuit and adjust the main inverter circuit output through closed-loop feedback control is designed, which can achieve the voltage stability control of the solar inverter circuit. S

10、imulation shows that the solar inverter circuit can realize voltage stability control.Keywords Solar Inverter; solar batteries; hybrid fiber current transformer目 录1 绪论11.1 本课题研究的目的和意义11.2 太阳能电池逆变电路的主要应用11.3 太阳能电池的选择41.4 本课题主要研究的内容42 整体研究方案52.1 系统设计方案52.2 系统总体设计方案的确定53 逆变电路硬件设计73.1 逆变电路的整体结构和工作原理73.2

11、 逆变电源主电路设计83.3 逆变控制系统的硬件架构93.4 逆变电路的抗干扰设计154 逆变电路软件实现164.1 DSP系统软件设计164.2 系统软件设计流程图174.3 SPWM信号的产生184.4 A/D采样部分204.5 PI调节部分215 逆变电源的MATLAB仿真235.1 系统仿真模型的建立235.2 仿真结果25结束语28致谢29参考文献30附录321 绪论1.1 本课题研究的目的和意义在我国，我们通过高压输电的方式来输送电能，这使得大功率可控整流装置、非线性负荷及电力电子器件的使用不断增加。而这必然会让公用电网的波形发生较大的改变。而这对于一些对敏感度要求较高的用户来说，

12、这对他们的安全生产会带来的较大的影响。这就需要用户能够实时掌握电力系统的各方面状态以便在影响生产生活之前做出应变。要实时掌握电力系统的各方面的状态，必然是需要对电力系统下各个环节进行检测和监控。一般采用的方法使用电流互感器来对电路的电流采样，通过采样电流来确定电路是否正常。而随着科技的发展，一般的电流互感器已经不能满足要求，人们需要更小，更轻，更简单，更方便，更强的抗干扰性的产品，而现在光纤通信技术的慢慢成熟正好可以满足人们的需要，光纤电流互感器也就应运而生。拥有诸多优点的光纤电流互感器必然会成为电网监测的主要手段。光纤电流互感器有两种。一种是全光纤型，它的双折射效应会引文环境因素变化而产生变

13、化，从而对整个系统精度都会产生影响。另外一种是混合型光纤电流互感器，混合型因为要把电压信号转换成数字信号再转为光信号，所以需要电源。但是因为它并不需要附带的一些特殊光纤和光学元件。使得混合型电流互感器的实用程度超过了全光型。而如何解决混合型互感器高压侧的供电问题便成为了制约其发展的关键问题之一。而太阳能电池逆变电路就可以很好的解决混合型电流互感器需要有源的电子线路来提供电源的问题。1.2 太阳能电池逆变电路的主要应用根据现有资料来看，太阳能电池逆变电路主要应用于为光电式电流互感器提供能量方面，因而太阳能电池逆变电路的设计中的太阳能电池逆变电路也就主要以混合式光纤电流互感器作为其负载来进行分析和

14、研究。下面就对混合式光纤电流互感器进行简单的介绍。1.2.1 混合式光纤电流互感器的原理混合式光纤电流互感器是通过线圈对检测对象的电流信号进行采样，然后把采样到的电流信号通过光纤传送到数据处理系统。因为空心线圈相对于铁心线圈来说，不存在磁饱和的问题，这样测量的范围几乎就不会受到限制，而且在实际应用中，使用空心线圈能让传感器的精确度达到0.1%。所以普遍采用空心线圈作为电流信号采样的传感器。 图1 空心线圈如图1所示，这是Rogowski空心线圈结构图。 它的结构很简单，在一个非磁性材料的圆环上均匀地绕满线圈，这些截面积为A的线圈就组成了有N匝的空心线圈。被测电流从线圈中穿过，通过电磁感应就会在

15、空心线圈两端产生电压e，再在空心线圈两端连接一个回路，回路中就会产生电流。由公式（1）可见感应电动势和导体中流过电流的变化率成正比。 (1) 式中H 为线圈的灵敏度,。如图 2所示， Rogowski 线圈在被测电流通过会感应出电动势e。Rogowski 线圈两端与积分器相连，所感应出的电动势e会作为信号传送给积分器，图2 混合式光纤电流互感器原理图积分器把电压信号传输到发射电路，发射电路接收电压信号后处理成接收电路能够识别的频率，通过LED把这个频率信号发送给接收电路，再通过低压侧处理电路还原成所测量的电流信号。1.2.2 混合式光纤电流互感器高压侧电源的解决方法从前面对混合式光纤电流互感器

