目 录
目 录 ........................................................................................................................................ 1 摘 要 ........................................................................................................................................ 3 Abstract ...................................................................................................................................... 4 第一章 绪论 ............................................................................................................................ 5
1.1 本课题研究的背景、目的及意义 .............................................................................. 5 1.2 国内外发展的现状 ...................................................................................................... 6
1.2.1 国内研究的现状 ................................................................................................ 6 1.2.2 国外研究的现状 ................................................................................................ 7 1.3 本课题研究的主要内容 .............................................................................................. 8 第二章 太阳能光伏并网的研究 ............................................................................................ 9
2.1 光伏并网逆变器的拓扑结构设计 .............................................................................. 9
2.1.1 按变压器拓扑结构分类 .................................................................................... 9 2.1.2 按功率变换级数分类 ...................................................................................... 11 2.1.3 按控制方式分类 .............................................................................................. 12 2.2 光伏并网控制策略基本原理 .................................................................................... 13
2.2.1 光伏并网逆变器的控制方式 .......................................................................... 13 2.2.2 光伏并网逆变器的控制目标 .......................................................................... 14 2.2.3 输出电流控制方式 .......................................................................................... 15 2.2.4 最大功率点跟踪 .............................................................................................. 16 2.3 孤岛效应 .................................................................................................................... 18
2.3.1孤岛效应的影响和危害 ................................................................................... 18 2.3.2孤岛效应的检测方法 ....................................................................................... 19
第三章 基于DSP的光伏并网逆变器及外围电路设计 ....................................................... 21
3.1 基于DSP的光伏并网逆变器的拓扑结构设计 ....................................................... 21 3.2 光伏并网逆变器主电路的设计 ................................................................................ 22
3.2.1 Boost电路的器件选择及参数计算 ................................................................. 22 3.2.2 逆变器电路的器件选择与参数计算 .............................................................. 25 3.2.2 主电路的硬件电路设计图 .............................................................................. 28 3.3 DSP的控制电路设计 ................................................................................................. 29
3.3.1 DSP的选型及基本功能概述 ........................................................................... 29 3.3.2 DSP的基本电路设计 ....................................................................................... 32
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3.3.3 LCD显示及键盘的电路设计 .......................................................................... 34 3.4 基于DSP的外围硬件电路设计 ............................................................................... 36
3.4.1电量的采样和调理保护电路的设计 ............................................................... 37 3.4.2温度采样及调理电路设计 ............................................................................... 40 3.4.3 基于DSP的IGBT驱动电路 .......................................................................... 41 3.4.4 电网两侧同步信号采样比较电路 .................................................................. 42
第四章 系统的工作流程 ........................................................................................................ 43
4.1 系统基本流程图 ....................................................................................................... 43 第五章 总结与展望 ................................................................................................................ 44
5.1 工作总结 .................................................................................................................... 44 5.2 展望 ............................................................................................................................ 45 参考文献 .................................................................................................................................. 46 致 谢 ...................................................................................................................................... 48 附 录 ...................................................................................................................................... 49
附录1 电路原理总图 .................................................................................................... 49 附录2 主电路的PCB板 ............................................................................................... 49 附录3 主电路PCB板的3D模型 ................................................................................ 49 附录4 毕业设计（论文）任务书 ................................................................................ 50 附录5 开题报告 ............................................................................................................ 51 附录6 外文文献 ............................................................................................................ 53
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基于DSP的6KW单相并网逆变器硬件外围电路的设计与计算
摘 要
随着社会生产的日益发展，对能源需求的不断增长，全球范围内的能源危机也是日益突出，各国都加大了对新能源开发应用的投入力度。太阳能发电作为一种全新的电能生产方式，不仅具有清洁无污染、来源永不衰竭、维护措施简单等特点，而且对于我国来说，幅员辽阔，太阳能资源很是丰富，其应用具有非常好的前景。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并计算了其中一些重要元件的相关参数。
光伏并网发电系统是通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，通过并网逆变器将直流电变为与市电同频同相的交流电，并回馈电网，在阳光充足时，太阳能发出的电可供使用，而不使用市网电；在阳光不充足或光伏发电量达不到使用量时，由控制部分自动
调节，通过市网电给予补充。该系统主要应用于输电线路调峰电站以及屋顶光伏系统。
本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，并绘制了较为完整的电路原理图，计算了主电路重要元件的相关参数，以使其满足基本的性能要求，然后从系统工作的角度描绘了系统运行的基本流程图，并对主电路进行了PCB封装。最后对后续研究工作进行了展望，为进一步制作电路板及并对其调试提供了重要参考。
关键词：光伏发电；并网逆变器；数字信号处理器；硬件电路设计
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PV 6KW Grid-Connected Inverter Hardware Circuit Design
and Calculation Based on DSP
Abstract
With the increasing development of social production, the growing demand for energy worldwide energy crisis is also increasingly prominent countries are increasing investment in the development and application of new energy. Solar power as a new energy production methods, not only has the clean non-polluting source of everlasting, simplely maintenance measures, but also for our country, the vast solar energy resources are very rich, its application has very good prospects . In this paper, an important research field application of solar energy - photovoltaic power generation system, especially low-power grid-connected PV system, designed and implemented a hardware DSP-based control of single-phase photovoltaic grid-connected inverter circuit and calculate some of which are important components the relevant parameters.
