【導(dǎo)讀】太陽(yáng)能發(fā)電作為一種全新的電能生產(chǎn)方式，具有清潔無(wú)污染、來(lái)源永。不衰竭且維護(hù)措施簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文針對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)。計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于DSP控制的光伏離網(wǎng)逆變器逆變電路部分的硬件電路。光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的基本原理。然后提出了以逆變器DC/AC變換技術(shù)為核心的光伏。離網(wǎng)逆變器的硬件電路設(shè)計(jì)方案，并在Matlab軟件上進(jìn)行了仿真測(cè)試。直流電壓電流采樣電路.....

　　

【正文】 進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得： **dc grid gridl dcU U UI L f U???即 **dc grid gridl dcU U UL I f U?? ? （ ） 在逆變系統(tǒng)中， 由于 2 2 2 0 3 1 1 , 1 0 .5 , 3 0 0g r id N d cU V I A U V? ? ? ? ? 所以開(kāi)關(guān)管的工作頻率為 f=10kHz， T=100us，取電流的紋波系數(shù)為 ir? 16%，則由式（ ）計(jì)算可得： 44 0 0 3 1 1 3 1 1 1 1 . 5 35 0 . 1 6 1 1 0 3 0 0L m H?? ? ?? ? ? （ ） 因此，要保證實(shí)際的電流紋波 1 0 .5 0 .1 6 1 .6 8l N iI I r A? ? ? ? ?， 所以取電感取值范圍為 mH? 。 （ 2）逆變器的矢量三角形關(guān)系 從逆變器的矢量三角形關(guān)系可以得出： 0 NNU j LI U??? （ ） 于是可得它們的基波幅值滿(mǎn)足下面公式： ? ?2220 NNU LI U??? （ ） 由 SPWM 正弦脈寬調(diào)制理論可以得到 0 dcU mU? 。 其中， m 為調(diào)制比，且 1m? ，從而可得： ? ?2 22N N dcLI U U? ?? （ ） 進(jìn)一步對(duì)上式（ ）化簡(jiǎn)得： 22dc NNUUL I? ?? （ ） 把數(shù)值代入式（ ）計(jì)算可得： 223 0 0 2 2 0 3 0 .92 5 0 1 0 .5L m H? ????? （ ） 綜合計(jì)算，濾波電感的取值范圍為 L mH??。在實(shí)際電感設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于電感的成本、體積等因素的影響，一般只考慮取電感的下限值即可。以上計(jì)算建立在額定的輸出電壓基 礎(chǔ)上，即 UN=220V 基礎(chǔ)上，最終選取電感值15L mH? 。 三、交流測(cè)輸出濾波電容的設(shè)計(jì) 由于電感和電容一起構(gòu)成 LC 式的阻高頻通低頻的低通濾波器，有效的抑制了高次諧波，同時(shí)又要遠(yuǎn)大于基波的頻率，避免輸出電流發(fā)生畸變，一般取電流的基波頻率為 10～ 20倍的基波頻率，本文取 13倍的基波頻率進(jìn)行分析。 由 12f LC??得： ? ? ? ?22311 42 * 1 3 1 5 1 0 2 5 0 1 3CFLf ??? ?? ? ?? ? ? ? ? ? （ ） 其中基波頻率取為 50Hz，把電感值帶入上式（ ）可以求出電容值為4CF?? ， 最后選取電容值為 4 /350FV? 。 5 系統(tǒng)的軟件構(gòu)架 系統(tǒng)的控制方式 由于課題主要是針對(duì)逆變部分的設(shè)計(jì)，這里主要是對(duì)逆變器部分的一個(gè)控制方法的闡述。 本系統(tǒng)采用 PI電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方式。其控制的一個(gè)電路拓?fù)淙鐖D 所示。 電 流 采樣電 壓 采樣S P W M 發(fā) 生器三 角 載 波發(fā) 生 器P I P IS 1S 3S 2S 4UdCdLZCiLUr g 圖 逆變器控制圖 如圖 ，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用單相全橋逆變電路。 S1～ S4 開(kāi)關(guān)管的 SPWM控制信號(hào)來(lái)自控制電路。 SPWM 是由參考正弦波與一定頻率的三角波相比較而產(chǎn)生的，正弦值大于三角波的值，則輸出 1，即開(kāi)通開(kāi)關(guān)元件，反之則關(guān)斷。幅值不同的正弦參考波產(chǎn)生寬度不同的 SPWM 波。控制電路內(nèi)部讓正弦波和鋸齒波進(jìn)行比較產(chǎn)生四路控制信號(hào)，分別用來(lái)控制 S1～ S4 。開(kāi)關(guān)管一共有 4種開(kāi)關(guān)模式，分別是： S1， S4開(kāi)； S2， S3 開(kāi)； S1， S2。