16、原理的简要介绍中可以知道，这种互感器因为需要在高压侧提供有源的电子线路，而为电子线路提供一个可靠的电源就成了制约其发展的一个关键问题。下面我们对现在普遍采用的三种方式进行分析比较（1）采用悬浮互感器的供电方式这种方法跟普通电流互感器是一个原理，使用普通铁磁式互感器通过电磁感应在高压母线上感应出交流电压，然后把感应产生的交流电压通过整流电路、滤波电路和稳压电路处理后为高压侧电路供电。该方法的缺点是母线电流会随着电力系统负荷的变化而变化。因此虽然其价格低廉，结构简单，但因为其存在死区，并且电力系统存在不稳定因素会增加供电系统的复杂性。（2）采用高压电容分压器的供电方式这种方法是通过高压电容分压器连

17、接在高压母线与地之间，从而直接在高压母线上获取电能，经过整流电路、滤波电路和稳压电路处理后为高压侧电路供电。这种方案就地解决解决了电源供应的问题。但是缺点是当电力系统出现异常情况的时候，线路电压可能会出现很大的波动导致不能供电，该方案就必须考虑备用电源(电池)，显然为了保证电源的稳定供电必然会加大系统的复杂性。（3）在高压侧利用电池解决电源问题现在可以采用蓄电池和太阳能电池这两种电池来解决这个问题。蓄电池因为本身寿命问题，加上蓄电池又不能长期连续工作。在单独作为高压侧供电电源时还是有较大缺陷。太阳能电池需要太阳能来提供能量，而太阳能在一天中会因为光强、环境温度等外界条件的变化而变化，使得太阳能

18、电池并不能持续稳定的输出。而结合太阳能电池和二次充电电池，通过太阳能电池给二次充电电池充电，二次充电电池就能持续的提供稳定的电源输出。该方案的优点就是能够提供稳定的电源，并且结构简单，易于实现。综合以上的情况，我们选择使用太阳能电池结合二次充电电池进行供电。1.2.3 混合式光纤电流互感器的关键技术问题混合式光纤电流互感器主要由高压侧供电电源系统、信号采样系统、信号传输系统、信号处理和测量控制系统四大部分组成，有以下几个关键技术问题需要解决：高压侧供电电源系统的设计，要求在提供系统所需的电源的同时也要不管在线路有什么状况的情况下都能稳定可靠的供电输出；要保证装置能够安全的运行，这涉及到了高压绝

19、缘技术和保护技术；信号传输所需要的光纤通信技术，要求在传输采样信号的同时也要能传输同步时钟信号。1.3 太阳能电池的选择 通过光电效应把光能转化为电能的一种半导体薄膜叫太阳能电池或者光电池，只要被光照到就会内部形成一个电场，从而产生输出电压。太阳能电池有很多种，其中发展最为成熟是硅太阳能电池，在实际应用中使用比较多的也是硅太阳能电池。而硅太阳能电池又根据太阳能电池中所用的硅不同分为三种：单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜。其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，太阳

20、能电池逆变电路的设计主要研究的是太阳能电池逆变电路的稳压控制方法，所以我们选择技术最为成熟的单晶硅太阳能电池。1.4 本课题主要研究的内容太阳能电池逆变电路的主要用途是为混合式光纤互感器提供高压侧的有源电子线路的工作电压，但混合式光纤互感器和电子器件工作电压都是一定的，能否提供稳定的电压就成为了衡量太阳能电池逆变电路性能的关键问题。现在一般的稳压方式有两种：数字法和模拟法。模拟法是通过模拟的电路来达到系统的要求，但是模拟电路有设计复杂，抗干扰性差，适应用性差等问题，而且一种条件就需要一个模拟电路，这些缺点就大大限制了模拟法的应用。而现在集成电子技术的以及电子计算机技术的不断成熟，在实际的系统应

21、用中数字法的使用越来越多。数字电路相比于模拟电路来说，设计更加简单，抗干扰性能也有大大的提高。通过程序进行控制的数字电路，不仅可以很方便的实现模拟电路的功能也能大多数达到模拟控制的效果。而且数字法适应性更强，对于不同的工业条件不需要改变电路结构，要达到不同的效果只需要改变相应的参数值就行。本课题主要研究的是将太阳能电池逆变电路所输出的电压值转化为数字化的数字量之后通过光纤传输回控制室，在控制室通过数字控制来实现太阳能电池逆变电路的稳压控制，使得在工业检测中太阳能电池逆变电路可以有更好的应用前景。2 整体研究方案和硬件设计本章针对太阳能电池逆变电路所需要达到的目标，以混合式光纤互感器在实际工作中

