光伏离网逆变器中逆变电路的设计毕业设计论文

光伏离网逆变器中逆变电路的设计摘要由于近年来不可再生能源的不断消耗，能源危机日益凸显，各国都在加紧开发新能源。太阳能发电作为一种全新的电能生产方式，具有清洁无污染、来源永不衰竭且维护措施简单等特点，因而受到越来越广泛的关注。本文针对太阳能应用的一个重要研究领域一一光伏发电系统，尤其是小功率光伏离网发电系统，设计实现了基于DSP空制的光伏离网逆变器逆变电路部分的硬件电路。论文首先介绍了太阳能光伏发电的国内外发展现状，阐述了利用DSP空制光伏离网系统的基本原理。然后提出了以逆变器DC/AC变换技术为核心的光伏离网逆变器的硬件电路设计方案，并在Matlab软件上进行了仿真测试。关键词：光伏离网；逆变器；DSPMatlab仿真ThedesignofinvertercircuitinoffgridphotovoltaicinverterAbstractInrecentyears,withthecontinuousconsumptionofnon-renewableenergy,theenergycrisishasbecomeincreasinglyprominent,countriesaresteppingupthepacetodevelopnewenergy.Solarpower,asanewenergyproductionmethods,ownsmanyfeatures,suchas,clean,non-polluting,neverfailureofsourceandsimplemaintenancemeasures,andthusdrawsmoreandmoreattention.Inthispaper,asforanimportantresearchfieldofsolarenergyapplications-photovoltaicsystems,especiallylowpowerphotovoltaicoffgridpowergenerationsystem,designandachievethehardwarecircuitofinvertercircuitinphotovoltaicoffgridinverterbasedonDSPcontrol.Thepaperfirstlydescribedthedevelopmentofphotovoltaicpowergenerationintheworld,andexplainedthebasicprinciplesofDSPcontrolledphotovoltaicoffgridsystem.ThenobjectiveoftoffgridinverterwiththecoreofDC/ACconversiontechnologyinverterhardwarecircuitisdesignedanditssimulationtestsontheMatlabsoftwareisproceeded.Keywords:offgridphotovoltaic;inverter;DSP;Matlabsimulation目录错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。8ABSTRACT1绪论本课题的意义太阳能光伏发电的现状太阳能光伏发电的概述本课题的内容和设计要求2光伏发电系统光伏发电系统的组成光伏发电系统的分类3光伏电池光伏电池的工作原理光伏电池的分类_3.3基于DSP的控制系统硬件设计DSP概述DSP系统硬件电路设计4主电路拓扑及电路主要参数设计主电路拓扑DC-DC部分的电路拓扑功率开光管的缓冲电路的设计DC-AC（逆变）部分的电路的拓扑5系统软件的构架系统的控制方式PI算法的程序框图PI控制程序框图SPWM波的生成6采样电路直流电压电流采样电路

