太阳能并网发电系统的孤岛效应与防止策略

摘要

太阳能作为当前人类最理想环保的新能源之一，已经得到人类越来越广泛地应用。而光伏并网逆变器是太阳能并网发电系统中必不可少的设备之一。

光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合公共电网要求的交流电并送入电网的设备。按照不同的标准光伏并网逆变器的拓扑结构分为很多种，本文介绍了一种工频隔离型光伏并网逆变器。

本文详细介绍了该系统的主功率模块、主控制板、辅助电源板等硬件电路的设计原理，元器件的选用及参数的选定，阐述了并网逆变器的各种控制方式，并进行比较。以Tl公司的TMS32OLF2407A芯片为主控芯片，详细介绍了该芯片的功能特点及产生sP侧波的过程，并给出了主要程序的流程图。最后介绍了孤岛效应的危害及几种常见的孤岛检测方法。

关键字:光伏并网逆变器、太阳能电池、电网、SPMW、孤岛效应

第一章绪论

1.1太阳能利用及光伏发电

1.1.1太阳能是人类最理想的新能源

新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。由于常规能源的有限性和环境压力的增加，世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。随着经济的发展、社会的进步，传统能源却面临着急缺枯竭的危险，人们对能源提出的要求也越来越高，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。广义地说，太阳能包括以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域;通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换

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装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术.

太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，如果把地球

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表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6x1O12千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。截至2002年底，太阳能光伏发电制造能力已达56万KW，实际装机容量近40万KW，组件成本下降到3.5美元/wP。预计，2020年光伏组件

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的价格将下降到1美元/WP以下。目前世界最大的光伏工厂年产36MW，价格为3一4美元/WP。

我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。

在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的光伏制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于发达国家10一15年，甚至明显落后于印度。我国光伏产业正以每年30%的速度增长，国内光伏电池生产能力已达1OOMW。在国家各部委立项支持下，目前我国实验室光伏电池的效率已达21%，可商业化光伏组件效率达14一巧%，一般商业化电池效率10一13%。目前我国太阳能光伏电池生产成本己大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从200年的40

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元/瓦降到2003年的33元/瓦，2004年已经降到27元/瓦。这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了决定作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。

与此同时，我国其他方面的太阳能开发利用也在蓬勃发展。我国太阳能热水器销售量在2004年己经达到120万平方米，在世界各国排名首位，整个太阳能热水器行业产值超过130亿元人民币，行业正以每年20一30%的高增长率迅猛发展。作为一种有效的节能绿色产品，太阳能光热产品将在建筑供热系统中发挥越来越重要的作用.在众多的供热装置中，太阳能集热板与空气源热泵相结合的装置，具有很强的竞争力。太阳能空调作为近几年新发展起来的太阳能利用方式也已经有了较为成熟的产品，而太阳能照明系统和太阳能灶的应用在部分地区已小有普及。

作为12世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。太阳能产业是新兴的朝阳行业，再加上良好的政策环境、行业本身的特性，使得太阳能产业具有较高的投资价值和发展潜力。

中华全国工商联合会新能源商会在北京举行的“首届中国能源国际国锋论坛”上发布了《中国新能源产业年度报告》，报告指出，中国将大幅度提高风能、太阳能、生物质能等新能源在整个能源消费中的比例，2050年中国百分之三十以上的能源需求将依靠新能源来满足。2020年中国能源需求总量超过三十亿吨标准煤之后，新能源的战略地位将日益突出。中国新能源发展的战略目标将是:最大限度提高能源供给能力，改善能源结构，实现能源多样化，保障能源供应的安全。

报告还指出:

第一步，在2002年达到新能源发展装机一点二亿千瓦，占全国发电装机总容量的百分之十二。新增商品化新能源三亿吨标准煤。大力推进风力发电、生物质发电、太阳能发电。

第二步，大幅度提高新能源在整个能源消费中的比例，在2005年实现新能源满足能源需求的百分之三十到四十的战略目标。要实现这样的目标需要:风力发电在三十年后发电装机可能超过核电，成为第三大发电电源，2050年后可能超过水电，成为第二大主力发电电源，形成三到五亿千瓦的装机能力。

太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大特点:第一:它是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%。今后足以供给地球人类，使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。

第二:地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三:太阳能是一种洁净的能源。在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。绝对不会造成污染和公害。