22、所需要的环境为准则，通过数字控制的方法设计出一个操作性强、稳定性强的逆变电路。不同的逆变电路对相关性能的要求也不尽相同，通过查阅相关的技术资料，进行汇总分析，设计出以下太阳能电池逆变电路的设计方案。2.1 系统设计方案太阳能电池逆变电路的主要用途是为混合式光纤互感器提供高压侧的有源电子线路的工作电压，我们将以混合式光纤电流互感器作为太阳能电池逆变电路的负载来说明光电转换电源数字稳压控制系统的硬件实现方法。太阳能电池逆变电路的设计将设计以下功能，来满足太阳能电池逆变电路给混合式光纤电路互感器提供提供的稳定的供电电源的要求。（1）具有对太阳能电池逆变电路输出电压的实时检测功能；（2）具有对整个电路

23、起保护作用的过流保护和过压保护功能；（3）具有对数字信号逻辑运算和操作的功能；（4）具有对整体电路数据实时显示的功能；（5）具有对电流、电压采样的功能；（6）具有对参数，数据等传输的同步通讯功能。2.2 元器件的选择为了太阳能电池逆变电路的输出电压能够实现稳压控制，必然需要一个控制系统。而控制系统的核心就是单片机。太阳能逆变电路的设计将在使用比较普遍的80C51单片机和DSP芯片TMS320LF2407作出选择。 80C51单片机是大学学习中接触比较多的一类单片机，它的基本组成是CPU系统，时钟系统，总线控制单元，外围单元有程序存储器和数据存储器，输入/输出口（I/O口，）特殊功能寄

24、存器。80C51的工作电压4V5.5V，拥有8K字节FLASH ROM, 4个8位并行输入口，两个16位定时器。单片机有着体积小，重量轻，价格低，耗电少等优点。TMS320LF2407采用的是哈佛结构，DSP采用了先进的哈佛结构,内部采用多总线结构和流水线的工作方式,从而大大地提高了系统的运行速度和数字信号的处理能力,还在片内集成了如A/D转换器、PWM发生器、脉冲死区发生器等外设电路,使其可以方便的应用于逆变电源的控制。采用DSP作为逆变电源的控制核心,可用软件实现逆变器灵活、精确的在线控制与全部故障监测。对比以上两种控制器，TMS320LF2407更加适合太阳能电池逆变电路的设计。2.3

25、太阳能电池逆变电路的整体结构和工作原理整体结构框架如图4所示太阳能电池逆变电路二次充电电池输出滤波采样调理TMS320LF2407单片机LCDD键盘SPWM信号产生隔离驱动图3整体结构框架整个电路有以下几部分组成：（1）电源部分。由太阳能电池通过光电转换所产生的直流电给二次充电电池充电，由二次充电电池来提供稳定的直流电输出。（2）驱动电路、保护电路以及采样调理电路。（3）DSP（数字信号处理）控制板。该部分由TMS320LF2407主板芯片为核心加上串行通行，采样电路等电路组成。能够实现单片机的通讯、输出电压采样、变频信号给定、SPWM信号输出等功能。（4）人机界面。该部分通过串行通信模块把单

26、片机(SPCE061A) 、键盘和LCD（液晶显示模块）连接在一起。键盘输入设定参考电压，单片机接收发出的指令并处理为电压信号，传输给DSP芯片，同时还要接收DSP芯片传输过来的采样所得的逆变电路输出电压信号，处理过后显示在LCD上。不仅能够直观的获得逆变电路的运行参数，也能让逆变电路按照设定的频率和波形运行。太阳能经过太阳能电池转变为直流电之后给二次充电电池充电，然后由二次充电电池供给IPM单相全桥逆变。驱动电路给逆变电路一个驱动信号，二次充电电池提供的直流电就会经过逆变电路之后变成一定电压、一定频率的交流电,在经过隔离滤波处理后供给负载。电压采样电路会对输出电压进行采样，把采样到的电压信号

