光伏逆变器的设计控制电路设计
光伏发电系统中最重要的一个环节就是对光伏逆变器的设计。逆变器就是将光伏电池阵列输出的直流电转换为交流电。光伏逆变器的设计主要包括对主电路的控制电路的设计。本课题主要针对光伏逆变器控制电路的设计。首先，简要说明了光伏逆变器主电路中直流升压、交流逆变的结构和工作原理。然后在此基础上设计了基于DSP芯片的控制电路。主要包括PWM脉冲波的生成与控制、电流电压的采样和保护电路的设计。逆变电路部分采用了SPWM脉冲波的控制方式。其次，利用MATLAB/Simulink先对控制部分进行仿真再对整个系统进行仿真和分析。经仿真结果表明，光伏逆变器的设计基本满足设计要求。最后，根据整个电路的原理图进行硬件实物的制作和调试。关键词 光伏发电，逆变器，DSP，PWM，MATLAB
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 课题研究的意义 3
1.4 本课题的设计内容和任务 3
2 光伏逆变器的结构及工作原理分析 4
2.1主电路的电路拓扑结构及工作原理分析 4
2.2控制回路的构成 7
3 控制电路的设计 8
3.1 DSP简介 8
3.2 TMS320F28027简介 9
3.3基于TMS320F28027芯片的控制电路的设计 10
4 系统软件设计 25
4.1 主程序的设计 25
4.2 中断程序的设计 26
4.3 DCDC控制程序的设计 27
4.4 DCAC控制程序的设计 27
5 光伏逆变器的控制策略和MATLAB仿真结果分析 29
5.1 光伏逆变器的设计目标 29
5.2 光伏逆变器几种常见控制方式 31
5.3 DCDC电路仿真与分析 34
5.4 电流电压采样电路仿真与分析 36
5.5 PWM脉冲的生成与控制电路仿真与分析 36
5.6 DCAC电路仿真与分析 38
5.7 MATLAB仿真总图 39
6 调试 39
结 论 42 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
致 谢 43
参考文献 44
附录 46
1 引言
1.1 课题研究背景
太阳是地球上一切生物赖以生存的能量来源，只要太阳一直存在，太阳能资源就是取之不尽用之不竭的。我国作为一个人口大国需要消耗大量的能源，燃烧煤炭是我国最主要的能量来源，与之伴随的是环境问题，并且煤炭资源是一种不可再生资源，因此，我们需要寻找对环境友好、环保的能源来替代煤炭资源。人类开发太阳能主要是利用太阳光辐射所产生的能量，太阳能资源作为一种无污染的清洁能源得到了人们的青睐，尽可能多的使用太阳能资源是我们改变目前能源结构的最好解决途径。我国土地面积广阔，南北纬跨度大，受太阳照射的地方比较多，并且很多地方常年光照足，所以太阳能资源十分充足。目前，我国大力支持光伏发电技术的研究，开启了多项光伏发电研究的项目，并且太阳电池及组件的产量逐年稳定上升，也加速了光伏发电的发展速度。所以，只要我们致力于此，我国将在太阳能资源开发这一项目上取得骄人的成绩。太阳能资源与其他能源相比，没有枯竭的危险，且资源分布广泛，受地域限制小，无需运输，并且太阳能电池组件结构简单、体积小、重量轻、便于运输和安装，结合种种优点，太阳能发电已经被广大人群所接受，正逐渐的被广泛使用。尤其是在不久的将来，随着光伏一体化建筑的崛起，太阳能发电技术将深入人们的生活当中。太阳能发电涉及到光伏发电技术，光伏发电技术简单点说就是将太阳光转换成电能，但是，光伏发电系统产生的电流是直流电，直流电在人们日常生活中用的范围不广，在实际生活中是需要不同电压等级的交流电，很显然，直接使用太阳能转换的电流具有局限性，因此，这就需要将直流电转换为交流电作为民用电力来使用。由此可见，光伏逆变器在光伏发电系统中是十分重要的，是核心组成部分。所以，设计一款性能良好的光伏逆变器显得尤为重要。
1.2 国内外发展现状
我国的太阳能资源相当丰富，据估算，每年太阳辐射到我国陆地表面的太阳辐射能约为50x10^18kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ/cm2a[1]。并且太阳能与水电、风电、核电等相比，太阳能比常规清洁能源更清洁，比核能更安全，而且太阳能随处可见，有太阳辐射的地方就会有太阳能，既不需要我们开采也不需要进行输送，开发利用十分方便。由于其安全性能高，而且资源分布广泛，随着如今科技的发展，太阳能被利用的地方也是很多。因此使用太阳能进行发电是当下的主流之一。现在环境问题越来越恶劣、资源短缺问题越来越严重，所以在未来利用太阳能资源可以满足人类对资源的需求。