太阳能是真正取之不尽、用之不竭的一种新能源。而且太阳能绝对安全、千净，不产生公害也不会威胁人类和破坏环境。所以太阳能被誉为当前人类最理想的新能源。各国政府也都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。

1.1.2太阳能利用的主要形式

太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。太阳能利用主要有太阳能热利用、太阳能热发电、太阳能光发电等。太阳能热利用又有太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能海水淡化、太阳能空调等;通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技郑州大学硕士学位论文第一章绪论术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电;通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术阎。由于太阳能电池无转动部件，简单易用，并可小型化，因此具有巨大的潜在应用前景。多个太阳能电池构成一个组件，而多个组件可串联成一排电池阵列，再将电池阵列并联，就可输出可观的电流同。

1.1.3光伏发电的优势及广阔前景

光伏发电同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点:①无枯竭危险:②绝对干净(无公害);③不受资源分布地域的限制:④可在用电处就近发电;⑤能源质量高;⑥使用者从感情上容易接受;⑦获取能源花费的时间短。但光伏发电的不足之处是:①照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积:②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。所以要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网即光伏并网发电。

近几年，国际光伏发电迅猛发展。1937年，美国制定了政府级阳光发电计划;1980年正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资8亿多美元;1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达780多万美元，比1993年增加了23.4%;1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，美国计划到2010年安装100~300MW太阳电池。日本不甘落后，1997年补贴“屋顶光伏计划”的经费高达920万美元，安装目标是了60MW。印度计划1998一002

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年太阳电池总产量为150MW，其中2002年为50MW。

国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电己由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，世界太阳电池年销售量己超过60兆瓦，电池转换效率提高到15%以上，系统造价和发电成本己分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电;在太阳热利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾10亿美元。

目前，太阳能发电已是世界各国新能源研发的重点。美国、日本、德国等发达国家都已制定了相关的法规，保证进行太阳能发电的利益，鼓励家庭进行太阳能发电。2004年德国太阳能发电的总功率己超过500兆瓦。

煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。

太阳能光伏发电应用始于70年代，真正快速发展是在80年代。在1983年一1987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产20千瓦跃到198

年的4.5兆瓦。目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏辟无电地区，年销售约1.1兆瓦，成效显著。

光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，在我国西部广袭严寒、地形多样和居住分散的现实条件下，有着非常独特的作用。

1.2光伏并网发电的广阔前景

1.2.1并网发电是太阳能光伏利用的未来主流

光伏电池发电有离网和并网两种工作方式。过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，所以光伏电池多用于偏远无电地区的中小功率离网用户。但是，太阳能光伏市场近年来发生了很大变化，开始由边远农村地区逐步向并网发电以及和建筑结合的常规发电方向发展，开始由补充能源向替代能源过渡。

1.2.2并网发电系统在国际上的应用

目前，已经有不少发达国家开始实施太阳能光伏发电屋顶计划:日本、德国先后实施了千座和万座光伏屋顶计划。已经完成了数千座太阳能光伏发电的屋顶计划，系统总装机超过了100MW。其中德国的西门子太阳能公司在慕尼黑建成了1MW的世界上最大的太阳能光伏发电屋顶系统。

1997年12月日本京都会议之后，美国副总统格尔和能源部部长分别宣布了“克林顿总统百万屋顶光伏计划”，预计2010年完成。该计划的目的之一是保持和加强美国光伏产业在世界的领先地位和世界市场的支配地位。欧洲也不甘落后，于大致相同的时间宣布百万屋顶计划，以保持和发展欧洲光伏工业在世界上的地位。目前，国外己开发出并网发电专用逆变器及相应的配套组、部件，并网发电技术日趋成熟。

1.2.3我国目前迫切需要发展光伏并网发电系统

尽管我国研制太阳能电池始于一九五八年，中国的光伏技术经过四十年的努力，已具有一定的水平和基础，但是，与世界先进国家相比仍有不小的差距.90年代以前，我国边远地区的光伏发电市场主要由国家扶贫项目和双边或多边援助项目支撑。90年代以来，随着边远地区经济发展和农牧民收入水平的提高，边远地区的光伏发电市场也开始向商业化发展。根据世界银行/全球环境基金可再生能源商业化项目准备研究过程中的资料显示，我国西部地区经营太阳能光伏发电系统的各种公司和团体由80年代的不足10家，发展到1997年底的50多家，其中大多数公司以商业化赢利为目的。这从侧面表明，我国的光伏发电技术已经具有了一定的市场潜力和市场吸引力，但是主要的技术仍来源于国外，其中，太阳能并网发电技术更是刚刚起步。“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶并网发电系统列入国家科技攻关计划，企业界已经在深圳和北京分别建成了100Kwp、17KWP和7Kwp的光伏发电屋顶系统并成功的实现了并网发电.

