【導讀】越來越大，僅僅依靠進口已很難解決日益增長的巨大需要。因此，研制完全實用化、在此背景下，本文對正弦波并網逆變器的軟硬件系統(tǒng)設計、控制算法研究和系。統(tǒng)仿真等方面進行了深入探索。路的拓撲結構和工作原理，討論了全橋逆變電路直流側和交流側濾波器的設計思路，并推導出逆變電路關鍵參數的計算公式。流電壓雙閉環(huán)控制技術。比較幾種常用的光伏電池最大功率點跟蹤方法，采用能夠?？焖佟蚀_跟蹤光伏電池最大輸出功率點的電導增量法來實現最大功率點的跟蹤。為了使并網電流和電網電壓同頻、同相，需要使用鎖相環(huán)技術。了軟件鎖相環(huán)的原理，并結合實際系統(tǒng)設計方案和繪制軟件流程圖。行了比較，用MATLAB仿真工具對本文所采用的主動頻率偏移法進行了仿真驗證。進行了詳細的設計，并制作了基于DSP控制的3kW光伏并網逆變器樣機。明，所采用的控制策略和設計的硬件電路能夠滿足設計要求，統(tǒng)可安全、穩(wěn)定運行。

　　

【正文】 D轉換所允許的電壓范圍 O～ 3V。 (3) 直流輸入電壓采樣電路 前端的輸入電壓為直流電壓，其采樣無需外加直流電壓偏置，但仍要保證采集的電壓在 0～ 3V以內。本文選用森社電子生產的 CHV25P霍爾電壓傳感器，其輸出范圍為 0～ 5V，我們采用分壓電阻 3VR2使其采集到的電壓信號控制在 0～ 3V之 間。 A／ D轉換電路模塊還包括市電電壓采樣電路、并網電壓平均值采樣電路、太陽 20 能電池輸出電流和電壓以及電壓和電 流的相位檢測電路，這些電流電壓采集電路都和以上所介紹的電路基本類似，在此就不在詳細介紹。 SPWM信號發(fā)生電路 TMS320LF2407A共有兩個事件管理模塊 (EVA,EVB)，共能控制輸出 16路 PWM信號。由于設計中只需控制逆變器的 4個 IGBT，因此只用到其中一個事件管理模塊 (EVA)的 4路 PWM信號： PWMlPWM4，其余 8路留作擴展。 要產生一個 PWM信號，需要一個合適的定時器來重復產生一個與 PWM周期相同的計數周期，一個比較寄存器保持著調制值。比較寄存器的值不斷地與定時計數器的值相比 較，當兩個值匹配時，在相應的輸出上就會產生一個變換 (從高到低或從低到高 )。當兩個值之間的第一個匹配產生或一個定時周期結束時，相映的輸出上會產生又一個轉換 (從低到高或從高到低 )。在每個定時器周期中，這個過程都會出現，但每次比較寄存器中的調制值是不同的，這要由控制軟件根據每個采樣周期的反饋量實時計算得到。這樣在相應的輸出引腳就會產生一個 PWM信號。詳細的 PWM的產生過程將在控制軟件的實現中進一步闡述 。 逆變器驅動電路 本次設計使用的 IPM模塊是使用 IGBT作為功率開關元件， IGBT的驅動條件與其特性密切相關。在設計門極驅動電路時應特別注意開通特性，負載短路能力和誤觸發(fā)等問題。對驅動電路總的要求包括以下方面： (1) IGBT是電壓驅動，具有一個 ～ 開 啟電壓，有一個容性輸入阻抗，因此， IGBT對柵極電荷集聚敏感，故驅動電路必須很可靠，要保證有一低阻抗值的放電回路，即驅動電路與 IGBT的連線要盡量短； (2) 用內阻小的驅動源對柵極電容放電，以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿，使 IGBT的開關損耗盡量小， IGBT開通后，柵極驅動源應能夠提供足夠的功率； (3) GBT的柵極驅 動電路應盡可能簡單實用，最好自身帶有對 IGBT的保護功能，并有極強的抗干擾能力。 DSP芯片輸出的 PWM信號驅動能力相當弱，不能直接驅動各功率管，必須先將此信號送入到驅動電路，經電氣隔離及放大后再去驅動功率器件 IPM模塊。