34交流电压与频率的采样34第四章光伏并网逆变器仿真测试结论参考文献致谢附图1引论太阳能应用的背景伴随着传统的能源资源不断枯竭，环境污染造成全球变暖的最严重的问题,制约着社会的可持续发展。对于全世界的能源需求的增长使能源资源已经成为了世界上最重要的战略物资。因此，发展可再生能源是全球未来的能源发展的必由之路。在中国水电和风力发电已成为商业发电，但他们的资源是有限的，他们不可能即使利用所有的资源满足未来的需求。光伏发电，是一种取之不尽的无限量的能源，可以直接将太阳光转化为电能。光伏发电系统是一种重要的解决问题，如能源危机和环境保护。技术相关的并网光伏发电系统已经通过了世界广泛的研究并已经取得了很大进展。尽管中国的光伏并网发电系统的研究开始不久，但中国有丰富的太阳能资源。通过上述分析，在能源需求急剧增加而其他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已经成为当今最热门的能源开发应用的课程之一，它必将是21世纪最重要的能源之一。因此对光伏发电设计具有巨大应用价值和现实意义。因此，将来光伏发电系统的发展前景会很乐观。同时对于目前的一些能源问题，光伏并网发电系统都可以很好的解决，这将会对我们社会所面临的能源问题做出相当大的贡献。光伏发电应用现状和意义国内光伏发电应用现状中国的光伏发电产业出现了非常奇怪的“两头在外”现象，即90%勺原材料依赖进口，而90%勺光伏产品却进入了国际市场。光伏产业的发展也相对缓慢，各种光伏材料的发展都相对落后。1958年开始对太阳能光伏电池进行研究，并于1971年将光伏电池成功应用于东方红2号卫星；1973年开始太阳能光伏电池的地面应用研究；从20世纪70年代初到80年代末，由于成本高，太阳电池在地面的应用非常有限。20世纪90年代以后，随着成本的降低，太阳电池产量迅速增长，太阳电池开始向工业领域和农村电气化应用发展，市场稳步扩大。国家和地方政府开始制订光伏计划。2002年，国家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速增长，总装机容量从2001年的23.5MW迅速增长到2002年的45MVV至2003年达到55MW2003〜2005年，受德国市场的巨大需求影响，国内光伏企业的产能迅速扩展，产量迅速增长。2005年，电池产量约150MW组件产量约284MW国内安装量约5MW累计安装量70MW近年来，随着环境问题日益突出，绿色发展理念逐渐深入人心，全球经济的发展方向和导航标已然转向低碳经济，太阳能光伏产业受到世界各国的重视。目前我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。据了解，随着国内太阳能光伏发电的大规模应用及快速发展，具上游的多晶硅大规模产业化生产及应用技术已日趋成熟，尤其是从国内及全球现有生产工艺水平看，已可实现整个多晶硅生产产业链和系统内部的封闭运行，从而接近零排放水平。我国太阳能光伏电池的年产量约为3MW产能力约为5-8MW累计用量约为15MWV同国外相比有很大差距！光伏发电产业生产规模小，水平低，生产成本高，市场培育迟缓，其总体水平落后国外约15年。我国“十二五”规划纲要提出，要大力发展节能环保、新能源等战略性新兴产业，新能源产业重点发展太阳能热利用和光伏光热发电、生物质能等，解决600万人(即无电人口的10%)的用电问题等目标！这给光伏发电产业提供了前所未有的市场和发展机会［2］。我国光伏发电的重点项目：(1)我国“光明工程”计划由国家发展计划委员会牵头制定的“中国光明工程”计划，筹集100亿元，计划到2010年利用风力发电和光伏发电技术解决2300万边远地区人口的生活、边防哨所、微波通讯站、公路道班、输油管线维护站、铁路信号站等用电问题。使他们达到人均拥有发电容量100瓦的水平。(2)深圳园博园光伏并网发电系统，该项目总投资750万美元，这是国内第一座MW汲太阳能发电站。是目前中国乃至亚洲最大的太阳能并网发电系统，发电能力约为100万千瓦。该电站采用与市电并网形式。投入使用以来共发电200多万度。(3)京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏发电系统2008年4月。北京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏系统实现并网发电。这是2008北京奥运会主场馆鸟巢工程首次采用太阳能光伏发电。这套光伏发电系统总投资约1000万元，总装机容量为100千瓦。该太阳能光伏系统使用单晶硅组件，采用了不可逆流、无储能的太阳能光伏发电技术。可以就地安装、维护费用低。该太阳能光伏发电系统安装在位于国家体育场鸟巢周围的5个安检棚顶部，每个安检棚为一个并网发电单元。通过光伏并网逆变器与公共电网并接，实现了与公共电网的互联、互通和互补。该系统发电除满足鸟巢检票系统的自身用电外，多余电力将并人国家体育场的电力供应系统。按平均每天5小时光照时间计算。这套光伏发电系统每天可为鸟巢提供520度绿色电力。该系统将稳定运行25年，累计可生产约475万度绿色电力，可减排2500多吨废气.替代1500吨标准煤。(4)上海十万个太阳能屋顶计划上海十万个太阳能屋顶计划研究，是在世界自然基金会和上海市经委的支持下。由上海交通大学太阳能研究所承担的太阳能应用项目课题，总投资近百亿元。上海计划利用十年的时间，将现有2亿平方米平屋顶的1.5%,约300万平方米，即十万个屋顶用作太阳能发电。相当于新建一个30万千瓦的电站，而且是峰值发电。在1000瓦，平方米标准日照条件下安装太阳能屋顶，可发电130〜180千瓦时，平方米。按上海地区标准日照时间1100〜1300小时/年计算。每年最低发电量可达143千瓦时，平方米.每年至少发电3.3亿度。（5）其他建设项目西部7省无电乡村通信工程项目、无锡国家工业设计园300千瓦屋顶并网光伏系统、上海崇明岛生态公园85千瓦屋顶光伏系统、香港湾仔政府大楼屋顶光伏系统、广州十万个光伏屋顶计划、乌拉特后期1MM漠太阳能光伏并网电站，该电站将是目前国内最大的沙漠太阳能光伏电站。1.2.2国外光伏发电发展现状太阳能是一种朝阳产业，不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大，光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视。日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50以上；德、日、英、荷、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，出口额占世界贸易额的80以上。据欧盟估计，全球光伏市场将从现今的3000MW增加到2020年的70GW（w为峰瓦），光伏发电将解决非洲30GW、经济合作与发展组织（OECD洱家10GW勺电力需求。当2010年欧洲风力发电达到约40GW光伏发电3GWW太阳能集热器100Mm时，总计可提供154〜167万个就业机会。20世纪80年代以来，世界各国特别是发达国家相继投入大量的人力、物力开展对太阳能、风能、地热能、生物能等新型可再生能源的研究、开发和利用工作。并制定相应的光伏发电系统的发展计划。1990年德国政府率先推出“一千屋顶计划"。1998年进一步提出10万套屋顶计划。日本政府1994年开始实施“朝日七年计划”，总容量185WMp1997年又宣布实施“七万屋顶计划”,总容量280MWp意大利1998年实行“全国太阳能屋顶计划”，总容量50MWp在这类系统中，规模最大的是1997年6月美国宣布的“百万太阳能屋顶计划”，到2010年将安装101.4万套光电系统，总安装量3025MWp表所示为2000〜2004年五年内世界光伏器件的年产量数据[11]o从中可以看到近五年光伏产品需求的强劲上升势头，年平均增长率超过50%。充分说明了该产业的迅猛发展态势。美国能源部预测，在今后十年内世界太阳电池销售量将以年均30%的速度增长，到2010年将达到4.6GWp累计容量将达到20GWp近几年国际上光伏发电快速发展,2007年全球太阳能新装容量达2826mwp其中德国约占47%西班牙约占23%日本约占8%美国约占8%2007年，在太阳能光电产业链中有大量的投资集中到新产能的提升上。除此之外，太阳能光电企业在2007年间的贷款融资金额增长了近100亿美元，使得该产业规模不断扩大。虽然受金融危机影响，德国、西班牙对太阳能光伏发电的扶持力度有所降低，但其它国家的政策扶持力度却在逐年加大。日本政府2008年11月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年的发展目标是要达到2005年的40倍，并在3-5年后，将太阳能电池系统的价格降至目前的一半左右。2009年还专门安排30亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。2008年月16日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策(itc)续延2-6年。太阳能光伏发电的概述太阳能发电可分为光热发电和光伏发电两种。通常而言，太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。它是利用半导体界面的先生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护即可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件，就形成了光伏发电装置。根据需求和应用场合的不同，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。本课题的内容和设计要求本课题主要研究的是独立光伏发电系统中的离网型光伏逆变器，设计一个小型光伏离网发电系统的逆变电路。要求：输入直流电压250V-300V,逆变电压波形为正弦信号，有效值220V±10%,50Hz,输出功率＞=100W效率＞80%根据设计要求，从以下几个方面进行研究设计：(1)介绍光伏发电的的基本状况和前景，理解光伏发电系统的组成和分类，明确离网型光伏逆变器的作用与发展及设计的目的。(2)阐述光伏发电的原理。(3)逆变器中逆变电路硬件电路的设计，包括：直流升压斩波电路结构、逆变器电路、LC输出滤波、DSP空制电路、采样硬件电路。(4)通过建立离网逆变器的仿真模型，并采用直流电源供电，实现逆变电路的MATLA的真并进行分析。2光伏发电系统光伏发电系统的组成光伏发电系统，是利用光伏电池的光伏效应，将太阳能转化为电能，储存或直接供给负载使用的一种新型发电系统。主要是由光伏电池阵列、变换部分、逆变器及储能部分组成。(1)光伏电池阵列：光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池功率较小，最大输出功率不超过5Wp为满足不同等级负载供电需要，人们将光伏电池串并联后统一封装构成光伏模块(PhotovoltaicModule-PV),这是目前光伏器件的主要存在及应用方式。因大功率光伏模块安装、维护方便，因此在光伏发电系统中200Wp以上的光伏模块更受欢迎。如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，则需要根据光伏发电系统的功率要求，将同规格的光伏模块串联起来构成光伏阵列(PVArray)为系统提供更高的输出功率和输出电压。(2)直流变换部分(DC-DC)直流变换部分作用主要是把光伏阵列输出电压变换成能够满足储能系统和逆变器要求的电压等级。同时由于光伏阵列输出特性的特殊性，其输出功率为日照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大输出功率跟(MaximumPowerPointTracking—MPPT问题。如果不加以控制直接用于给负载提供能量，则很难有较好地发挥光伏模块转换效率。为此，控制系统除了完成对DC-DC变换和DC-AC变换所需的基本控制外，还需在DC-DC变换环节中增加MPPW制，以实现光伏阵列的最大功率输出。(3)逆变部分(DC-AC:光伏电池发出的只能是直流电，而包括电网在内的许多用电场合需要交流电，所以(DC-AC)逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。它的功能是受控制系统控制，从而将直流转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电。该环节的主要指标要求是变换的高可靠性和高转换效率。目前我国在小功率逆变器上与国外处于同一水平，但在大功率逆变器上有较大的差距。(4)储能部分：光伏发电系统只有在白天有阳光时才能发电，而人们的一般用时间会在晚

