dsp储能式离网逆变器论文

本科生毕业设计册学院**********************专业电子信息工程专业班级电子信息工程班学生*******指导教师********河北师范大学本科毕业设计任务书编号：**********3论文（设计）题目：基于dspf2812储能式离网逆变器学院：物******************专业：电子信息工程专业班级：*********************学生姓名：*****学号：*************指导教师：******职称：副教授设计研究目标及主要任务研究目标：在地球资源日益枯竭、污染日益严重的今天，开发、利用清洁可再生能源已成为人类的当务之急。本设计致力于研究将太阳能应用于发电系统，并通过逆变系统转化为交流电，为人类的可持续发展事业贡献绵薄之力。主要任务：探究如何将太阳能应用于日常及工业用电，使得在电力系统不稳定或不足时，工业及日常生活不受影响，正常工作。考虑到太阳光照强度的多变性、不稳定性，后级系统要能进行很好的控制，稳定电压，以保证供电系统的稳定性、长久性。设计的主要内容进行方案论证，找出可行方案设计电路，计算参数，以达到设计的要求进行程序设计，以达到对电路的启动和控制调试电路、程序，根据实际情况对电路、程序进行调整，达到要求增强实用性适应性。设计的基础条件及研究路线基础条件：1）了解逆变系统的原理，以及dsp控制电路2）有扎实的电路设计知识、实践经验3）电路设计需要的器件、材料能够实现4）能熟练使用单片机及dsp，根据要求进行编程、调试研究路线：本设计分为四个阶段，准备阶段，设计阶段，实施阶段和成品阶段。在准备阶段，研读逆变器、和DSP等相关的资料和书籍，经方案论证确定实现设计要求的方案。在设计阶段，通过仿真等完成对单元电路的设计。实施阶段，完成制板工作。成品阶段，调试电路，完成论文的写作。主要参考文献《全国大学生电子设计竞赛基本技能指导》宁武唐晓宇闫晓金编著电子工业出版社《模拟电子技术基础》童诗白华成英编著高等教育出版社《TDS2812EVMB用户手册》北京文婷公司《数字信号处理器原理，结构及应用基础——TMS320F2812》刘和平邓力江渝张占龙编著机械工业出版社计划进度阶段起止日期1查阅资料，对逆变器供电系统进行深入了解2011.12.5—2012.1.312进行方案论证，确定设计的实施方案2012.2.1—2012.3.13设计电路，进行仿真、程序设计2012.3.2—2012.3.314动手制作电路板2012.4.1—2012.4.155进行调试，论文写作2012.4.16—2012.4.25指导教师：*******2011年9月10日教研室主任：**********2011年9月12日河北师范大学本科生毕业设计开题报告书************************学院电子信息工程专业******届学生姓名***设计题目基于dspf2812储能式离网逆变器指导教师****专业职称副教授所属教研室控制理论与工程研究方向电力电子与电力传动课题论证：并网逆变器是将太阳能电池板发出来的直流电直接逆变成高压馈入电网,而不需要通过蓄电池储存，因为要将能量直接送到电网上，所以要跟踪电网的频率、相位，相当于一个电流源。并网逆变器虽然不需要储能，但能量不可调控，光伏发多少就往网上送多少。在控制上，必须考虑与电网的连接安全，如必须同相位等，抗孤岛等特殊情况的应变能力，不能对电网造成污染，如谐波问题等。而离网逆变器不与电力电网连在一起的.太阳能电池组件将发的电力储存在蓄电池内,再通过离网逆变器将蓄电池内的直流电转换成交流220V给负载使用。相当于自己建立起一个独立的小电网，主要是控制自己的电压，就是一个电压源，离网一般需要储能，但并不往网上送能量，所以电网无权干涉，因而得以推广，本设计正是基于dspf2812储能式离网逆变器的设计研究。方案设计：应用太阳能电池板作为能量来源，通过将电子技术、DSP技术和编程技术相结合，实现储能式离网逆变器，以满足低功耗应用的需求。太阳能电池板选用5W9V规格，最高可达11V左右。逆变电路我们选用高性能数字信号处理芯片TMS320F2812DSP为控制核心芯片,选用FGA25N120的IGBT(50A，1200V)作为开关器件,以EXB841作为驱动芯片,将光伏阵列发出的直流电能，经过Boost升压电路升压，其中一部分用储能设备储存起来（用蓄电池），另一部分应用全桥逆变进行逆变处理，输出SPWM波，最终经过ＬＣ滤波器进行滤波，输出正弦交流电。其中最基本，也是最重要的部分是脉宽调制技术（PWM)，就是将直流电压通过开关管调制成脉冲的宽度与输出交流的瞬态值（电压或电流）相对应脉冲信号，最后通过滤波器整形为正弦交流电。而单相逆变器常用的电路采用四桥臂，用此控制回路控制4个桥臂两两轮番导通和截止以产生数kHz频率的交流信号，同时脉冲宽度按PWM算法得出的结果变化，逆变器的输出回路接有LC滤波器，将PWM波整形为正弦波。为了保护蓄电池，控制电路采用AD0809对采样的太阳能板输出电压进行模数转换，送至单片机判断其大小并判断是否给蓄电池充电。进度计划：查阅资料，对逆变器供电系统进行深入了解 2011.12.5—2012.1.31进行方案论证，确定设计的实施方案 2012.2.1—2012.3.1设计电路，进行仿真、程序设计 2012.3.2—2012.3.31动手制作电路板 2012.4.1—2012.4.15进行调试，论文写作 2012.4.16—2012.4.25指导教师意见：阅读文献充分，论证合理，设计路线可行，同意开题。指导教师签名：*******年10月10日教研室意见：同意开题。教研室主任签名：*******年10月12日河北师范大学本科生毕业设计文献综述能源是人类不断发展和进步的动力，人类不断地从自然界探索和获取能源以满足以其生存和发展的种种需要，能源的利用水平映射出人类文明发展程度。但在传统的能源结构中，人类主要利用的一次能源是石油、煤炭和天然气等化石能源。这些化石能源经过人类数千年的消耗，能源危机已经展现在人类的面前。在21世纪初进行的关于世界能源数据的调查显示，石油的可开采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭的可采量为227年。可见能源问题的紧迫性。从环境的角度看，大量化石能源的开发和利用，已经对人类的生态环境带来严重和后果。二氧化碳是大气中最主要的温室气体，而化石能源的燃烧是一氧化碳,的主要排放源，全世界每天约产生1亿吨温室效应气体，如果不对温室气体采取减排措施，人们预计，全球平均气温每10年将升高0．2℃，到2100年全球平均气温将升高13．5℃，这将对人类生存空间带来极大的威胁。所以，开发新能源和可再生能源势在必行。太阳能因其分布广泛、可以再生、不污染环境自然成为国际社会公认的理想替代能源，根据国际权威机构预测，到21世纪50年代，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的13％～15％，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于50％。太阳能将成为2l世纪最重要的能源之一。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成为当今最热门的能源开发应用的课题之一，它也必将是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。