题 目：基于学生姓名：学 号：专 业：电气工程及其自动化班 级：指导教师：
DSP的光伏并网逆变器
硬件电路的设计
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基于DSP的光伏并网逆变器硬件电路的设计
摘 要
由于近年来不可再生能源的不断消耗，能源危机日益凸显，各国都在加紧开发新能源。太阳能发电作为一种全新的电能生产方式，具有清洁无污染、来源永不衰竭且维护措施简单等特点，因而受到越来越广泛的关注。本文针对太阳能应用的一个重要研究领域——光伏发电系统，尤其是小功率光伏并网发电系统，设计实现了基于DSP控制的单相光伏并网逆变器的硬件电路。
论文首先介绍了太阳能光伏并网的国内外发展现状，阐述了利用DSP控制光伏并网系统的基本原理。然后提出了以逆变器DC/AC变换技术为核心的单相光伏并网逆变器的硬件电路设计方案，并在Matlab软件上进行了仿真测试。最后对后续研究工作进行了展望，为进一步制作电路板及其调试提供了参考。
关键词：光伏并网；逆变器；数字信号处理器；Matlab仿真
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PV Grid-Connected Inverter Hardware Circuit Design Based on DSP
Abstract
In recent years, with the continuous consumption of non-renewable energy, the energy crisis has become increasingly prominent, countries are stepping up the pace to develop new energy. Solar power, as a new energy production methods, owns many features, such as, clean, non-polluting, never failure of source and simple maintenance measures, and thus draws more and more attention. In this paper, as for an important research field of solar energy applications-photovoltaic systems, especially low-power photovoltaic power generation system, the hardware circuit of the DSP-based control of single phase photovoltaic grid-connected inverter is designed and implemented.
The paper firstly described the development of solar photovoltaic grid in the world, and explained the basic principles of DSP controlled photovoltaic grid system. Then objective of the single-phase PV grid inverter with the core of DC / AC conversion technology inverter hardware circuit is designed and its simulation tests on the Matlab software is proceeded. Finally, the prospect of follow-up study provides a reference for the further production of circuit boards and their debugging.
Key words: grid-connected photovoltaic; inverter; DSP; Matlab simulation
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目 录
摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................................II 第一章 绪 论 ............................................................................................................................ 1
1.1 课题研究的背景、目的和意义 .................................................................................. 1 1.2 国内外研究的现状 ...................................................................................................... 1
1.2.1 国内研究的现状 ................................................................................................ 2 1.2.2 国外研究的现状 ................................................................................................ 2 1.3 本课题研究的主要内容 .............................................................................................. 3 第二章 太阳能光伏并网的研究 .............................................................................................. 4
2.1 光伏并网逆变器的拓扑结构设计 .............................................................................. 4
2.1.1 按变压器拓扑结构分类 .................................................................................... 4 2.1.2 按功率变换级数分类 ........................................................................................ 6 2.1.3 按控制方式分类 ................................................................................................ 7 2.2 光伏并网控制策略基本原理 .................................................................................... 10
2.2.1 光伏并网逆变器的控制方式 .......................................................................... 10 2.2.2 光伏并网逆变器的控制目标 .......................................................................... 10 2.2.3 输出电流控制方式 .......................................................................................... 11 2.2.4 最大功率点跟踪 .............................................................................................. 12 2.3 孤岛效应 .................................................................................................................... 14
2.3.1 孤岛效应的影响和危害 .................................................................................. 14 2.3.2 孤岛效应的检测方法 ...................................................................................... 15