上，所以蓄电池可以在白天将太阳能储存起来以供人们夜间使用，同时也可作为交流电网断电时的不间断电源为本地重要交流负载供电。这种包括蓄电池作为储能环节的光伏发电系统称为“可调度式光伏发电系统”。还有一种不含蓄电池的发电系统，这种系统称为“不可调度式光伏发电系统”。光伏发电系统的分类光伏并网发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况，分别可工作于独立运行模式、并网发电运行模式和混合运行模式三种。独立光伏发电系统是不与公共电网相连接的，主要在一些离公共电网太远的五点地区和一些特殊场合所使用，如一些偏僻农村、牧场和偏远的岛屿，即公共电网难以覆盖到的地区，为其提供照明、广播电视等基本生活用电。还有像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊场所也使用独立光伏发电系统。独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和逆变器及负载等部分。图2-1所示是典型独立光伏发电系统的结构示意图。光伏电池组件蓄电池直流负载光伏电池组件蓄电池直流负载图2-1独立光伏发电系统并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统，将光伏电能馈送给公共电网。当太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段，并网光伏发电系统成为电力工业重要的组成部分，是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。带蓄电池组是并网光伏发电系统称为可调度式并网发电系统，该系统具有不间断电源的作用，还可以充当功率调节器，稳定电网电压、消除高次谐波分量，从而提高电能质量；不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，逆变器将光伏电池阵列提供的直流电能逆变成为和电网电压同频、同相的交流电能，送往公共电网；当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时，电网自动向负载补充电能。

图2-2所示是典型的并网光伏发电系统结构示意图，主要包括光伏电池阵列、DC/AC逆变器、DC/DC变换器、控制器和电网五个组成部分。根据负载及系统的供电可靠性的需要，在DC/D3换器输出端连接蓄电池组。直流负载光伏电池组件控制器DC/DC变换器蓄电池直流负载光伏电池组件控制器DC/DC变换器蓄电池图2-2并网光伏发电系统混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的阵列发电不足，或电池容量不足等因素带来的供电不连续。较为常见的混合系统是风一光互补系统，系统结构框图如图2-3所示。图2-3混合型光伏发电系统在通常情形下，白天日照强，夜间风多；夏季日照强、风小；冬春季日照强

