基于DSP的三相光伏并网逆变器的设计

安徽理工大学本科毕业设计（论文）开题报告
姓 名 xx 专业班级 电气工程 5 指导教师 xxx
一、课题的名称、来源 1.课题名称 2.课题来源 基于 DSP 的 10KW 三相光伏并网逆变器的设计 √ 科研 √ 教学 √ 其他 √生产 √ √ √ 二、研究意义、研究现状、研究内容、拟采用的研究思路与方法 (可附页) √ 研究意义： 电能是当今最重要的能源形式，也是迄今为止人类使用最方便、最清洁、适用范围最 广泛的能源， 很难想象当今的文明世界失去电能将如何运行。 世界上绝大部分的电能来自 发电站，其中主要来之火力发电厂，其余来自水力发电厂、核电站等,正是依赖于对电能 的充分开发和利用，人类才得以在短短的两个世纪里取得了辉煌的成就。但是，随着人类 对煤、 天然气和石油等化石燃料的过度使用， 人类现在消耗的自然资源已经远远超出了地 球资源再生能力！人类已经开始认识到节约资源、保护环境、实现长期的可持续发展是当 今世界各国面临的最重大的挑战。 世界各大国纷纷都在进行新能源的开发和利用， 而太阳 能因其高效、无污染、用之不尽的优点，已成为国内外科研院所的重点课题。同时光伏发 电技术很好地解决了边远地区的供电问题， 缓解了现有电力系统供应总是无法满足峰荷需 求的问题，成为了现有电供应的很好的补充方式，具有巨大的发展潜力。随着国家对光伏 产业扶持政策的陆续出台， 尤其是光伏屋顶计划的实施， 国内对光伏并网逆变器的需求将 急剧上升。 本文根据光伏逆变器的结构以及三相系统并网要求的特点，采用高性能 32 位 DSP 处 理器 TMS320LF2407A 设计实现了 10KW 三相光伏并网逆变器，它可以广泛用于光伏发电系 统，具有光伏效率高、输出电压精度高、波形好、智能并网和监控等特点。 研究现状： 国外光伏发电应用现状 目前新增光伏发电系统主要集中在欧洲一些国家，2010 年整个欧洲的光伏装机容量 超过了 13GW，占全球总装机容量的 80%。其中，德国占据了 50%以上，达至 7408MW，意大 利居第二，去年新增装机 2321MW。2011 年全球光伏发电总装机量为 27.7GW，较 2010 年 新增光伏装机量增长了约 67%，也远高于 2011 年初市场一致预期的 22GW，其中欧洲占约 21GW，占全球总装机容量的 76%。其中意大利和德国的安装量又占欧洲的 60%。2012 年，
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值为 1626kWh/m 。 受地理、 气候等环境条件的影响， 太阳辐射资源分布具有明显的地域性， 尤其在中国西北部， 太阳能资源丰富， 推广大规模的太阳能应用具有得天独厚的先天优势。 但是我国的光伏发电市场需求发展速度一直较慢。 我国政府于 2002 年启动的“送电到乡”工程大部分使用带储能设备的独立光伏户 用系统，解决了西部七省区(西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川)近 800 个无电 乡的用电问题，光伏发电总容量达到 19.6MWp。 2004 年，1MWp 太阳能并网光伏电站在深圳国际花卉园艺博览园落户。是当时亚洲 和中国总容量第一的并网光伏电站， 同时也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏电 站之一。该电站总容量 1000.322kWp，年发电能力约为 100 万 kWh。此前，国内建成发电 的并网光伏电站容量均未超过 100kWp。1MWp 并网光伏电站是我国并网光伏发电领域的成 果典范，填补了我国在大型并网光伏电站设计和建设上的空白。 2005 年，首都博物馆 300kWp 并网光伏系统建成；国家体育馆 100kWp 并网光伏电 站正在施工中；我国首座荒漠光伏电站在西藏羊八井地区建成，电站容量为 100kWp。这 些项目充分展示了我国在太阳能光伏发电与现代建筑一体化领域的成就。 但占世界光伏装 机容量比重仍然比较低，技术上与先进国家仍有相当大的差距。 2008 年，北京奥运会鸟巢体育场太阳能光伏系统实现并网发电，这是 2008 北京奥 运会主场馆鸟巢工程首次采用太阳能光伏发电，这套光伏发电系统总装机容量为 100kW。 