27、送到DSP进行处理，在DSP中通过和设定的参考电压进行比较，如果与设定的参考电压有所偏差，为了使输出电压稳定在期望值，就要对SPWM（高频正弦脉宽调制波）进行修正，使输出的SPWM控制信号能够使逆变电路输出电压稳定。2.4 逆变电源主电路设计2.4.1主电路结构选择现在逆变主电路主要结构形式有两种：半桥式和全桥式。如图4所示： （a）半桥式 （b）全桥式 图4 两种逆变电路拓扑结构全桥式逆变电路相比于半桥式逆变电路有电压利用率高的优点,所以本系统采用全桥式逆变电路。1F2.4.2全桥式主电路设计4:6图5 主电路结构图主电路结构图如图5所示,全桥式逆变电路输出直流电压Ui，当VT1和VT4导通

28、而VT2和VT3关闭时，从正极开始经过VT4再经过N1和VT1到负极形成一个回路，此时相当与在N1两端施加了一个电压Un，并且Ui=UN，当VT2和VT3打开而VT1和VT4关闭时，从正极开始经过VT2再经过N1和VT3到负极形成一个回路，此时Ui=-Un。当逆变电路中各臂轮流通断时，在Uo就会输出一个交流方波。2.5 逆变控制系统的结构基于对太阳能电池逆变电路能够保证在正常的电压、电流、温度、绝缘性能等方面的具体指标要求，我们设计了此电路。逆变电路的控制系统如图6所示，逻辑控制电路,检测电路,保护电路,显示电路,通讯接口电路等电路以TMS320LF2407数字信号处理器为核心来达到对逆变电路

29、实现数字控制的目标。图6 控制系统结构图2.6 逆变控制系统的硬件架构 2.6.1电平转换电路GNDVoutVin0.1F0.1F0.1F0.1F0.1F0.1F0.1F530100F100F图6 电平转换电路TMS320LF2407的管脚电平是3.3V,但AD、D/A、与计算机的接口管脚电平都是5V。为了不让DSP损坏或者出现工作异常，在与AD、D/A、与计算机的接口管脚电平都是5V的器件连接时应先作电平转换。所以我们需要一个电平转换电路，如图6所示。2.6.2时钟电路在选择时钟电路时我们需要考虑逆变电路工作的频率，信号电平，时钟的沿特性，驱动能力，晶振的有源或者无源。TMS320LF240

30、7XIN芯片提供了两个时钟引脚XTAL1/CLKIN和XTAL2。其中XTAL1/CLKIN是PLL振荡器输入引脚;XTALZ是晶振、PLL振荡器输出引脚。如图7、8所示，是两个经典的时钟电路。10图7 外部振荡器时钟电路 图8 片内振荡器时钟电路0.015F0.68F图9 外部滤波环节图7是外部振荡器时钟电路,为DPS产生并提供时钟的是外部时钟频率为10MHz的有源晶体振荡器,并且其供电电源为3.3V。因此,时钟输入端XTALI可以直接与震荡器的输出端的相连接,使DSP的XTALZ脚悬空。图8是片内振荡器时钟电路,它是通过在TMS320LF2407的两个引脚之间连接一个10MHz的石英晶体，

31、来达到提供时钟的功能,因为DSP的工作频率是40M，使得内部锁相环最大可以达到4倍频率。这样做的好处是外部只需要使用较低频率的晶振,避免了外部电路干扰时钟,同时也避免了高频时钟干扰板上其他电路。这对整个电路的电磁兼容性都是有好处的。 图中两个电容取20PF。如图9所示。图中右侧部分为TMS320LF2407的PLL模块。为了使干扰影响和信号抖动最小，可以使用外部滤波器回路来抑制电磁干扰和信号的抖动。因为太阳能电池逆变电路的设计使用的是10M晶振, 2.6.3复位电路3.3V复位电路的功能是把电路回复到初始状态，类似于计算器上面的清零按钮。一般在实际的工作生产中，有两种复位。一种是上电复位，它的

32、工作原理是当给电路上电时，C14开始充电，R13出现电压，使得单片机复位，当C充满之后，电阻两端的电压降为0，也没有电流流过电阻，这个时候单片机开始工作。一种是工作中的复位，当电路处在工作中的时候，按下S1，C开始放电，在电阻上又出现电压，也产生电流从而让单片机复位。松开S1，C开始充电，当充满之后，电阻两端电压降为0，电阻没有电流通过，单片机就进入了工作状态。如图10所示。C13C140.1FR1820K330图10 复位电路2.6.4 SCI接口电路通讯电路可以把电路中的各种参数在进过处理后变为数字信号从而可以直接的在LCD显示屏上显示，这更加有利于对工作电路的运行状态的了解。TMS320