度小而且风大。显然风能发电与太阳能发电具有很好的互补性，具优点显见：利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出，提高系统供电的稳定性和可靠性；在保证供电情况下，可以大大减少储能蓄电池的容量；对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风/光系统供电，无须启动备用电源和备用发电机，以此获得较好的经济效益。但是，风/光互补联合发电系统存在：一次性投资较大，并需定期更换蓄电池等缺点。3光伏电池光伏电池的工作原理在光伏发电系统中，光伏电池般是实现光能转换成电能的器件，光伏电池阵列是多个特性相同的电池单体经过串并联后构成的，一是由半导体材料制成的，其特性与二极管类似。光伏电池单体实际上是一个PN结，PN结处于平衡状态时，中间处有一个耗散层存在着势垒电场，形成了方向由N指向P区的电场。当太阳光照射到PN结时，就会产生一定量的电子和空穴对，N区就有过剩的电子，这样就形成了光生电动势，具方向与势垒电场方向相反。光生电动势使P区和N区分别带正负电，从而产生光生伏特效应。这样如果用导线连接两个电极，就会有“光生电流”流过，从而产生电能。光伏电池的分类光伏电池多用于半导体固体材料制造，也有用半导体家电解质的光电化学电池，发展至今种类繁多，无论采用何种材料生产光伏电池，它们对材料的一般要求是：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定。按电池结构分类如下。(1)异质结光伏电池。由两种不同禁带宽度的半导体材料构成，在相接的界面上形成一个异质PN结。像硫化亚铜光伏电池、硫化镉光伏电池都为异质结光伏电池。(2)同质结光伏电池。在同一个半导体材料构成一个或多个PN结。像神化钱光伏电池、硅光伏电池都为同质光伏电池。(3)肖特基光伏电池。指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的光伏电池(又称MS光伏电池)。其原理是基于在一定条件下金属一半导体接触时产生类似于P-N结可整流接触的肖特基效应。这种结构的电池现已发展成为金属一氧化物一半导体光伏电池(MOS光伏电池)、金属一绝缘体一半导体光伏电池(即MIS光伏电池)等。(4)薄膜光伏电池。指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料扑在非报道提的衬底上而构成的光伏电池。这种光伏电池大大地减少半导体材料的消耗(薄膜厚度以仙m计)从而大大地降低了光伏电池的成本。可用于构成薄膜光伏电池的材料有很多种，主要包括多晶硅、非晶硅、硫化镉以及CIS等，其中以多晶硅薄膜光伏电池性能较优。(5)叠层光伏电池。指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池。鉴于波长短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特点，充分利用太阳光中不同波长的光，通常是让波长最短的光线被最上边的宽禁带材料电池吸收，波长较长的光线能够透射进去让下边禁带较窄的材料电池吸收，这就有可能最大限度地将光能变成电能。(6)湿式光伏电池。指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液而构成的光伏电池。这种形式的电池不但可以减少半导体材料的消耗，还未建筑物和太阳能应用的一体化设计创造了条件。按电池材料分类：(1)硅光伏电池：包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。其中单晶硅材料结晶完整，载流子迁移率高，串联电阻小，光电转换效率高，可达20%£右，但成本比较昂贵。多晶硅材料晶体方向无规律性。由于在这种材料中的正负电荷有一部分会因晶体晶界连接的不规则性而损失，所有不能全部被P-N结电场分离，使之效率一般要比单晶硅光伏电池低。但多晶硅光伏电池成本较低。多晶硅材料又分为带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种类型。用它们制造的光伏电池又分为薄膜和片状两种。而非晶硅光伏电池是采用内部原子排列“短程有序而长程无序”的非晶体硅材料(简称a—Si)制成。非晶硅材料基本被制成薄膜电池形式。具造价低低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅光伏电池，目前主要用于弱光性电源，如手表、计算器等的电池。(2)非硅半导体光伏电池。主要有硫化镉光伏电池和神化线光伏电池。硫化镉分单晶或多晶两种，它常与其他半导体材料合成使用，如硫化亚铜/硫化镉光伏电池、硫化镉/硫化镉光伏电池、铜钿硒/硫化镉光伏电池等。而神化钱具有较好的温度特性，理论效率高，较适合于制成太空光伏电池。即采用同质结形式也可以采用异质结形式，既可采用单晶切片结构也可采用薄膜结构以制成光伏电池。(3)有机半导体光伏电池：用含有一定数量的碳一碳键，导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成。具特点是转换效率低、价格便宜、轻便，易于大规模生产。3.3基于DSP勺控制系统硬件设计自20世纪60年代以来，数字信号处理器(DigitalSignalProcessing,DSB日渐成为一项比较成熟的技术，并在多项应用领域逐渐取代传统了传统模拟信号处理系统。与模拟信号处理系统相比，数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、快速、坑干扰能力强、设备