我国地域广大，人口众多，正处在经济转轨和发展时期，能源问题突出而紧张;另一方面，有近700万人口生活在无电地区，光伏发电的潜在市场是非常巨大的。同时我国具有丰富的太阳能资源，太阳能并网发电的前景广阔。本课题就是在这样的背景下提出的，目的是开发出安全可靠、经济性好的光伏并网发电系统，为我国的光伏发电事业提供有力的技术支持。

1.3光伏并网逆变器的简介

光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网的设备。按照交流用电负载与直流输入电源的电气隔离元件的工作频率，逆变技术可以分为低频逆变、工频逆变和高频逆变同，而应用于光伏并网的逆变器拓扑结构又有很多种，其中最常用的有:直接耦合并网、高频隔离并网、高频不隔离并网、工频隔离并网等几种，本文介绍的属于工频隔离并网结构。

其基本构成如图1一1所示:

图1一1光伏并网逆变器的基本构成

主要有太阳能电池阵列、直流噪音滤波(Rc滤波)、解耦电容、主功率模块、工频隔离变压器、辅助电源板、DSP控制板等几部分构成。各主要部分的具体功能如下:

太阳能电池阵列

太阳能电池阵列输出18企30伏的直流电，其电流电压输出特性曲线符合一般太阳能电池的输出1/v特性曲线。它作为主功率模块的直流端电源也给辅助电源板提供电源。

直流噪音滤波

直流噪音滤波主要功能为滤除逆变器主回路开关器件在工作时产生的高频噪音和共模干扰，以保证并网逆变器工作时不对电网中其他设备产生不良影响。

解耦电容

为了能够将光伏阵列输出的平稳的直流功率转化为并网所需的交流功率，直流功率和交流功率的变换需要一个耦合环节。这就要求在逆变器中设计一个较大的储能装置，以实现二者之间的解耦。

主功率模块

卞功率模块内部有4个GIBT开关管，组成一个全桥逆变电路。通过DSP微控制器发出SPWM开关信号来控制4个开关管的导通和关断，从而实现将直流逆变成符合电网要求的交流电。

工频隔离变压器

工频隔离变压器的匝数比为1:1.25，频率为50Hz。 辅助电源板

辅助电源板通过一个反激变换器将电池电压转化为+5v，一5V，+l5v，一15v等系统工作所需电源。 DSP控制板

DsP控制芯片处理所采集的信号，发出相应的SPwM控制信号同时还进行孤岛检测等。 1.4本课题所做的主要工作

本课题主要完成了光伏并网逆变器整个系统的硬件电路设计和系统的软件控制算法。其中硬件电路主要包括:主功率逆变电路、辅助电源电路、DSP主控制电路及通讯和接口几大部分。软件部分主要包括:采用电压源输入电流源输出的控制方式，结合使用软件锁相环实现与电网同频同相的交流输出、孤岛保护等。

第二章逆变主电路设计

根据有无隔离变压器，光伏并网逆变器可分为隔离型和非隔离型，隔离型的逆变器又可以分为高频隔离型和工频隔离型。工频隔离型是最常用的结构，也是目前市场上使用最多的逆变器类型。它有两个突出的优点:一是最后一级加入了工频变压器，保证了系统不会向电网馈入直流分量:二是安全性提高了，如果没有隔离变压器，当人接触到光伏侧的正极或者负极时，电网的电就有可能通过桥臂形成回路对人构成伤害。

本设计属于单相工频隔离型逆变器，整个逆变主电路的主要模块图如图2一1，内部电路图如图2一2: 图2一1逆变主电路的主要模块图

图2一2逆变主电路的内部电路图

2.1直流输入侧设计 2.1.1直流侧滤波电路

在直流输入端加上去共模干扰的滤波电路和去差模干扰的滤波电路及Rc低通滤波器，从而有效去除直流输入侧的共模、差模及高频干扰信号.