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第三章 基于DSP的并网逆变器硬件电路的设计 ............................................................... 16
3.1 并网逆变器总体结构 ................................................................................................ 16 3.2 基于DSP的控制系统硬件设计 ............................................................................... 16
3.2.1 DSP概述 ........................................................................................................... 17 3.2.2 DSP系统硬件电路设计 ................................................................................... 18 3.3 采样和调理保护电路设计 ........................................................................................ 24 3.4 主电路设计与关键参数选择 .................................................................................... 28
3.4.1 Boost电路设计与参数选择 ............................................................................. 28 3.4.2 逆变器电路设计与参数选择 .......................................................................... 31
第四章 光伏并网逆变器仿真测试 ........................................................................................ 35
4.1 Boost升压电路仿真测试 ........................................................................................... 35
4.1.1 Matlab搭建电路图 ........................................................................................... 35 4.1.2 仿真波形和分析 .............................................................................................. 35 4.2 逆变器电路仿真测试 ................................................................................................ 36
4.2.1 Matlab搭建电路图 ........................................................................................... 37 4.2.2 仿真波形和分析 .............................................................................................. 37
第五章 总结和展望 ................................................................................................................ 39
5.1 工作总结 .................................................................................................................... 39 5.2 展望 ............................................................................................................................ 39 参考文献 .................................................................................................................................. 41 附录 .......................................................................................................................................... 42
附录A DSP控制电路PCB板 ...................................................................................... 42 附录B 3D模式的控制电路PCB板 ............................................................................... 42
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附录C 主电路PCB板 .................................................................................................... 43 附录D 3D模式的主电路PCB板 ................................................................................... 43 附录E 总体原理电路图 .................................................................................................. 43 附录F DSP控制电路原理图 ........................................................................................... 43 致谢 .......................................................................................................................................... 44
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第一章 绪 论
1.1 课题研究的背景、目的和意义
当今世界，人类对于能源的依赖性越来越强，能源已经成为我们生活中必需的部分，它为人类的各项活动提供着动力。随着一次能源煤、石油、天然气等不可再生能源的过度开发，以及地球环境的日益恶化——全球变暖、酸雨、厄尔尼诺现象等，一系列环境问题危及人类的可持续发展。环境、能源和可持续发展已经成为人类迫切要解决的问题。
能源短缺和环境恶化加快了人类去寻找替代能源的进程，各国都在大力发展新能源。在新能源家族中，有风能、太阳能、地热能、潮汐能等。由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电以清洁可再生的太阳能为能源，直接将太阳能转换成电能，是一种不需要燃料、没有污染获取电能的高新技术，因此光伏发电被认为将是21世纪、最具活力的新能源[1]。过去太阳能光伏发电系统中因为太阳能电池的制造成本比较高，所以太阳能光伏发电只能应用于一些偏远地区的供电。例如，一些分散的农牧户、基站的通信设备供电、气象、国防等。而且应用于村庄的大都是小型的光伏发电系统，大多未能并入电网，属于独立的离网式发电。当今太阳能电池硅板成本有所降低，电力电子技术、自动控制技术、计算机处理技术等也有了飞速发展。太阳能光伏发电系统有了质的飞跃，发电成本在逐年下降，发电的效率和市场效益也在进一步提高，这为大规模发展太阳能光伏发电并网技术提供了基础。