TI公司TI公司推出的TMS320F2812K片。数字信号处理器是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进行采集、变换、综合、估计与识别等加工处理，从而达到拾取信息和控制的目的。数字信号处理器的实现是以计算机技术和信号处理理论发展为基础的，在其发展历程中，有两件事加速了DSP技术的发展。其一是Cooley和Tuckey对离散傅立叶变换的有效算法的解密，另一个就是可编程数字信号处理器在20世纪60年代的引入。这种采用哈佛结构的处理器能够在一个周期内完成乘法累加运算，与采用冯・诺依曼结构的处理器相比有了本质的改进，为复杂信号处理算法和控制算法的实现提供了良好的实现平台[11]。DSP概述、DSP内部结构TMS320F281处理器有较高的运算精度（32位）以及系统的处理能力（达到150MIPS。这种芯片集成了128KB的Flash储存器，4KB的弓I导ROM数学运算表以及2KB的OTPROM因此能够大大改善其应用的灵活性。其功能结构框如图通过DSP的结构可以归纳出DSP的以下特点:.采用了高性能的静态COM被术，主频达150MHz（时钟周期6.67ns）、功耗低、Flash编程电压为3.3V。.支持JTAG边界扫描接口。.高性能32位CPU哈佛结构、快速中断响应和处理能力、统一寻址模式、高效的代码转换功能。.片上储存器，最多达128Kx16位的Flash存储器。引导（BOOTROM^卜部存储器扩展接口。.时钟和系统控制，支持动态改变锁相环节的倍频系数、片上振荡器、看门狗。三个外部中断，外设中断扩展模块（PIE）支持45个外设中断、三个32位CPUS时器、128位保护密码。.两个事务管理器，每一个事务管理器包括：两个16位的通用定时器；8通道16位的PWM不对称、对称或者四个矢量PW极形发生器；死区产生和配置单元；外部可屏蔽功率或驱动保护中断；三个完全比较单元；三个捕捉单元，捕捉外部事件；同步模数转换单元。.串口通信外设，串行外设接口（SPI）、两个UART8口模块（SCI）、增强的eCAN2.0B接口模块、多通道缓冲用口（McBSP。.12位模数转换模块，2X8通道复用输入接口、两个采样保持电路、单/连续通道转换、流水线最快转换周期为60ns,单通道最快转换周期200ns、可以使用两个事件管理器顺序触发8对模数转换。9.高达56个可配置通用目的I/O引脚，先进的仿真调试功能，低功耗模式和省点模式。二、DSP外围设备TMS320F281数字信号处理器集成了很多内核可以访问和控制的外部设备,内核需要某种方式来读/写外设。因此，CPU将所有的外设都映射到了数据存储器空间。每个外设被分配一段相应的地址空间，主要包括配置寄存器、输入寄存器和状态寄存器。DSF#设部分的连接如图3.2所示。3.3.2DSP系统硬件电路设计一、时钟晶振电路和复位电路通过晶振电品&的作用为DSP系统提供基本的时钟信号。为了节约成本，利用DSP5片内部的振荡器电路，与无源晶体、起振电容一起连接成三点式振荡器来产生稳定时钟。连接起振电容是为了保证正常的起振，对振荡频率的影响极小。无源品振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路，更换不同频率的晶体时周边配置电路需要相应的调整。因为晶振的频率越高DSP1行速度就越快，越能够满足DSPtt理能力的要求。其电路连接如图3.3所示。EW3m-nsrKj"Tfl]mijmmrrsh-2-1M-s右fs—rr-r.i-17?~,»DC.!ifl<3.'.DC.tii~I-中事E"i工厂点口皿DIhE"m-At・片♦5IOE■皿田J『用EW3m-nsrKj"Tfl]mijmmrrsh-2-1M-s右fs—rr-r.i-17?~,»DC.!ifl<3.'.DC.tii~I-中事E"i工厂点口皿DIhE"m-At・片♦5IOE■皿田J『用HELnsrrtKMBI4IF5f^UEranUII4ranoEM^i统1$ET|5IKE43TWW1jrwii-Etit*ri-ADEigE^i¥££VQ>纪HX型疔4MHSKIiXIg宙5蝴IWTOw*APT¥0>1VSEIADCSl犀EFIN胃尔W2£M之AKIM?RDCIWti4££lhA.5£!mnH1A05此gf一壬m四一u■一备回uT-i:>!alT5登」sk照更BmylocseCT*苫一工T4iuR=R5fD0>日中二§3|1">史匚>-c@3LLgfI?-&&1£5壬£30£3H-Ck1•£<30—量看5kkki^ee0gw■口占挈山凡IE4UIJ.--引Tut奥Gtl口P0F4_”B#13l_EWfcDnl_E*Eft2_WER5rF»i_SP1Fl工皿*FIUJ4UF心CM里冉KIS品自e.<KAljI3JMF?一取F3im2西|»!猛u艮一胃PWM-t*soMkw呈8.NISUS«~£5岑口£d艮VDCfltiifAirjjcreiP用rihT*8VSiXiritEUclK布W£>版“版l・iw；fIJFMarSIIVD0±VFLMtnrsnrsra：CflTRl^ai1-mi4CTfTV'aiiflEPIMI*CJPSCEP4泊，"VIEwjgERtai：vEx)rcMP^aaXDtTPWTKMFrSiVEi押后RK3I第8学FWWIivSlPWM输出户9E・LRAFnF9图3.3DSP芯片和时钟晶振通过按钮实现复位操作。当按钮S10按下时，将电容C26上的电荷通过按钮用接的电阻释放掉，使电容C26上的电压降为0o当按钮松开时，由于电容上的电压不能突变，所以通过电阻R22进行充电，充电时间由R22和C26的乘积伯:决定，一般要求大于5个外部时钟周期。这样就可以实现手动按钮复位。其电路原路如图3.3所示。图3.4图3.4复位电路二、JTAG接口电路和辅助电源JTAG是JOINTTESTACTIONGROUP简称，是一种国际标准测试协议。标准的JTAG接口是4线一一TMSTDI、TDOTCK分别是模式选择、数据输入、数据输出和时钟。JTAG的工作原理：在器件内部定义一个TAPTESTACCESPORT测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和调试。JTAG接口用于连接DSP系统板和仿真器，实现仿真器DSP访问，JTAG的接口必须和仿真器的接口一致，否则将无法连接上仿真器。EMUO口EMUI要上拉到DSP的电源，其连接如图3.5所示。EMUIJP5ITAGE.20R215IKEMUIJP5ITAGE.20R215IK图3.5JTAG接口电路TMS320F281采用了双电源供电机制，以获得更好的电源性能，其工作电压为3.3V和1.8V。其中，1.8V主要为该器件的内部逻辑提供电压，包括CPU和其他所有的外设逻辑。与3.3V供电相比，1.8V供电大大降低功耗。外部接口引

脚仍然采用3.3V电压，便于直接与外部低压器件接口。为TPS767D31鸵供5V输入，就可以得到输出电压分别为3.3V和1.8V,每路的最大输出电流为750mA并且提供两个宽度为200ms的低电平复位脉冲。其设计原理图如图3.6所示。图3.6图3.6辅助电源电路C19CMI1正TI——