本文選用了TLP250高速光耦作為放大隔離芯片。 TLP250輸出采用推拉結構，最大輸出電流為 21 ，開關頻率最高可達 25kHz，上升沿和下降沿時問只有 150ns，隔離電壓可達2500V。 CAN通信電路 CAN(ControllerAreaNetwork)臣 P控制器區(qū)域網， 是主要用于各種設備監(jiān)測及控制的一種網絡。 CAN具有獨特的設計思想，良好的功能特性和極高的可靠性，現場抗干擾能力強。與傳統(tǒng)的通信方法 (23 485串口通信 )相比 CAN具有如下特點： (1) 結構簡單，只有兩根線與外部相連，且內部含有錯誤探測和管理模塊； (2) 通信方式靈活，可以多主方式工作； (3) 直接通信距離最大可達 10km，最高通信速率可達 1Mb／ s； (4) CAN采用 CRC檢驗并可提供錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。 為了保障逆變系統(tǒng)的正常運行而且可以實時的查看系統(tǒng)運行時的各種狀態(tài)，實現對系統(tǒng)的智能化管理，系統(tǒng)設 計中加入了通信電路模塊。本文設計中采用 DSP中的CAN通信接口。在實驗過程中，可以把控制系統(tǒng)與上位機相連，將系統(tǒng)運行過程中的各個單元的狀態(tài)發(fā)送給上位機，以便設計人員及時找到系統(tǒng)的不足加以改正。同時加入通信接口也是為了以后多臺逆變系統(tǒng)并機運行，共同并網發(fā)電時系統(tǒng)之間傳輸一個統(tǒng)一的輸出控制，保證各個并聯的逆變系統(tǒng)均流輸出。 4 光伏并網系統(tǒng)中孤島效應的仿真實驗研究 22 孤島效應的分析 孤島效應是當電網的部分線路因故障或維修停電時，停電線路由所連的并網系統(tǒng)繼續(xù)供電，并連同周圍負載構成一 個自給供電的孤島情況。孤島效應的檢測和防止一般是通過監(jiān)控并網系統(tǒng)輸出端電壓的幅值和頻率實現的。當電網斷開時，由于并網系統(tǒng)的輸出功率和負載功率之間的差異會引起并網系統(tǒng)輸出電壓的幅值或頻率發(fā)生相當的改變，這樣通過監(jiān)控系統(tǒng)輸出的電壓就可以很方便地檢測出孤島效應。然而，當負載消耗的功率與光伏系統(tǒng)相匹配的時候，通過這種被動的檢測方法檢測孤島效應就會變得困難。當有許多光伏系統(tǒng)同時向電網并網發(fā)電時，甚至很多主動檢測的方法也失去了效果。實際并網系統(tǒng)中，雖然發(fā)生孤島效應的概率不高，但在光伏并網系統(tǒng)規(guī)模越來越大的情況下，這種可 能性仍然存在。 逆變器并網運行時，輸出電壓是由電網電壓控制的，并網逆變器能控制的只是并網電流，包括電流幅值、相位和頻率。其中頻率和相位與電網電壓相同，實際系統(tǒng)中一般都是通過與公共耦合點電壓過零點同步來實現的，幅值都是根據實際系統(tǒng)來可調的。因為在研究孤島檢測技術時，關心的只是逆變電源的輸出特性。所以，在研究孤島檢測技術時，逆變電源可以等效為一個幅值可調、頻率和相位都跟蹤電網的受控電流源。 孤島效應的檢測和防止一般是通過監(jiān)控并網系統(tǒng)輸出端電壓的幅值和頻率實現的。當電網斷電時，通常由于并網系統(tǒng)的輸出功率和負載功率 之間的巨大差異會引起系統(tǒng)輸出電壓的幅值或頻率發(fā)生很大改變，這樣通過監(jiān)控系統(tǒng)輸出的電壓可以很方便地檢測出孤島效應。圖 41是用于檢測并網逆變器孤島效應的示意圖，它由光伏并網系統(tǒng)、本地負載 (使用并聯的 RLC電路組成 )以及電網組成。 