Grid-connected PV system is through solar panels convert solar energy into electrical energy through grid inverter with the DC electricity into the same frequency and phase alternating current, and giving back to the grid, in a sunny, the solar electricity for issuing use instead of using city electricity network; inadequate in the sun or photovoltaic power generation capacity is less than the amount used by the control part of the automatic adjustment, through the city to supplement electricity network. The system is mainly used peaking power plants and transmission lines rooftop photovoltaic systems.
This article introduces the solar photovoltaic development in the world of the basic principles of DSP control of photovoltaic grid-connected systems, and then presented to the inverter DC / AC conversion technology as the core of the single-phase photovoltaic inverter the hardware circuit design, a relatively complete circuit diagram drawn in accordance with the different functional modules, and calculate the parameters of the main circuit components, and then from the perspective of the system work depicts a flow chart of the system is running, and part of the module circuit PCB package. Finally, the follow-up work in the future, provide a reference for the further production of circuit board and debugging.
Keywords: Photovoltaic Power generation; grid-connected inverter; Digital Signal Processor; hardware circuit desig
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第一章 绪论
1.1 本课题研究的背景、目的及意义
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。随着一次性能源煤、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，正在危及人类的生存安全。如今，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正在不断降低，电力电子技术、自动控制技术、计算机处理技术等也都有了飞速的发展。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。
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。在今后的十几年中，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。中国太阳能光
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伏发电发展潜力巨大，配合积极稳定的政策扶持，到2030年光伏装机容量将达1亿千瓦，年发电量可达1300亿千瓦时，相当于少建30多个大型煤电厂。国家未来三年将投资200亿补贴光伏业，中国太阳能光伏发电又迎来了新一轮的快速增长，并将吸引更多的战略投资者融入到这个行业中来。正是由于这些优势的不断凸显，作为替代性能源的重要分支，光伏并网的未来必然会深刻的改变我们世界的能源供给，必定会为未来的可持续的能源发展做出巨大的贡献。尽管光伏发电应用发展的道路会有一些曲折，但是其总的前景还是非常乐观的。
太阳能取之不尽，用之不竭。随着经济与技术的进一步发展，太阳能光伏发电在不远的将来必将走向千家万户。
1.2 国内外发展的现状
光伏并网发电系统与独立光伏发电系统相比，具有一些自己特定的的优势。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），主控制电路，采样电路，保护电路，故障处理电路等等。
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【2】。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
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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。
目前我国的太阳能光伏发电系统，绝大多数是为解决我国边远地区人民生活用电和某些特殊生产用电而建立的独立系统。关于并网光伏发电系统的研究还处于研究示范阶段，已建成的示范性并网光伏电站均为低压用户端并网模式，发电容量相对较小，不参与电网调度，基本不影响电网的正常运行。而大型和超大型并网光伏电站系统不仅建设规模可以达到 MW 甚至 GW 级别，发出的电能直接并入高压输电网络，未来可参与电力的输送和调配，是世界各国未来可再生能源发电的重要发展方向。
我国政府对并网光伏发电技术的研究十分重视。早在九五期间我国就开 始了对并网光伏发电技术的攻关，对光伏发电的并网技术、大型光伏电站使用的 控制器和逆变器技术都进行了认真的研究和攻关，取得了阶段性成果。在此基础 上，先后研制并建成了5kW、10kW的光伏屋顶并网示范电站。 国家科技部在十五期间，将并网光伏发电技术列为重要的研究方向，加强了对并网光伏发电的系统设计、关键设备研制和光伏与建筑相结合等方面的攻关，加速了并网光伏发电技术的步伐，并建成了多座并网示范电站。除国家科研支持的项目外，近年来在北京、山东、广东、西藏、海南等省市政府和一些公司也相继建成了多座光伏与建筑结合的并网示范电站。这些示范电站的建设都大大的推动了我国并网光伏技术的发展。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
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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%。
就目前世界形势来看，光伏并网发电已经成为太阳能发电的主流趋势。特别是单相3～10kw的屋顶并网系统，以其投资门槛低、收益好，获得了德国等实施了《上网电价法》的国家居民的青睐。可以预计，今后的国际市场中，光伏系统90%以上的应用形式是以光伏电站为代表的大型并网电站和以屋顶并网系统为代表的小型光伏并网系统。而光伏建筑一体化由于专用建筑材料的限制还不会有太大规模的应用，离网系统则只是作为边远地区居民、手机基站、灯塔等不便接线地区的电源设备，市场需求比较固定，不会有太多的增加。在技术上，今后主电路拓扑会以组串式和多组串式这种安装灵活的结构形式为主。逆变器所用器件以IGBT为主，10kw以下一般会使用IPM模块。逆变设备总体上向着低成本、高效率、小型化、更通用、更安全的方向发展。
