【正文】 來，太陽光伏發(fā)電取得了長足的進(jìn)步。 幾種逆變器的主電路均需要有控制電路來實(shí)現(xiàn)一般有方波和正 弦 波兩種控制方式，方波輸出的逆變電源電路簡單，成本低，但效率低，諧波成份大。 全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點(diǎn)，功率晶體管調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。簡單的光伏電池可為手表及計(jì)算機(jī)提供能源，較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可為 房屋提供照明，并為電網(wǎng)供電。 光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導(dǎo)體物料 (例如硅 )制成的薄身固體光伏電池組成。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 基于 DSP 的光伏發(fā)電單相并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì) DESIGN OF SINGLEPHASE GRIDTIED INVERTER FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEM BASED ON DSP 學(xué)院（部）： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2021年 6月 1日 I 基于 DSP 的光伏發(fā)電單相并 網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì) 摘要 由于全球能源的逐漸緊張和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，清潔的可再生的太陽能越來越受到人們是重視。 太陽能既是一次能源，又是可再生能源。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進(jìn)入一個節(jié)約能源減少污染的時代。由于沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導(dǎo)致任何損耗。 我們主要研究光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變電路而其中的電壓型單相全橋逆變電路是我們所要詳細(xì)研究的對象，而其中本論文會涉及最大功率跟蹤及 PWM 控制技術(shù)。由于該電路具有續(xù)流回路，即使對感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會畸變。正弦波輸出是逆變器的發(fā)展趨勢，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展 ，有 PWM 功能的微處理器也已問世，因此正弦波輸出的逆變技術(shù)已經(jīng)成熟。但比計(jì)算機(jī)和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。 1973 年的石油危機(jī)和 90 年代的環(huán)境污染問題大大促進(jìn)了太陽光伏發(fā)電的發(fā)展 [1]。受 20 世紀(jì) 70 年代的石油危機(jī)和 90 年代的環(huán)境污染問題影響，人們對能源和環(huán)境問題的認(rèn)識不斷提高，光伏發(fā)電越來越受到各國政府的重視，科研投入不斷加大，鼓勵和支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策也不斷出臺 [2]。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是光伏電池。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。把太陽能電池組件內(nèi)的太陽能電池單元以適當(dāng)方式相連接能得到規(guī)定的電壓和輸出功率。 因?yàn)樘柲茈姵貑卧旧懋a(chǎn)生的電壓約低于 ，所以 使用時必須串聯(lián)接作為電池組件使用。這里所謂太陽能電池組件串，是指由太陽能電池組件串聯(lián)連接構(gòu)成的太陽能電池陣列滿足所需輸出電壓的電路。 PV系統(tǒng)的容量是標(biāo)準(zhǔn)太能能電池陣列輸出功率來表示的。 2 圖 11 太陽能電池陣列結(jié)構(gòu)圖 光伏發(fā)電系統(tǒng)的國外與國內(nèi)發(fā)展 從上世紀(jì) 70 年代開始，各國政府都投入了很大的力量來支持太陽能電池的發(fā)展。自上世紀(jì) 80 年代以來，其他發(fā)達(dá)國家，如德國、英國、法國、意大利、西班牙、瑞士、芬蘭等，也紛紛制定了光伏發(fā)展計(jì) 劃，并投入了大量資金進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。綜觀進(jìn)入新世紀(jì)后世界太陽電池的總產(chǎn)量，年增長率達(dá)到 3040%[4]。隨著對太陽能和可再生能源的廣泛的大規(guī)模的利用，全球的能源結(jié)構(gòu)必將發(fā)生根本性的變化。另一方面，我 國具有豐富的太陽能資源，日照時數(shù)大于 2021h，太陽能總輻射量高于 25016MJ m 的地方約占全國總面積的三分之二以上，尤其是西部地區(qū)有很大的潛力。 我國在 20 世紀(jì) 50 年代開始研究太陽能電池，于 1971 年首次成功應(yīng)用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星。在新世紀(jì)初，國家發(fā)改委在 2021年啟動了“送電到鄉(xiāng)工程”，該工程光伏系統(tǒng)容量為 20MW，極大地拉動了我國 光伏市場的需求。近幾年來，我國的光伏發(fā)電技術(shù)己經(jīng)具有了一定的市場潛力和市場吸引力，但光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備主要依靠進(jìn)口，光伏并網(wǎng)發(fā)電的技術(shù)更是剛剛起步，因此，并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的造價高，依賴性強(qiáng)，制約了并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展和推廣。 