小型三相光伏并网逆变器的设计与仿真毕业设计论文.docx
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小型三相光伏并网逆变器的设计与仿真毕业设计论文
毕业设计（论文）
小型三相光伏并网逆变器的设计与仿真
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202年月
Contents
小型三相光伏并网逆变器的设计与仿真
摘要：
当前，随着人类环保意识的不断增强，随着国家对新能源发电的愈加重视，我国的新能源发电也在蓬勃地发展。
其中，风力发电、太阳能发电等分布式发电方式以其清洁、安全、技术相对成熟等优点受到了格外的关注。
并网逆变器是实现分布式发电的重要元件，是集电力电子技术、控制技术等多学科于一体的重要设备。
作为电气工程及其自动化专业的学生，能够完成这样一个器件的软硬件设计与仿真，是对多学科知识杂糅和研究学习能力的重大考验，也是锻炼和提高综合实践能力的绝佳机会。
本论文从小型三相并网逆变器的原理出发，设计出小型三相并网逆变器的基本电路图，利用DSP2812控制，实现脉宽调制，并在Matlab中进行建模仿真，并对仿真结果进行分析评价。
希望借此机会，完成本科阶段知识与设计研究能力的杂糅与升华。
关键词：
三相并网逆变器PWM技术DSP控制MATLAB建模仿真
DesignandSimulationofSmallThree-phasePhotovoltaicGridConnectedInverter
（Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018）
Abstract：
Asthegrowingawarenessofthehumanenvironmentalprotection,thenewenergygenerationisboominginChinaasthecountrypayingmoreattentiontothenewenergygeneration.Amongthem,windpower,solarpowerandotherdistributedpowergenerationhasattractedgreatconcernforitsclean,safeandrelativelymaturetechnology.Gridconnectedinverterisanimportantcomponentofdistributedgeneration,anditisanimportantequipmentforpowerelectronicstechnologyandcontroltechnology.Asstudentswhomajorinelectricalengineeringanditsautomation,beingabletocompletethesoftwareandhardwaredesignandsimulationofsuchadeviceisnotonlyamajortestofmulti-disciplinaryknowledgeofhybridityandstudyingability,butalsoanexcellentchancetoexerciseandimprovecomprehensiveabilityofpractice.Inthispaper,startingfromtheprincipleofsmallthree-phasegridconnectedinverter,thesmallthree-phasegridconnectedinvertercircuitwasdesigned;UsingDSP2812control,thepulsewidthmodulationistobeachieved,andthesystemismodeledandsimulatedinMATLAB,thesimulationresultswerecomparedandanalyzed.Ihopetotakethisopportunitytocompletetheundergraduatestage,knowledgeandresearchabilityofhybridityandsublimationofdesign.