太阳能因为其洁净、安全、储量大的特点，被许多国家纳入能源结构并长期使用。这将促成光伏发电产业进一步的发展，这也是继当下的微电子行业后的又一个光速崛起的产业。
虽然，我国在光伏发电行业发展的较晚，但是就目前的形势来看，我国光伏发电产业的发展速度是相当快的，由于国家和地方政府对光伏发电无限的支持和大量资金的投入，使得我国的光伏发电系统具有广阔的发展空间并能够应用到更多的领域中去[2]。例如，2008北京奥运会上就使用了100KW光伏发电系统等。因此，专家预计未来的十年中，大范围的使用太阳能发电系统将成为现实。
太阳能发电系统主要依靠的是发电系统中的逆变器，如果没有光伏逆变器，太阳能转换成的电能就不能直接驱动交流负载。所以在一个完整的光伏发电系统中，其光伏逆变器的成本占十分之一左右。在2006年的关于光伏发电产业的分析报告中指出，在未来几年内，光伏产业将会以惊人的速度增长。以之前太阳能的产值来估算，在2007年，全世界的太阳能发电所产生的盈利可达到474.3亿元。另外，2006年的关于电力发展技术与市场分析报告指出，新装光伏电池的容量大小为770兆瓦。其中，90%是由并网光伏发电系统占据。预计到2020年，德、日计划将可再生能源的发电量提高至20%的水平，我国也向外宣布要达到15%，美国则宣称要达到10%，分析当下的情况可以预测到，将来太阳能光伏发电产业将不断甚至飞速发展，这也将会促使市场对光伏逆变器的需求增长。
光伏发电系统分为离网型、并网型和分布式光伏发电系统。并网型光伏发电系统一般包括光伏电池阵列、DCDC变换电路，DCAC光伏逆变器，并网控制器等组成部分，其中DCAC光伏逆变器是整个系统的核心设备，主要功能是将直流电转换成适用的交流电。光伏逆变器按运行方式分，可分为离网运行逆变器和并网运行逆变器。离网型光伏发电系统采用单独的逆变器工作方式，并接入电网使用；并网逆变器则用于并网运行的发电系统。逆变器输出的波形有正弦波和方波两种类型。方波逆变器尽管构造不复杂，成本便宜，但是谐波分量比较大。所以这种逆变器只用于功率较低并且对输出波形要求不高的系统；正弦波逆变器虽然造价昂贵，但是却有很大的优点，能够适用于各种电路。考虑到实际操作因素，本课题将设计一款3KW离网正弦波逆变器。
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 课题研究的意义 3
1.4 本课题的设计内容和任务 3
2 光伏逆变器的结构及工作原理分析 4
2.1主电路的电路拓扑结构及工作原理分析 4
2.2控制回路的构成 7
3 控制电路的设计 8
3.1 DSP简介 8
3.2 TMS320F28027简介 9
3.3基于TMS320F28027芯片的控制电路的设计 10
4 系统软件设计 25
4.1 主程序的设计 25
4.2 中断程序的设计 26
4.3 DCDC控制程序的设计 27
4.4 DCAC控制程序的设计 27
5 光伏逆变器的控制策略和MATLAB仿真结果分析 29
5.1 光伏逆变器的设计目标 29
5.2 光伏逆变器几种常见控制方式 31
5.3 DCDC电路仿真与分析 34
5.4 电流电压采样电路仿真与分析 36
5.5 PWM脉冲的生成与控制电路仿真与分析 36
5.6 DCAC电路仿真与分析 38
5.7 MATLAB仿真总图 39
6 调试 39
结 论 42 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
致 谢 43
参考文献 44
附录 46
1 引言
1.1 课题研究背景
