基于DSP光伏并网逆变器的硬件电路设计

本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：基于DSP的光伏并网逆变器硬件电路的设计学生姓名：学号：专业：电气工程及其自动化班级：指导教师：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PV Grid-Connected Inverter Hardware Circuit Design Based on DSPAbstractIn 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)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)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)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。