Keywords:
threephasegridconnectedinverter;PWMtechnology;DSPcontrol;MATLABmodelingsimulation
1绪论
1.1分布式发电是适应我国国情的新能源发电发展趋势
上个世纪70年代，一些发达国家由于受到两次石油危机的影响，意识到利用和发展可再生新能源是非常紧迫的任务，特别是太阳能光伏发电得到了发达国家的高度重视。
美国是最早制定太阳能光伏发电规划的国家，而日本政府对太阳能的开发和利用也非常重视，早在1974年就投资5亿美元执行“阳光计划”。
欧洲一些国家包括德国、法国、西班牙、意大利、瑞士等国也相继制定了本国的光伏发展规划，其中德国光伏产业发展相对较快[1]。
近年来，我国的可再生新能源发电（如风力、光伏等发电方式）也得到了快速的发展，尤其是在西北地区和东南沿海地区建立了大量的大型风力、光伏发电站。
但是，由于我国幅员辽阔，光伏能源富集分布的区域与负荷中心并不一致，因此，这些大型光伏电厂发出的电能往往必须通过高压甚至特高压远距离输电才能送达负荷端，从而大大提升了光伏发电的建设运行成本，也使电厂运行的稳定性和安全性受到了更多的挑战。
对于大型风电场而言，2014年，台风“威马逊”对东南沿海的大型风电场造成了严重损失，说明我国对大型风电场的建设尚存在一定的盲目性，而对比之下，美国由于遭飓风侵袭较多，很少建有大型海上风电场，欧洲和日本建有大型海上风电厂，但并没有强风侵袭。
过度模仿国外风电生产模式，追求风电的集约化、大规模生产，忽略我国东南沿海时常遭台风侵袭的气象条件，使风电厂建设的抗台风设计考虑不足。
可见，我国的集中式大型新能源发电的发展建设逐渐开始受到各种制约。
在集中式新能源发电发展受困的情况下，分布式新能源发电以其独特的优势将成为新能源发电的新宠。
分布式发电（DistributedGeneration，DG），是指在一定的地域范围内，有多个甚至多种形式的发电设备共同产生电能，以就地满足较大规模的用电要求。
分布式发电的主要有点有：
（1）建设容易，投资少。
（2）靠近用户，输配电简单，损耗小。
（3）能源利用效率高。
（4）污染少，环境相容性好。
（5）运行灵活，安全可靠性有保障。
（6）可满足不间断供电的要求[2]。
1.2分布式发电的发展对并网逆变器提出的需求
尽管分布式发电优势明显，但由于分布式发电尤其是光伏发电输出为直流电，而通常的民用和工业用电要求是工频正弦交流电，这一冲突的解决正是依赖于并网逆变器的重要作用。
光伏发电中所使用的并网逆变器，一般来讲，是将光伏电池输出的低压直流电逆变成220V工频正弦交流电，并能够并入电网运行，在逆变的同时还要完成升压的任务。
为了应对大量分布式并网发电单元对配电网的冲击，并网逆变器作为其中的关键环节，其地位和作用显得十分重要[3]。
而事实上，并网逆变器的使用在另一方面对电网的安全和电能质量提出了更加严峻的挑战，尤其是并网逆变过程中出现的电压不稳定、谐波等问题对电网影响十分严重，再加上逆变器所消耗的大量无功功率，给电网电能质量、电网安全稳定等带来不小的挑战。
可以说，并网逆变器是光伏电池普及应用的关键因素之一，而并网逆变器带来的技术问题恰是挡在其广泛应用路上的拦路虎。
解决了并网逆变器的一系列技术难题，也就走通了光伏发电、分布式发电的蓬勃发展之路。
本文进行的小型并网逆变器设计与仿真，是针对当前分布式发电的巨大发展趋势下所做的学习性研究。