33、LF2407自身携带的SCI(串行通信接口)模块有两个外部引脚SCIRXD和SCITXD，引脚SCIRXD用于接收数据，引脚SCITXD用于发送数据。太阳能电池逆变电路采用串行通信接口标准RS232通讯协议来实现TMS320LF2407和MAX232的通讯。RS232有两种型态， DB-9 或是DB-25。太阳能电池逆变电路的设计采用的是DB-9。RS232对逻辑电平的规定是当信号无效时的电平是-3-15V,信号有效时的电平是+3+15V, 由于TMS320LF2407采用3.3V供电，因而在使用过程中会有一个电平转换的问题。所以在MAX232和TMS320LF2407之间加了TI公司提供的典

34、型电平匹配电路,整个接口电路更加精简、稳定性更高。如图11所示。10K1FC251FR2322KR121F1FR1110k图11 SCI接口电路2.6.5采样及信号调理电路R121kR15R142703.9k为了实现系统数字闭环控制，需要对信号电源的输出电压进行采样。通过VSM025A霍尔式电压传感器得到一个交流信号，因为AD转换器的输入信号必须是03.3V的信号，所以要把通过电压传感器获得的交流信号在经过调理电路后变为DSP的AD转换器可以接收的直流信号。采样调理电路如图14所示。R111kR153.9k 图12 电压采样调理电路设电压传感器的输出电压Vsout,调理电路的输出电压为VADC

35、,从图12有:VADC=(Vsout+VD)/2=1.65+Vsout/2 （2）由公式（2）可见，为了满足输入到AD口的直流信号在03.3V之间，电压传感器的输出电压幅值必须在-3.3V3.3V的范围以内。3.3.8驱动电路204.7k80100因为DSP控制单元输出的PWM电压信号远远不够开启IGBT（绝缘栅双极型晶体管）,并且DSP控制单元的输出电流也无法驱动功率管。所以必须在经过驱动电路处理过后把信号放大到能够驱动IGBT。按照安全规程，控制电路和主电路之间要加强绝缘，所以驱动电路要采取隔离措施。本系统采用的光耦隔离驱动电路可实现主电路和控制电路之间的信号连接,并且使主电路和控制电路之

36、间电气隔离。如图13所示。C11F3k图13 光耦隔离驱动电路2.6.7保护电路鉴于在数字控制的信号电源会存在一些不稳定因素可能导致输出过压而对负载造成损坏 ,需要添加过压保护系统来防止此类不稳定因素对电路效果的影响。过压保护可以使用硬件保护，也可以使用软件保护。硬件保护能在过压的瞬间马上关断功率管。而软件因为程序相应需要一定的时间，会有一定的延时。所以为了安全起见，要以硬件保护电路为主，软件电路为辅。太阳能电池逆变电路的设计的过压保护电路如图14所示。R1R2C4C310K10K1F1F 图14 过压保护电路1F1FC1C2R3R41k1k因为信号电源的输出电压为交流电,过压可能是正过压，也

37、可能是负过压。因为有两种情况，所以需要两个比较器，一个将信号电源输出电压和正的过压限定值进行比较，一个将信号电源输出电压和负的过压限定值进行比较。当输出电压不在负的过压限定值和正的过压限定值之间时，就会给DSP一个输出信号，在输出信号的驱动下，硬件会立即将事件管理器的输出置为高阻态，封锁PWM信号的输出。从而实现对电路的保护。2.7 逆变电路的抗干扰设计因为高频PWM会产生非常严重的电磁干扰，会影响检测和控制电路的检测精度和控制的准度。为了高频PWM产生的强电磁干扰不影响到以DSP为核心的数字检测和控制电路,采取了以下措施来减小干扰产生的影响。(l)从源头上控制，提高电源的精密度，使其输出控制

38、电压尽可能稳定；(2)把DSP芯片的电源上与一个0.1uF的电容并联会有效降低干扰;(3)使电路在电路板上布局合理，尽量降低电路之间的互相干扰;(4)在DSP芯片的功率保护引脚PDPlNT上并接10nF的电容,防止因受干扰使得保护误动作而封闭PWM输出。(5)尽量减小主电路的接线量，这样环线面积也会随着减小，线路中漏感的影响也会降低。3 逆变电路软件设计3.1 DSP系统软件设计为了让逆变系统的控制策略的选择与复用更加方便，采用控制算法软件化方法满足需求。在实际的应用中，需要对下位机的状态能够实时掌握，并且可以对程序实时调试，这就要求DSP芯片能把处理的信息实时传输给上位机，在上位机获取信息后