太阳是地球上一切生物赖以生存的能量来源，只要太阳一直存在，太阳能资源就是取之不尽用之不竭的。我国作为一个人口大国需要消耗大量的能源，燃烧煤炭是我国最主要的能量来源，与之伴随的是环境问题，并且煤炭资源是一种不可再生资源，因此，我们需要寻找对环境友好、环保的能源来替代煤炭资源。人类开发太阳能主要是利用太阳光辐射所产生的能量，太阳能资源作为一种无污染的清洁能源得到了人们的青睐，尽可能多的使用太阳能资源是我们改变目前能源结构的最好解决途径。我国土地面积广阔，南北纬跨度大，受太阳照射的地方比较多，并且很多地方常年光照足，所以太阳能资源十分充足。目前，我国大力支持光伏发电技术的研究，开启了多项光伏发电研究的项目，并且太阳电池及组件的产量逐年稳定上升，也加速了光伏发电的发展速度。所以，只要我们致力于此，我国将在太阳能资源开发这一项目上取得骄人的成绩。太阳能资源与其他能源相比，没有枯竭的危险，且资源分布广泛，受地域限制小，无需运输，并且太阳能电池组件结构简单、体积小、重量轻、便于运输和安装，结合种种优点，太阳能发电已经被广大人群所接受，正逐渐的被广泛使用。尤其是在不久的将来，随着光伏一体化建筑的崛起，太阳能发电技术将深入人们的生活当中。太阳能发电涉及到光伏发电技术，光伏发电技术简单点说就是将太阳光转换成电能，但是，光伏发电系统产生的电流是直流电，直流电在人们日常生活中用的范围不广，在实际生活中是需要不同电压等级的交流电，很显然，直接使用太阳能转换的电流具有局限性，因此，这就需要将直流电转换为交流电作为民用电力来使用。由此可见，光伏逆变器在光伏发电系统中是十分重要的，是核心组成部分。所以，设计一款性能良好的光伏逆变器显得尤为重要。
1.2 国内外发展现状
我国的太阳能资源相当丰富，据估算，每年太阳辐射到我国陆地表面的太阳辐射能约为50x10^18kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ/cm2a[1]。并且太阳能与水电、风电、核电等相比，太阳能比常规清洁能源更清洁，比核能更安全，而且太阳能随处可见，有太阳辐射的地方就会有太阳能，既不需要我们开采也不需要进行输送，开发利用十分方便。由于其安全性能高，而且资源分布广泛，随着如今科技的发展，太阳能被利用的地方也是很多。因此使用太阳能进行发电是当下的主流之一。现在环境问题越来越恶劣、资源短缺问题越来越严重，所以在未来利用太阳能资源可以满足人类对资源的需求。
太阳能因为其洁净、安全、储量大的特点，被许多国家纳入能源结构并长期使用。这将促成光伏发电产业进一步的发展，这也是继当下的微电子行业后的又一个光速崛起的产业。
虽然，我国在光伏发电行业发展的较晚，但是就目前的形势来看，我国光伏发电产业的发展速度是相当快的，由于国家和地方政府对光伏发电无限的支持和大量资金的投入，使得我国的光伏发电系统具有广阔的发展空间并能够应用到更多的领域中去[2]。例如，2008北京奥运会上就使用了100KW光伏发电系统等。因此，专家预计未来的十年中，大范围的使用太阳能发电系统将成为现实。
太阳能发电系统主要依靠的是发电系统中的逆变器，如果没有光伏逆变器，太阳能转换成的电能就不能直接驱动交流负载。所以在一个完整的光伏发电系统中，其光伏逆变器的成本占十分之一左右。在2006年的关于光伏发电产业的分析报告中指出，在未来几年内，光伏产业将会以惊人的速度增长。以之前太阳能的产值来估算，在2007年，全世界的太阳能发电所产生的盈利可达到474.3亿元。另外，2006年的关于电力发展技术与市场分析报告指出，新装光伏电池的容量大小为770兆瓦。其中，90%是由并网光伏发电系统占据。预计到2020年，德、日计划将可再生能源的发电量提高至20%的水平，我国也向外宣布要达到15%，美国则宣称要达到10%，分析当下的情况可以预测到，将来太阳能光伏发电产业将不断甚至飞速发展，这也将会促使市场对光伏逆变器的需求增长。
光伏发电系统分为离网型、并网型和分布式光伏发电系统。并网型光伏发电系统一般包括光伏电池阵列、DCDC变换电路，DCAC光伏逆变器，并网控制器等组成部分，其中DCAC光伏逆变器是整个系统的核心设备，主要功能是将直流电转换成适用的交流电。光伏逆变器按运行方式分，可分为离网运行逆变器和并网运行逆变器。离网型光伏发电系统采用单独的逆变器工作方式，并接入电网使用；并网逆变器则用于并网运行的发电系统。逆变器输出的波形有正弦波和方波两种类型。方波逆变器尽管构造不复杂，成本便宜，但是谐波分量比较大。所以这种逆变器只用于功率较低并且对输出波形要求不高的系统；正弦波逆变器虽然造价昂贵，但是却有很大的优点，能够适用于各种电路。考虑到实际操作因素，本课题将设计一款3KW离网正弦波逆变器。
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