国内光伏发电现状：我国于1958年开始对光伏电池的生产和应用进行研究，1971年成功将其应用到东方红二号卫星上。由于受到价格与产量的限制，市场发展很慢，太阳能电池的年产量一直徘徊在10Kwp左右。除了作为卫星电源，在地面上太阳能电池仅用于小功率电源系统，如微波中继站、军队通信系统、铁路信号系统、小型户用系统及偏远地区的供电。在1981年～1990年间，我国的光伏工业得到一定的巩固与发展，并在一些应用领域建立了示范工程。同时，国家也加大了对光伏发电系统研究及生产的投入，先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，除了一条1Mwp的非晶硅电池生产线外，其余全部是单晶硅电池生产线，使我国太阳能电池的生产能力由每年的10KWp发展到4．5MWp售价也由80元／w，下降到40元／WP左右。随着国家对产业的不断重视，我国光伏电池的总装机容量和生产能力有较大的提高，到2005年全国光伏组件装机量已达70MWp光伏电池的制造能力也已超过200Mwp，生产企业有十多家。尽管如此，与世界光伏产业发达国家相比还有很大的差距，目前光伏应用比较广泛的国家光伏总装机容量已接近或达到500MW的规模。我国太阳能光伏电池的年产量约为3MW生产能力约为5-8MW,累计用量约为15MW,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“十五"规划提出了解决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。国外光伏发电现状：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185WMp，1997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，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9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。本设计主要参考文献书目如下：《全国大学生电子设计竞赛基本技能指导》宁武唐晓宇闫晓金编著电子工业出版社《模拟电子技术基础》童诗白华成英编著高等教育出版社《TDS2812EVMB用户手册》北京文婷公司《数字信号处理器原理，结构及应用基础——TMS320F2812》刘和平邓力江渝张占龙编著机械工业出版社其中，《全国大学生电子设计竞赛基本技能指导》、《模拟电子技术基础》主要介绍各种器件和应用电路；《数字信号处理器原理，结构及应用基础——TMS320F2812》主要讲述dsp的资源和使用，对外部接口电路电路也有一定介绍，本设计中pwm电路便是基于该文献；《TDS2812EVMB用户手册》介绍TDS2812EVMB开发板使用。在问题、参考文献依据，对文献资料进行概括、分析。本科生毕业设计题目基于dspf2812储能式离网逆变器作者姓名***********指导教师*******所在学院**********************专业（系）电子信息工程班级（届）2012届电子信息工程班完成日期2012年4月25日目录 中文摘要关键字 7１、绪论 81.1太阳能应用 81.2利用太阳能发电的现状及意义 81.2.1逆变器产品介绍 81.2.2国内太阳能逆变器产能分析 91.2.3未来逆变器的发展趋势 91.3离网逆变器和并网逆变器的区别 102、逆变系统的结构及工作原理 102.1逆变系统的结构原理 102.2逆变系统的总体设计思路 112.3逆变系统的电路基本组成 122.3.1DC-DC升压电路 122.3.2DC-AC升压电路 132.3.3滤波电路 152.3.4驱动模块EXB841的介绍 153、逆变器的硬件系统设计 173.1逆变系统主电路拓扑及电路的主要参数设计 173.2IGBT的驱动电路和外围的保护 193.3硬件死区设计 203.4基于DSP的控制系统设计 204、蓄电池的充电方式和使用 224.1铅酸蓄电池的充电方式 224.2蓄电池充放电的定量分析 235、逆变系统的软件程序设计 235.1.SPWM波的实现 235.2.AD转换输出pwm波 246、测试数据及其分析 286.1系统整体实物图以及相关说明 286.2实验数据及波形记录 29参考文献 30附录： 31附录1规则采样法SPWM的输出程序 31附录2蓄电池的使用及注意事项 35附录3蓄电池常用的充电方式 37英文摘要关键字 38 中文摘要关键字摘要：随着全球能源危机和环境恶化，可再生能源的研究和应用开发得到人们越来越多的关注，而太阳能作为一种重要的可再生环保能源,在太阳能利用与开发过程中,如何把光伏阵列所产生的直流电能高效地转变为可用的市交流电能,成为世界各国共同瞩目的焦点。将通用逆变器改造成光伏发电逆变器,可高效完成上述直流电能与交流电能的转换。我们选用高性能数字信号处理芯片TMS320F2812DSP为控制核心芯片,选用FGA25N120的IGBT(50A，1200V)作为开关器件,以EXB841作为驱动芯片,开始对光伏发电单相离网逆变器进行研究,通过将电子技术、DSP技术和编程技术相结合，实现储能式离网逆变器，以满足低功耗应用的需求。关键词：TMS320F2812；IGBT；离网；逆变系统；光伏控制器１、绪论1.1太阳能应用当今世界，低碳环保这一举措是人类可持续发展的必由之路，为了实现这个目标，从当前的市场发展水平来看，太阳能光伏发电这一资源将在新能源中占有相当重要的一席之地。太阳释放的能量还包括了地球上的各种能源，例如煤炭、石油以及海洋能、风能、地热能等，它们都是由太阳能转化而来的。另外，与其他能源相比，太阳能具有如下独特的优点：它没有煤炭、石油等矿物燃料使用产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作“干净能源”。处处都可以得到太阳能，使用方便、安全，并且成本低廉，可以再生。现在，在当今世界各国面临能源日益紧缺的严峻情况下，人们越来越认识到太阳能开发利用的重要价值，已把太阳能作为可开发利用的现代主要新能源之一，因此，向太阳这个取之不尽用之不竭的能源宝库索取能量，实现人类历史上的能源的变革，已成为今后能源开发的主要发展方向。随着科学技术的日益先进和不断发展，人们对太阳能的开发利用也日益广泛和深入。现在，太阳能的利用已延伸扩展到科学研究、国防建设、航空航天和人们日常生活的各方面。尽管人们对太阳能的开发利用的方式如此丰富多样，截至目前，我们所利用的太阳能与太阳照射到地球上的能量相比，只不过是沧海一粟，并且使用效率较低，规模也较小，致使大自然宝贵能源大部分损失掉了。因此运用现代化的、科学的方法大规模地开发利用太阳能，已经成为摆在人们面前的一项重要且有意义的任务。1.2利用太阳能发电的现状及意义1.2.1逆变器产品介绍光伏发电系统中，光伏阵列产生直流电能，但在实践中，许多负载需要交流电源，如变压器和电机。直流电源系统有很大的局限性，不容易转换电压，而负载的应用范围是有限的。除了特殊的电气设备，必须通过逆变器将直流电转换成交流电。逆变器的功能是将直流电转换为交流电，是一种“逆向”的整流过程，因此称之为“逆变”。逆变器性能的提高，对提高系统效率和可靠性，提高系统的使用寿命，降低成本有着至关重要的作用。