从2004年欧盟联合研究中心预测的世界能源结构大致变化发展趋势[2]中可以看出，在接下来的近一百年里，石油、煤炭、天然气等不可再生能源在一次能源消费中所占的比例将呈下降趋势，而太阳能光伏发电则会大比例的增加。所以大力发展太阳能有利于缓解能源危机和解决环境问题，促进人类社会的可持续发展。
我国拥有丰富的太阳能资源，所以发展太阳能占有一定的先天优势。从我国所处的地理位置、地形以及纬度来分析，我国中西部地区太阳能资源比较丰富，西藏、青海、甘肃、内蒙古、新疆、宁夏均属于世界太阳能资源丰富的地区。这些地方又有十分广阔的面积，有利于大规模安置太阳能光伏并网发电设备，也有利于部分地区环境的改善。
1.2 国内外研究的现状
与独立光伏发电系统相比，光伏并网发电系统具有一些自己的优点。它省掉了体积庞大、价格高昂、不易维护的蓄电池，具有造价低，输出电能稳定的特点，因而具有更为广阔的市场前景。典型的光伏并网逆变器发电系统包括：光伏阵列，直流到直流斩波电路（DC-DC），Dclink，直流到交流逆变器（DC-AC）控制电路，采样电路，保护电路，故障处理电路等。 1.2.1 国内研究的现状
由于我国在光伏发电等可再生能源发电技术的研究起步相对较晚，光伏发电只在一些尖端领域应用比较多，核心技术方面和国外还有一定的差距。就光伏并网型逆变器而言，合肥工业大学能源
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研究所、燕山大学、上海交通大学、中国科学院电工研究所等科研单位在这一方面进行了相关的研究，并且在“九五”、“十五”期间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作[3]。目前我国光伏并网逆变器市场发展规模还比较小，国内生产逆变器的商家虽然很多，但专门用于生产光伏发电系统的逆变器制造厂商却并不多，而且有不少国内制造厂商已经在逆变器方面研究开发多年，已经发展到拥有一定的规模和市场竞争力，但在逆变器技术质量、验证技术上、规模上与国外企业仍有很大差距。目前我国具有较大规模的厂商有北京索英、南京冠亚、北京科诺伟业、志诚冠军上海英伟力新能源科技有限公司等企业。国内市场规模虽然比较小，核心技术还处在不算成熟的阶段，但未来光伏发电市场的巨大发展潜力和发展空间将给国内光伏企业带来前所未有的发展机遇。目前国内光伏并网逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领，而国外的企业多数通过代理渠道进入国内的市场，由于售后服务提供难度大的问题导致其整体市场占有率不高。国内重点光伏发电项目大功率产品几乎全部选用国内产品。
从技术层次来说，国内企业在智能化程度、稳定性、转换效率、结构工艺等方面与国外先进水平仍有一定差距。目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，还有一定的差距，大功率并网逆变器仍需进一步发展和研究。 1.2.2 国外研究的现状
近几年，随着德国、美国、西班牙、日本对本国光伏发电产业在政策上大力扶持，全球光伏并网逆变器的销售额在逐年上升，光伏并网逆变器进入了一个飞速发展的阶段。但目前全球光伏并网逆变器市场被国际几大巨头瓜分，欧洲作为全球光伏并网逆变器市场发展的先驱，具备了完善的光伏产业链，光伏并网逆变器技术处于世界领先地位。SMA是全球最早、最大的光伏逆变器生产企业（其中德国市场占有率达50%以上），2009年 SMA以占据全球市场份额44%独占鳌头。SMA、KACO、Fronius、Ingeteam、Siemens、Studer、Xantrex、Danfoss、Conergy、Satcon、Power-one、Outback power等基本占领全球光伏逆变器市场份额。其中排名前五位的企业占的市场份额已经超过了全球的70%。
1.3 本课题研究的主要内容
本论文主要设计了一种基于DSP控制的单相光伏并网逆变器的硬件电路，并用Protel DXP软件完成了整个系统的硬件电路，生成了PCB板。最后通过Matlab对电路进行了仿真。其中硬件电路包括：直流斩波电路拓扑结构、逆变器电路、DSP控制电路、采样硬件电路和辅助电源。控制策略选择有：最大功率点跟踪、SPWM控制等。仿真部分主要针对升压斩波电路和逆变器部分参数设计的检验和分析。
本文光伏并网逆变器设计参数如表1.1所示：
表1.1 光伏并网逆变器设计参数
序号 1 名称 输出功率 参数 1kW 41
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2 3 4 5 6
电池输出电压DC 交流输出电压AC 电网电压允许偏差 电网频率允许偏差 功率因数 60～140V 220V/50Hz -10%～+7% -0.5～+0.5Hz >=0.9 41
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第二章 太阳能光伏并网的研究
太阳能光伏发电原理是利用太阳能电池的光生伏打效应，它是通过将太阳能辐射的能量直接通过硅电池板转变成电能的一种可再生发电系统。太阳能光伏发电系统一般由太阳能电池板阵列、充电蓄电池、逆变器和控制器等部分组成。本章将对太阳能光伏并网发电系统中的并网逆变器的拓扑结构进行设计，对其控制策略进行分析。
2.1 光伏并网逆变器的拓扑结构设计
2.1.1 按变压器拓扑结构分类
目前，在实际的光伏发电系统应用中，按变压器拓扑结构分类的主电路有三种，分别是带工频变压器隔离的单级式逆变器、带高频变压器隔离的多级式逆变器和无变压器隔离的两级式逆变器。根据这三种逆变主电路，可以将现在的光伏发电系统的拓扑结构分为三类，即工频隔离型拓扑结构、高频隔离型拓扑结构和无变压器隔离拓扑结构。
一、工频隔离型拓扑结构
工频隔离型拓扑结构的太阳能光伏发电系统的基本组成：太阳能硅电池阵列、直流侧的滤波器件、光伏并网逆变器、工频变压器、LC滤波电路等。其结构如图2.1所示。
图2.1工频隔离型拓扑结构
这种形式的太阳能光伏并网电磁干扰小，结构简单，维护量小，可靠性高，开关频率低。由于采用了工频变压器能起到与电网侧隔离、保护的作用，所以能够防止人体误触摸逆变器造成的伤害。但是由于采用了工频变压器，导致整个系统体积庞大、重量增大，比较笨重、占用面积也增加。
二、高频隔离型拓扑结构
高频隔离型拓扑结构的太阳能发电系统指光伏并网逆变器经过两次直流电逆变成交流电能的变换。一次是经过高频方波逆变，用来提高变压器的工作频率，从而能够减轻变压器的体积和重量。变换后产生的高频方波经过高频变压器，然后再通过AC/DC整流电路和滤波电路的作用后得到另一种直流电压，这种直流电压通过工频SPWM（正弦脉宽调制）控制的逆变器，得到并网所需要的波
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形。其结构如图2.2所示。
图2.2高频隔离型拓扑结构
这种形式的光伏并网逆变器拓扑结构能够显著提高光伏并网逆变器的性能，因为它采用了SPWM控制的方式进行了周波变换，所以使得输出的波形畸变比较小，滤波电感体积也比较小。它的缺点是能量传递的级数增多，这使得其中的能量损失变大。
三、无变压器隔离拓扑结构
无变压器隔离的光伏并网发电系统，即非隔离型里面不含隔离变压器，能量传递一般只有两级。因此系统体积小，能量损耗也小，是目前研究的热点[4]。其结构如图2.3所示。
图2.3无变压器隔离拓扑结构
这种拓扑结构进一步降低了光伏发电系统设备的成本，使得传输能量的级数减少，提高了发电的效率。其中的DC/AC逆变器是有工频SPWM（正弦脉宽调制）控制的，这种形式的电路在大功率的光伏发电系统中有应用。把太阳能电池板阵列输出的直流电压通过DC/DC直流升压斩波电路升高到400V左右，这样可以利用直流侧平波储能大电容的作用，来保证输入逆变器部分的电压稳定。同时也能起到减小电流提高电压的作用，从而降低逆变部分的能量损耗，提高光伏并网的发电效率。这种拓扑结构的光伏并网系统启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值[5]。 2.1.2 按功率变换级数分类
通常按照功率在光伏发电系统的变换级数进行分类可以分为两种类型：单级式光伏并网变换型和多级式光伏并网变换型。
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一、单级光伏并网变换型
单级式光伏并网变换型只用到一级的能量传递变换模式就能够完成boost-buck斩波电路和DC/AC逆变电路的变换，然后通过RC滤波并入电网。其结构如图2.4所示。
图2.4单级光伏并网变换型
这种类型的单级式光伏并网变换类型具有元器件使用少，可靠性高和效率高，并且功耗损耗少等优点。但是这种类型的光伏拓扑结构由于太阳能电池板输出的电压等级有限，多用于小型的系统中。
二、多级式光伏并网变换型
多级式光伏并网变换型逆变器拓扑结构包括：滤波、DC/DC直流斩波、DC/AC逆变电路、后级滤波电路等。其结构如图2.5所示。
图2.5多级式光伏并网变换型