电路如图2一3所示:

图2一直流输入侧滤波电路 2.1，2解耦电容设计

因为在稳态时，太阳能光伏阵列输出的功率是一条平滑的直线，而馈入电网的电能是一个loHZ的交流信号，即在交流电压的正半周期输出一次功率，负半周期又输出一次功率。为了能够将光伏阵列输出的平稳的直流功率转化为并网所需的交流功率，直流功率和交流功率的转化需要一个耦合环节。这就要求在逆变器中设计一个较大的储能装置，以实现二者之间的解耦。可以是一个大的电容或电感，在此设计中使用电容进行解耦。

电容值的计算方法如式2.1和2.2，其中C为直流电容，夕为直流电压变化值，户为逆变器输出的瞬时功率与光伏阵列输入的平均功率之差，p为光伏阵列输出的平均功率，山为角频率表示电容上电压的波动，本设计中设电压波动为10v，平均功率为3KW，取太阳能电池的工作电压3(X)V，频率为loHZ，计算可得解耦电容Q诫)1592uF。本设计采用6个56()uEl450V的电容并联。总的容量为360uF，能够满足解耦要求。

2.ZIGBT主逆变模块 2.2.1主逆变结构介绍

本设计的主逆变电路采用全桥逆变结构，结构图如图2一4: 图2一4主逆变电路结构图 表2一14个开关管的组合状态 模式TlT2T3T4iL▲U Sll00l>0US一U S2l0△0>0·U S30△0l>0一U S40△么0>0Us一U S50ll0<0·US一U S6010△<0一U S7△0l0<0一U S8△00八<0US一U S9ll任何 510任何l1

注:1代表导通，0代表关断，△代表二极管返流，△U代表电感电压增量

其中，59和510是不允许发生的状态，因为同一桥臂的两个管子不能同时导通。在进行分析前，假定所有

的功率器件都是理想器件，即Tl~T4能瞬时开通和关断，D1一D4均为理想二极管，主电路的等效电阻忽略不计。

为控制输出正弦波我们选择S1、S3、S5、S7为四种有效状态。其中，网侧电压处于正半轴时，主电路有两种导通模式:S1和S3;负半轴时，主电路有两种导通模式:S5和S7。模式S1和S3的拓扑结构分别如图2一5，图2一6所示:

太阳lr 电沧，二尸 太阳一二，

图2一5模式S1电路拓扑结构图2一6模式S3电路拓扑结构

模式S1:太阳电池向电网馈电，电感储能，1T和4T导通，太阳电池所输出的电能和电容C所储存的能量输送给电网.电流由A点通过T1—L—电网—T4回到0点，在此过程中人增加，即太阳电池所输出的能量除了一部分馈送到电网中外，还有一部分能量通过电感L储存起来.电感中电流变化规律如式2.3:

竺. 夕

下令一U (2.3)

电感L中所储存中能量增加值如式2.4:

(z’0为IGBTTI和T4导通瞬间的电流初始值) A砰.兰L【(i。+‘)，一‘。，」 2L

竺(万。·&+茁2) 2’

_二&(万。+&) 2 (2.4)

模式S3:太阳电池向电容充电，电感L向电网馈电。T4继续导通，TI关断，由于电感L的电流不能突变，二极管DZ续流，电感电流流过T4及DZ，向电网馈电，电感两端的电压极性与模式51相反，电感电流减小。

当网侧电压处于负半轴时，模式5和模式57可作相同分析，电路拓扑结构分别如图2一和2一8所示: AA

大阳，二尸U太阳二 电池1犷

图2一7模式S5电路拓扑结构图 2一8模式S7电路拓扑结构

模式S5:太阳电池向电网馈电，电感储能，T2和T3导通，太阳电池所输出的电能和电容C所储存的能量的能量输送给电网，电流由A点通过T3—电网一一L-TZ回到0点，在此过程中z’t增加，(但方向与51和53相反)即太阳电池所输出的能量除了一部分馈送到电网中外，还有一部分能量通过电感感储存起来。

模式S7:太阳电池向电容充电，电感L向电网馈电，T3继续导通，TZ关断，由于电感感的电流不能突变，Dl续流，电感电流通过T3及D1继续向电网馈电，电感两端的电压极性与模式5相反，电感电流减小。

由以上分析可知:只要开关频率足够高，控制模式5与57或模式15与S5的时间比，就可控制几，使并网电流跟随所期望的值，再通过电感L滤除高频分量使馈入电网的波形成为所期望正弦波。