按照运行方式的不同，光伏逆变器被分成不同模式：离网逆变器，混合逆变器与并网逆变器。随着光伏发电的迅猛发展，尤其是光伏屋顶计划的实施进行，我国对离网型光伏逆变器的需求变得越来越大。1.2.2国内太阳能逆变器产能分析由光伏发电系统的产能区域分布，现在中国的光伏发电机主要分布在在北京，安徽，江苏，上海，广东等产业基地，这些省份产业基础好、经济发达、科技实力雄厚，但在国家技术和经济日益发展情况下，产能研究重点将向中西部地区，如陕西，西藏，宁夏和其他地区转移。目前，我国的同类产品，主要表现了以下几点不足：（1）单片机控制，数据传输处理和通讯能力受限，实时性有待提高;（2）采用变压器，尺寸和重量较大;（3）输出电压的精度不高，难以满足社会发展的需要。国内光伏发电系统，年产约3MW，约5-8MW的生产能力，累计用量约15MW。事实上，中国的光伏产业，由于生产规模小，生产水平低，且生产成本高，市场培育迟缓，落后国外的整体水平约15年。作为全球光伏逆变器的龙头企业，全球最早生产光伏逆变器的SMA，自2007年在中国设立代表处。2009年国内出台相关政策大力扶持光伏发电项目的发展，到2011年国内光伏逆变器市场的需求预计将超过100MW，国内市场的消费潜力不容估量。1.2.3未来逆变器的发展趋势在能源日渐紧张的情况下，利用太阳能作为一种新能源是未来能源发展的一种趋势。在环境和经济双重压力的情况下，光伏发电技术是新能源技术的重要组成部分，是正在发展着的高新技术。在国家能源政策的引导下，随着人们对可再生能源认识的提高以及太阳能光伏发电系统性能价格比的提高，太阳能资源的开发及应用前景将是十分广阔的。就目前市场总体发展态势看，未来逆变器发展有如下五大趋势：1为了搭配新颖别致的建筑外观，太阳能逆变器外观呈持续多元化发展，逆变器样式与颜色时尚别致感增强。2尽管在在太阳能逆变器上增加电网管理这一功能并不容易，除非拥有相当丰富的电力联网相关经验，智慧电网管理功能却成为一种趋势，也是多家业者在产品开发上争奇斗艳的方向。3因为将蓄电装置纳入太阳光电系统，可持续降低成本，且不影响可靠度，所以将蓄电装置与太阳能逆变器结合的新产品也成为市场关注焦点，是许多系统业者希望能够突破的瓶颈。4未来透过模组化或是主从(Master-Slave)机制，太阳能逆变器的输出功率将持续破纪录，单一输出功率将不断提升。5太阳能微型逆变器与功率优化器市场接受度正逐步提高，尽管发展状况比较慢。1.3离网逆变器和并网逆变器的区别离网逆变器,按名称来看,就是不与电力电网连在一起的。太阳能电池组件将发的电力储存在蓄电池内,再通过离网逆变器将蓄电池内的直流电转换成交流220V给负载使用。同样,并网逆变器就是将太阳能电池板发出来的直流电直接逆变成高压馈入电网,而不需要通过蓄电池储存。离网的逆变器是电压源，就是直接把直流电变成交流电供负载使用的；并网逆变器是电流源，是把电池板的直流变成交流能量馈送到电网中，加入公共电网供电的。由此可见，当离网逆变器产生的电压即使不稳定时，也不会对总电网产生干扰，因此得以推广。2、逆变系统的结构及工作原理2.1逆变系统的结构原理小型光伏逆变系统是将光伏阵列发出的直流电能，经过Boost升压电路升压，其中一部分用储能设备储存起来（一般用蓄电池），另一部分应用全桥逆变进行逆变处理，输出SPWM波，最终经过ＬＣ滤波器进行滤波，输出正弦交流电。其中脉宽调制技术（PWM)是最基本，也是最关键的部分，就是将直流电压通过开关管调制成脉冲的宽度与输出交流的瞬态值（电压或电流）相对应的脉冲信号，最后通过滤波器整形为正弦交流电。而单相逆变器常用的电路采用四桥臂，用此控制回路控制4个桥臂两两轮番导通和截止以产生数kHz频率的交流信号，同时脉冲宽度按PWM算法得出的结果变化，逆变器的输出回路接有LC滤波器，将PWM波整形为正弦波。2.2逆变系统的总体设计思路光伏逆变系统的结构如下图所示：图2-1离网逆变器方框图滤波电路滤波电路用电设备输出电压同步检测DC-AC变换器蓄电池Boost升压斩波TMS320F2812核心控制电路太阳能电池阵列此系统中包含一次回路和二次回路这两部分，其中一次回路由Boost升压电路、太阳能光伏阵列、全桥逆变电路和输出滤波电路等组成，二次回路由TMS320F2812控制器电路、信号检测电路等部分组成。此离网型系统的研究主要集中于DC－DC和DC－AC两级能量变换的结构。其中DC－DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其实现最大功率点的跟踪;DC－AC逆变环节主要是将直流电转变成交流电，它的转换效率和稳定性直接影响到系统的转换效率和稳定性。2.3逆变系统的电路基本组成2.3.1DC-DC升压电路本课题中所用到的直流变换电路只要求升压，所以这里只对升压斩波电路（即boost电路）进行叙述介绍。