luFTC!FCk.UDEOei+v+ci-T2QUIwcCrHDE1OUI口率fclOUIC19CMI1正TI——

luFTC!FCk.UDEOei+v+ci-T2QUIwcCrHDE1OUI口率fclOUIfTI-]I^iF上]印11PCIXDKnFClLXEkR12fCIIMDAl-TIIIIT乂球11*fCIlUDBi5fCIILMDBlCHluF112GUIMAX加『耳D7LEDSCILKDA1、2路串行通信SCI接口电路和A/D转换电路2路串行通信接口（SCI）是采用双线通信的异步串行通信接口，即通常所说的UARTR。为了减少串口通信时CPU勺开销，TMS320F2812勺串口支持16级接受和发送FIFO。SCI模块采用标准非归0数据格式，可以与CPUE其他通信数据格式兼容的异步外设进行数字通信。当不使用FIFO时，SCI接收器和发送器采用双级缓冲传送数据，SCI接收器有自己的独立使能和中断位，可以独立操作,在全双工模式下也可以同时操作。其接线如图3.7所示CIS图3.72路串行通信SCI接口A/D转换调理电路是用来把采集到的信号转换成TMS320F281芯片所能识别图3.8A/D转换电路的工作数字信号。通常模拟信号的采集需要用到电压互感器、电流互感器、压力传感器、霍尔元件等把大的信号转化为弱电信号，然后经过调理电路才能送入DSPA/D转换调理电路与DSP的连接如图3.8图3.8A/D转换电路AD7AD4ADJAD7AD4ADJ~~AE1ADOAT[0,7]F5cgADCB5ADCB4ADCB3"ADCB2"TadcbiADCB[D..7]ADCB[D..7]四、电平转换和缓冲电路在新一代电子电路设计中，随着低电压逻辑的引入，系统内部常常出现输入/输出逻辑不协调的问题，从而提高了系统设计的复杂性。例如，当1.8V的数字电路与工作在3.3V的模拟电路进行通信时，需要首先解决两种电平的转换问题，这时就需要电平转换器。由于TMS320F281痂用白^是3.3V的供电，所以MAX202/TMS320F281芯片之间必须加电平转换电路。电平转换电路与DSP^间的连线如图3.9所示。二U8+33V,T*42VCCiVCClVCC3VCC12OE2DIR1OE1DIRA?OR?IS’317t±=—,R311T*3470C防XI3633CAJ押RRCAN1X27-6/VAVf22CAI^TMlSCIRKDE129Jb-JK02A52E5iA+如42A32E32A22E2:川如13AO^BO1A7：1B71A5IBCIA51E51A41E41A31E31A21E31A1IE11AD1E0GHDGHDOHD(SMDGND阳DGHD领D如SCIRXDBSCITXDB3。19SCJT/DBl3二35—173<5""14JCITZDAlSCTTHDA饕13£SCmSDAl371。384匚41~。二44―46~41-34~11飞—-j—二Flj3y4510S34用—c^i|(USLVC16245

图3.9电平转换缓冲电路的作用是用来解决电路中信号可能受到大的干扰，产生大的脉冲波，用来消除干扰，减少对控制芯片内部器件冲击,其连接电路如图3.10所示。t31T1"vccavcciVCC2VCC1iOE2DB10EID波，用来消除干扰，减少对控制芯片内部器件冲击,其连接电路如图3.10所示。t31T1"vccavcciVCC2VCC1iOE2DB10EID承2A72BT2B62A52B32A42B42A33B32A22B22A13B12AO2BD1A71B71A(51B61知IBS1A41B4l知IB?gIAl1B11A01B0GNDGMDONDGNDGOT)GND0NDU19LUC1似45——“0O.luFXDOKD2XD4KD6KMkFsKMHD747012PE7/11DB6/9DB57百①I7/iDBS/WDB13DBQ21DB[0..7]10图3.10缓冲电路五、片外扩展RAM由于本设计中的DS啄集的数据较多，对处理存储容量有一定的要求，所以需要外接一块RAMNT展容量。本设计选用CY7C1021(64K)的片外RAM只需将它的A0-A15引脚直接和DSP的XA0-XA15数据线相连，IO0-IO15与DSP的XD0-XD1地址线相连。其余管脚的连接如图3.11所示。XA.1J1用19XA.1J1用19JEA1L324XA12以XA.L124XA1.413Xk9xkaZ71A.7髓支JU*3MXK41，的3aXk23某的】4xxoijXNC门170aLi*1#0,AlJrajAit1OUM31013AU10UMl工OilAltlottA9M39氏等3A7107AlIOCAJIOJA*mA3ID3X2E2AlDOIJO(cTwewTvccOTMCEZEHCW£CY7C10J13SXD15y37R】*/ItK.D13y35*口1f/313CD117JIWil/皿Ji?黑D国/It建口7y15黑EH/ItJtDJ/Um4¥15MDS)9KD2/aUDI/7KDO/3311TS*2e12.1+1图3.11片外扩展RAM4主电路拓扑及电路主要参数设计主电路拓扑主电路拓扑如图4.1所示。该电路前级由Q1、LGDl等器件组成的BOOST电路对光伏输出电压进行升压斩波后并对蓄电池进行充电；后级为单相全桥逆变电路，作用是将前级的产生直流电压逆变并经L2、C5滤波后得到工频正弦交流电。图4.1主电路拓扑DC-DC部分的电路拓扑适用于直流转换部分的电路拓扑有：降压斩波电路（busk电路），升压斩波电路（boost电路），升降压斩波电路（buck-boost电路）等等。在本课题中，所用到的直流变换部分的电路只要求升压，所以这里只对升压斩波电路（boost电路）进行叙述。其电路结构原理图如下图4.2:

图4.2BOOST图4.2BOOST电路结构一、Boost升压电感参数的设计对于一般的变换器来说，由于电感和电容寄生电阻的影响，随负载电流增加，输出电压会下降，输出电压对占空比二的敏感度下降，控制特性变差。为了输出电压的稳定，控制电路尽量增大占空比，使电压增益变大以便于维持输出电压的恒定。因此，设计中选择滤波元件总是尽量选取小的寄生电阻元件，且实际应用中，是占空比调节a<0.88。为了使光伏发电系统能够不间断的往外输出功率，前级的Boost升压斩波电路应该工作在电感足够大电流连续的模式下。根据伏秒平衡的定理，电感电压在开关管的一个周期内对时间的积分为零。即如式4.1所示：UpvETs+（Upv-Udc卜（1y!Ts=0（4.1）其中：Upv是太阳能电池阵列的输出电压，Udc是直流母线DC-link的电压,也即Boost电路的输出电压，Ts是开关管的开关周期，«是Boost电路开关管的占空比，aTs是开关管的导通时间Ton,（1-口）Ts是开关管的截止时间。整理可得：(4.2)Udc1(4.2)Upv-1-：本系统中，太阳能电池板阵列输入电压是60V,直流母线电压Udc范围是250V〜300V,由上式（4.2）可得:maxUdc-uPVUdc300-maxUdc-uPVUdc300-60300=0.8,：-minudc-uPVUdc250-60250=0.76所以本系统中boost升压斩波电路中占空比*的范围是0.76〜0.8。由于电感一直处于充电、放电过程，而且充放电过程都是曲线的，所以电感电流不是一个直流分量，还存在纹波量，其中纹波分量由电感两端的电压：