23 圖 41 逆變器孤島效應示意圖 孤島效應檢測仿真實驗 根據本文設計的系統(tǒng)，選用主動頻率偏移法來檢測孤島效應。通過周期性擾動系統(tǒng)輸出電壓頻率，當電網斷電時，由于沒有固定的電網頻率，整個系統(tǒng)的輸出 頻將一直升高，最終導致超過頻率保護的上限值。在此，我們每個周期給輸出電 壓 0． IHz的擾動。整個系統(tǒng)的反孤島效應的仿真圖如圖 42所示。 圖 42 孤島仿真模型 24 圖 43 反孤島效應仿真結果圖 從結果我們可以看出，系統(tǒng)在 0． 1s與電網斷開后，輸出電壓由于沒有電網的穩(wěn)定頻率，導致頻率越來越大，經過 lOOms達到 50． 5Hz，此時系統(tǒng)的高頻保護將檢測出系統(tǒng)的頻率異常，而將并網逆變器與電網斷開。 25 結 論 本文針對光伏并網系統(tǒng)中的核心問題，對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的關鍵技術進行了深入的研究，并在此基礎上建立起一套相對完善的光 伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器實驗平臺 。 現將本文的主要研究工作總結如下： (1) 分析了全橋逆變電路的工作原理，研究了直流側和交流側濾波器的設計依據，推導并提供了主電路關鍵參數的計算公式。 (2) 針對逆變器并網運行特點，結合電流控制和電壓控制的優(yōu)點，選用基于 DSP的 PWM電流電壓雙閉環(huán)控制方法。 (3) 研究了太陽能電池伏．安曲線與逆變器最大功率跟蹤技術之間耦合關系，選用電導增量法來實現太陽能電池的最大功率跟蹤。 (4) 選用主動頻率偏移法作為本系統(tǒng)的孤島防止方法，并用 MATLAB 7． 0中Simulink仿 真工具對該方法進行了仿真。從仿真結果可知，此方法能夠達到反孤島 。 根據系統(tǒng)總體設計要求，開發(fā)了基于 TMS320LF2407A DSP芯片并網逆變器樣機，對其硬件電路及軟件程序進行了分模塊調試，給出了實驗結果。通過分析實驗波形，證明了所設計的樣機系統(tǒng)在設計思想、實際應用上都是可行的。但一些功能和參數方面仍需許多實驗進一步驗證和完善，有待于后續(xù)者進一步研究和改進。 26 致 謝 首先我要由衷地感謝我的導師 武漢理工大學張立炎 副教授，本文是 張 老師的精心指導和親切關懷下完成的。在 最后一學期 期間里， 張 老師一直在學習、科研、生活各個方面都給予我極大的關懷。在論文的選題、研究方向和研究方案的確立以及撰寫的過程中，始終凝聚著 張立炎 副教授的悉心指導和親切教誨。 導師為人和藹而不失嚴格，其淵博的知識、嚴謹的治學態(tài)度、高度的責任心、精益求精的工作作風、豐富的實踐經驗給我留下了深刻的印象， 半 年里一直是激發(fā)我奮發(fā)向上的動力源泉。在此，謹向導師 張立炎 副教授表示衷心的感謝和崇高的敬意 ! 在課題準備和研究過程中，還得到了 郭磊 老師、 徐春燕 老師、 梅秋艷 老師 的熱心指點，為論文的撰寫打下了堅實的基礎。對幾位老師在百忙之中給予的無私 幫助表示深 深的謝意。 此外，還要感謝 季凱健 等同學的幫助和支持，和你們分享的不僅僅是學習的進步，同時還有生活中的快樂。 在這 一學期 的時間里他們在生活中始終給予了我無微不至的關心、鼓勵我專心完成學業(yè)。他們一直是我精神上不竭的動力。感謝所有幫助過我的老師們、同學們和朋友們 ! 27 參考文獻 [1] 李春鵬，張廷元，周封．太 陽 能光伏發(fā)電綜述． 電工材料 . 2021， (3)： 4547. 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