这种电路首先通过太阳能电池板阵列把太阳能辐射的能量转换为电能，经滤波电路后通过前级直流斩波电路捕捉到最大功率点跟踪（MPPT），然后经过工频逆变电路，并入交流电网。其优点是两级传递能量的电路，简化了控制电路的计算算法，使得每级都能够精确控制，提高了控制质量和效率。
2.1.3 按控制方式分类
按照控制方式可分为电流源式和电压源式两种拓扑类型。如果考虑到后端的输出控制方式，则
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可将其划分为电压源式电压控制输出（VSCV）、电流源式电压控制输出（CSCV）、电压源式电流控制输出（VSCC）、电流源式电流控制输出（CSCC）四种。对于输入源的选择，要想得到一个稳定的电流源输入很不容易，要在输入端串入一个大电感，但这会使系统的动态响应较差，所以，一般采用电压源输入。对于输出控制方式的选择，如果输出控制方式为电压的话，如果要使并网输出功率因数为1的话，则要协调控制输出电压的幅值、相位和频率三个量；而如果输出控制方式为电流的话，则只需要控制输出电流的相位和频率两个量，相对简单。所以，一般采用电压源输入电流控制输出的方式[4]。
一、电压型逆变拓扑结构
电压型逆变并网逆变器的拓扑结构指的是直流侧有一个直流电源或者并联有大电容，使得直流侧的电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗状态。其次由于直流侧电压源的钳位作用，交流侧输出的电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流测输出电流的波形和相位因负载阻抗的不同而不同。最后当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧的电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，逆变桥各桥必须并联反馈二极管[6]。其结构如图2.6所示。
图2.6电压型逆变拓扑结构
二、电流型逆变拓扑结构
电流型逆变拓扑结构是把太阳能电池板输出的电能经过滤波电路后送入到一个直流电流源中，或者在直流侧串联一个大电感相当于电流源。这样可以保证直流侧的电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗状态。其次逆变电路中的开关器件起的作用仅改变直流电流流通的路径，因此交流侧得到的输出电流为矩形波，并且和负载阻抗角无关。交流侧输出电压波形和相位则因为负载阻抗情况的不同而不一样。交流侧为阻感负载情况时，需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。与电压型逆变拓扑结构不同，反馈的无功能量并不反向，因此无须给电流型逆变电路各桥并联二极管。其结构如图2.7所示。
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图2.7电流型逆变拓扑结构
根据以上光伏并网逆变器拓扑结构的分析，综合各种结构的优缺点，本设计选用当今热点研究双级式无变压器的电压型逆变器拓扑电路作为主电路。经过方案的比较论证以及考虑本系统针对小型的单相并入电网的特点，本设计采用无变器的两级结构，前级DC/DC直流升压斩波变换器和后级DC/AC逆变器之间通过DC-Link相连。系统主电路的拓扑结构电路如图2.8所示。
图2.8光伏并网逆变器拓扑结构
在本设计的系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压为60-140V之间，前级DC/DC斩波电路变换器需将此输入电压升至400V以上才能实现无隔离变压器两级式直接并网。 Boost斩波电路为升压直流环节，结构简单，使得用于捕捉最大功率点跟踪（MPPT）控制方法简单。因为输入电流是连
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续的，使得对电源电磁干扰影响相对较小，开关管发射级接地，驱动电路相对简单，是光伏并网系统最大功率点跟踪控制的理想选择。由于光伏最大功率点跟踪（MPPT）电压低于交流侧的峰值电压，从而Boost电路使光伏电池阵列配置比较灵活，可实现光伏发电系统较宽范围的电压输入，提高了光伏发电系统的经济性能。同时Boost升压斩波电路具有相对较高的效率，电路结构中的二极管具有防止电网侧能量反送给光伏阵列的作用，从而提高了光伏发电系统的整体工作效率。后级的DC/AC逆变器，采用单相全桥逆变电路，将DC-Link直流电转换成220V/50Hz正弦交流电，实现并网输送功率。DC-Link的作用除了连接DC/DC升压斩波变换器和DC/AC逆变器，还实现了能量的传递。控制电路的核心芯片是TI公司的TMS320F2812数字信号处理器，它的处理速度快，精度高，能够在线实时监测。整个系统保证了并网逆变器输出的正弦电流与电网侧相电压同频同相。
2.2 光伏并网控制策略基本原理
光伏并网逆变器控制需要满足输出电压与电网电压同幅值、同相位、同频率，输出电流与电网电压同频同相（cos1），而且其输出还应满足电能质量的要求，这些都需要光伏并网逆变器的有效并网控制。
2.2.1 光伏并网逆变器的控制方式
光伏并网逆变器控制方式可以分为电压源电压控制、电流源电压控制、电压源电流控制和电流源电流控制四种。本设计采用电压源输入为主的方式，所以逆变器的并网输出控制可分为电压控制和电流控制。在光伏逆变器和电网连接并网运行时，电网可以被看做是一个容量无穷大的交流电压源。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上就成为一个电压源与另一个电压源并联运行的系统，这种情况下要保证系统的稳定运行，就必须采用同步锁相技术来实现与电网的同步。可以通过调整光伏并网逆变器输出电压的大小以及相位来控制系统的有功率和无功功率输出。但是锁相环节响应慢、逆变器输出电压值不易精确控制、出现环流现象。若不采取一些措施，同等级功率的电压源并联运行优异性不容易获得。
而对于采用电流控制方式的并网逆变器，只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，同时设定输出电流的大小，就可以实现它的稳定并网运行，其控制方法简单，效果也较好，因此得到了广泛应用[7]。
2.2.2 光伏并网逆变器的控制目标
光伏并网逆变器的控制目标为：光伏并网逆变器输出稳定的、高质量的正弦波，且与电网电压同频同相，同时希望能够通过调节光伏阵列的最大功率点，使太阳能光伏阵列按最大功率输出。
选择并网逆变器的输出电流为被控变量，并网发电工作方式下的等效电路如图2.9(a)所示，可以等效的认为是逆变器给电网充电。逆变器输出电流和电压的矢量关系如图2.9(b)所示。
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(a) (b) 图2.9逆变器输出电流和电压的矢量关系
其中Uout为光伏并网逆变器输出交流侧电压，Ugrid为电网侧的电压，I为逆变器输出电流也是电感的电流。由图中的矢量三角形关系可知，由于并网逆变器的输出滤波电感L的存在，当使光伏逆变器输出电流和电网电压同相位时，电网侧电压Ugrid和光伏并网逆变器输出电压Uout之间存在相位差。
2.2.3 输出电流控制方式
采用电流型输出的光伏并网系统，输出电流的控制方式一般有SPWM（正弦波脉宽调制）电流跟踪方式、SVPWM（空间矢量脉宽调制）、电流滞环瞬时比较方式、复合控制和重复控制等。较常用的电流控制方法有：SPWM正弦波脉宽调制电流跟踪方式、SVPWM空间矢量脉宽调制、电流滞环瞬时比较方式等。
一、SPWM电流跟踪方式
SPWM电流跟踪方式也可以称为三角波比较方式的电流跟踪方式，这种方式不是把指令信号和三角波直接进行比较而产生PWM波形，而是通过闭环来进行控制的。它将电网电流Igrid在线实时值和给定电流Igrid进行比较，两者的差值通过一个PI调节，然后与三角波进行比较，进而输出PWM波。其结构如图2.10所示。
图2.10 SPWM电流跟踪方式
这种方式的电流跟踪控制特性与PI参数的设置有关，对于PI电路响应要求快的系统，必须提高三角波载波频率，以改善输出波形[8]。这种三角波比较控制方式中，功率开关器件的开关频率是一定的，即等于载波频率，这给高频滤波器的设计带来方便。与滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含有的谐波较少，因此它常用于对谐波和噪声要求严格的场合。
二、电流滞环瞬时比较方式
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在跟踪PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。电流滞环瞬时比较方式的原理如图2.11所示。
图2.11电流滞环瞬时比较方式
以ic作为滞环比较器的环宽，当实际电网电流ic和给定电流ic的差值超过环宽时，就会产生
PWM波信号。若ic确定，则输出电流的误差范围不变。滞环环宽对跟踪性能的影响较大，如果环宽过宽时，开关的动作频率低，但跟踪的误差增大；如果环宽过窄时，跟踪的误差减小，但开关的动作频率会变得过高，甚至会超过开关器件的允许频率范围，开关损耗增大。这种控制方式有以下特点：