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，对于其中的某些较为独立的电路模块生成了PCB板。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、采样调理硬件电路和辅助电源电路。控制策略选择有：最大功率点跟踪、SPWM控制等。在设计过程中，给出了电路中主要器件的选型及基本参数，对主电路的重要参数进行了相关计算。本文光伏并网逆变器设计参数如表1.1所示：
序号 1 2 3 4 5 6 名称 输出功率 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 表1.1 光伏并网逆变器设计参数
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参数 6kW 60～140V 220V/50Hz -10%～+7% -0.5～+0.5Hz >=0.9 华北水利水电大学毕业设计论文
第二章 太阳能光伏并网的研究
2.1 光伏并网逆变器的拓扑结构设计
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分析设计，并对其控制策略进行分析。
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。 1、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
图2.1所示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
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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。 2、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SPWM（正弦脉宽调制）控制的逆变器，得到并网所需要的波形。其结构如图2.2所示。
图2.2高频隔离型拓扑结构
对于图2.2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，而这将会使得其中的能量损失变大。 3、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【3】。其结构如图2.3所示。
图2.3无变压器隔离拓扑结构
图2.3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
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量的级数减少，提高了发电的效率。其中的DC/AC逆变器是由工频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【4】。
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。 1、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
在图2.4中，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。 2、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。
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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【3】。 1、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【5】。其结构如图2.6所示。
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图2.6电压型逆变拓扑结构
2、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。
图2.7电流型逆变拓扑结构
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，输出电流与电网电流同频同相（COS??1），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
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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【6】。
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2.8(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2.8(b)所示。
(a) (b) 图2.8逆变器输出电流和电压的矢量关系
Ugrid为主电网侧的电压，I其中Uout为光伏并网逆变器输出交流侧电压，
为逆变器输出电流也是电感的电流IL。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
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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。 1、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I*grid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2.9所示。
图2.9 SPWM电流跟踪方式
对于图2.9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
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2.10所示。
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图2.10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i*c的差值超过环宽时，就会产生PWM波信号。若确定，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?ic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
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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2.11所示。
图2.11太阳能输出功率和输出电压光照的关系
1、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：Um?nUoc。 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。 2、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
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踪到另一最大功率点的速度变慢，不能快速跟踪。 3、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：
dP?0； dUdP?0； 2.当工作点处在最大功率点右边时有dUdP?0。 3.当工作点处在最大功率点左边时有dU1.当工作点在最大功率点处有
最大功率点时的功率为P?U*I，两边同时对U求导得：
dPdI?I?U?dU （2.1） dU令上式（2.1）等于0可得：
dII??U （2.2） dU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、太阳能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
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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【4】，也即是指电网突然失压时，并网光伏发电系统仍保持对电网中的临近部分线路供电状态的一
种效应。孤岛效应，可能会对用户、电网、整个配电系统设备及用户端设备甚至