DC-DC电路结构原理图如下：图2-2Boost电路结构其基本工作原理为：（1）当开关管VT导通时，a、b两端之间相当于短路，二极管因为承受反向电压而截至；此时由电源E、电感L和开关管VT组成回路，电感L开始储存能量，导致流经电感L和开关管VT的电压逐渐增大，电源E中的电能转化为电感L中的磁场能量。而由电容C和负载构成的回路，此时电容C放电为负载提供能量，负载两端电压逐渐降低。（2）当开关管VT断开时，二极管承受正向电压导通，电感L和电源E一起经过二极管给电容C充电，同时也向负载提供能量，电感电流IL逐渐减小。这时磁场能转化为电能，并且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后产生平滑的直流电压为负载供电。输入电源电压和电感的磁场能转换为电能，然后叠加后形成电压，所以输出电压高于输入电压，从而实现升压过程。Boost工作的方式有两种：1连续导电模式；2断续导电模式。当处于连续导电模式时：当电流连续时：有（2-1）或（2-2）利用（2-1）根据伏——秒定律得出升压关系式：（2-3）其中D为占空比，即开关VT一个周期的导通时间与导通周期的比值。E为电源输入电压。输出电压始终由D（PWM占空比）决定，当占空比为50%时，输出电压为输入电压的两倍。而当提高一倍电压时，输入电流大小却会达到输出电流的两倍，即电流与电压是成反比的，在实际电路中，电路里存在损耗，输入电流还要稍高一些。当工作在断续导电模式时：当输入电压E和占空比D保持不变时，若输出负载的功率逐步减小，其电流也逐步减小。当小于临界电流时，电流就会出现断续，虽然电路的峰值不变，但其输出功率将减小。2.3.2DC-AC升压电路图2-3全桥逆变电路逆变系统的核心勿庸置疑是完成逆变功能的逆变电路，此设计为单相全桥逆变电路。原理图如上，电路在工作时，需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，Q1和Q2以及Q3和Q4这四个功率晶体管均相互反相，Ql和Q2相位互差180度。当Ql和Q4导通，Q2和Q3截止时，如图2-4，易知负载电压为正。图2-4Q1和Q4导通电路及波形而当Q2和Q3导通，Ql和Q4截止时，如图2-5，易知负载电压为负。图2-5Q2和Q3导通电路及波形这样当四个晶体管两两交替导通时，就会在负载两端产生相位相反的电压。若要改变输出交流电压的有效值，可以通过调节Ql和Q3的输出脉冲宽度；若要改变输出交流电频率，则可以改变两组开关的切换频率。逆变电路的开关管用的是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，它是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件之一，具有输入阻抗高、开关频率高(10-40kHz)、峰值电流容量大、自关断、低功耗和易于驱动等特点。2.3.3滤波电路图2-6滤波电路原理图LC无源低通滤波器由电容C和电感L所组成，它适用于高频信号的滤波，由于容抗随频率增加而减小，而感抗随频率增加而增加，因此，LC低通滤波器的并臂接电容，串臂接电感，这样可以滤除高次谐波分量。电路中必须采用LC低通滤波器消除高次谐波，这是由于SPWM波中含有多个频率的波形，其中包括载波频率的整数倍及其附近的谐波分量。采用LC低通滤波器，可以消除高次谐波，而随着载波比的升高，最低次谐波离基波也越来越远，这样就更容易进行滤波。但LC低通滤波器的选取主要考虑几个方面的因素，噪声抑制能力、输出阻抗等，这是为了获得频率稳定的输出电压波形。 设计中，通常截止频率选择在开关频率的1/10～1/20，本设计中选择系统开关频率为18k赫兹，逆变器输出交流电源频率为50赫兹，初步确定其截止频率为1000赫兹。滤波器中有两个待定的参数，即滤波电感和滤波电容。设计中还要综合考虑滤波电路的重量、体积以及制作成本等。2.3.4驱动模块EXB841的介绍作为日本富士公司提供的300A/1200V快速型IGBT驱动专用模块，EXB841整个电路延迟时间不超过Ip，最高工作频率达40-50kHz，有短路保护和慢速关断功能。模块采用高速光耦隔离，射极输出，单供电外部提供+20V，内部产生一个-5V反偏压。EXB841主要由以下几部分组成：1、放大部分，它由TLP550,V2,V4,V5和R1,C1,R2,R9组成，V2是中间级，V4和V5组成推挽输出，TLP550待改进，起信号输人和隔离作用；2、短路过流保护部分，它由V1,V3,V6,VZ1和C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4等组成，实现过流检测和延时保护功能。EXB841的6脚通过快速恢复二极管接至IGBT的集电极（C），通过检测IGBT的集射之间的通态电压降的高低来判断IGBT的过流情况并加以保护；3、5V电压基准部分，它由R10,VZ2,C5组成，为IGBT驱动提供-5V反偏压。