1.不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量。 2.硬件电路简单。
3.与计算法以及调制法相比，相同开关频率时输出的电流中高次谐波含量较多。 4.属于实时控制方式，电流响应快。
5.属于闭环控制，这是各种电流跟踪型PWM型变流电路的共同特点。 三、SVPWM电流控制方式
空间矢量PWM控制策略是依据逆变器空间电压（电流）矢量切换来控制逆变器的一种新颖思路的控制策略。采用逆变器空间电压矢量（SVPWM）的切换来获得准圆形旋转磁场，这样能够在开关频率不高的条件下，使得逆变器输出获得较好的性能。
综上几种控制的优缺点，本设计光伏并网逆变器采用电流滞环瞬时比较控制方式。 2.2.4 最大功率点跟踪
在太阳能电池阵列光伏并网发电系统中，太阳能电池阵列的内阻不仅要受到日照强度的影响，而且还要受环境温度及负载的影响，并且一直处在不断变化之中，光伏并网系统也由此变得不确定。这必然会降低光伏发电系统的效率。因此为了不断能够获得最大功率的输出，太阳能电池必须实现最大功率点跟踪。太阳能输出功率与输出电压的关系如图2.12所示。
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图2.12太阳能输出功率和输出电压光照的关系
一、恒定电压法
当外界温度不变时，太阳能电池在不同光照强度下的开路电压和最大功率点电压都在某一个恒定值附近；当光照不变环境改变时，太阳能电池最大功率点随开路电压而变化，而且几乎相同的变化比例[9]。所以，我们可以近似认为太阳能电池的开路电压与最大功率点（MPPT）电压成线性比例关系：UmnUoc。
保证使电压工作点稳定在Um附近，这就可以保证太阳能电池最终具有在当前环境下的最大功率输出。一定的条件下，采用恒压控制跟踪的方法不仅可以得到比直接匹配更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪控制。
二、扰动观察法
扰动观察法的基本原理是先给出一个扰动值U，在测量太阳能电池阵列输出功率的变化，如果功率减小，表示扰动方向错误，可按U方向扰动。如果功率增加，表示扰动方向正确，可继续朝同一个方向扰动。如此反复的扰动、观察以及比较，使光伏电池达到最大功率点。
这种方法的特点是原理清晰，实现简单，被测参数较少，而且不需要知道太阳能的特性曲线，能够较普遍地被应用在光伏并网发电系统的最大点功率跟踪控制上。但是这种方法也有它的一些缺陷，因为始终有扰动电压存在，在最大功率点跟踪过程中将会导致一些功率损失；若跟踪步长太小，当外界环境条件发生变化时，不能快速跟踪、容易引起振荡。当光照和温度有大幅度变化时，这种跟踪到另一最大功率点的速度变慢，不能快速跟踪。
三、电导增量法
电导增量法避免了功率扰动观察法的盲目性，可以判断出最大功率点电压与工作点电压电压之间的关系。由太阳能输出功率与输出电压的关系可知：
1.当工作点在最大功率点处有
dP0； dU 41
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2.当工作点处在最大功率点右边时有3.当工作点处在最大功率点左边时有
dP0； dUdP0。 dU最大功率点时的功率为PUI，两边同时对U求导得： 令上式（2.1）等于0可得：
dPdI （2.1） IUdUdUdII （2.2） dUU由上式（2.2）可知当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，阵列获得最大功率。电导增量法通过比较太阳能电池输出的电导增量和瞬时电导来改变控制信号。其控制算法同样需要对太阳能电池输出的电压和电流进行采样。优点是当环境发生变化时，能够快速跟踪其变化，需要一些处理速度快的芯片进行控制。
综合以上三种方法的优缺点，本设计的光伏并网逆变器采用电导增量法进行捕捉最大功率点。
2.3 孤岛效应
在光伏并网发电系统中，直接将太阳能逆变后的电能馈送给电网，从而需要设置各种完善的保护措施。对于通常电网系统工作时可能出现的器件过流、器件过热、器件驱动信号欠压、太阳电池输出欠压以及电网过压、欠压等故障状态，通过硬件电路检测配合软件进行处理比较容易。对于光伏并网发电系统而言，需要考虑在一种特殊的故障状态下的应对策略——孤岛效应的防止对策。 2.3.1 孤岛效应的影响和危害
所谓孤岛(islanding)效应是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，光伏发电系统未能及时检测出停电状态而脱离电网，使太阳并网发电系统和周围的负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛[5]。
孤岛效应，可能会对用户、电网会对整个配电系统设备及用户端设备以及维修人员造成危害。主要有以下几种情况：
1.当电网发生故障或者中断后，由于太阳能光伏发电系统持续独立供电给负载，将使得维修人员在进行修复时，生命安全受到威胁。
2.当电网发生故障或者中断时，由于太阳能光伏发电系统失去电网作为参考信号，造成系统的输出电流、电压及频率出现漂移而偏离电网频率，产生不稳定的情况，且可能含有较大的电压于电流谐波成分。若未及时将太阳能光伏发电系统切离负载，可能使得某些对频率敏感的负载损坏。
3.当电网恢复瞬间，由于电压相位不同，可能发生较大的冲击电流，造成相关的设备损坏。当电网恢复供电时，可能会发生同步的问题。
4.若太阳能光伏发电系统与电网连接为三相系统，当孤岛现象发生时，将形成缺相供电，影响用
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户端的三相负载[10]。
有上可知孤岛效应会严重影响电力系统的安全和正常运行。所以，必须寻求适当的解决策略来应对日趋严重的孤岛效应问题。 2.3.2 孤岛效应的检测方法
现有的孤岛效应快速检测系统就是检测是否孤岛运行，如果出现孤岛运行，就让光伏发电系统立即停止供电。孤岛效应的检测技术一般分为两类——被动检测法和主动检测法。被动检测法是利用检测电网的某些状态参量(电压、频率、相角等)作为电网是否发生故障的判断依据。电网故障后，负载电压及频率均不能稳定，从而可以判断孤岛效应是否发生。但是在源负载功率基本接近时，断电后负载的电压和频率变化很小，被动检测法就会失效。主动检测法是通过并网逆变器定时产生一个扰动信号，然后观察电网是否受到影响作为判断电网是否发生故障的依据。当发生孤岛效应的情况时，主动扰动将造成系统的不稳定。即使光伏电源的功率与局部电网负载的功率平衡时，也会通过扰动破坏功率平衡，造成系统的电压、频率和相角有明显变化，从而能够检测出孤岛效应。
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第三章 基于DSP的并网逆变器硬件电路的设计
3.1 并网逆变器总体结构
光伏并网逆变电器采用两级式并网逆变器，其结构如图3.1所示。它包括直流升压斩波电路变换、DC/AC工频变换以及LCL滤波器等部分，其中Ugrid 表示电网侧的电压。
图3.1光伏并网逆变器总体结构
光伏电池阵列的直流输出电压较低，虽然可以直接采用多级串联获得需要的逆变电路侧的母线电压，但是随着电功率的输出以及环境的变化，逆变器直流母线电压将会产生波动，从而使得电池电源侧输出功率也随之波动。所以需要增加一个DC/DC升压变换电路来升高直流母线电压，采用闭环控制来实现直流母线电压的稳定。
3.2 基于DSP的控制系统硬件设计
自20世纪60年代以来，数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）日渐成为一项比较成熟的技术，并在多项应用领域逐渐取代传统了传统模拟信号处理系统。与模拟信号处理系统相比，数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、快速、坑干扰能力强、设备尺寸小、性能稳定等优点，所以目前大多设备采用数字技术设计实现。本设计采用TI公司推出的TMS320F2812芯片。
数字信号处理器是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进行采集、变换、综合、估计与识别等加工处理，从而达到拾取信息和控制的目的。数字信号处理器的实现是以计算机技术和信号处理理论发展为基础的，在其发展历程中，有两件事加速了DSP技术的发展。其一是Cooley和Tuckey对离散傅立叶变换的有效算法的解密，另一个就是可编程数字信号处理器在20世纪60年代的引入。这种采用哈佛结构的处理器能够在一个周期内完成乘法累加运算，与采用冯·诺依曼结构的处理器相比有了本质的改进，为复杂信号处理算法和控制算法的实现提供了良好的实现平台[11]。 3.2.1 DSP概述
一、DSP内部结构
TMS320F2812处理器有较高的运算精度（32位）以及系统的处理能力（达到150MIPS）。这种芯片集成了128KB的Flash储存器，4KB的引导ROM，数学运算表以及2KB的OTPROM，因此能够大大改善其应用的灵活性。其功能结构框如图3.2所示。
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图3.2 DSP内部结构
通过DSP的结构可以归纳出DSP的以下特点：