U|dli二Ldt(4.3)可得流过电感的电流变化量：..5*1」l二L电感电流的纹波系数的定义：」iiU|dli二Ldt(4.3)可得流过电感的电流变化量：..5*1」l二L电感电流的纹波系数的定义：」ii(4.4)有以上各式可得电感的大小：.(1--)2-U2cTs

L二P0(4.5)其中P0=100W为输出功率。电流纹波系数的选取”,需要考虑电感的饱和

问题、减少IGBT中的峰值电流及电压损耗问题，这里取电流纹波系数<25%o开关频率的选取时，应该综合考虑。工作频率过高，则输出波形谐波含量少，有利于滤波器的设计。但工作频率过高则功率开关管的发热和和损耗都会增加。本系统选用开关管的频率为f=100KHz,当a=0.76时，有：__2_2__5L「一。760.7630010.157.5936」H25%100(4.6)所以选取L=200NH。二、直流母线稳压电容参数的设计升压斩波电路输出端电容的作用：①给直流母线稳压②尽可能的滤除纹波电压。由电容两端电流的变化量:dUdcI共——dcdt(4.7)电容两端电压的变化量Udc小Ts

Cdc(4.8)上下同乘Udc得:(4.9)P0F(4.9)CdcUdc电容电压的纹波系数所以电容值的大小为：UdcoU电容电压的纹波系数所以电容值的大小为：UdcoUdcCdcP°：Ts

Udc(4.10)其中Udc=300V,R=10CW,*1=2%,a=0.7,Ts=10's代入上式(4.10)Cdc1000.710宜二Cdc1000.710宜二116.667」F0.02300(4.11)在实际的系统设计中，当开关管给电感充电时，后级逆变部分所需要的能量是由电容提供的，所以给设计的电容留下充足的裕量，所以给电容留一定的5倍以上的容量，本文采用600kF的电容。三、开关管的参数选择IGBT结合了GTRffiMOSFET勺优点，所以Boost升压斩波电路中选用IGBT作为开关管。其承受的最大电压为300M本设计最终采用的IGBT其主要参数为：900V。四、升压电路二极管的选择Boost升压斩波电路中的续流兼有防反作用的二极管应该具有较低的通太电压降和快速恢复的特性。二极管承受的最大电压是300V,所以选用的二极管主要参数为900V。功率开光管的缓冲电路的设计如图中4.1中所示，D2、R1、C2组成了常用的FHC—D箝位式缓冲电路。该电路可以有效地吸收开关管关断时线路中的杂散电感上产生的感应峰值电压，使开关管源一漏电压尖刺箝位在电源电压左右，从而保证开关管不会过压击穿。其基本箝位原理为：在稳态时，无论开关管处于导通还是截止状态，电容C2两端电压均为电源电压。当器件两端电压高于电源电压时，线路杂散电感中的能量通过二极管D2转储到吸收电容C2上，此时器件两端的电压被箝位在电容电压，利用电容两端电压的不突变性就可以有效地抑制器件上的尖峰电压；同时电容C2通过Rl向电源放电，于是转移到电容上的能量部分回送到电源，另一部分消耗在电阻Rl上。由于线路的杂散电感一般不大，且部分回馈到电源，因此即使在高频情况下，Rl上消耗的功率也是不大的。因而RCDffi位式缓冲电路成为IGBT器件最实用的缓冲电路之一。实验电路中R1取值10Q,R1越小，开关管的峰值电压越接近母线电压；D2与开关管的峰值电压相同，但电流不需很大，选择900V;箝位电容的值越大箝位的效果越好，但实际应用中无须很大，这里选1000MDC-AC（逆变）部分的电路拓扑主要介绍的电路拓扑的结构为单相全桥逆变电路。如图4.3所示:图4.3单相全桥逆变电路一、IGBT开关管的选择逆变器的功率开关器件的选择至关重要，目前使用较多的功率开关器件有门极可关断晶闸管（GTO）,双极结型晶体管（BJT），金属氧化物功率场效应管（MOSFET）和绝缘栅极晶体管（IGBT）等。在低压小容量系统中较常使用的器件为MOSFET因为MOSFET有较高的开关频率和较低的通态压降，以及正的温度系数，热稳定性较好。但在逆变器的设计中，由于输出滤波电感电容的作用，使续流时间较长，容易烧坏MOSFET在高压大容量系统中一般常使用IGBT模块，由于MOSFE随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（100kVA以上）系统中，一般采用GTO乍为功率开关元件。随着光伏并网并网技术的发展，主电路开关器件的选择也需要具体考虑与研究。因此，针对本设计逆变系统的特点，选用IGBT作为开关器件。它是复合型功率开关器件，是GTRffiMOSFET合而成。它拥有单极性电压驱动MOSFE的优点，又结合了双极型GTR耐压高、大电流的优点。在IGBT选择中，需要注意以下几个方面的问题：.电流容量：在IGBT工作过程中，集电极峰值电流Icm必须要处于IGBT开关安全工作区以内。.电压容量，在IGBT开关过程中，最大集射极电压Uces不能超过器件的最高耐压值，否则器件将会被过压击穿而损坏。

