光伏发电逆变器毕业设计论文

图3-6不同温度下太阳能电池的 I-U，P-U曲线太阳能电池的最大功率点跟踪方法的研究恒定电压跟踪法 (CVT)恒定电压法是一种最直接的最大功率跟踪方法，在太阳能电池温度一定时，光伏电池的输出 P-U曲线上最大功率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧。因此，CVT控制法思路即是将光伏电池输出电压控制在该电压处， 此时光伏电池在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处。采用 CVT控制的优点是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。但是这种跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压和输出功率的影响， CVT方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率，即当系统外界环境条件改变时，对最大功率点变化适应性差。扰动观察法( P&O)鉴于 CVT控制的局限性，扰动观察法能有效地解决这一问题。它通过对太阳电池输出电压、电流的检测，得到电池当前的输出功率，再将它与前一时刻的记忆功率相比较，从而确定给定电压调整的方向。若△ P>0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向调整；若△ P<0，则说明参考电压调整的方向错误，需要改变调整的方向。采用扰动观察法的优点是控制思路简单，实现较为方便，可实现对最大功率点的跟踪，提高系统的利用效率。但其缺点是稳态时只能在最大功率点附近振荡运行；存在着因功率跟踪过程中非单调性造成的误差；存在着因自身算法的不严谨，而在日照强度变化时产生跟踪错误。除了以上两种方法，最大功率点跟踪的方法还有很多：最优梯度法、滞环比较法、间歇扫描法、实时监控法、模糊控制法等等。这些方法都各具优缺点，这罩就不再详细介绍。最大功率点跟踪方法的实现本文采用电导增量法来实现太阳能电池的最大功率跟随，虽然此方法对硬件要求较高，其算法在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行 A／D转换，但这对现在的快速 DSP芯片来说已不成为问题。电导增量法最大的优点，是当太阳电池上的照度产生变化和表面温度产生变化时，可以始终向后级负载提供最大功率，并同时满足快速和高精度的要求。该子程序在周期中断罩面实现，其程序流程图如图 3-7所示。图3-7电导增量法的控制流程图图3-7中，通过采样电压、电流值 UPV， IPV然后计算当前的功率 PPV,再判断电压差值是否为零?（因后面做除法时分母不得为零 ）若为零则再判断电流差值是否为零 ?若都为零则表示阻抗一致，扰动值 UREF不变。若电压差值为零，电流差值不为零，则表示光照强度有变化，电流差值大于零 UREF值增加；电流差值小于零 UREF值减少。再来讨论电压差值不为零时，若成立则表示功率曲线斜率为零 (达最大功率点 )，若电导变化量大于负电导值，则表示功率曲线斜率为正， UREF值将增加，反之 UREF值将减少。逆变器控制电路设计逆变器的控制电路是采用 TMS320LF2407ADSP作为主控单元，其中还包括电流电压采样电路、 SPW电路、M IPM驱动电路和 CAN控制器通信电路。DSP电源设计TMS320LF2407ADS芯片采用高性能静态P COM技术，使得供电电压降到S 3．3V，而不是通常单片机所使用的 5V电源，减少了控制器的损耗。而现在常规的电源系统都是 5V电源，所以需要一个 DC／DC转换电路将 5V电源转换为可以给 DSP使用的 3．3V电源。本文采用 TPS7333Q芯片将 5V的直流电转化为稳定的 3．3V直流电供给 DSP。A／D转换电路DSP基准电源TMS320LF2407的AA／D转换模块电源电压为 DSP的供电电压，一般—如转换参考基准电压也不大于 3.3V。本次设计选用 MAXIM公司的 MAX600为3A仍转换建立参考基准电压。 MAX600精度为3 1％，温度系数为 100ppm／C，适用温度范围 40℃～ 85℃，输出电压为 3.000V。由于 A／D转换的参考基准电压为 3.0V,因此采样模拟信号要处理调整成0～3V范围内的电压信号，然后再输入到模拟输入通道进行转换。并网电流侧电流采样电路采样并网输出交流侧的电流，电流信号首先要转换成电压信号才能对其进行处理。所以我们此次选用深圳迦威公司生产的 CSK3-100A的霍尔电流互感器，他可以将所采集到的电流直接转化为 -4～+4V的电压信号，从而减少使用串联电阻所引起的人为损耗。再通过精密电压放大器 INAll4，电压偏执 1.5V后，并使其输出电压满足 A／D转换所允许的电压范围 O～3V。直流输入电压采样电路前端的输入电压为直流电压，其采样无需外加直流电压偏置，但仍要保证采集的电压在 0～3V以内。本文选用森社电子生产的 CHV-25P霍尔电压传感器，其输出范围为 0～5V，我们采用分压电阻 3VR2使其采集到的电压信号控制在 0～3V之间。