包括维修人员造成危害。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，影响用户端的三相负载【9】。
由上述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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孤岛效应检测除了上述普遍采用的被动法和主动法，还有一些逆变器外部的检测方法。如“网侧阻抗插值法”，该方法是指电网出现故障时在电网负载侧自动插入一个大的阻抗，使得网侧的阻抗突然发生显著变化，从而破坏系统功率平衡，造成电压、频率及相位的变化。 还有运用电网系统的故障信号进行控制，一旦电网出现故障，电网侧自身的监控系统就向光伏发电系统发出控制信号，以便能够及时切断分布式能源系统与电网的并联运行。检测的方法很多，这里不再一一赘述。
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第三章 基于DSP的光伏并网逆变器及外围电路设计
3.1 基于DSP的光伏并网逆变器的拓扑结构设计
根据上一章对光伏并网逆变器拓扑结构的类别分析，综合各种结构的优缺
点，本设计选用当今热点研究的“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3.1所示。
储能LC滤波主电网DCAC光伏阵列DC升压Boost电路DC霍尔元件温度传感器霍尔元件调理电路调理电路调理电路光耦隔离驱动电路霍尔元件调理电路DSPTMS320LF2407控制、检测、采样、保护键盘输入LCD输出显示
图3.1 单相光伏并网逆变电路的总拓扑结构图
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3.2 光伏并网逆变器主电路的设计
光伏并网逆变电器采用两级式并网逆变器，其结构如图3.2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3.2光伏并网逆变器总体结构图
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并稳定直流母线电压，采用闭环控制来实现直流母线电压的稳定。
3.2.1 Boost电路的器件选择及参数计算
一、Boost电路升压电感参数的设计
图3.3 Boost斩波电路
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。为了保证输出电压的稳定，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
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实际应用中，是占空比调节??0.88【13】。
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，即使电感外加电压达到稳态，因为U*ΔT=L*ΔI，则根据伏秒平衡定理，可以知道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：
UPV??TS??UPV?Udc???1???TS?0 (3.1)
其中：Udc是直流母线DC-link的电压，Upv是太阳能电池阵列的输出电压，也即Boost电路的输出电压，Ts是开关管的开关周期，?是Boost电路开关管的占空比，?Ts是开关管的导通时间Ton，(1??)Ts是开关管的截止时间。
对（3.1）式整理可得：
Udc1? UPV1?? （3.2）
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，考虑到上式（3.2），同时在计算中对电压的取值保留一定的裕量，则可得：
Udc?UPV400?60U?UPV400?140??0.85?min?dc??0.65Udc400U400dc，
?max?所以本系统中boost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： 可得流过电感的电流变化量：
?Il?UPV*TonL （3.4）Ul?L*dIldt （3.3）
电感电流的纹波系数的定义 ： ??根据以上各式可得电感的大小：
?iL IL2(1??)2?UdcTsL??P0 （3.5）
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其中P0=6000W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，应该做综合全面的考虑。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f?100KHZ，当??0.65时，有：
（1-0.652）?0.65?4002?10?5?84.93?H L?（3.6）
0.25?6000所以选取L?100?H。
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：
?I?C?dUdcdt （3.7）
电容两端电压的变化量：
?Udc?
上下同乘Udc得：
?Udc??I?TsCdc （3.8）
P0?TsCdcUdc （3.9）
??电容电压的文波系数: 所以电容值的大小为：
Cdc??UdcUdc。
P0?Ts?Udc2 （3.10）
其中Udc?400W，??2%，??0.7，TS?10?5s代入上式V，P0?6000（3.10）得：
6000?0.7?10?5?13.13?F （3.11） Cdc?0.02?4002 24
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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，本文采用深圳雅达康的CD294系列的500V100?F的铝电解电容。
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态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，这里选用Infineon公司快速恢复二极管IDP18E120，其主要参数为1200V/18A。
3.2.2 逆变器电路的器件选择与参数计算
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。
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：
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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—最大集电极功率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?U?Ldi可得： dt
?Il??Ton0UldtL （3.12）
其中Ui为电感的电压，当输出电压在峰值附近即U0?Ugrid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：
?Il?UgridTonL （3.13）
另外根据电感的伏秒特性平衡原理，可得：
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于是可得占空比：
Ugrid?Ts??Udc?Ugrid??1???Ts （3.14）
?? 有以上各式可得：
Udc?UgridUdc （3.15）
Udc?Ugrid??Il?*Lf （3.16） 进一步化简可得：
则
?Il?Udc?UgridLUdc?Ugrid?Il*Ugridf*Udc Ugridf*Udc （3.17）
L?*在逆变系统中，Ugrid?2?220?311V，所以开关管的工作频率为f=10kHz，T=100?s，取电流的纹波系数为ri?16%，则由式（3.17）计算可得：
L?400?311311??8.65mH5?0.161?104?400 （3.18）
因此，要保证实际的电流纹波?IL?INri?10.5?0.16?1.68A，所以取电感取值范围为L?8.65mH[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：
U0?j?LIN?UN （3.19） 于是可得它们的基波幅值满足下面公式：
2U02???LIN??UN2 （3.20）
由SPWM正弦脉宽调制理论可以得到U0?mUdc。其中，m为调制比，且m?1，从而可得：
??LIN?