國內(nèi)光伏系統(tǒng)主要采用單位功率因數(shù)并網(wǎng)，不具備電 能質(zhì)量控制功能。對逆變器建立模型并進(jìn)行分析，采用先進(jìn)的控制策略對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的性能是必不可少的。 光伏發(fā)電系統(tǒng)形式 典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、蓄電池組、控制器、電力電子變換器、負(fù)載等構(gòu)成，而 光伏發(fā)電系統(tǒng)按工作條件分為獨(dú)立型，并網(wǎng)型和介于兩者之間的可調(diào)度型 [5]。獨(dú)立型光伏發(fā)電多用于邊遠(yuǎn)山區(qū)，因?yàn)檫@些地方需要的電能容量小，建變電站成本昂貴，宜用獨(dú)立型光伏發(fā)電。此外，在通信基站等需要小量維持供電的情況下獨(dú)立型光伏發(fā)電也有應(yīng)用價值，在獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能部件是損耗最快，維護(hù)最頻繁的組件。我國現(xiàn)在多數(shù)是非逆潮流系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電多見于城市供電系統(tǒng)，區(qū)域內(nèi)的電力需求通常比 PV系統(tǒng)的輸出電力大，是城市電網(wǎng)的補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)用電時段的消峰填谷。如下圖 13： 圖 13 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) 可調(diào)度型：可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)是帶有儲能部件且可以并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。在蓄電池充滿電且又有光照的情況下，則應(yīng)由光伏電池直接給負(fù)載供電或是并入電網(wǎng)。如下圖 14： 圖 14 可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng) 本論文所主要研究的是獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。通常將 DC－ AC 變換電路、控制電路、驅(qū)動及保護(hù)電路組成的 DC－ AC 逆變電源稱為逆變器（ Inverter）。 電壓型單相半橋逆變電路 [6] 直流母線電容濾波，直流電壓 dU 經(jīng) C C2 分壓， VT VT2 交替導(dǎo)通 /關(guān)斷；負(fù)載上 的電壓幅值為 dU 的一半，功率為全橋逆變器的四分之一；開關(guān)管 VT VT2 上承太陽 能 電池 充電控制器 直流負(fù)載 蓄電池 交流負(fù)載 逆變器 S 太陽能電池 逆變器 計(jì)量電表 交流負(fù)載 電網(wǎng) 5 受的最大電壓為 dU ；控制方式主要是 PWM 脈寬調(diào)制控制，移相控制等。其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值 mU 僅僅為 2dU ,且直流側(cè)需要兩個電容串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。 電壓型單相全橋逆變電路 [7] U+CVTVTVTVT負(fù)載12341234d dVDVDVD VD 圖 16 電壓型單相全橋逆變電路 直流母線電容 dC 濾波， VT VT4 和 VT VT3 交替導(dǎo)通 /關(guān)斷；加在負(fù)載上的電壓幅值為 dU ，輸出功率為半橋逆變器的四倍；開關(guān)管 VT1～ VT4 上承受的最大電壓為2dU ；控制方式有單極、雙極式 PWM 脈寬調(diào)制控制，移相控制，調(diào)頻控制等方式。負(fù)載上的電壓幅值和相位取決于負(fù)載阻抗大小和性質(zhì)。 6 U+負(fù)載LVTVTVTVT1234dd 圖 17 電流型單相全橋逆變電路 主電路的拓?fù)?結(jié)構(gòu) 逆變器按主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類主要有：推挽逆變器、半橋逆變器和全橋逆變器 [8]。它包括兩個功率開關(guān)元件 VT VT2和兩個儲能元件電容 C C2。實(shí)質(zhì)上單相半橋電路和單相推挽電路在電路結(jié)構(gòu)上是對偶的，半橋型逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，由于兩只串聯(lián)電容的作用，不會產(chǎn)生磁偏或直流分量，非常適合后級帶動變壓器負(fù)載，但其缺點(diǎn)也十分明顯如直流側(cè)電壓利用率低，在同樣的開關(guān)頻率下電網(wǎng)電流的諧波較大。它包括兩個半導(dǎo)體開關(guān) （ IGBT） VTVT2，一 個升壓變壓器組成。 V T 1V T 2V D 1V D 2U oU d+ 圖 19 單相推挽式逆變器電路拓?fù)鋱D 單相全橋逆變電路電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 單相全橋逆變電路電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 110 所示。 U dV T 1V T 3V T 2V T 4U o 圖 110 單相全橋逆變器電路拓?fù)鋱D 8 綜上所述，根據(jù)本文的研究需要，本文將選用目前應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)相對也是最成熟的單相全橋式的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 110 所示），因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡 單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)。因此對光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究 設(shè)計(jì)無疑具有極大應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義。 