是本科阶段对典型的基于PWM技术的逆变技术的深入学习实践，并希望通过对该课题的学习研究，掌握相关的设计、分析、建模、仿真能力。
1.3并网逆变器的生产研究现状
自20世纪50-60年代开始，逆变器技术的发展相继经历了SCR晶闸管阶段、GTO可关断晶闸管和BJT双极性晶体管阶段、功率场效应管等大功率阶段和微电子阶段，到21世纪初，已朝着高频率、高功率密度、高可靠性的方向发展。
纵观并网逆变器的发展历程，高频化、小型化、智能化、模块化将是其主要发展方向之一。
目前，全球逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，全球前七位的生产企业占领了近70%的市场份额。
国内不少企业虽然已在逆变器行业研究多年，已具备一定的规模和竞争力，但在技术和规模上与国外企业仍有较大差距。
从技术方面看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距。
目前国内在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，而大功率并网逆变器仍需进一步发展。
从市场层面来讲，国外逆变器企业起步早、技术成熟，在市场上占据了主导地位，但国内企业近年来发展迅猛，占领了国内市场的主要份额[4]。
1.4本课题的研究内容
本课题研究的对象是小型三相光伏并网逆变器，基于PWM脉宽调制技术，设计典型并网逆变器的主电路基本结构，并为其搭配设计LCL滤波电路滤除逆变过程中产生的高频谐波。
另外，本文将基于TMS320X2812DSP控制芯片设计控制电路，并编写PWM控制程序。
控制策略上，该小型并网逆变器是为太阳能光伏发电专门进行的配套设计，所以要考虑前级DC-DC变换器所进行的最大功率点跟踪（MPPT）控制，并同时对后级DC-AC变换器（并网逆变器）提出保持前后级之间直流侧电压稳定和实现并网电流控制（网侧单位功率因数正弦波电流控制）这两点要求[5]。
最后，还要利用MATLAB进行建模、仿真，校验前述设计的客观效果，并对其仿真结果进行分析和评价。
总的来说，对于本科生来讲，这样的工作任务已显得十分艰巨。
2基于PWM技术的三相并网逆变器电路设计
总而言之，输出为正弦波，并具有一定保护功能的逆变器工作过程简述如下：
由各种能源设备（如光伏电池板）送来的直流电进入逆变器主回路，经逆变转换成高频的（一般为10KHz左右）SPWM调制正弦脉冲波，再经过一系列滤波电路滤波成为50Hz的工频正弦波，最后再由变压器升/降压送至用电负载（或并网）[6]。
而且实际上要构成一台实用型的并网逆变器，在主电路的基础上，尚需要增加许多重要的功能电路及辅助电路。
下面，针对小型三相光伏并网逆变器的实际需求，我们对其主电路、辅助电路、滤波电路等各部分分别进行分析设计，最终确定整个三相并网逆变器的硬件电路设计方案。
2.1三相并网逆变器的主电路结构
光伏并网逆变器可以分为隔离型并网逆变器和非隔离型并网逆变器两类。
其中，隔离型是指的在并入电网之前，加入变压器进行隔离，这样做的好处是：
一方面，可以有效防止人接触到光伏侧的正极或者负极时，电网电流通过桥臂形成回路对人构成伤害的可能性，提高系统安全性；另一方面，也保证了系统不会向电网注入直流分量，有效地防止了配电变压器的饱和[7]。
由于隔离型光伏并网逆变器具有这样的优点，我们决定采用隔离型结构，在单纯的并网逆变器基础上，加入隔离变压器结构。
但是，由于工频变压器较为笨重，能量损耗高，运行噪音大等不利因素，使工频隔离变压器的使用受到了不少局限。
所以，为了解决这样的矛盾，使用体积相对较小、重量相对较轻，能量损耗和运行噪音也有较大改善的高频隔离变压器势在必行。
这样，我们就确定了采用DC/HFAC/DC/LFAC的变换方式，如图2-1所示。