进一步对上式（3.21）化简得：
22?UN?Udc2 （3.21）
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L?2Udc2?UN 把数值代入式（3.22）计算可得：
?IN （3.22）
4002?2202L??101.3mH2??50?10.5 （3.23）
综合计算，滤波电感的取值范围为8.65mH?L?101.3mH。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L?10mH【16】【17】。 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【18】，本文取13倍的基波频率进行分析。 由f?12?LC得：
C?
1L??2??f*13?2?110?10??2??50?13??32?6?F （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
C?6?F，最后选取电容值为6?F/450V。
3.2.2 主电路的硬件电路设计图
根据上述对主要元器件的参数的选择与计算，结合主电路的拓扑结构，绘制了其主电路的硬件电路，如图3.4所示。
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图3.4 主电路的硬件电路
3.3 DSP的控制电路设计
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、抗干扰能力强、设备尺寸小、性能稳定等优点，所以目前大多数设备都采用数字技术设计来进行实现。
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【10】。
3.3.1 DSP的选型及基本功能概述
DSP 芯片又称数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理和运算的处理器，能实时快速地实现各种数字信号处理算法。相比于其他的通用微处理器，它具有以下的主要优点：
1. 在一个指令周期内可以完成一次乘法和加法运算。
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2. 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。
3. 片内具有快速，通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问。 4. 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 5. 快速的中断处理和硬件支持。
6. 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 7. 快速的中断处理和硬件支持。
8. 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 9. 可以并行执行多个操作。
10. 支持流水线操作，使取址、译码和执行操作可以重叠执行。 在本设计中，采用美国TI（德州仪器）公司推出的TMS320LF2407芯片。该芯片类型属于 TMS320C2000 平台 24x 系列中的一种功能最全的 16 位定点运算数字信号处理器，不但具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构，而且有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备，几乎不需扩展，就可以组成一个最小应用系统，所以特别适用于数字控制系统。由于 DSP采用了哈佛结构，其特点是将程序和数据存储在不同的存储空间，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立存储器，每个存储器独立编址，独立访问，与两个存储器相对应的是系统中的程序总线和数据总线，它们彼此分开，从而实现了取指和存取操作数的并行工作，使其能进行高速处理和运算，大大提高处理能力，使定点运算能力最高可达每秒 20 兆条指令。TMS320LF2407 DSP 可分为三部分：DSP 内核、存储器和外围设备。其结构框图如图 3.5 所示：
DSP内核DA RAM 544字JTAG接口I/O端口SA RAM 2K字FLASH ROM 32K字外部存储器接口系统接口系统总线事件管理器SCISPICAN看门狗A/D转换
图3.5 DSP的结构功能图
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DSP 内核是 DSP 的核心，它担负着数据运算、信号处理的任务。除了 32 位累加器还有专门的 16 位*16 位并行乘法器，可在单周期内完成乘法运算，并且可与累加器并行工作。专门的移位单元和辅助算术逻辑单元，使移位与地址运算零开销地运行。八级硬件堆栈，加速了中断处理能力，绝大部分指令为单周期指令。
存储器包括了片内 32K 字的 Flash ROM、544 字的片内双口 RAM 和 2K 的片内程序/数据单口 RAM，提供外扩展 64K 字程序存储器、64K 字数据存储器、64K 字 I/O 口的能力。外围设备指的是 DSP 芯片中集成的除内核以外的功能模块，习惯上称之为外设。它包括：
1.两个专用于电动机控制的事件管理器（EV），每一个都包括：2 个 16 位通用定时器，8个16位脉宽调制（PWM）输出通道，1个能够快速封锁输出的外部引脚/PDPINTx（其状态可从 COMCONx 寄存器获得），可防止上下桥臂直通的可编程死区功能，3个捕捉单元，1 个增量式光电位置编码器接口。