1.采用了高性能的静态COMS技术，主频达150MHz（时钟周期6.67ns）、功耗低、Flash编程电压为3.3V。
2.支持JTAG边界扫描接口。
3.高性能32位CPU，哈佛结构、快速中断响应和处理能力、统一寻址模式、高效的代码转换功能。
4.片上储存器，最多达128K×16位的Flash存储器。引导（BOOT）ROM,外部存储器扩展接口。 5.时钟和系统控制，支持动态改变锁相环节的倍频系数、片上振荡器、看门狗。三个外部中断，外设中断扩展模块（PIE）支持45个外设中断、三个32位CPU定时器、128位保护密码。
6.两个事务管理器，每一个事务管理器包括：两个16位的通用定时器；8通道16位的PWM；不对称、对称或者四个矢量PWM波形发生器；死区产生和配置单元；外部可屏蔽功率或驱动保护中断；三个完全比较单元；三个捕捉单元，捕捉外部事件；同步模数转换单元。
7.串口通信外设，串行外设接口（SPI）、两个UART接口模块（SCI）、增强的eCAN2.0B接口模块、多通道缓冲串口（McBSP）。
8.12位模数转换模块，2×8通道复用输入接口、两个采样保持电路、单/连续通道转换、流水线最快转换周期为60ns,单通道最快转换周期200ns、可以使用两个事件管理器顺序触发8对模数转换。
9.高达56个可配置通用目的I/O引脚，先进的仿真调试功能，低功耗模式和省点模式。 二、DSP外围设备
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TMS320F2812数字信号处理器集成了很多内核可以访问和控制的外部设备，内核需要某种方式来读/写外设。因此，CPU将所有的外设都映射到了数据存储器空间。每个外设被分配一段相应的地址空间，主要包括配置寄存器、输入寄存器和状态寄存器。DSP外设部分的连接如图3.3所示。
图3.3 DSP外围设备
3.2.2 DSP系统硬件电路设计
本设计硬件电路图的设计选用了Protel DXP软件。它是由Altium公司在2002年推出的，是目前最受欢迎的电子线路设计软件，利用它可以方便地设计各种电路原理图和PCB图。同时，该软件还附带了丰富的元件集成库，其中保存了每个元件的原理图符号、分装模型和其他模型等[12]。
一、时钟晶振电路和复位电路
通过晶振电路的作用为DSP系统提供基本的时钟信号。为了节约成本，利用DSP芯片内部的振荡器电路，与无源晶体、起振电容一起连接成三点式振荡器来产生稳定时钟。连接起振电容是为了保证正常的起振，对振荡频率的影响极小。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路，更换不同频率的晶体时周边配置电路需要相应的调整。因为晶振的频率越高DSP运行速度就越快，越能够满足DSP处理能力的要求。其电路连接如图3.4所示。
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图3.4 DSP芯片和时钟晶振
通过按钮实现复位操作。当按钮S10按下时，将电容C26上的电荷通过按钮串接的电阻释放掉，使电容C26上的电压降为0。当按钮松开时，由于电容上的电压不能突变，所以通过电阻R22进行充电，充电时间由R22和C26的乘积值决定，一般要求大于5个外部时钟周期。这样就可以实现手动按钮复位。其电路原路如图3.5所示。
图3.5复位电路
二、JTAG接口电路和辅助电源
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JTAG是JOINT TEST ACTION GROUP的简称，是一种国际标准测试协议。标准的JTAG接口是4线——TMS、TDI、TDO、TCK，分别是模式选择、数据输入、数据输出和时钟。JTAG的工作原理：在器件内部定义一个TAP（TEST ACCESS PORT，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和调试。JTAG接口用于连接DSP系统板和仿真器，实现仿真器DSP访问，JTAG的接口必须和仿真器的接口一致，否则将无法连接上仿真器。EMUO和EMUI要上拉到DSP的电源，其连接如图3.6所示。
图3.6 JTAG接口电路
TMS320F2812采用了双电源供电机制，以获得更好的电源性能，其工作电压为3.3V 和1.8V。其中，1.8V 主要为该器件的内部逻辑提供电压，包括 CPU和其他所有的外设逻辑。与3.3V供电相比，1.8V供电大大降低功耗。外部接口引脚仍然采用3.3V电压，便于直接与外部低压器件接口。为TPS767D318提供5V输入，就可以得到输出电压分别为3.3V和1.8V，每路的最大输出电流为750mA，并且提供两个宽度为200ms的低电平复位脉冲。其设计原理图如图3.7所示。
图3.7 辅助电源电路
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三、2路串行通信SCI接口电路和A/D转换电路
2路串行通信接口（SCI）是采用双线通信的异步串行通信接口，即通常所说的UART口。为了减少串口通信时CPU的开销，TMS320F2812的串口支持16级接受和发送FIFO。SCI模块采用标准非归0数据格式，可以与CPU或其他通信数据格式兼容的异步外设进行数字通信。当不使用FIFO时，SCI接收器和发送器采用双级缓冲传送数据，SCI接收器有自己的独立使能和中断位，可以独立操作，在全双工模式下也可以同时操作。其接线如图3.8所示。
图3.8 2路串行通信SCI接口
A/D转换调理电路是用来把采集到的信号转换成TMS320F2812芯片所能识别的工作数字信号。通常模拟信号的采集需要用到电压互感器、电流互感器、压力传感器、霍尔元件等把大的信号转化为弱电信号，然后经过调理电路才能送入DSP。A/D转换调理电路与DSP的连接如图3.9所示。
图3.9 A/D转换电路
四、电平转换和缓冲电路
在新一代电子电路设计中，随着低电压逻辑的引入，系统内部常常出现输入/输出逻辑不协调的问题，从而提高了系统设计的复杂性。例如，当1.8V的数字电路与工作在3.3V 的模拟电路进行通信时，需要首先解决两种电平的转换问题，这时就需要电平转换器。 由于TMS320F2812采用的是
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3.3V的供电，所以MAX202E与TMS320F2812芯片之间必须加电平转换电路。电平转换电路与DSP之间的连线如图3.10所示。
图3.10电平转换
缓冲电路的作用是用来解决电路中信号可能受到大的干扰，产生大的脉冲波，用来消除干扰，减少对控制芯片内部器件冲击，其连接电路如图3.11所示。
图3.11缓冲电路
五、片外扩展RAM
由于本设计中的DSP采集的数据较多，对处理存储容量有一定的要求，所以需要外接一块RAM
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来扩展容量。本设计选用CY7C1021（64K）的片外RAM，只需将它的A0-A15引脚直接和DSP的XA0-XA15数据线相连，IO0-IO15与DSP的XD0-XD15地址线相连。其余管脚的连接如图3.12所示。
图3.12片外扩展RAM
3.3 采样和调理保护电路设计
一、直流侧电压采样电路
直流侧电压的采样，我们通过在直流输入端串入一个电压霍尔传感器来检测直流侧的电压，把采集到的光伏电池阵列输出的直流电压和升压斩波电路输出的直流电压都送到TMS320F2812芯片中。其采样检测电路如图3.13所示。
图3.13直流侧电压采样电路
通过电压霍尔采样电路，R2为功率电阻，用来确定原边电流和被测电压之比。电压霍尔传感器输出的电流信号，经过测量电阻R1变成电压信号，又经过RC滤波电路后，有一个电压跟随器经一
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个限流电阻连接到串联两个稳压肖特基二极管后送入到DSP的AD0引脚。
二、直流侧电流采样电路
对于直流侧电流的采样，我们通过在直流输入端串入一个电流传感器来检测直流侧的电流Idc，把采集到的光伏电池阵列输出的直流电流和升压斩波电路输出的直流电流都送到TMS320F2812芯片中。其采样检测电路如图3.14所示。
图3.14直流侧电流采样电路
电流传感器的实际和采样输出的比例为1000：1，R5取样电阻，将电流信号转化为电压信号。通过R3和C2滤波后，经过一个限流电阻R4送入到电压跟随器中。其中的电压跟随器起到缓冲、隔离、带负载能力提高的作用。在通过串联的两个肖特基二极管进行稳压到0-3.3V，调理到适合DSP所适应的信号送入到AD1引脚。
三、交流侧电压采样电路
交流侧的电压通过霍尔电压传感器测得，本设计选用霍尔电压传感器型号为HNV025A。这种传感器电源电压是15V，绝缘电压是3kV，输入额定电流为10mA，输出额定电流为25mA。取得电压传感器的电压幅值在[-5V，+5V]范围内。其电路调理电路如图3.15所示。
图3.15交流侧电压采样电路
上图中的输入为霍尔电压传感器采集到的输出信号，范围为[-5V，+5V]。利用一个电压跟随器将霍尔电压传感器的输出信号减半；因为DSP只能接收正的信号，所以利用一个加法器[13]，将输入的交流正负信号转换为单极性的[0V，5V]的信号。然后再将信号减半，通过RC滤波电路，经过两个