可以看到，我们在光伏并网逆变器的输入一端、输出一端各设计了一个DC→AC的变换环节，其中输入端是直流变为高频交流，输出端是直流变为工频交流，两端用整流电路连接。
先变为高频交流电的目的就是能够利用高频变压器进行隔离和变压。
图2-1DC/DC型高频链光伏并网逆变器电路结构示意图
通过图示的结构设计，我们可以看到，电流共经过了两次逆变，一次整流，才达到我们的目的。
因此，我们可将整个电路分解为两个逆变电路、一个整流电路，对各个电路进行分别讨论分析，最后做好各电路之间的耦合即可。
2.2三相并网逆变器主电路基本原理
如前所述，我所设计的并网逆变器的是小型三相光伏并网逆变器，主要是由两个逆变电路和一个整流电路组成。
前级逆变电路为高频单相桥式全控逆变电路，中间的整流电路为单相桥式不可控整流电路，后级逆变电路为三相桥式全控整流电路。
为节省空间和降低控制难度，前级高频逆变电路无需使用三相桥式逆变电路结构，而只需利用单相桥式全控逆变电路实现光伏阵列的高频单相逆变，同时搭配单相高频逆变器和中间级单相整流电路即可。
另外，光伏电池的最大功率点跟踪（MPPT）也只需在该级实现，具体控制策略将在后文中谈到。
前级使用的单相桥式全控逆变电路如图2-2所示，这可以看成是两个半桥逆变电路拼合而成的[8]。
桥臂1和桥臂4同时导通，桥臂2和桥臂3同时导通，两组桥臂导通角度都是
。
单相逆变电路通常采用这种电路结构。
可把幅值大小为
的矩形波
展开成傅氏级数：
其中的基波幅值
和基波有效值
分别是：
图2-2单相全控桥式PWM逆变电路原理图
下面介绍并网逆变器主电路的另一个重要组成部分，即单相桥式不可控整流电路（图2-3）。
为分析方便，先假设负载是纯电阻负载，同时先仅用电容滤波进行分析，不考虑电路中电感的作用。
该电路由4个二级管组成，其基本工作过程是：
在输入电流
时刻至
时刻的时间段内，因为
所以所有二极管都处于关断状态，这个时候，电容C放电，向负载电阻R提供能量，同时电容两端电压按指数规律衰减。
在
以后的一瞬间，
有大于
的趋势，促使二极管
和
导通，使得负载电压
被强行置为直流电压
的值，交流电源为电容充电的同时，向负载电阻供给电能。
其波形如图2-4所示。
图2-3电容滤波的单相桥式不可控整流电路原理图
图2-4电容滤波的单相桥式不可控整流电路波形图
后级逆变电路可以用三个单相电逆变器组成组合型三相逆变器组，也可以采用如图2-5所示的三相全控桥式PWM逆变电路，前一种结构形式主要的优势在于控制比较简单，三相互不干扰，有较强的稳定性和安全性，但是由于是三个单相逆变器的组合，不利于设备的集成化，也会造成电气元件的冗余和浪费，使逆变器的安装和运输成本提高；第二种方式则大大减小了逆变器体积，使硬件资源得以节约，但软件控制和系统稳定性方面受到了不少挑战。
目前，逆变器还是以三相全控桥式PWM逆变电路的结构形式为主，力求使其体积和制造成本减小，软件控制和系统稳定性调节与适应技术也逐渐发展成熟。
三相全控桥式逆变器的电路原理图如图2-5所示，这实际上是采用了IGBT作开关器件的三相桥式电压型逆变电路，也可以看作是三个半桥逆变电路组成的。
这里注意，图中所串联的两个电容实际上只是为了分析方便而将一个电容分开后插入虚拟的中性点
后形成的。
假设负载是电阻型负载，工作时，每个桥臂导电角度为
，同一相所连的两个上下两个桥臂交替导电，由于各相相角相差
，所以也要求各相开始导电的角度也要依次加
各IGBT开关器件在任何时间都要有三个管子同时保持导通。
至于具体的控制方式，分为单极性和双极性两种，将在后文中再行讨论。
图2-5三相全控桥式PWM逆变电路原理图
图2-6三相全控桥式PWM逆变电路波形图
综上，如图2-7所示，本三相并网逆变器由前级单相全控桥式PWM逆变电路，经高频变压器变压隔离后，接中间级单相不可控整流电路整流，经滤波后接三相全控桥式PWM逆变器逆变为三相工频交流电，最后经LCL电路滤波后并入电网。