2.可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。
3.16 通道 10 位 A/D 转换器，具有可编程自动排序功能，4 个启动 A/D 转换的触发源，最快 A/D 转换时间为 375ns。
4.控制器局域网（CAN）2.0B 模块。 5.16 位串行外设 SPI 和 SCI 模块。 6.41 个通用 I/O 引脚。 7.基于锁相环的时钟发生器。
8.电源管理包括 3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。
通过外部总线接口还可以访问它的输入输出空间，同时它还具有外设的总线，以支持更多的外围设备。它的外设总线映射到数据空间，通过一个特定的系统模块与数据总线相连，因此能够在数据存储空间进行操作的指令，同样能够对外设寄存器进行操作。基于以上特点，选择 DSP 能够及时的对电能参数的监测和控制，符合本论文设计的要求。
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3.3.2 DSP的基本电路设计
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【11】。 1、时钟晶振电路
TMS320LF2407 上集成有 PLL（锁相环）时钟模块，可以为 DSP 芯片及外设提供所需的时钟信号，晶振可以选用有源晶振和无源晶体。无源晶体需要用 DSP 片内的振荡器，它没有电压的问题，信号电平是可变的，无源晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的 DSP，而且价格通常也较低，然而无源晶体相对于有源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（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。有源晶振不需要 DSP 的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单，主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的 PI 型滤波网络，输出用一个小阻值的电阻过滤信号，不需要复杂的配置电路。
为了节约成本，本设计采用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。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。具体电路见图3.6所示 2、复位电路
复位电路则是通过按钮实现复位操作。当按钮S1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。具体电路的连接如图3.6所示。
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图3.6 DSP芯片和时钟晶振、复位电路
3、JTAG接口电路
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。
在 TMS320LF2407 上有符合 IEEE1149 标准的 JTAG(Joint Test Action Group)标准测试接口及相应的控制器，不但能控制和观察多处理器系统中的每个处理器的运行，测试每块芯片，还可以通过这个接口来装入程序。利用 PC 机和 TI 提供的仿真器，接通 JTAG接口，就可以在 PC 上运行软件去控制 DSP，和 JTAG 测试口同时工作的还有一个分析模块，它支持断点设置和程序存储器数据存储器、DMA 的访问，程序的单步运行和跟踪，以及程序的分支和外部中断计数
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等。其连接电路如图3.7所示。
图3.7 JTAG硬件接口电路图
4、辅助电源电路
TMS320LF2407采用了双电源供电机制，以期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
3.3.3 LCD显示及键盘的电路设计
LCD显示电路与键盘来连接电路，属于人机交互界面的重要组成部分，于
二者最终都接受DSP的控制，但是二者的输入信号与DSP的3.3V不同，故这里
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需要接一个转换芯片，这里采用较为常用的转换芯片8279芯片，该芯片采用+5V供电，40管脚封装，可以同时与DSP、键盘、LCD显示器进行连接并接受和处理相关的信号。 1.LCD显示电路设计
LCD液晶显示是 Liquid Crystal Display 的简称。液晶显示器按照控制方式不同可分为被动矩阵式LCD及主动矩阵式LCD两种，而按照显示方式可以分为段码式显示和点阵式显示。因为本系统中所要显示的内容较多，故采用主流的主动式点阵显示器，所选用的型号为深圳建达科技公司的JD240128GB，点阵数为240*128，自带常用简体字库，可以显示8行15个字，基本上可以满足整个系统显示的需求。LCD的接线图见图3.9.
2.键盘的设计
本次设计采用的键盘为矩阵键盘，顾名思义，矩阵键盘就是在设计的过程中采用矩阵的形式来进行键盘的排列，优点在于其原理的构成决定了当按键较多时接线非常方便，由于一个端口就可以构成2*2=4的按键，同时每多加一条线就可以比直接将端口线用于键盘多出了一倍，如果加入译码器的话会更多，这样就可以极大的减少对I/O口的占用，优化了键盘电路的设计。本次设计的键盘见图3.10.