開(kāi)； S3， S4 開(kāi)。其中，只有兩種開(kāi)關(guān)模式有輸出電壓（ S1， S4 開(kāi)； S2， S3 開(kāi)。） S1， S4 開(kāi)，輸出為正 ； Q2， Q3 開(kāi)，輸出為負(fù)。 通過(guò) AD口采集輸出負(fù)載端的電壓和電感上的電流，在 DSP 內(nèi)部通過(guò) PI 雙環(huán)控制，產(chǎn)生 SPWM 信號(hào)波。 SPWM 信號(hào)的產(chǎn)生由：用 DSP 中的事件管理模塊 (Ev)可以產(chǎn)生 SPWM 波。三角載波的時(shí)間是開(kāi)關(guān)管的周期來(lái)產(chǎn)生的。 控制的流程如下所示： 參 考 的正 弦 信號(hào)P I P I逆 變器iLU oUi niLUfii n三 角 載 波 圖 雙環(huán) PI控制圖 在圖 中：參考正弦電壓與輸出電壓比較得到的誤差電壓經(jīng)過(guò) PI調(diào)節(jié)后作為電流的參考指令與電感電流作比較，得到一個(gè)電流誤差信號(hào)，電流誤差信號(hào)再經(jīng)過(guò) PI 控制后與三角載波比較產(chǎn)生占空比來(lái)控制逆變 器的開(kāi)關(guān)。和電壓?jiǎn)伍]環(huán)相比，增加了電感電流內(nèi)環(huán)控制，使得系統(tǒng)的帶寬增大，反應(yīng)速度加快，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)時(shí)間短，諧波含量小，同時(shí)能有效地限制負(fù)載電流，起保護(hù)作用，更具優(yōu)越性。 PI 算法的程序框圖 在光伏控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PI 控制器，數(shù)字 PI 控制算法通常又分 為位置式 PI控制算法和增量式 PI控制算法，由于位置式 PI 算法的每次輸出都與整個(gè)過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要對(duì)過(guò)去的誤差進(jìn)行累加，累加運(yùn)算編程不太方便，計(jì)算量也較大，用微處理器實(shí)現(xiàn)此算法，很容易發(fā)生數(shù)據(jù)溢出，會(huì)導(dǎo)致 u（ k）的大幅度 變化，這在實(shí)際情況中是不允許的。因此，本文設(shè)計(jì)中采用了增量式 PI 算法。其運(yùn)算的程序框圖如圖 所示： 初 始化采 樣 實(shí) 際 值讀 取 參 考 值計(jì) 算 兩 者 的偏 差e ( k )計(jì) 算 增 量△ U （ k ） = ( K p + K i ) e ( k ) + K p e ( k 1 )計(jì) 算 輸 出 量U ( k ) = U ( k 1 ) + △ U （ k ）為 下 一 次 計(jì) 算 做 準(zhǔn) 備U ( k 1 ) = U ( k )e ( k 1 ) = △ e ( k )返 回 圖 PI運(yùn)算的程序框圖 PI 控制程序框圖 在本文前面的章節(jié)中對(duì)逆變器的控制部分已經(jīng)有了介紹，本文采用的是雙閉環(huán)的 PI 控制方法。其程序框圖如圖 ： 采 樣 完 成 ？采 樣 輸 出 電 壓 反饋 值計(jì) 算 P I 增 量計(jì) 算 P I 輸 出 值采 樣 輸 出 電 流 反饋 值采 樣 完 成 ？與 電 壓 P I 輸 出 值比 較 計(jì) 算 偏 差與 基 準(zhǔn) 值 比 較計(jì) 算 偏 差計(jì) 算 P I 增 量計(jì) 算 輸 出 值計(jì) 算 占 空 比 D與 三 角 波 幅 值 進(jìn)行 比 較送 入 D P S 比 較 寄存 器返 回定 時(shí) 器 T 3中 斷NYNY 圖 PI雙閉環(huán)控制的程序框圖 SPWM 波的生成 產(chǎn)生 SPWM 波的原理是：用一組等腰三角波與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，其相交的時(shí)刻 (即交點(diǎn) )作為開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻，這組等腰三角形波稱(chēng)為載波，而正弦波稱(chēng)為調(diào)制波，如圖 所示。正弦波的頻率和幅值是可控制的，改變正弦波的頻率，就可以改變電源輸出電壓的頻率，改變正弦波的幅值，也就改變了正弦波與載波的交點(diǎn)，使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變電源輸出電壓的大小。 圖 SPWM波生成的原理 在本課題 SPWM 波生成的方法為： 利用 DSP 中的事件管理模塊 (EvA)可以產(chǎn)生 SPWM 波。當(dāng)定時(shí)器 T1 處于連續(xù)遞增 /遞減計(jì)數(shù)模式時(shí)，計(jì)數(shù)寄存器 (T1CNT)中的數(shù)值的變化軌跡就是等腰三角形，也就相當(dāng)于產(chǎn)生了一系列的等腰三角形波。