A／D转换电路模块还包括市电电压采样电路、并网电压平均值采样电路、太阳能电池输出电流和电压以及电压和电流的相位检测电路，这些电流电压采集电路都和以上所介绍的电路基本类似，在此就不在详细介绍。SPWM信号发生电路TMS320LF2407共有两个事件管理模块A (EVA,EVB)，共能控制输出 16路PWM信号。由于设计中只需控制逆变器的 4个IGBT，因此只用到其中一个事件管理模块 (EVA)的4路PW信号：M PWMl-PWM，其余4 8路留作扩展。要产生一个 PW信号，需要一个合适的定时器来重复产生一个与M PW周期相同的M计数周期，一个比较寄存器保持着调制值。比较寄存器的值不断地与定时计数器的值相比较，当两个值匹配时，在相应的输出上就会产生一个变换 (从高到低或从低到高)。当两个值之间的第一个匹配产生或一个定时周期结束时，相映的输出上会产生又一个转换 (从低到高或从高到低 )。在每个定时器周期中，这个过程都会出现，但每次比较寄存器中的调制值是不同的，这要由控制软件根据每个采样周期的反馈量实时计算得到。这样在相应的输出引脚就会产生一个 PW信号。详细的M PW的产生过M程将在控制软件的实现中进一步阐述 。逆变器驱动电路本次设计使用的 IPM模块是使用 IGBT作为功率开关元件， IGBT的驱动条件与其特性密切相关。在设计门极驱动电路时应特别注意开通特性，负载短路能力和误触发等问题。对驱动电路总的要求包括以下方面：IGBT是电压驱动，具有一个 2.5～5.0V的开启电压，有一个容性输入阻抗，因此， IGBT对栅极电荷集聚敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一低阻抗值的放电回路，即驱动电路与 IGBT的连线要尽量短；用内阻小的驱动源对栅极电容放电， 以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使 IGBT的开关损耗尽量小， IGBT开通后，栅极驱动源应能够提供足够的功率；GBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用， 最好自身带有对 IGBT的保护功能，并有极强的抗干扰能力。DSP芯片输出的 PW信号驱动能力相当弱，不能直接驱动各功率管，必须先将此M信号送入到驱动电路，经电气隔离及放大后再去驱动功率器件 IPM模块。本文选用了TLP250高速光耦作为放大隔离芯片。 TLP250输出采用推拉结构，最大输出电流为1.5A，开关频率最高可达 25kHz，上升沿和下降沿时问只有 150ns，隔离电压可达2500V。3.5.5CAN通信电路CAN(ControllerAreaNetwork)臣P控制器区域网，是主要用于各种设备监测及控制的一种网络。 CAN具有独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强。与传统的通信方法 (232、485串口通信 )相比 CAN具有如下特点：结构简单，只有两根线与外部相连，且内部含有错误探测和管理模块；通信方式灵活，可以多主方式工作；直接通信距离最大可达 10km，最高通信速率可达 1Mb／s；CAN采用 CRC检验并可提供错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。为了保障逆变系统的正常运行而且可以实时的查看系统运行时的各种状态，实现对系统的智能化管理，系统设计中加入了通信电路模块。本文设计中采用 DSP中的CAN通信接口。在实验过程中，可以把控制系统与上位机相连，将系统运行过程中的各个单元的状态发送给上位机，以便设计人员及时找到系统的不足加以改正。同时加入通信接口也是为了以后多台逆变系统并机运行，共同并网发电时系统之间传输一个统一的输出控制，保证各个并联的逆变系统均流输出。4光伏并网系统中孤岛效应的仿真实验研究孤岛效应的分析孤岛效应是当电网的部分线路因故障或维修停电时， 停电线路由所连的并网系统继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛情况。孤岛效应的检测和防止一般是通过监控并网系统输出端电压的幅值和频率实现的。当电网断开时，由于并网系统的输出功率和负载功率之间的差异会引起并网系统输出电压的幅值或频率发生相当的改变，这样通过监控系统输出的电压就可以很方便地检测出孤岛效应。然而，当负载消耗的功率与光伏系统相匹配的时候，通过这种被动的检测方法检测孤岛效应就会变得困难。当有许多光伏系统同时向电网并网发电时，甚至很多主动检测的方法也失去了效果。实际并网系统中，虽然发生孤岛效应的概率不高，但在光伏并网系统规模越来越大的情况下，这种可能性仍然存在。逆变器并网运行时，输出电压是由电网电压控制的，并网逆变器能控制的只是并网电流，包括电流幅值、相位和频率。其中频率和相位与电网电压相同，实际系统中一般都是通过与公共耦合点电压过零点同步来实现的，幅值都是根据实际系统来可调的。因为在研究孤岛检测技术时，关心的只是逆变电源的输出特性。