图3.9 LCD显示器接线原理图
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图3.10 矩阵键盘电路原理图
3.8279芯片接线图
根据上面对LCD及矩阵键盘的设计，结合8279芯片的功能，设计了基于8279芯片的人机交互界面的电路原理图。如图3.11所示。
图3.11 基于8279芯片的人机交互界面硬件电路设计
3.4 基于DSP的外围硬件电路设计
本设计要实现的功能包括光伏逆变过程，主电路各处电流、电压、温度等
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的采样测量，键盘输入，各重要电量的LCD显示、DSP对整个系统各个部分的控制等。这里的外围硬件设计主要包括主电路直流侧电量的采样调理、交流侧电量
的采样调理、IGBT的温度采样、IGBT驱动电路、电网电压同步信号采样电路等。
目前大多数的电量测量系统仍采用变压器式电压、电流互感器，由于互感器的非理想性，使得变比和相位测量都存在较大的误差，常需要采用硬件或软件的方法补偿，从而增加了系统的复杂性，而采用霍尔检测技术，可以克服互感器的这些缺点，并且能测量从直流到上百千赫兹的各种形状的交流信号，达到原副边不失真传递，同时又能实现主电路回路和电子控制电路的隔离。考虑到霍尔检测的种种优点，这里所选用的检测技术为霍尔检测技术。
3.4.1电量的采样和调理保护电路的设计
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并联接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TMS320LF2407芯片中。这里选用LEM公司的电压传感器LV100，LV100为霍尔效应的闭环电压传感器，所以有非常好的原副边隔离作用，可测的电压范围为100V—2500V。电压传感器LV100具有精度高、线性度好、频带宽、抗干扰能力强等优点。其采样检测电路如图3.11所示。
图3.11直流侧电压采样电路
在图3.11中，通过电压霍尔采样电路，R23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R24变成电压信号，又经过RC滤波电路后，由一个电压跟随器经一个限流电阻，然后连接到串联的两个稳压肖特基二极管后送入到DSP的AD2引脚。 二、直流侧电流采样电路
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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。这里选用的型号为HK16—100P，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TMS320LF2407芯片中。其采样检测电路如图3.12所示。
图3.12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，R31取样电阻，将电流信号转化为电压信号。通过R32和C15滤波后，经过一个限流电阻R30送入到电压跟随器中。其中的电压跟随器起到缓冲、隔离、使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钳位并稳压到0--3.3V，调理到适合DSP所适应的信号送入到AD3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3.13所示。
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图3.13交流侧电压采样电路
上图中的输入为交流侧的电压或主电网的电压，输出的电压范围为[-5V，+5V]。利用一个电压跟随器将霍尔电压传感器已经减半的信号缓冲隔离送入后级；因为DSP只能接收正的信号，所以利用一个加法器【12】，也即是进行电压偏移，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3.14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、主电网的电压采样及调理电路
由于该系统中需要保持电网与逆变侧的电压同步，因此需要对主电网侧的
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电压进行采样，这里依然选用霍尔传感器配合调理电路设计，并将最后调理过的电压与逆变后的电压进行比较。主电网的采样电路的设计如图3.15。
图3.15 主电网电压采样电路
3.4.2温度采样及调理电路设计
由于所用的为开关频率较高的IGBT，故关于器件的温度问题必须考虑。这里采用温度传感器来进行温度的测量采样，温度传感器测量被测介质的温度的方式有两类:接触式和非接触式。测温时使传感器与被测物体直接接触的称为接触式温度传感器。如热电偶、热电阻、PN结等。传感器与被测物体不接触，而是利用被测物体的热辐射或热对流来测量的称为未接触式温度传感器，如红外测温 传感器等，它们通常用于高温测量。本课题选用的是接触式温度传感器铂电阻Pt100，它稳定性好、精度高、电阻率较高、温度系数大。由于热电阻随温度变化而引起的变化值较小，因此，在传感器与测量仪器之间的引线过长会引起较大的测量误差。对于温度采样，常用的方法有两种：电桥法和恒流源法。考虑到恒流源法在实际的电路板印制中实现起来更为方便，电路更为简单，故在本设计中采用恒流源法进行设计。具体的接线图如图3.16所示。
图3.16 温度采样调理电路
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3.4.3 基于DSP的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（
ton120600 V ）?ns）偏值电压高（<
toff94驱动能力强，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3.17所示。