4、输出部分等。图2-7EXB841的原理图EXB引脚功能如下：脚1：连接滤波电容器，该电容器用于反向偏置电源；脚2：电源（＋20V）；脚3：驱动输出；脚4：连接外部电容器，（大多数场合不需要该电容器，防止过流保护电路误动作）；脚5：过流保护输出；脚6：集电极电压监视；脚7、8：不接；脚9：电源；脚10、11：不接；脚14、15：驱动信号输入（-、＋）。EXB841的内部功能：过流检测IGBT只能抵抗10us的短路过流，当集电极电压高时，尽管加入开信号也认为过流。故此必须有极快的保护电路，按照驱动信号与集电极之间的电压关系进行过流检测。如下表：VCE低VCE高开信号正常过流关信号-正常 表2-1开关信号过电流检测低速过流切断电路正常驱动速度切断电流时，会产生集电极电压尖脉冲，（低速切断电路对于≤10us期间的过流不起作用）这会损坏IGBT，低速切断电路会对IGBT起到保护作用。注意事项：为保证有适当的绝缘强度和高噪音阻抗，输入电路与输出电路应分开；驱动电压不足会增加IGBT的开启电压，驱动电压过高会损坏IGBT；如果在IGBT集电极产生大的电压尖脉冲，那么增加IGBT的栅串联电阻（Rg）即可，但栅电阻不足时，会增加IGBT和稳流二极管的开关噪声。3、逆变器的硬件系统设计3.1逆变系统主电路拓扑及电路的主要参数设计主电路拓扑如下图所示：图4-1主电路拓扑此电路分为两级，前级是由Q1、Dl、Lc等器件组成的Boost电路，用来对光伏阵列输出的直流电压进行升压，然后完成MPPT（最大功率点跟踪）控制并对蓄电池进行充电；后级则是单相全桥逆变电路，作用是将前级产生的直流电压逆变，并经过L2、C5滤波后得到正弦交流电。功率管的主要参数设计：这里主要对直流变换部分开关管进行选择。本课题中选用的开关管是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。IGBT的选择需要器件的电流等级和电压等级两个方面加以考虑。要将直流电逆变到交流220V而且能有较好的电流波形，逆变器直流侧的电压应高于1.414×220V=311的峰值电压。电流要根据通过它们的最大峰值电流来确定；而系统的前级经BOOST升压后最大输出电压约为400V，即桥式逆变器的最大输入电压。因此，开关管所承受的最高电压为400V，考虑电压尖峰和电压裕量，器件的耐压一般为最高电压的2到3倍，这里选择耐压为1000V的器件等级。如上所示直流测的IGBT管的峰值电流Ip为：主功率开关管Q1和二极管Dl具有相同的额定电压，这里跟BOOST升压的最大电压为400V，所有耐压大于400V的2到3倍，可取≥1000V的。IGBT的额定电流应大于电感电流峰值的最大值。综上所述，选用的IGBT的型号参数为：IGBT：型号：fga25n120；参数：耐压1200V，集电极直流电流50A，内含阻尼二极管；开关频率：<100KHZ3.2IGBT的驱动电路和外围的保护IGBT驱动模块选用的日本FUJI公司生产的EXB841芯片，是一种比较典型的驱动电路，它内装有用于高隔离电压的光耦合器、过流保护电路、过流保护输出、单电源供电、高密度安装的SIL封装等主要特性，因其功能比较完善，在国内得到了广泛应用。驱动电路原理图如下：图4-2IGBT驱动电路在驱动开关器件时，必须进行相关的隔离，以防止后级的纹波以及在地线上的杂波会影响到控制电路。由于后级电力装置的电流电压相对dspf2812的电路而言，电压的范围和波形已经远远超过dspf2812最高电压，很容易因其后级电压的波动或者地线上的杂波而影响到dspf2812的地或控制信号，所以不能采用直接耦合的方式。在工程上通常采用的隔离耦合方式是变压器耦合和光电耦合器耦合两种，对大功率的开关器件来讲，由于驱动电流和驱动电压较大，所以适合采用变压器耦合方式进行耦合，而对于中小功率开关器件，光耦配合相应的驱动器件便可起到耦合的作用。就隔离的效果而言，光耦的隔离功能明显强于变压器耦合。故此，综合考虑开关器件的功率以及隔离的效果我们采用了光电耦合器耦合，其中光电耦合器为TLP521，原理图如下：1脚：阳极2脚：阴极3脚：发射机4脚：集电极图4-3光电耦合器的引脚及内部结构3.3硬件死区设计逆变桥的桥臂驱动信号必须保证上下相互让开一定的时间，即死区时间。为了防止软件死区失效以及进行相应保护，我们采用硬件实现，见下图。每一路波形信号经延时、整形，其导通时间会缩短，就得到了死区时间T，这里采用5K电位器和0.1u电容完全可以满足要求，实验证明这一方法简单有效。图4-4死区电路图在本设计中，当IN输入为高电平的时候会对电容C1进行充电操作，而当IN为低电平的时候C1则会通过二极管和电阻的并联网络进行放电，OUT去接非门的输入引脚。3.4基于DSP的控制系统设计目前用于控制的微处理器主要有51系列单片机、PIC系列、AVR单片机以及高速数字信号处理器DSP等。前面几种处理器的运行速度较慢，或控制精度不高，很难满足光伏发电系统数字控制的要求。