图2-7小型三相并网逆变器主电结构图
2.3三相并网逆变器LCL滤波电路设计分析
随着光伏发电系统的全面发展，并网逆变器的使用也越来越广泛[9]，由于电力电子技术在并网逆变器中的应用，电力系统的谐波污染问题也愈加严重，对电力系统的安全与稳定运行造成了极大的挑战。
为了提高电网供电质量，减少谐波对电网的污染，逆变器的滤波环节就显得尤为重要。
本节重点探讨LCL滤波器在逆变器上的运用分析。
2.3.1三相并网逆变器输出滤波器的选取
现在较为普遍使用的滤波器形式大体上有L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器这三种[10]，这三种滤波器各有利弊，现针对它们对于并网逆变器的适用做以下分析，其原理图如图2-8所示。
图2-8三种常用的滤波电路原理图
传统意义上，L型滤波器以其安装控制简单方便的优点被广泛使用。
但是，在并网逆变器的工作过程中，为降低工作管的开关损耗，同时也为了降低电磁干扰，一般不能将开关频率设置得太高[11]，在相对低频的工作环境下，传统的L型滤波器一些突出的劣势便凸显出来了。
首先，为了更好地过滤电网中越来越多的谐波分量，需要使用较大的电感，这样就增加了逆变器的体积，也提高了运行损耗和制造成本，造成能源和有色金属资源的浪费。
其次，电感值也并非越大越好，因为电感值的增大同时会使控制系统惯性增加，进而影响控制精度和响应速度。
最后，较大的电感会产生较大压降，使入网电压下降，为了提高入网电压到规定值，则必须提高直流电压，使得电路设计和系统控制难度增加。
相比于传统意义上单纯的L型滤波器，LCL型滤波器一般具有三阶的低通滤波特性，因而对于同样谐波标准和较低的开关频率，可以采用相对较小的滤波电感设计，因而可以有效减小系统的体积并降低损耗[12]。
而对于LC型滤波器来说，当逆变器工作与并网状态时，电容C起不到电流滤波的作用，而且还会对控制电流与输出电流的相位有额外影响，起到了画蛇添足的负面效果。
另外，当频率较高时，该电路对高频纹波的滤除效果较差。
综上所述，三相并网逆变器较为理想的滤波电路是LCL型滤波电路。
2.3.2有源阻尼控制在LCL型滤波器中的应用
图2-9无阻尼时LCL滤波电路波特图
在上述的LCL型滤波电路中，能够很好地克服L型滤波器和LC型滤波器所固有的缺点，但因其在无阻尼状态时会产生谐振，并在某一频率附近产生较高的谐振尖峰（如图2-9所示），将严重影响控制系统的相位，把大量谐波注入电网。
因此，需要对LCL滤波电路增加阻尼，以抑制电路的谐振。
但是，如果在电容上直接串联电阻的话，在逆变器输送功率较大的时候，会产生较大的损耗，降低了逆变器的工作效率，对于较大功率的情况，会造成阻尼电阻发热严重，甚至会烧毁电路。
在电路中串入阻尼电阻以抑制谐振的方法是无源阻尼控制方法的一种，但是，无论是在网侧电感串联电阻、并联电阻，还是在电容支路串联、并联电阻，都无法避免大功率下造成电路损耗、发热严重的问题。
所以，PekikArgoDahno首先提出了以“虚拟电阻”控制算法来替代实际阻尼电源[13]的有源阻尼控制方法。
其本质就是以虚拟的有源阻尼控制算法代替现实中的无源阻尼电阻。
这样，就能够在不增加系统损耗的情况下，有效增加系统的阻尼，抑制系统谐振并提高控制系统稳定性。
图2-10虚拟电阻等效的有源阻尼控制结构简化图
图2-11采用虚拟电阻法控制的LCL滤波器波特图
在无阻尼情况下，LCL滤波器的传递特性为：
在加入虚拟电阻控制后，LCL滤波器的传递特性为：
可以看出，在引入虚拟电阻控制之后，传递特性由三阶降为二阶，大大提高了系统稳定性，波特图中的谐振峰得到了较大衰减，已经变得十分不明显（如图2-11所示），此外，这种引入虚拟电阻的有源阻尼控制方案并不会使系统的低频、高频特性发生改变，所以，系统的控制和滤波特性基本上不会受到太大影响，同时也不会产生前述大功率运行下产生的能量损耗和阻尼电阻过热的问题，可以说是并网逆变器滤波较为妥善的解决方案。