所以，在研究孤岛检测技术时，逆变电源可以等效为一个幅值可调、频率和相位都跟踪电网的受控电流源。孤岛效应的检测和防止一般是通过监控并网系统输出端电压的幅值和频率实现的。当电网断电时，通常由于并网系统的输出功率和负载功率之间的巨大差异会引起系统输出电压的幅值或频率发生很大改变，这样通过监控系统输出的电压可以很方便地检测出孤岛效应。图 4-1是用于检测并网逆变器孤岛效应的示意图，它由光伏并网系统、本地负载 （使用并联的 RLC电路组成 ）以及电网组成。4-1逆变器孤岛效应示意图孤岛效应检测仿真实验根据本文设计的系统，选用主动频率偏移法来检测孤岛效应。通过周期性扰动系统输出电压频率，当电网断电时，由于没有固定的电网频率，整个系统的输出频将一直升高， 最终导致超过频率保护的上限值。 在此，我们每个周期给输出电压 0．IHz的扰动。整个系统的反孤岛效应的仿真图如图 4-2所示。4-2孤岛仿真模型

4-2孤岛仿真模型4-3反孤岛效应仿真结果图从结果我们可以看出，系统在 0．1s与电网断开后，输出电压由于没有电网的稳定频率，导致频率越来越大，经过 lOOms达到 50．5Hz，此时系统的高频保护将检测出系统的频率异常，而将并网逆变器与电网断开。结论本文针对光伏并网系统中的核心问题，对太阳能光伏发电系统用逆变器的关键技术进行了深入的研究，并在此基础上建立起一套相对完善的光伏发电系统用逆变器实验平台。现将本文的主要研究工作总结如下：分析了全桥逆变电路的工作原理，研究了直流侧和交流侧滤波器的设计依据，推导并提供了主电路关键参数的计算公式。针对逆变器并网运行特点，结合电流控制和电压控制的优点，选用基于 DSP的PW电流电压双闭环控制方法。M研究了太阳能电池伏．安曲线与逆变器最大功率跟踪技术之间耦合关系，选用电导增量法来实现太阳能电池的最大功率跟踪。选用主动频率偏移法作为本系统的孤岛防止方法，并用 MATLAB7．0中Simulink仿真工具对该方法进行了仿真。从仿真结果可知，此方法能够达到反孤岛。根据系统总体设计要求，开发了基于 TMS320LF2407ADS芯片并网逆变器样机，P对其硬件电路及软件程序进行了分模块调试，给出了实验结果。通过分析实验波形，证明了所设计的样机系统在设计思想、实际应用上都是可行的。但一些功能和参数方面仍需许多实验进一步验证和完善，有待于后续者进一步研究和改进。致谢首先我要由衷地感谢我的导师武汉理工大学张立炎副教授，本文是张老师的精心指导和亲切关怀下完成的。在最后一学期期间里，张老师一直在学习、科研、生活各个方面都给予我极大的关怀。在论文的选题、研究方向和研究方案的确立以及撰写的过程中，始终凝聚着张立炎副教授的悉心指导和亲切教诲。导师为人和蔼而不失严格，其渊博的知识、严谨的治学态度、高度的责任心、精益求精的工作作风、丰富的实践经验给我留下了深刻的印象，半年里一直是激发我奋发向上的动力源泉。在此，谨向导师张立炎副教授表示衷心的感谢和崇高的敬意!在课题准备和研究过程中，还得到了郭磊老师、徐春燕老师、梅秋艳老师的热心指点，为论文的撰写打下了坚实的基础。对几位老师在百忙之中给予的无私帮助表示深深的谢意。此外，还要感谢季凯健等同学的帮助和支持，和你们分享的不仅仅是学习的进步，同时还有生活中的快乐。在这一学期的时间里他们在生活中始终给予了我无微不至的关心、鼓励我专心完成学业。他们一直是我精神上不竭的动力。感谢所有帮助过我的老师们、同学们和朋友们!参考文献李春鹏，张廷元，周封．太阳能光伏发电综述． 电工材料 .2006，(3)：45-47.马胜红，赵玉文．光伏发电在我国电力能源结构中的战略地位和未来发展向． 太阳能.2005，(4)：10-16.M．AGREEN．ThirdGenerationPhotovoltaicsComparativeEvaluationofAdvancedSolarConverSionOptions，29mIEEEPhotovoltaicSpecialistsConL2002：39-43.王长贵．新能源和可再生能源的现状和展望． 太阳能光伏产业发展论坛论文集 .2003.(9)：4-7.蔡宣三．太阳能光伏发电发展现状与趋势．电力电子 .2007，(2)：3-6.杨军．太阳能光伏发电前景展望．沿海企业与科技 .2005，(8)：37-42.车孝轩．太阳能光伏系统概论．武汉：武汉大学出版社， 2006.H．C．MAO．ReviewofHigh-performanceThree-phasePower-Factorcorrectioncircuits．IEEETIE，1997，(4)：437-6.郭沽，丁丽，刘向阳．太阳能电池的研究现状及发展趋势． 许吕学院学报 .2006，：13-19.张耀明．中国太阳能光伏发电产业的现状与前景．能源研究与利用 .2007，：51-54.X.S.CAI.AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy．RenewableNnrgiesPresent&Future.2005,24(1):25-28.李文婷，刘宏，陈慧玲．国内外太阳能光伏发电发展综述．青海电力 .2004，：17-21.宫白强，季福坤．我国太阳能应