9 2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成 下面介紹戶用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。下面分別對光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個組成部分以及要解決的關(guān)鍵問題作一一介紹。當(dāng)太陽光 (或其他光 )照射到 光伏電池上時，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子一空穴對，在電池內(nèi)建電場作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的累積，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應(yīng)” [10]。光伏電池片容量小，輸出電壓只有零點(diǎn)幾伏，輸出峰值功率也只有 1W 左右，一般不能滿足負(fù)載用電的需要，所以通常不直接使用。太陽能電池組件再經(jīng)過串、并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成光伏陣列。 光伏并網(wǎng)逆變器 光伏陣列所發(fā)出的電能是直流電能，需要使用逆變器將直流電變換為交流電。并網(wǎng)逆變器除了可將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電外，還可對轉(zhuǎn)換的交流電的頻率、電壓、電流、相位、有功與無功、同步、電能品質(zhì) (電壓波動、高次諧波 )等進(jìn)行控制。就并網(wǎng)系統(tǒng)而言，可以分為電流型和電壓型兩大類。典型的電壓型逆變器結(jié)構(gòu)如圖 16 所示，直流側(cè) 采用電容進(jìn)行直流儲能，在交流側(cè)經(jīng)沖電感接入電網(wǎng)母線。電流型逆變器的輸出采用電壓控制，并網(wǎng)時實(shí)際上相當(dāng)于一個電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行，逆變器輸出電壓值不易控制，并且可能出現(xiàn)環(huán)流，目前較少采用。本文中采用的就是電壓型逆變器結(jié)構(gòu)。 本文中的并網(wǎng)逆變器被設(shè)計(jì)成電壓型控制的電流源結(jié)構(gòu)，這樣并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)電壓實(shí)際上就是一個交流電流源和電壓源 的并聯(lián)。光伏發(fā)電正常工作時就是通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，當(dāng)僅考慮基波頻率時，它可以被等效地視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，它通過電抗器并電網(wǎng)。 RI+++XL??LUIU SU 圖 21 單相等效電路 SU 為電網(wǎng)電壓， IU 為逆變器輸出電壓。 要使光伏發(fā)電系統(tǒng)能輸出電流則 IU 必須大于 SU ，且逆變器本身提供了有功功率 二來補(bǔ)充電路中的損耗，而電網(wǎng)電壓 SU 與電流 I 同相，因?yàn)榫€路中電抗器 X 的存在，使得逆變器輸出電網(wǎng)電壓 IU 與電網(wǎng)電壓 SU 不再是同相，而存在一個相位差 ? ，改變這個相位差，并且改變 IU 的幅值，則產(chǎn)生的電流的相位和大小也就隨之改變，光伏發(fā)電裝置流入電網(wǎng)的有功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。 11 ??I LUIUSU RU 圖 22 向量圖 分析圖 2 所示的工作向量圖，由圖中電網(wǎng)電壓 SU 、逆變器交流側(cè)基波電壓 IU ，和連 接電抗器壓降 LU 構(gòu)成的三角關(guān)系，可得如下等式 ： 22( ) ( )ISU U IR LI?? ? ? (21) SSI L Ltg UU IRRI??? ???? (22) 由 (21)， (22)兩式子可得輸出有功功率改變 (通過 I 的改變 )時，輸出電壓的 相角 ? 和值 IU ，同時變化，這樣得控制 ? 和 IU ，兩個參數(shù)，可見間接控制實(shí)現(xiàn)比較困難， 因此本設(shè)計(jì)采用電流直接控制的方式。 目前，跟蹤型 PWM 控制方法主要有兩種，即滯環(huán)比較方式 和三 角波比較方式。該方式電路簡單，電流響應(yīng)快，不需要載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量，電流跟隨誤差范圍固定，但是開關(guān)器件的開關(guān)頻率是不固定的，有可能超出器件允許的最高工作頻率而導(dǎo)致器件損壞。該方法不足是，補(bǔ)償電流的跟隨誤差不固定。這種方式與其他用三角波作為載波的 PWM控制方式不同，它不直接將指令信號 *i 與三角波比較，而是將 *i 與反饋電流 i 的偏差 i? 經(jīng)過放大器 A 之后再與三角波比較。這 樣組成的一個控制系統(tǒng)是基于把 i? 控制為最小量來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，據(jù)日本電器學(xué)會的調(diào)查結(jié)果表明，這兩種方式在實(shí)際應(yīng)用中大體上各占一半，基本相當(dāng)。此方法實(shí)現(xiàn) PWM 控制有硬件實(shí)現(xiàn)方式和軟件實(shí)現(xiàn)方式，由于硬件電路相對復(fù)雜，本文選取了軟件編程方式。 DSP 的 PWM 信號的產(chǎn)生過程是 [11]：為了產(chǎn)生PWM 信號，使用一個定時器來重復(fù) PWM 的周期，用一個比較寄存器來存放調(diào)制值。當(dāng)?shù)诙纹ヅ洚a(chǎn)生或周期結(jié)束時，相關(guān)引腳會產(chǎn)生另一 個變化 (從高到低或從低到高 )。這個過 程在每個定 時器周期按照比較寄存器不同的值重復(fù)，這樣便產(chǎn)生了 PWM 信號。 DSP 可以產(chǎn)生非對稱的 PWM 波形，也可以產(chǎn)生對稱的 PWM 波形。 13 對稱 PWM 波形與非對稱 PWM 波形相比，具有的一個優(yōu)點(diǎn)是：在 PWM 周期開始和結(jié)束