3基于DSP控制的三相并网逆变器控制系统设计
作为PWM逆变器来讲，尤其是光伏并网逆变器来讲，控制部分是更为重要的组成部分，尤其是在当今电网电能质量和安全性要求大大提高的今天，对于并网逆变器控制系统的设计，往往对逆变器的性能优劣起着至关重要的作用。
优秀的控制策略可以保证逆变器在实现最基本逆变功能的基础上，进而实现并网控制和最大功率跟踪功能（MPPT），将光伏电池（阵列）发出的时变直流电流逆变成三相交流，高质量、安全、稳定地输送到电网中去。
本章围绕DSP控制芯片，从控制电路和控制软件设计方面，选择较为完备的三相并网逆变器控制系统进行比较、设计和分析。
3.1数字控制芯片的选择
常用的控制芯片主要有：
DSP、MCU（单片机）、通用处理器、FPGA。
这些控制芯片各有优劣，在PWM控制中，最为常用的还是DSP芯片。
DSP与MCU相比较，可以说是在微控制器MCU的基础上演化和发展而成的，相对于MUC而言，DSP有更多功能上的延伸和拓展。
DSP芯片设有专用的硬件乘法器，并且摒弃了传统的冯·诺依曼总线结构，而采用了全新的哈佛总线结构，具有独立的程序总线和数据总线，具有流水线和特殊DSP指令。
若使用MCU来实现PWM控制，开关频率和控制精度受MCU主频的限制，其他关乎输出稳定的功能，比如输出检测、过载保护功能，都必须使用分立元件现行搭建，设计复杂，实时性也难以满足要求。
DSP与通用处理器相比较，首先，有专用的硬件乘法器是DSP芯片区别与通用处理器的一个重要标志；其次，DSP成本低，功耗低，尺寸小，而通用处理器具有成本高、功耗高的特点；最后，DSP更适合在频率较高的系统中进行实时信号处理，通用寄存器则更适用于片外有大容量的存储器及要充分利用先进操作系统的场合。
DSP与FPGA相比较，差异也很明显。
前者是依靠软件实现数据的处理，而后者是通过硬件实现数据处理。
DSP芯片与FPGA芯片相比较，在成本和算法灵活性、功能实现等方面有较大的优势，而FPGA成本高，但是数据的实时处理能力更强，适合控制算法简单但是短时间内有大量重复计算的控制应用，DSP适合控制算法较为复杂而且计算任务繁重的控制应用。
综上所述，结合上述三种芯片的特点，选择DSP芯片作为本小型三相并网逆变器的控制芯片是比较合适的。
C2000系列DSP是TI公司TMS320DSP的三大系列之一，不但具有较强的高速运算和信号处理能力，也在片内集成了相当丰富的外设，特别适合高性能的数字控制系统。
尤其是C2000系列DSP专门设计了能产生PWM的事件发生器（EV），能够极大的方便用户用来生成PWM波并能够完成调节死区的功能。
综合考虑，本次逆变器控制芯片决定采用TI公司生产的TMS320F2812型号控制芯片，该芯片与TMS320C2812同属一个系列，前者内部存储空间含有128K
16位的Flash，后者内部存储空间含有128K
16位的ROM。
相较而言，前者的应用更为广泛一些。
3.2基于DSP控制的三相并网逆变器控制电路设计
结合上文确定的主电路结构，DSP控制隔离型单相并网逆变器的系统结构应设计为如图3-1所示，现对控制部分各电路分别分析。
图3-1DSP芯片控制隔离型三相并网逆变器系统结构图
3.2.1IGBT驱动电路的设计分析
为保护控制电路免受主电路较大电压影响，IGBT器件应采用隔离驱动方式，将主电路、控制电路等相互隔离，以保障系统安全。
HCPL-3120型驱动器，体积小、响应速度快，是应用于中小功率的变换装置中的理想器件，因此，我们选取该型号驱动芯片设计IGBT驱动电路。
由于HCPL-3120芯片的驱动能力不足以满足要求，因此
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