基于DSP的光伏并网逆变器研制

【摘要】：当今世界,人口的急剧增加、经济的飞速发展、城市的现代化建设都离不开能源,能源的需求也急剧增加,使传统化石能源的逐渐枯竭,带来了能源短缺的问题。光伏发电作为最具发展潜力的可再生能源,近年来得到飞速发展。光伏发电只有并网才能解决能源紧缺的问题,因此光伏并网发电成为最主要的研究方向。光伏并网系统有最大功率带点的跟踪(MPPT)、并网控制策略和孤岛效应检测等技术难点。本文以这三个技术为基础进行了深入分析研究,对基于数字信号处理器(DSP)控制的单项光伏并网逆变器系统的软硬件进行了设计,以开发出输电质量高、稳定性好、安全的小功率单相光伏并网逆变器。首先,介绍了并网逆变器的拓扑结构,对比各种结构的优缺点,选取了结构简单、易于实现的两级式非隔离的并网逆变器。前级采用Boost升压,实现最大功率跟踪功能;后级采用全桥逆变,实现逆变并网功能。其次,对光伏电池的工作原理和数学模型进行了深入分析,并Matlab/Simulink环境下对其物理模型进行了仿真,得到了光伏电池的输出特性曲线,并进行了分析。介绍了几种传统的最大功率的跟踪(MPPT)方法的原理和优缺点,提出了基于功率预测的变步长扰动法。第三,介绍了前级Boost的工作原理,并对电感和母线电容的参数进行了设计,介绍了功率开关管的类型及选型,最后对滤波电路类型进行介绍,最终选择LC滤波电路,并对参数进行设计。第四,对并网逆变器的控制策略进行了介绍,对比各种控制方法的优缺点,选取了双环控制策略,建立了全桥逆变器的数学模型,在此基础上设计了电流内环补偿器、电压外环补偿器的参数。为了验证其可行性,对整个逆变系统在Matlab/Simulink环境了进行了仿真,给出了仿真结果。第五,在双环控制的基础上,对单项光伏并网逆变系统进行了设计。确定以TMS320F2812为控制芯片,并对交流采样电路、IGBT驱动电路、频率相位采样电路进行了设计,完成整个系统控制程序的编写。搭建了实物调试平台,对单项光伏并网逆变器样机进行了实时调试。对其关键环节的输出波形进行了观察分析,结果表明该样机实现了设计的功能,达到了预期的目标。 【关键词】：光伏并网逆变器 最大功率跟踪 双环控制 数字信号处理器(DSP)
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615;TM464
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题背景及研究意义11-13
• 1.1.1 国外光伏发电的发展11-12
• 1.1.2 国内光伏发电的发展12-13
• 1.2 光伏并网发电的研究现状13-15
• 1.2.1 最大功率跟踪方法研究现状13-14
• 1.2.2 并网控制策略研究现状14
• 1.2.3 孤岛防护14-15
• 1.3 光伏发电系统的介绍15-17
• 1.3.1 独立式光伏发电系统15
• 1.3.2 光伏并网发电系统15-17
• 1.4 本文主要研究内容17-19
• 第二章 光伏阵列最大功率点跟踪方法研究19-31
• 2.1 概述19
• 2.2 光伏电池19-24
• 2.2.1 光伏电池分类19-20
• 2.2.2 光伏电池的数学模型20-21
• 2.2.3 光伏电池的输出特性曲线21-24
• 2.3 经典MPPT方法介绍24-27
• 2.3.1 恒电压控制24
• 2.3.2 扰动观察法24-25
• 2.3.3 电导增量法25-27
• 2.4 基于功率预测的变步长扰动法27-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 并网逆变器硬件参数设计31-38
• 3.1 前级Boost电路参数设计31-33
• 3.1.1 电感L的选取32
• 3.1.2 母线电容C的选取32-33
• 3.2 滤波电路的设计33-34
• 3.2.1 常用滤波电路分析33
• 3.2.2 LC滤波电路参数设计33-34
• 3.3 开关管的选取34-35
• 3.4 缓冲电路的设计35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 双级并网逆变器及控制策略研究38-52
• 4.1 并网逆变器的控制方式38
• 4.2 逆变器闭环控制策略38-41
• 4.2.1 逆变器控制方式38-40
• 4.2.2 PID控制40
• 4.2.3 双环控制40-41
• 4.2.4 重复控制41
• 4.2.5 无差拍控制41
• 4.3 电压电流双闭环控制参数的设计41-50
• 4.3.1 单项全桥逆变器数学模型41-45
• 4.3.2 基于全桥逆变器的电压电流双环模型45-46
• 4.3.3 电流环参数的设计46-47
• 4.3.4 电压外环补偿器环参数设计47-50
• 4.4 Matlab/Simulink光伏并网系统仿真50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 光伏并网逆变器的软硬件设计52-70
• 5.1 控制芯片选型52-53
• 5.2 辅助电路设计53-55
• 5.2.1 驱动电路的设计53-54
• 5.2.2 采样电路设计54-55
• 5.3 软件的实现55-63
• 5.3.1 主程序流程图56-57
• 5.3.2 ADC模块57
• 5.3.3 软件SPWM的实现57-58
• 5.3.4 数字锁相58-60
• 5.3.5 孤岛效应检测60-62
• 5.3.6 并网工作流程图62-63
• 5.4 光伏并网逆变器样机调试与分析63-69
• 5.4.1 直流电压波形64-65
• 5.4.2 驱动电路波形65-66
• 5.4.3 采集电路和锁相电路波形66-68
• 5.4.4 逆变输出与并网实验波形68-69
• 5.5 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 本文的主要成果70
• 6.2 课题研究展望70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-76
• 附录76-78

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