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串联的肖特基二极管限幅送到DSP的AD4引脚。
四、交流侧电流采样电路
通过霍尔电流传感器得到一定比例的弱电压信号。其采样调理电路如图3.16所示。
图3.16交流侧电流采样电路
本设计所采用的霍尔电流传感器型号为HNC100LA，交流绝缘电压2.5kV。其额定电流为100A/输出额定电流为50mA，电源电压为15V。将被测量信号穿过电流传感器中间的孔即为原边的输入信号。输出端的电流信号串接合适的电阻即可转换为一定范围的采样电压信号。经过适当的调理送入DSP的AD4引脚。
五、电网交流侧过零比较电路
由于TMS320F2812芯片只能采集TTL信号，所以需要硬件电路辅助实现将电网正弦波电压信号转换为0-3.3V的脉冲信号，该脉冲信号和正弦波有相同的过零点。其结构如图3.17所示。
图3.17电网交流侧过零比较电路
将电网电压通过霍尔电压传感器，送入到21倍的运算放大电路中，然后驱动三极管的开断，产生方波信号，利用与非门产生数字信号送入DSP的IOA8/cap引脚，正向脉冲信号被DSP的捕捉到产生一个中断。因而能够检测到电压的过零点，确定光伏并网逆变器电流跟踪电网电压的同步。
六、电网电压同步信号采样电路设计
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逆变器输出的电压只有与电网侧的电压幅值、相位、频率一致时，才能并入交流电网之中。电网电压同步信号采样电路如图3.18所示。
图3.18电网电压同步信号采样电路
七、IGBT驱动电路
IR2110驱动芯片是美国国际整流器公司(International Rectifier Company )利用自身独有的高压集成电路及无门锁COMS技术，于1990年前后开发并投放市场的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。该电路芯片体积小（DIP14）、集成度高（可驱动同一桥臂两路），响应速度快（
ton120ns）偏值电压高（< 600 V ）驱动能力toff94强，内设欠压封锁，而且其成本低，易于调试，并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电，使得驱动电源路数目较其他IC 驱动大大减小。对于发射极4个开关管构成的全桥电路，采用2 片IR2110驱动2个桥臂，仅需要一路10-20V电源，从而大大减小了控制变压器的体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统的可靠性。其驱动电路结构如图3.19所示。
图3.19 IGBT驱动电路
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3.4 主电路设计与关键参数选择
本设计属于单相双级光伏并网逆变器的拓扑结构，其内部电路结构如图3.20所示。
图3.20单相双级光伏并网逆变器的拓扑结构
3.4.1 Boost电路设计与参数选择
图3.21 Boost斩波电路
一、Boost升压电感参数的设计
对于一般的变换器来说，由于电感和电容寄生电阻的影响，随负载电流增加，输出电压会下降，输出电压对占空比的敏感度下降，控制特性变差。为了输出电压的稳定，控制电路尽量增大占空比，使电压增益变大以便于维持输出电压的恒定。因此，设计中选择滤波元件总是尽量选取小的寄生电阻元件，且实际应用中，是占空比调节0.88[14]。
为了使光伏发电系统能够不间断的往外输出功率，前级的Boost升压斩波电路应该工作在电感足够大电流连续的模式下。根据伏秒平衡的定理，电感电压在开关管的一个周期内对时间的积分为零。即如式3.1所示：
UPVTSUPVUdc1TS0 （3.1）
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其中：UPV是太阳能电池阵列的输出电压，Udc是直流母线DC-link的电压，也即Boost电路的
是Boost电路开关管的占空比，TS是开关管的开关周期，TS是开关管的导通时间Ton，输出电压，
1TS是开关管的截止时间。
整理可得：
Udc1 （3.2） UPV1本系统中，太阳能电池板阵列输入电压范围是60～140V，直流母线电压为Udc=380V，有上式（3.2）可得maxUdcUPV40060UUPV4001400.85，mindc0.65，所以本系统中
Udc400Udc400boost升压斩波电路中占空比的范围是0.65～0.85。
由于电感一直处于充电、放电过程，而且充放电过程都是曲线的，所以电感电流不是一个直流分量，还存在纹波量，其中纹波分量由电感两端的电压：
UlL*可得流过电感的电流变化量：
Il电感电流的纹波系数的定义有以上各式可得电感的大小：
2(1)2UdcTs L （3.5）
P0dIl （3.3） dtUPV*Ton （3.4） Lil。 Il其中P01000W为输出功率。电流纹波系数的选取，需要考虑电感的饱和问题、减少IGBT中的峰值电流及电压损耗问题，这里取电流纹波系数25%。开关频率的选取时，应该综合考虑。工作频率过高，则输出波形谐波含量少，有利于滤波器的设计。但工作频率过高则功率开关管的发热和和损耗都会增加。本系统选用开关管的频率为f100KHz，当0.65时，有：
10.65L0.654002105509.6H （3.6）
25%10002所以选取L600H。
二、直流母线稳压电容参数的设计
升压斩波电路输出端电容的作用：①给直流母线稳压②尽可能的滤除纹波电压。由电容两端电流的变化量：
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IC电容两端电压的变化量：
Udc上下同乘Udc得：
Udc电容电压的文波系数所以电容值的大小为：
CdcdUdc （3.7） dtITs （3.8） CdcP0Ts （3.9）
CdcUdcUdc。 UdcP0Ts （3.10） Udc5其中Udc400V，P01000W，2%，0.7，Ts10s代入上式（3.10）得：
10000.7105875F （3.11） Cdc0.02400在实际的系统设计中，当开关管给电感充电时，后级逆变部分所需要的能量是由电容提供的，所以给设计的电容留下充足的裕量，所以给电容留一定的5倍以上的容量，本文采用4500F/450V的电容。
三、开关管的参数选择
IGBT结合了GTR和MOSFET的优点，所以Boost升压斩波电路中选用IGBT作为开关管。其承受的最大电压为400V，最大电流为14A。本设计最终采用了英飞凌公司的IKW25N120T2，其主要参数为：1200V/25A。
四、升压电路二极管的选择
Boost升压斩波电路中的续流兼有防反作用的二极管应该具有较低的通太电压降和快速恢复的特性。二极管承受的最大电压是400V和最大电流14A的电流，所以选用Infineon公司快速恢复二极管IDP18E120，其主要参数为1200V/18A。 3.4.2 逆变器电路设计与参数选择
一、IGBT开关管的选择
逆变器的功率开关器件的选择至关重要，目前使用较多的功率开关器件有门极可关断晶闸管(GTO)，双极结型晶体管(BJT)，金属氧化物功率场效应管(MOSFET)和绝缘栅极晶体管(IGBT)等。在低压小容量系统中较常使用的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较高的开关频率和较低的通态压降，以及正的温度系数，热稳定性较好。但在逆变器的设计中，由于输出滤波电感电容的作用，使续流时间较长，容易烧坏MOSFET。
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在高压大容量系统中一般常使用IGBT模块，由于MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量(100kVA以上)系统中，一般采用GTO作为功率开关元件。随着光伏并网并网技术的发展，主电路开关器件的选择也需要具体考虑与研究。因此，针对本设计逆变系统的特点，选用IGBT作为开关器件。它是复合型功率开关器件，是GTR和MOSFET复合而成。它拥有单极性电压驱动MOSFET的优点，又结合了双极型GTR耐压高、大电流的优点。在IGBT选择中，需要注意以下几个方面的问题：
1.电流容量：在IGBT工作过程中，集电极峰值电流IcM必须要处于IGBT开关安全工作区以内。 2.电压容量，在IGBT开关过程中，最大集射极电压Uces不能超过器件的最高耐压值，否则器件将会被过压击穿而损坏。
3.散热要求：在IGBT开关过程中，会产生大量的开关损耗而使器件发热，因此，在选择器件时必须综合考虑系统的散热条件——最大集电极功耗PCM。
分别从以上几方面考虑，在本系统中，IGBT的最大集射极电压Uces为直流电压400V左右，考虑到器件开关过程中有电压尖峰的影响，选取一定的电压裕量（一般选为2～3倍）。在电流方面，为了保证系统的工作安全，对开关管电流也要选取较大的裕量；逆变器的开关频率为10kHz，在散热方面，为了保证开关管的充分散热，采用了将IGBT固定在散热器上的措施。综上所述，本设计最终采用了英飞凌公司的IKW25N120T2，其主要参数为：1200V/25A。