2.2.2 buck变换器原理

由上节分析可知，本逆变主电路的工作模式属降压型Buck变换器。buck变换器电路原理图如图2一9所示: 开关器件V作为单刀单掷开关与直流输入电压E串联。在开关周期T内，V导通时间为瓦.，关断时间为几妞.t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流10按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD

v一三_01一卫一-

气 鱼 VD 互jo- 匕之

图2一9buck变换器电路原理图 l-a- O 翻d

图2一10电流连续时波形图 0·勺 E 之

图2一11电流断流时波形图

续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。当护瑞和几叮的比例不同时电流会出现连续和断流两种情况。波形分别如图所示。通常后端串接较大电感L使负载电流连续且脉动小1代

电流诈纯时负载电压平均值如式2.5:(a一导通占空比) uo_止匕-E.竺E.aET(2.5)坛+九口 电流连续时负载电流平均值如式2.6: 1。.垫型色R

电流断续时Uo被抬高，一般不希望出现。 斩波电路一般由三种控制方式: r不变，变坛一脉冲宽度调制(P恻); 瑞不变，变T一频率调制;

岛和尹都可调，改变占空比一混合型。

本文采用T不变，变几一脉冲宽度调制(PWM)方式。 (2.6)

2.2.3所采用的逆变模块

本设计逆变器额定输出功率约为3Kw，允许过载1既，即P~=330衅，直流输入电压范围设定在180一300V，输入电流约为10一16.7A;额定输出电压的有效值为22OV，额定输出电流的有效值为13.6A，开关管的开关频率为50KHZ左右。

本设计选用的主逆变模块的额定电压vces为600v，额定电流Ic为75A，电路拓扑为全桥逆变结构。本模块采用第5代IGBT硅片(cSTBT)，IGBT是MOSFET与GTR的复合器件，即具有淤MOSFET的响应速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又具有GTR的载流量大、阻断电压高、导通压降低等多项优点，因此被广泛应用于各种逆变器中。另外，通过采用新的ASIC控制di/dt减少，EMI在硅片上设置温度传感器，使过温保护更精确。适用于高性能和高可靠性电力电子产品设计。6单元封装，每个单元内部功能框图如图2一12:

图2.12单元内部功能框图

本模块内部集成IGBT的驱动电路，内部电路结构如图2·13所示:

图2一13模块内部电路结构 2.3IGBT模块外部驱动和保护

驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，作用是将输出信号隔离放大、并驱动功率晶体管。DSP控制电路产生的PWM信号先通过驱动电路，然后控制IGBT开关管的开通状态，为了电磁兼容性考虑，驱动电路的输入和输出是相互隔离的。本文控制信号先通过线性光耦HCPL-0466然后控制IGBT开关管的开通状态。IGBT模块的故障检测信号FO先通过TLP181然后再送到DSP。

HcPL-0466是专门用于IPM或GIBT/MOSF曰的隔离和驱动的线性光耦，工业温度范围为一40C到100C，最大传输延时时间t，=400ns，t，=550ns，最小失真脉宽为450n，共模电压为150V时的共模抑制能力为15Kv/s。TLP181最小电流传递率为50%，发射极和集电极之间的最小电压为80V，隔离电压最小为3750V/ms.

2.4整个系统的电磁兼容性设计

电磁兼容性(EMC)是近年来一个比较热门的话题，由于电子技术的飞速发展，各种用电器具增多，电磁辐射源剧增，电子系统工作频率也不断提升，人类所处的电磁环境日益恶劣。面对这种情况，电子电气系统自身的抗干扰能力必须提高。

电磁兼容主要研究的是如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子系统、分系统、设备和元器件都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量，又不受任何不希望有的能量的影响。

电磁兼容的三要素为干扰源、传输途径和敏感源。电磁干扰可分为内部干扰和外部干扰. 内部干扰是指电子设备内部各元部件之间的相互干扰，主要包括以下几种情况:

(1)工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰(与工作频率有关)。 (2)信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，或导线之间的互感造成的干扰。 (3)设备或系统内部某些元件发热，影响元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰。 (4)大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。

外部干扰是指电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰，主要包括以下几种情况: (1)外部高电压和电源通过绝缘漏电对电子线路、设备或系统产生的干扰。

(2)外部大功率设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合对电子线路、设备或系统产生的干扰。 (3)外部空间电磁波对电子线路、设备或系统产生的干扰。

(4)工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰。

当干扰源的频率较高、干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小，或者干扰源与被干扰者之间的距离r>>人/2二时，则干扰信号可以认为是辐射场，它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号以漏电和耦合形式，通过绝缘支承物等(包括空气)为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。如果干扰源的频率较低，干扰信号的波长人比被干扰对象的结构尺寸长，或者干扰源与干扰对象之间的距离r<