DSP是近几年发展起来的高速信号处理器，它以处理速度快、处理精度高以及完善的外设很快在信息处理、实时控制等方面得到了广泛的应用。此设计所用到的控制系统是以DSP为核心来实现的，控制芯片选用了TI公司的TMS320F2812。TMS320F2812系列DSP芯片是德州仪器公司专门为电机控制而设计的定点DSP，它以其优良的性价比，在正弦波逆变电源、变频器得到了广泛应用，TI公司的TMS320F2812芯片是一款功能强大的数字信号处理器。其特点有：1．150MHz的执行速度使得指令周期缩短到6.67ns，显著提高了控制器的实时控制能力；采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3v，减小了控制的功耗；2．基于TMS320F28XDSP的CPU内核，保证了TMS320F2812的DSP代码与TMS320系列DSP代码兼容；3．有高达8K字的数据／程序RAM，高达128K字的FLASH程序存储器，2K字的双口RAM和8K字的单口RAM；4．扩展的外部存储器，可达1M的存储空间；5．含有两个事件管理器模块，EVA和EVB，每个事件管理器模块包括：两个16位的通用定时器；8个16位有脉冲宽度调制(PWM)通道。它们能够完成以下功能：a、三相反相器控制；b、PWM的对称和非对称波形输出；c、当外部中断输入引脚出现低电平时快速关闭PWM通道；d、可编程的PWM死区控制，可以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；e、3个捕获单元；f、片内光电编码器接口电路；g、16通道A/D转换器。6．两个串行通讯接口(SCI)模块；7．16位的串行外设接口(SPI)模块；8．12位A/D转换器最小转换时间80ns，并且两个通道既可工作于独立方式也可以工作于级联方式。可选择两个事件管理器来触发ad；9．WDT(看门狗定时器模块)；10．高达56个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。11．外围中断扩展功能可支持45个外围中断；12．电源管理包括三种低功耗模式，能独立地将器件转入低功耗工作模式。图4-5DSP控制系统的结构图4、蓄电池的充电方式和使用蓄电池：其作用是将太阳能电池板受光照时产生的电能储存起来，以备随时向负载供电。所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.充电效率高；c.工作温度范围宽；d.使用寿命长；e.少维护或免维护；f.深放电能力强；g.价格低廉。目前在我国与能与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要有两种：镉镍蓄电池和铅酸蓄电池。配套200Ah以下的镉镍蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC；配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC。4.1铅酸蓄电池的充电方式在投入使用后，蓄电池必须定期地进行充电和放电。首先，从保养维护角度看，蓄电池充电和放电状况的好坏，将直接影响到蓄电池的性能和使用寿命。更重要的是，充电可以使蓄电池贮存电能并及时地恢复容量，来满足用电设备的需要；而放电则可以检验蓄电池容量参数，及促进电极板活性物质的活化反应。为了更好的保养维护蓄电池，我们要选择科学合理的充电方法。附录3中介绍了蓄电池的几种常见的充电方式。4.2蓄电池充放电的定量分析1．充电电流和充电时间的定量关系根据厂家提供的参数，如果铅酸电池的电压为12V，则最佳充电电压14.5—15V，一般将充电电流设定为容量的10%。2.充电电流大小的限制在循环充电时，充电器所提供的最高电压是有一定限制的，最大充电电流不应超过额定容量的30%A（1Ah的蓄电池最大充电电流不大于1*0.3=0.3A）；10小时充电率为最佳，假如充电电流过大，会造成蓄电池发热，造成极板脱落、断裂以及短路。3.充电电池充电时间的计算5、逆变系统的软件程序设计5.1.SPWM波的实现规则采样法SPWM的输出程序：（见附录1）图5-1为产生spwm波的规范采样法原理图，其中tpu为脉宽时间，toff为间隙时间，Di第i个矩形波形的占空比，计算公式如下：操作时使用TVEMVB开发板上的J19，由3,4脚输出spwm波形显示在示波器上，33,34脚接地。图5-1产生spwm波的规范采样法原理图5.2.AD转换输出pwm波图5-2接口电路接口电路说明：ADC0809的D0～D7口分别接51单片机的P2口(P2.0～P2.7)，ADIN1为通道IN0电压模拟量输入（0～5V），IN0为模拟量输入端。应用程序如下：初始化程序：#include"reg52.h"