图3.17 IGBT驱动电路（逆变桥）
图3.18 IGBT驱动电路（Boost电路）
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3.4.4 电网两侧同步信号采样比较电路
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。这里采用的是对电压信号进行同步比较，该设计主要通过两个方面进行，首先比较二者电压是否同步，并将信号输入DSP，同时将二者差值经过放大处理输入DSP，由DSP进行运算处理。电网电压同步信号采样电路如图3.19所示。
图3.19 电网电压同步信号比较采样电路
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第四章 系统的工作流程
4.1 系统基本流程图
流程图从整体设计思想的角度对整个系统的工作流程进行了展示，使得该系统的整个实现布局更为清晰，设计任务更为明确，同时该步骤为后续软件编程工作提供了参考依据，由于这里的流程图仅是为了展示整个逆变器及DSP的工基本流程，不涉及具体的软件编程。流程图见图4.1。
开始输入直流侧电流采样输入直流侧电压采样输入交流侧电流采样输入交流侧电压采样输入温度采样信号输入同步比较信号控制算法运算及结果输出输出直流侧电流采样输出直流侧电压采样输出交流侧电流采样输出交流侧电压采样输出温度采样信号输出输出同步比较信号输出LCD显示采样结果是是否按键否图4.1 系统工作流程图
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第五章 总结与展望
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TMS320F2407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，电量、温度的采样电路设计，并对主电路的相关参数进行计算设计，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。但在进行后续工作时发现，对于PCB板的综合布线任务量及其繁重，绝非短时间就可以完成的，再加上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软件完成了光伏并网逆变器升压结构、逆变结构的硬件电路原理图，以及DSP控制器的系统的原理图、IGBT驱动电路的设计和采样电路设计。对主电路的参数进行了详细的公式推导，并对器件的选型进行了详细的论述，最后画出了系统工作的基本逻辑流程图，这些都为下一步制作硬件电路板准备了条件。
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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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致 谢
伴随着毕业设计的完成，大学生活也已经基本上结束了。回首过往的种种，
宝贵的青春，美丽的大学，学识渊博、认真严谨的的老师，可亲可爱的同学，四年大学，因了这些，显得愈发让人难忘，显得更加珍贵。
在这里，非常感谢一块做毕业设计的同学们，大家的讨论钻研给了我很大帮助。当然更是非常感谢苏海滨老师在自己大学的最后学习阶段给予自己悉心的指导，从开始的定题，到如何搜集资料，到电路大图的绘制、修改，论文的写作，定稿，老师一直都认真负责、兢兢业业。为了指导我们的毕业论文，老师牺牲了大量的时间和精力，从一开始就对我们很严厉，给出指导意见，指出错误，让我们关注细节，并一直坚持到最后定稿，虽然我们对老师的严厉与苛刻一直心有余悸，但是也正是因为这份难得的严谨与负责，让我们不仅学到了更多的专业知识，懂得了更多做研究所需要掌握的东西，更是培养了我们一份认认真真、严谨求实的人生态度，我想这或许才是最重要的吧。正是由于老师的悉心指导，同学们的相互帮助，我才能在各方面取得显著地进步，毕业设计才能圆满完成，在此向帮助过我的同学们表示感谢，向指导老师苏老师表示我由衷的敬意。并在这里，祝愿所有的老师都能身体健康，万事如意！！
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附 录
附录1 电路原理总图 附录2 主电路的PCB板
附录3 主电路PCB板的3D模型
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附录4 毕业设计（论文）任务书
一、设计题目
基于DSP 的6KW单相并网逆变器硬件外围电路设计与计算
二、毕业设计的目的
设计一个基于DSP的逆变器电路系统。该系统能够将太阳能光伏电能转换成交流电能，其核心包括两大部分：一是逆变器主电路；二是DSP外围电路，主要是电路原理图的设计、主要元器件的选型（IGBT、霍尔元件、驱动芯片）；
三、主要设计内容
1.逆变主电路的设计、参数计算及原理分析； 2.DSP外围电路的设计、主要器件选型及原理分析；
四、重点研究问题
6KW逆变器电路系统的结构组成、DSP外围电路各功能单元的结构设计，参数计算和元器件选择。
五、主要技术指标或主要设计参数
要求系统额定输出功率6KW；系统的效率不低于97%。
六、基本要求
1．毕业设计论文要求字数为10000—15000字，论文格式参照华北水利水电大学关于本科毕业设计论文格式要求；
2．系统电气原理图，要求用0#图纸（按国标要求绘制）； 3．各部分环节的工作原理及调试故障分析及排除方法； 4．毕业设计论文内插图必须用电脑制作；
七、参考书
1．电力电子技术；2．太阳能光伏发电技术；3．模拟和数字电子技术 4．自动控制原理；5．电源滤波技术，6. 电力系统控制技术
八、其他（包括选题来源）
本论文的选题来自于目前国内比较热门的小功率光伏并网逆变项目。
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