39、能在上位机进行简单的控制。而单靠硬件电路是不能实现这些目标的，还需要进行相应的软件设计。在应用中，电路中的参数会随时变化，那么为了逆变电路能过稳定的输出，相应的要对参数做出修改和调整。通过串行通信实现上位机和下位机之间的即时通讯，就可以通过上位机软件和DSP控制软件对相关参数进行修改。接收模块发送模块系统初始化模块等待中断外部模块中断输出电流采样更新显示模块SPWM运算器重复控制器定时器中断串行中断模块输出电压采样图15 DSP系统软件框图对逆变系统的控制电路的核心DSP来说，它要对接收到的数据进行大量的运算和处理工作，还要对控制电路各个环节的工作进行管理协调和监督。控制系统的任务包括系统初始

40、化，根据上位机的指令对各个参数进行更新，实时更新数据在液晶显示，在线计算正弦函数值，对DSP软件保护等诸多任务。庞大的任务量，逆变电路中的状态信息变化很快，系统对快速性要求又极高。为了能够及时控制被控制量，应该尽量缩短系统的采样周期。在设计过程中，要安排好各种模块的结构和相互间的时序配合，以及中断的优先级设置，从而满足系统的实时性要求。3.2 系统软件设计流程图3.2.1初始化模块如图16所示。通过流程图实现系统初始化各个变量参数和控制寄存器，也检验是否通过R232和上位机握手成功。YN复位禁止看门狗设置时钟模块设置事件管理设置通讯模块握手成功？设置AD模块设置I/O模块开中断初始化变量中断寄

41、存器设置主程序循环图16 系统初始化3.2.2定时器中断服务模块为了实现系统的重复控制，需要采集电压反馈信号，定时器的中断服务模块可以通过芯片内AD转换器采样得到电压反馈信号 ,上位机与定时器中断服务模块保持通信,以保证重复控制器运行参数及时更新和修正。再通过重复控制器得到相应的控制量,对PWM脉宽的调制进行控制。流程控制如图17所示。中断现场保护设置AD寄存器电压采样调用电流采样子程序读取正弦参考量误差值调用重复控制算法求重复控制器产生的控制量叠加前馈正弦参考指令控制量调用二阶数字滤波程序查表获得正弦值计算SPWM的控制量恢复现场中断返回调用脉宽限幅子程序正弦表指针处理图17 定时器中断服务

42、子程序3.3 SPWM信号的产生3.3.1事件管理模块事件管理模块包括通用定时器(GP)、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。每个240x器件都有两个事件管理模块EVA和EVB，EVA和EVB功能相同只是定时器和单元名称不同。基准正弦波发生, 三角波生成及正弦脉宽调制波SPWM产生就由事件管理模块来实现。3.3.2三角波载波的生成三角波载波的生成步骤：首先通过事件管理模块给定时器赋初值，然后给定时器周期寄存器赋值，再设置定时器技术方式为连续计数方式。三角波周期，定时器周期寄存器的值，DSP指令周期之间的关系由公式（3）可见Ta=2NTs （3） 其中三角波周期为Ta，定时器周期寄存器的值为

43、N，DSP指令周期为Ts。由事件管理模块产生SPWM的原理可知, 定时器周期寄存器的值不能小于比较单元的比较寄存器里的值,当三角波周期为20KHZ时,通过公式（3）得到定时器周期寄存器的值为1000，则比较寄存器装载的值必须小于1000;当三角波周期为10kHz,通过公式（3）得到定时器周期寄存器的值为1000，则比较寄存器装载的值必须小于2000。通过实验证明，选择使用频率为10kHz的载波三角波，能返回YNY禁止全局中断使能INT中断使能TICNT中断TICNT,TIPR,CMPR1GPTCON1，T1CONCOMCON1 赋初值使能全局中断定时器1周期中断？标志位1？查表调用周期中断子程