#defineucharunsignedcharsbitST=P1^0;//ST接P1.0口sbitEOC=P1^1;//EOC接P1.1口sbitOE=P1^2;//OE接P1.2口sbitCLK=P1^3;//CLK接P1.3口sbitADDCS=P1^4;//ADDCS接P1.4口

ucharAD_DATA[1];

//AD_DATA[1]数组保存IN0经AD转//换后的数据延时函数程序：/**********延时函数************/voiddelay(uchari){

ucharj;

while(i--)

{

for(j=125;j>0;j--)//延时

;

}}系统初始化程序：/*********系统初始化***********/voidinit(){

EA=1;

//开总中断

TMOD=0x02;

//设定定时器T0工作方//式

TH0=216;

//利用T0中断产生//CLK信号

TL0=216;

TR0=1;

//以下语句用来启动定时器T0

ET0=1;

ST=0;//ST下降沿启动转换

OE=0;

//暂不输出}T0中断服务程序：/***********T0中断服务程序************/voidt0(void)interrupt1using0{

CLK=~CLK;//时钟反向}AD转换程序：/***********AD转换函数**********/voidAD(){

ST=0;

ADDCS=0;

//选择模拟信号输入通道IN0

delay(10);

ST=1;

//以下语句用来启动AD转换

delay(10);

ST=0;//ST下降沿启动转换

while(0==EOC)

;

OE=1;//输出数字结果

AD_DATA[0]=P2;//输出到P2口，存入AD_DATA[0]

OE=0;