而正弦調(diào)制波則是通過(guò)將參考正弦波制成表格，查表獲得代表正弦波的數(shù)字量得到。采用定時(shí)中斷，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，程序從參考正弦表中獲得相應(yīng)的數(shù)字量，并將它賦值給比較寄存器 CMPRx（ x= 3）。 其生成的步驟為：在程序的初始化部分建立一個(gè)正弦表，在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候可以通過(guò)查表的方式得到想要的數(shù)據(jù)。假設(shè)在一個(gè)正弦波周期內(nèi) 采樣的次數(shù)為NX，則在第 n 個(gè)點(diǎn)的采樣值為式 ()所示 ： NXnNXnYn ??????????? 43210)2s i n( 、? () 在實(shí)際的使用的過(guò)程中，由于正弦表中的值要能被比較寄存器使用，所以不能出現(xiàn)負(fù)值，從上式可以看出當(dāng) 2NXn? ， Yn0，此時(shí)就不能正常使用了，因此可以把上面的公式改寫(xiě)為下面的公式 ()： NXnNXnMPRYn ???????????? 43210)]2s i n(1[2 、? () 其中 PR為周期寄存器 中的計(jì)數(shù)周期值。 對(duì) Yn 取整，從 n=1 到 n=NX，得到 NX 個(gè)正弦采樣值的表格，設(shè)置通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增減計(jì)數(shù)方式，在中斷程序中調(diào)用表中的值即可產(chǎn)生相應(yīng)的按正弦規(guī)律變化的方波信號(hào)。其程序框圖如圖 所示。為了同一橋臂的上下的開(kāi)關(guān)管直通，兩路互補(bǔ)的 PWM 信號(hào)還需要要通過(guò)死區(qū)時(shí)間寄存器 (DBTCONx)來(lái)設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間。 T 1 下 溢 中 斷查 表 ， 計(jì) 算 C M P R 1偏 移 指 針 前 移 計(jì) 數(shù)周 期 的 1 / 3 倍指 針 需 要 調(diào) 整 ？調(diào) 整YN查 表 ， 計(jì) 算 C M P R 2偏 移 指 針 前 移 計(jì) 數(shù)周 期 的 1 / 3 倍指 針 需 要 調(diào) 整 ？調(diào) 整查 表 ， 計(jì) 算 C M P R 3基 指 針 + 1指 針 為 空 ？基 指 針 指 向 正 弦 表 表 首清 除 中 斷 標(biāo) 志返 回中 斷 開(kāi) 始YNYN 圖 SWPM生成程序框圖 6 采樣電路 直流電壓電流采樣電路 圖 所示的為直流電壓采樣電路圖， R VR1 和 R10 為分壓電阻，將直流電壓分壓后給運(yùn)放，本文用的是 LM358,這里采用的是其雙電源工作模式。電壓與電流信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后，經(jīng)過(guò)去藕電容 C105 后 送給 DSP2812 的 相應(yīng) 端口進(jìn)行 采樣 。 R 1D CD C+_R 2R 3C 1R 4D 1R 5C 2D C采 樣R 6C 3 圖 55 直流電壓電流采樣電路 交流電壓與頻率的采樣 圖 是交流電的采樣電路，主要采樣的交流電有逆變輸出，以及旁路輸入的交流電，將旁路檢測(cè)的電壓通過(guò)變壓器的變壓后，通過(guò)分壓和 RC 濾波電路后輸入到 DSP 的對(duì)應(yīng)端口；頻率采樣是通過(guò)放大電路后送到 DSP 的 CAP 過(guò)零捕獲來(lái)進(jìn)行頻率采樣的。對(duì)于旁路輸入還有電流的檢測(cè)，和交流電壓的檢測(cè)類(lèi)似，這里就不多說(shuō)了。 A CT 1+ 5 V+ 1 5 V 1 5 VR 6R 7R 1 4D 1D 2R 8R 1 1R 1 0R 9C 6R 1 2R 2 3R 1 3C 7C 4R 1 5R 1 6C 5 D 3 圖 交流電壓頻率的采樣電路 光伏并網(wǎng)逆變器仿真測(cè)試 Boost 升壓電路仿真測(cè)試 Boost升壓斬波電路是將光伏太陽(yáng)能電池陣列輸出的電壓進(jìn)行升壓變換，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率較高、控制也較為簡(jiǎn)單。由以上章節(jié)中對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，參數(shù)的計(jì)算，本設(shè)計(jì)用 Mtalab的 Simulink模塊 [20]進(jìn)行仿真測(cè)試，通過(guò)波形分析所設(shè)計(jì)的參數(shù)是否達(dá)到了本文主要性能指標(biāo)的要求。 的電壓電流波形，脈動(dòng)在要求的范圍之內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的效果，證明了設(shè)計(jì)的可行性，