但此时全国累计装机容量占全球新装机容量中的比例和累计装机容量中的比例都很低， 累 计装机容量仅占世界总容量 1%，新装机容量在 2%左右。 2009 年，我国进行了首次光伏并网电站招标，由于业内企业的积极参与，该项目 装机容量由计划的 10MW 增加为 20MW。之后，随着“金太阳工程”和“光伏屋顶计划”补 贴的有序进行，根据不完全统计，2009 年全国新增容量达到 140～150MW。 2010 年末，国内光伏电力装机容量达到 893MW，同比增长 139.4%，占世界光伏电 力装机容量的 2.2%。根据“十二五”规划，2015 年光伏发电装机容量将达 1×104MW，2020 年将达 5×104 MW。 值得注意的是， 截至 2010 年， 屋顶光伏电站的装机规模约 0.03×104MW， 2015 年，预计达 0.3×104MW，到 2020 年则达 2.5×104MW。分析指出，近年来国内屋顶光 伏市场已逐步打开，随着政策支持力度的进一步加大，建设屋顶光伏电站，推广中小型光 伏系统应用将逐渐成为产业发展的主流。 研究内容： 本课题为基于 DSP 的 10KW 三相光伏并网逆变器的设计，是一个中小功率的光伏发 电系统。拟从以下几个方面进行研究： 1.介绍太阳能光伏发电意义和现状，概述光伏发电系统以及国内外光伏逆变器的发 展现状和未来的发展趋势。 重点介绍目前光伏发电系统的几种结构和组成并简述特点， 根
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据课题的要求选择合适的光伏发电系统。 2.概述太阳能光伏电池的分类， 分析其发电原理和输出特性， 研究最大功率点跟踪 算法（MPPT），使太阳能电池输出较高的功率。 3.简单阐述逆变器的基本结构及逆变原理，介绍 SPWM 调制技术和实现的方法，完 成主电路中对输入滤波电路、升压变换电路、全桥逆变电路及 LC 低通滤波器的设计。分 析光伏逆变器的控制策略，并介绍 IPM 模块。 4.重点对逆变器的软硬件电路进行系统的设计,包括电源部分、采样检测部分、驱 动部分、液晶显示部分、DSP 芯片 TMS320LF2407A 的控制部分以及保护电路的设计。 5.概述光伏系统的并网要求，着重介绍孤岛保护及低电压穿越技术。 6.利用 Matlab 软件进行系统仿真，结合示波器的输出波形并分析输出数据、谐波 含量等验证设计的可行性。 拟采用的研究思路与方法： 该课题的名称是基于 DSP 的 10KW 三相光伏并网逆变器的设计。 本课题的设计思路是由整体到局部、 先进行硬件电路设计到软件编程及仿真来完成设 计。由于太阳能并网发电系统包含系统拓扑结构、最大功率点跟踪、逆变并网控制策略以 及孤岛检测等关键技术， 因此首先确定出总体的设计方案， 根据要求完成系统拓扑结构图。 然后设计出三相光伏并网逆变器的主电路部分，其主电路部分由太阳能硅电池发电电路、 Boost 升压电路，DC-AC 逆变电路，SPWM 调制电路、LC 滤波电路组成；接着，设计出 DSP 控制模块电路，包括电源供电部分、驱动部分、采样模块、液晶显示部分以及 TMS320LF2407A 控制电路等；最后确定最大功率跟踪、并网控制以及孤岛检测的策略。我 将针对每个模块的软硬件设计逐一阐述，最后通过软件仿真结果来验证设计的可行性。 本设计的重点是放在光伏逆变器的硬件设计和软件编程上。 本设计中所有检测和控制 电路均由 DSP 进行控制， 它是采用中断的方式来响应硬件的中断请求， 在主程序执行的过 程中，无论何时，只要检测到有外部中断产生，就会立即响应外部中断，将程序跳转到中 断子程序处去执行相应的中断程序， 中断处理完成后， 再返回到断点处继续执行未执行完 的程序。 对于软件编程来说主要是根据硬件设计方案编制软件控制流程图， 将不同的控制 功能进行分块，采用结构化程序设计方法，编写不同控制任务的子程序，由系统主程序调 用管理相应的子程序，完成总体监控任务。 三、主要参考文献 [1]孙孝峰, 顾和荣, 王立乔, 邬伟扬.高频开关型逆变器及其并联并网技术 [M].北 京：机械出版社，2011. [2]滨川圭弘.太阳能光伏电池及其应用[M].北京：科学出版社，2008. [3]邵翠平.我国太阳能光伏发电现状和发展趋势[J]. 2008.