二、交流测输出滤波电感的设计
在单相全桥逆变器中，逆变器输出滤波电感的设计是一个关键的元器件，光伏并网系统要求逆变器输出侧的波形为正弦波，输出侧要实现功率因数为1，就能够实现输出电流与电网侧电压同频同相。所以，电感值选取的是否合适直接影响电路的整体工作性能。我们可以从以下几个方面来选取电感值：
（1）电流的纹波系数
并网逆变器输出的滤波电感的值将直接影响输出文波电流的大小，通过电感基本的伏安关系
UL*di可得： dt IlTon0Uldt （3.12） L其中Ul为电感的电压，当输出电压在峰值附近即U0Ugrid时，输出电流的纹波系数最大，设此时开关管的开关周期为Ts，占空比为，则有：
IlUgridTonL （3.13）
另外根据电感的伏秒特性平衡原理，可得： UgridTsUdcUgrid
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1T （3.14）
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于是可得占空比：
有以上各式可得：
Il进一步化简可得： IlUdcUgridUdc （3.15）
UdcUgrid* （3.16） LfUdcUgridIlUgridf*UdcUdcUgridL*Ugridf*Udc即L* （3.17）
在逆变系统中，Ugrid2220311V,IN10.5A,Udc400V，所以开关管的工作频率为f=10kHz，T=100us，取电流的纹波系数为ri16%，则由式（3.17）计算可得： L4003113118.65mH （3.18）
50.161104400因此，要保证实际的电流纹波IlINri10.50.161.68A，所以取电感取值范围为
L8.65mH[15][16]。
（2）逆变器的矢量三角形关系 从逆变器的矢量三角形关系可以得出：
U0jLINUN （3.19） 于是可得它们的基波幅值满足下面公式：
2 U02LINUN （3.20）
2由SPWM正弦脉宽调制理论可以得到U0mUdc。其中，m为调制比，且m1，从而可得：
2 LINUNUdc2 （3.21）
2进一步对上式（3.21）化简得：
2Udc2UN L （3.22）
IN把数值代入式（3.22）计算可得：
40022202101.3mH （3.23） L25010.5综合计算，滤波电感的取值范围为8.65mHL101.3mH。在实际电感设计过程中，由于电感的成本、体积等因素的影响，一般只考虑取电感的下限值即可。以上计算建立在额定的输出电压基础上，即UN=220V基础上，考虑到实际情况下电网电压波动范围，最终选取电感值L10mH[17]
[18]。
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三、交流测输出滤波电容的设计
由于电感和电容一起构成LC式的阻高频通低频的低通滤波器，有效的抑制了高次谐波，同时又要远大于基波的频率，避免输出电流发生畸变，一般取电流的基波频率为10～20倍的基波频率[19]，本文取13倍的基波频率进行分析。
由f12LC得：
C1L2f*1321101025013326F （3.24）
其中基波频率取为50Hz，把电感值带入上式（3.24）可以求出电容值为C6F，最后选取电容值为6F/450V。
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第四章 光伏并网逆变器仿真测试
4.1 Boost升压电路仿真测试
Boost升压斩波电路是将光伏太阳能电池阵列输出的电压进行升压变换，电路结构简单，效率较高、控制也较为简单。由以上章节中对光伏并网逆变器的结构进行的设计，参数的计算，本设计用Mtalab的Simulink模块[20]进行仿真测试，通过波形分析所设计的参数是否达到了本文主要性能指标的要求。
4.1.1 Matlab搭建电路图
根据第三章的理论分析和设计，在Matlab软件中搭建了升压斩波电路的模块进行仿真测试，仿真的模型结构如图4.1所示。将直流电源75V的电压升高到400V，取脉冲周期为0.1ms，脉冲宽度为65%，电感L的值为0.6mH，电容C的值为4500uF，仿真时间为10ms，功率器件选择为IGBT。
图4.1升压斩波电路仿真结构图
4.1.2 仿真波形和分析
Matlab的仿真结果如图4.2所示和图4.3所示。
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图4.2 IGBT两端的电压波形
图4.3 输出端的电压波形
从Matlab的仿真波形图可知，该Boost升压斩波电路将光伏直流电源从75V升高到400V，脉动在要求的范围之内，达到了要求的效果，证明了设计的可行性，可以进行下一步的制作PCB板工作。
4.2 逆变器电路仿真测试
光伏并网逆变器作为光伏发电的关键环节，其逆变效率的高低、工作性能的优劣将对光伏发电并网产生重要的影响。所以光伏逆变器设计的好坏在一定的程度上会对光伏并网发电产生决定的影响，所以必须对其参数进行仿真测试，以验证参数和器件的选型是否存在问题。 4.2.1 Matlab搭建电路图
运用第三章所介绍的原理进行参数的选型和设计，搭建Matlab逆变电路原理如图4.4所示。逆变单相桥电路采用PWM波的控制方式，通过调节占空比来达到输出波形的要求，后级采用LCL滤
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波电路，然后并入电网。
图4.4 单相桥带滤波的逆变电路
4.2.2 仿真波形和分析
Matlab的仿真交流侧的电压波形如图4.5所示，交流侧的电流波形如图4.6所示。
图4.5 交流侧的电压波形
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图4.6交流侧的电流波形
从Matlab的仿真波形图可知，该逆变器电路将升压斩波电路的400V电压逆变成交流并网侧的电压电流波形，脉动在要求的范围之内，达到了预期的效果，证明了设计的可行性，可以进行下一步的制作PCB板工作。
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第五章 总结和展望
5.1 工作总结
本文所设计的单相光伏并网逆变器为两级式光伏逆变器，其与单级式光伏并网逆变器相比，虽然增加了升压部分，却能够省去光伏并网逆变时所需要的变压器隔离部分，在效率和成本上都有极大的提高。其控制采用了数字信号处理器TMS320F2812芯片，利用了其强大的数据处理能力和高运转速度的特性。
本文预期达到的目标是利用Protel DXP软件进行光伏并网逆变器的主电路设计，DSP控制电路设计，然后仿真测试，满足要求后制作PCB板，搭接好硬件电路后进行调试。但由于后续工作时发现，任务量有些大和笔者的时间和能力有限，只完成了其中一部分的工作，深表惭愧。以下是这次毕业设计的成果总结，由于时间和知识水平的有限，设计中难免会存在一些纰漏和有待完善的地方，恳请各位老师批评指正。
本文的主要研究成果总结如下：
首先，介绍了人类所面临的能源危机，以及光伏发电的巨大发展前景。然后介绍了光伏并网逆变器目前国内外的发展现状，引出了本设计的光伏并网逆变器的主要性能指标。
其次，就多种光伏并网逆变器的种类和拓扑类型的优缺点进行了详细的分析，然后设计出了本文所采用的单相双级式无变压器的光伏并网逆变器拓扑类型，并介绍了光伏并网逆变器的控制策略。并用Protel DXP软件设计了光伏并网逆变器的升压结构、逆变结构，以及DSP控制器的系统的原理图和采样电路设计。对主电路的参数进行了详细的公式推导，对器件的选型进行了详细的论述。
最后，就光伏并网逆变器的参数进行了Matlab仿真测试。以利于检验参数和电路的设计是否准确，为下一步制作硬件电路板准备了条件。
5.2 展望
由于本人设计的时间与个人能力有限，对光伏并网逆变器的研究还只是一个起点，以后还有很多的工作有待研究。
（1）继续对光伏并网逆变器，光伏并网的拓扑结构的优化进行研究设计。关注国内外光伏逆变器的最新研究成果，多看一些文献和参与设计一些实际的光伏逆变器的设计。
（2）对如何能够把Protel DXP从绘制原理图到如何能够制作PCB板，克服PCB板的布线困难。然后动手制作电路板，进行相关的调试工作。
（3）孤岛效应的检测和预防，需要在不同工作环境下的多次试验，寻找更为有效的检测方法也是今后研究工作的重点；
（4）对硬件掌握熟练以后，进一步对软件编程控制方面开展学习和研究。
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附录
附录A DSP控制电路PCB板
附录B 3D模式的控制电路PCB板
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附录C 主电路PCB板
附录D 3D模式的主电路PCB板
附录E 总体原理电路图 附录F DSP控制电路原理图
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致 谢
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