}主程序：/*****************主函数**************/main(){if(AD_DATA[0]<2)//判断电压值，输出PWM波{P3=1;}else{P3=0;}}6、测试数据及其分析6.1系统整体实物图以及相关说明图6-1系统整体实物图本系统以文婷公司的DSPf2812EVMB开发板作为调试的硬件基础，仿真器采用TDS510JTAG仿真器。用80M带宽数字示波器记录数据和波形。6.2实验数据及波形记录图6-2相邻两相PWM图的波形图6-3系统最终输出波形图6-3为最终输出交流正弦波形，结果满足设计要求。参考文献本设计主要参考文献书目如下：《全国大学生电子设计竞赛基本技能指导》宁武唐晓宇闫晓金编著电子工业出版社《模拟电子技术基础》童诗白华成英编著高等教育出版社《TDS2812EVMB用户手册》北京文婷公司《数字信号处理器原理，结构及应用基础——TMS320F2812》刘和平邓力江渝张占龙编著机械工业出版社附录：附录1规则采样法SPWM的输出程序//规则采样法SPWM的输出#include"DSP281x_Device.h"#include"system.h"#include"stdio.h"#include"math.h"#include"float.h"#defineNX400#definePI3.1415925floatM=0.8;intk0=0;doublea[NX];//voidzkb();interruptvoideva_T1UFINT_ISR(void);unsignedintn=0;floatq,l,j;voidmain(void){InitSysCtrl();//系统的初始化DINT;//禁止全局中断IER=0x0000;IFR=0x0000;EALLOW;GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x003F;//EVAPWM1-6pinsEDIS;InitPieCtrl();InitPieVectTable();EALLOW;//设置中断向量表PieVectTable.T1UFINT=&eva_T1UFINT_ISR;EDIS;IER|=M_INT2;//开中断2PieCtrlRegs.PIEIER2.bit.INTx6=1;//开通用定时器1下溢中断////////用来设置正弦表参考计算占空比表达式////////////while(n<=NX){q=(n+0.75);//为消除偶次偕波，减少谐波角度出发，选择从A相3/4周期进行采样q=q*2*PI;q/=400;j=sin(q);l=1875*(1+M*j);//M为调制比//计算占空比表达式if(l>=375&l<=3375)a[n]=l;else{if(l>3375)a[n]=3375;elsea[n]=375;}n=n+1;}/////////////////////////////////init_eva///////////////////////////////EvaRegs.ACTRA.all=0x0666;EvaRegs.DBTCONA.all=0x0a30;//DisabledeadbandEvaRegs.COMCONA.all=0xa600;//使能比较操作EvaRegs.EVAIMRA.all=0x0200;//EVAIMRA(EVA的中断屏蔽寄存器A).T1UIINT(通用定时器1的下溢中断使能)///EvaRegs.EVAIMRB.all=0x0000;///EvaRegs.EVAIMRC.all=0x0000;EvaRegs.EVAIFRA.all=0xffff;//EVAIFRA(EVA的中断标志寄存器.T1UIINT(通用定时器1的下溢中断标志)///EvaRegs.EVAIFRB.all=0xffff;//写1清除定时器1的下溢中断标志///EvaRegs.EVAIFRC.all=0xffff;EvaRegs.CMPR1=0;//初始化寄存器的值///EvaRegs.CMPR2=0;///EvaRegs.CMPR3=0;//EvaRegs.GPTCONA.all=0x0041;//周期必须大于最大的正弦表格值EvaRegs.T1PR=3750;//Timer1periodPWM载波周期为65536个定标的定时器时钟周期//EvaRegs.T1PR=0xffff;//EvaRegs.T1CNT=937;//Timer1counterEvaRegs.T1CNT=937;//EvaRegs.T1CON.all=0x0b4e;//选择模式产生PWM波10//EvaRegs.T1CON.all=0x0b4e;EvaRegs.T1CON.all=0x0842;EINT;//return;/////////////////////////////EvaRegs.T1CON.all=EvaRegs.T1CON.all|0x0040;//启动定时器1for(;;);}interruptvoideva_T1UFINT_ISR(void)//EV-A{///inth2;intflag;flag=(EvaRegs.EVAIFRA.all)&0x0200;//T1UFINT中下益中断标志位置1if(flag!=0x0200){EINT;return;}else{if(k0<=NX){///h1=k0+135;//B相表达式///if(h1>=404)h1=h1-404;///h2=k0+270;//C相表达式///if(h2>=404)h2=h2-404;EvaRegs.CMPR1=a[k0];///EvaRegs.CMPR2=a[h1];//更新比较寄存器2的值///EvaRegs.CMPR3=a[h2];//更新比较寄存器3的值k0=k0+1;}else{k0=0;}}EvaRegs.EVAIMRA.bit.T1UFINT=1;//清除中断屏蔽标志EvaRegs.EVAIFRA.bit.T1UFINT=1;//清楚中断使能标志PieCtrlRegs.PIEACK.all=0x0002;//响应同组中断EINT;//开全局中断}附录2蓄电池的使用及注意事项1.蓄电池在从出厂到安装使用的过程中，电池容量会受到不同程度的损失，但若出厂时间较长，在投入使用前应注意进行补充充电；2.蓄电池浮充使用时，应确保每个电池单体的浮充电压值在2.25V～2.30V之间；3.在浮充运行时，蓄电池的单体电压不应低于2.20V。一旦单体电压小于2.20V，则需要进行均衡充电。均衡充电的方法是:充电电压2.35V/只，充电时间达12小时；4.蓄电池在循环使用时，放电后应采用恒压限流充电。充电电压为2.35V～2.45V/只，最大电流不该超过0.25A。具体充电方法为:先用不超过最大电流值的确定电流进行恒流充电，等充电电压达到单体平均电压2.35V～2.45V时，改用平均单体电压为2.35～2.45V恒压充电，直到充电结5.蓄电池放电后应该立即再充电，否则搁置时间太长即便在充电也不能恢复原来的容量。附录3蓄电池常用的充电方式充电方式定义优点缺点注意事项恒定电流充电充电过程中充电电流始终保持不变在蓄电池最大允许的充电电流情况下，充电电流越大，充电时间就可以缩短。若从时间上考虑，采用此法有利的充电后期由于充电电流不变，会电解大部分的水，消耗电能又容易使极板上活性物质大量脱落，温升过高，造成极板弯曲，容量迅速下降而提前报废充电过程中，充电电流会随着端电压的升高而降低，在充电过程中需逐渐升高电源电压恒定电压充电在充电过程中，充电电压始终保持不变避免充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失充电前期，充电电流过大，电极活性物质变化体积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度易脱落。充电后期充电电流过小，使极板深处的活性物质得不到充分反应，形成长期充电不足，影响蓄电池的使用寿命充电方法一般只适用于无配电设备或充电设备较简陋的特殊场合，如汽车上蓄电池的充电有固定电阻的恒定电压充电充电电源与电池之间串联一电阻，这样充电初期的电流可以调整补救恒定电压充电的缺点在最大充电电流受到限制时，随充电过程的进行，蓄电池电压逐渐上升，电流却几乎成为直线衰减使用两个电阻值，约在2．4V时，从低电阻转换到高电阻，以减少出气阶段等流充电充电初期用较大的电流，经过一段时间改用较小的电流，至充电后期改用更小的电流充电后期改用较小电流充电，这样减少了气泡对极板活性物质的冲刷，减少了活性物质的脱落。这种充电法能延长蓄电池使用寿命，并节省电能，充电又彻底对蓄电池寿命损害很大，而且充电过程复杂，很多蓄电池不是用坏的，而是充坏的或放坏的各阶段充电时间的长短，各种蓄电池的具体要求和标准不一样。浮充电在浮充电机组停机时，全部直流负荷由蓄电池供给，浮充电机启动后，负荷仍回复有浮充电机供给，蓄电池回入浮充电状态能减少蓄电池的析气率，防止过充电；由于蓄电池同直流电源并联供电，当用电设备需要大电流时，可以瞬时输出大电流，有助于镇定电源系统的电压，使用电设备用电正常个别蓄电池充电不均衡和充不足电，所以需要进行定期的均衡充电蓄电池在浮充电机组故障期内放电后，应即进行充电，应经常处于满充状态，防止几班硫化英文摘要关键字Abstract:Withtheglobalenergycrisisandthedeteriorationoftheenvironment,renewableenergyresearchandapplicationdevelopmenttogetpeoplemoreandmoreattention,andsolarenergyasanimportantrenewablegreenenergy,solarenergyutilizationanddevelopmentprocess,howtoDCenergygeneratedbythePVarrayefficientlyintothecityavailableACpower,thefocusofattentionofthecountriesinthewor