44、序，置标志位启动定时器N够让逆变电源输出良好的正弦电压波形。SPWM信号的产生波形图如图18。图18 驱动信号产生程序流程图3.3.3基准正弦信号生成基准正弦信号生成首先要在正弦值中采样K个点，再将K个点的值生成一个正弦数据表格存放在地址是8000H-87FFH的片外数据存储器以供调用，基准正弦信号就是通过这个正弦数据表格来实现。其中点数K必须不小于功率开关管的开关频率与信号电源输出频率的比值，在本系统中输出频率不得小于25Hz，选定的功率开关管开关频率为25kHz，由此可得点数K必须不小于1000，在保证精确的前提下，选择K为1024。3.3.4 PWM信号生成 PWM信号生成需要能够不断提

45、供与PWM周期相同数值的定时器以及保存调制值的比较寄存器，在PWM信号生成的过程中，定时器提供的计数周期和调制值进行比较，当计数周期和调制值相匹配时，SPWM输出引脚的电平就会跳变，输出的脉冲就会有一个转换，这样直到一个定时周期结束，因为比较寄存器里的调制值可以通过控制软件根据所得到的反馈量计算得出，输出脉冲的时间就可以根据逆变电路输出电压的改变来自行做出相应的调整。3.4 A/D采样部分在本系统中需要采样的有输出电压值和滤波电感电流值,采样取得这两个值后，首先通过比例环节,然后再经过DSP1的第一路通道ADCINO和第二路通道ADCIN1通道进行A/D转换。由ADCINO取样电压信号，ADC

46、IN取样电流信号，设置采样频率为10KHz。通过事件管理模块中的定时器1中断启动ADC转换。因为DSP的供电电压是0.3V，所取得的采样信号不能高于这个值，所以需要再另外添加一个电压提升电路使采样信号电压提升到1.65V。A/D采样流程图如图19所示。NYNY开始禁止INTM终端使能INT中断对T1CNT,T1CON,T1PR,GPTCONA寄存器赋值给EVAIFRA,EVAIMRA寄存器赋值对ADCTRL1,MAXCIONV,CHESLSEQ1 AD转换控制寄存器赋值使能全局中断启动定时器调用AD中断子程序启动AD转换定时周期到否AD转换结束图19 AD采样程序流程图3.5 PI调节部分3.

47、5.1采用通用的数字PI算法设送出与三角波进行比较的信号为U, 比例系数为Kp，给定基准信号为Xref，反馈信号为V，误差信号e(n)=Xrcf-V，积分系数为Kf。有公式（3）可见U(n+1)=KP*e(n)一e(n一1)+Kl*e(n)+U(n) =(Kp+Kl)*e(n)一Kp*e(n一1)+U(n) (4)3.5.2参数选择离散PI控制算法主要是对Kp、KI和采样周期T这些参数进行选择。采样周期的大小确定了是否能真实的反映系统的过渡过程，按照需求，采样时间一定要比控制对象的最小时间常数还要小，并且采样频率选择范围也要是有效信号最高频率的4到6倍之间。为了有效的降低干扰，尽量要求采样频率

48、和主要干扰的频谱有整数倍的关系。比例系数KP影响控制精度,当Kp增大时，会提高控制精度，系统反应更加灵敏。但并不是Kp的值越大越好，当Kp的值超过一定的数值的时候，这个时候系统就会容易出现不稳定的情况。积分控制系数KI的选择需要考虑到对稳态误差的消除但同时也要不影响系统的稳定性。合适的Kp和KI值需要在实验中去确定。3.5.3程序实现流程图如图22所示。Y误差初始化Kp，Ki 采样确定参数值Xref控制信号输出超限输出给定值（上下限值）返回N开 始图22 PI调节算法程序流程图4 逆变电源的MATLAB仿真本设计使用的是Mathworks公司研发的MATLAB软件，主要有矩阵运算，绘制函数/数

49、据图像等主要功能。MATLAB有着很多的附加工具箱，以及一个配套软件包Simulink。这使得MATLAB的应用范围相当广泛。本系统的仿真建模中,主要使用了Simulink和电气系统工具箱 (PowerSystemBlockset,以下简称为PSB)。SIMULINK作为MATLAB的一个配套的软件包,让MATLABDE 功能更加强大，使其拥有了一个可视化的开发环境可以用于动态系统建模、仿真动态/嵌入式系统开发等方面。而系统中所需要的常用的基本元件和系统的仿真模型就由PSB提供。PSB提供电压、电流测量模块和受控电压源、电流源来实现PSB和Simulink之间的信号传递。其中电压、电流测量模块