.散热要求：在IGBT开关过程中，会产生大量的开关损耗而使器件发热,因此，在选择器件时必须综合考虑系统的散热条件一一最大集电极功耗Pcmo分别从以上几方面考虑，在本系统中，IGBT的最大集射极电压Uces为直流电压300V左右，考虑到器件开关过程中有电压尖峰的影响，选取一定的电压裕量(一般选为2〜3倍)。在电流方面，为了保证系统的工作安全，对开关管电流也要选取较大的裕量；逆变器的开关频率为10kHz,在散热方面，为了保证开关管的充分散热，采用了将IGBT固定在散热器上的措施。综上所述，本设计最终采其主要参数为：900M二、交流测输出滤波电感的设计在单相全桥逆变器中，逆变器输出滤波电感的设计是一个关键的元器件，光伏离网系统要求逆变器输出侧的波形为正弦波。所以，电感值选取的是否合适直接影响电路的整体工作性能。我们可以从以下几个方面来选取电感值：(1)电流的纹波系数逆变器输出的滤波电感的值将直接影响输出纹波电流的大小，通过电感基本的伏安关系△U=L*曳dt可得:IiTon0Uidt

L(4.12)其中U1为电感的电压，当输出电压在峰值附近即U0=Ugrid时，输出电流的IiTon0Uidt

L(4.12)其中U1为电感的电压，当输出电压在峰值附近即U0=Ugrid时，输出电流的纹波系数最大，设此时开关管的开关周期为TS,占空比为a,则有：..UgridTonLIl=L(4.13)另外根据电感的伏秒特性平衡原理，可得：Ugrid：Ts=Udc-Ugrid1一：Ts(4.14)于是可得占空比:U-U

dcgrid

Ol=Udc(4.15)有以上各式可得:..Udc-Ugrid*:Il二-Lf(4.16)进一步化简可得:Udc-Ugrid_UgridrUdc-UgridUgrid(4.17)△Il=g—*一g一即1=-*—g(4.17)Lf*UdcIlf*Udc在逆变系统中，由于c=300VUgrid=2220=311V,In=10.5AUc=300V所以开关管的工作频率为f=10kHz,T=100us,取电流的纹波系数为「=16%则由式（4.17）计算可得：(4.18),400-311(4.18)L411.53mH50.161104300因此，要保证实际的电流纹波用1MINr=10.5x0.16=1.68A,所以取电感取值范围为L之11.53mH。（2）逆变器的矢量三角形关系从逆变器的矢量三角形关系可以得出：(4.19)(4.20)U0-j'LIN(4.19)(4.20)于是可得它们的基波幅值满足下面公式：222U02"fLInuN由SPWME弦脉宽调制理论可以得到U°=mUdc。其中，m为调制比，且mE1,从而可得：222(4.21)(4.22)(4.23)(oLIn)(4.21)(4.22)(4.23)进一步对上式（4.21）化简得：.<限2迅

一-In把数值代入式(4.22)计算可得：3002-2202L二30.9mH5010.5综合计算，滤波电感的取值范围为11.53mH<L<30.9mH。在实际电感设计过程中，由于电感的成本、体积等因素的影响，一般只考虑取电感的下限值即可。以上计算建立在额定的输出电压基础上，即UN=220V基础上，最终选取电感值L=15mH。三、交流测输出滤波电容的设计由于电感和电容一起构成LC式的阻高频通低频的低通滤波器，有效的抑制了高次谐波，同时又要远大于基波的频率，避免输出电流发生畸变，一般取电流

的基波频率为10〜20倍的基波频率，本文取13倍的基波频率进行分析1由f=———得:(4.24)2二(4.24)L2二f*132=1510,2二501324其中基波频率取为50Hz,把电感值带入上式（4.24）可以求出电容值为C=4NF,最后选取电容值为4NF/35W。5系统的软件构架系统的控制方式由于课题主要是针对逆变部分的设计，这里主要是对逆变器部分的一个控制方法的阐述。其控制的一个电路拓扑本系统采用PI电压外环电流内环的双环控制方式。其控制的一个电路拓扑图5.1逆变器控制图图5.1逆变器控制图如图5.1所示。如图5.1所示，拓扑结构采用单相全桥逆变电路。S1〜S4开关管的SPWM控制信号来自控制电路。SPWhM由参考正弦波与一定频率的三角波相比较而产生的，正弦值大于三角波的值，则输出1,即开通开关元件，反之则关断。幅值不同的正弦参考波产生宽度不同的SPW帔。控制电路内部让正弦波和锯齿波进行比较产生四路控制信号，分别用来控制S1〜S4。开关管一共有4种开关模式，分别是：S1,S4开；S2,S3开；S1,S2。开；S3,S4开。其中，只有两种开关模式有输出电压（S1,S4开；S2,S3开。）S1,S4开，输出为正；Q2Q3开，输出为负。通过AD口采集输出负载端的电压和电感上的电流，在DSP内部通过PI双环控制，产生SPW腑号波。SPWM信号的产生由：用DSP中的事件管理模块（Ev）可以产生SPW帔。三角载波的时间是开关管的周期来产生的。控制的流程如下所示：图5.2双环PI控制图在图5.2中：参考正弦电压与输出电压比较得到的误差电压经过PI调节后作为电流的参考指令与电感电流作比较，得到一个电流误差信号，电流误差信号再经过PI控制后与三角载波比较产生占空比来控制逆变器的开关。和电压单闭环相比，增加了电感电流内环控制，使得系统的带宽增大，反应速度加快，系统抗干扰能力强，稳定性好，调节时间短，谐波含量小，同时能有效地限制负载电流，起保护作用，更具优越性。PI算法的程序框图在光伏控制系统中,使用的是数字PI控制器，数字PI控制算法通常又分为位置式PI控制算法和增量式PI控制算法，由于位置式PI算法的每次输出都与整个过去的状态有关，计算式中要对过去的误差进行累加，累加运算编程不太方便，计算量也较大，用微处理器实现此算法，很容易发生数据溢出，会导致（k）的大幅度变化，这在实际情况中是不允许的。因此，本文设计中