50、的作用是将PSB中电压、电流信号转换为simulink信号，受控电压源、电流源的作用是将Simulink信号转换为PSB中的电路信号。4.1 系统仿真模型的建立如图21所示，根据设计要求建立了一个系统仿真模型。 输出电压SPWM波 电感电流 in2out1 in1主电路模块图21 系统仿真模型控制电路仿真模型如图22所示。其中Quantizer模块分别把模拟量电流反馈系数和电压反馈系数转化为数字量，这样可以让实际的运行状态和仿真结果更加接近。为了让离散化的信号变为连续信号，加入了零阶保持器。加入了限幅模块模型，它的作用是限定调制波使其在一定范围内。图22 控制电路仿真模型图23 SPWM驱动发

51、生器模型如图23所示，根据设计要求建立了SPWM驱动发生器模型。根据双极性三角波和调制波加在比较器的方法不同，双极性三角波和调制波瞬时值的比较可以产生4个SPWM波。比较器的运行机制是把“1”端接收到的电压值和“2”端接收的电压值进行比较，当“1”接收到的波形瞬时值小于小于“2”端接收的瞬时值时，就会输出一个高电平，在这个模型中，就会输出一个正脉冲，否则的话输出就为零，这样就形成了一个SPWM波。根据在图24中位置不同，从上到下把输出的波形SPWM波分别设为SPWM1、SPWM2、SPWM3、SPWM4，由图24可得，波形SPWM1和SPWM3为互为反相.波形SPWM2、SPWM4因为调制器的

52、波形初相的位置为180°会得到两个与SPWM1和SPWM3不相同的互为反相的波形。4.2 仿真结果通过上面这些模型，对不同输出频率情况下信号电源进行了仿真，如图24所示在频率为50Hz时PWM波形能够稳定输出。图24 50HzPWM波形图25 l00HzPWM波形如图25所示在频率为100Hz时PWM波形能够稳定输出。图26 200HzPWM波形如图26所示在频率为200Hz时PWM波形能够稳定输出。图27 400Hz PWM波形如图27所示在频率为400Hz时PWM波形能够稳定输出。综上所述，在不同频率下，太阳能电池逆变电路都可以稳定输出，说明太阳能电池逆变电路能够实现稳压控制。结

53、束语太阳能电池逆变电路的设计从实际应用出发,以混合式光纤互感器为负载，对太阳能电池逆变电路设计做了详细分析。对逆变主电路的选择以及控制电路进行了详细的说明。为了更好的实现对逆变电路的监控和控制，还添加了上位机部分，工作状态和参数数据可以在液晶显示屏上一目了然。还通过一系列的抗干扰措施让整个电路更加稳定。对整个系统的稳定性和稳态误差进行了分析，从而建立了起抽象的数学模型，再根据数学模型建立了相应的仿真模型，并用MATLAB进行了系统仿真。该设计完成了包括硬件保护电路、复位电路、外部存储空间扩展、电平转换电路、信号采样调理电路、时钟电路等逆变控制电路的硬件电路。还以这些电路为基础，完成了与之相关的

54、软件设计。致谢在太阳能电池逆变电路的设计中，遇到了不少问题和困难，我能够克服这些问题和困难，完成该设计，最应该感谢的是带我们这次毕业论文的导师龙卓珉老师，在选课题的时候就对我们将选择的课题做了详细的解释，让我们有的放矢能够选择自己比较擅长的课题去做。在为毕业设计准备资料的时候，也是龙老师给我提意见让我有目的的去找相关的书籍来充实自己的资料库。在遇到不懂的地方，龙老师很有耐心的帮我分析，解答问题。没有龙老师的帮助不知道要走多少弯路。其次要感谢在整个大学期间对我有授业之恩的老师，平时的日积月累才能够让我在该设计中不至于两眼一抹黑，以平时所学为基础，加上这几个月来的对症下药的学习，才能把这篇论文写出来。最后要感谢我的同学和朋友，在论文设计的过程中，总是会有遇到困难气馁的时候，是他们的陪伴让我一次次走出情绪的低谷。在我实在遇到解决不了的问题的时候也会抽出自己做毕业设计的时间来帮我度过难关。参考文献1许扬，陆于平，卜强生，袁宇波.光纤电流互感器对保护精度和可靠性的影响分析J;电力系统自动化,2013,16Xu Yang, lu Yuping, Boqiangsheng, Yuan Yubo. Optical fiber current transformer to protect the influence of the accuracy and reliability a