系统的布局的好坏对电磁兼容性影响很大，一般来讲要按系统各部分功能不同而将划为不同的功能模块，如果布置不合理则相互间可能产生较大的串扰，各功能模块的输入输出口相距不易太远，因为他们之间是由线或电缆连接的.若相距太远，个模块的输入输出口的共模干扰电流不易减小，从而引入较高的对地干扰电压。一般常采取的电磁兼容措施除了众所周知的抑制干扰传播的技术，如屏蔽、接地、搭接和合理布线等方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等。电磁兼容性设计策

略与控制技术方案可分为如下几类:

(1)传输通道抑制:具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地和布线;

(2)空间分离抑制:地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制和电场矢量方向控制; (3)时间分隔抑制:时间共用准则、主动时间分隔和被动时间分隔; (4)频率管理抑制:频率管制、滤波、频率调制、数字传输和光电转换: (5)电气隔离抑制:变压器隔离、光电隔离、继电器隔离和oc/oc变换隔离。 本设计主要的电磁兼容性设计如下:

1.控制系统、逆变系统、辅助开关电源分为不同的区间.在控制系统里数字电路部分与模拟电路部分分开布局，模拟地与数字地之间用小电感隔开，避免干扰;

2.在采集信号后加上阻容滤波电路及采用电压跟随的方法增强抗干扰性能;

3.将DSP控制板做成多层板，增大电源和地的面积:将主电路板的空白区间尽量以敷铜的方式填满，加粗地线和电源线从而有效捕获射频干扰吸收;

4.在直流输出端接共模扼流圈，在交流输出端与电网之间接隔离变压器， 5.在IPM与控制信号之间加光电耦合器等。

第三章硬件电路设计

太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分，其主要功能是将太阳能电池输出的直流电逆变成交流电，并送入电网。其硬件电路主要包括主功率逆变电路、辅助电源电路、DSP主控制电路及通讯和接口等几大部分。

3.1 DSP控制器电路设计

3.1.1使用Tl公司的DSP芯片TMS320LF2407作为控制CPU

CPU控制回路部分作为该逆变器的大脑部分，其功能为完成脉宽调制波(SPWM波)的生成和一些诸如MPPT、孤岛保护等重要的控制功能的实现。以下将对DsP技术及所使用的DSP芯片TMS320F2407的性能作一介绍，并同时阐述使用该芯片的理由。

DSP又称数字信号处理器，是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。在当今的数字化时代背景下，DSP己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。DSP应用广泛，其主要应用市场为3C(c咖unication，Computer、Cons咖er一通信、计算机、消费类)领域，合计占整个市场需求的9既。在数字蜂窝电话、Modem，PC机及消费类电子产品中处处可见DSP芯片的身影。

该逆变系统所选用的DPS芯片为MTS32OLF2407，是由美国ir公司(德州仪器公司)推出的数字信号处理器TMs320家族中的一员，属于TMs32oC200系列.作为DSP控制器TMS32oc24x系列的新成员，是TMS32oc200平台下的一种定点DSP芯片。240x芯片具有低成本、低功耗、高性能的处理能力.在与现存24xDSP控制芯片代码兼容的同时，240x芯片具有处理性能更好、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等特点。内部结构方框图如图3一1所示:TMS320LF2407DSP有以下一些具体的特点:

·采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗;03IMPS的执行速度使得周期缩短到33ns(03阳)2，从而提高了控制器的实时控制能力。

《二》存储器部分《三)事件管理器 图3一IDSP内部结构方框图

·基于WMS320CZxxDSP的CPU核CZxLP，保证TT邓320LF2407的DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容.

·片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1. 5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM(ADRAM)和2K字的单口RAM(ASRAM);还有可扩展的外部存储器总共为129K字空间;46K字程序存储器空间;64K字数据存储器空间;64K字1/0寻址空间。

·每个事件管理器(包括两个事件管理器EVA和EvB)均有: 1)18个16位比较/脉宽调制(PwM)通道

2)22个16位通用定时器，有6个工作模式，包括连续递增和连续加/减计数 3)5个16位全比较单元，有死区单元

4)3个16位输入捕获单元，2个有正交编码器脉冲接口功能 ·看门狗定时器模块(WDT)。

。10位A/D转换器最小转换时间为50Ons，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。

·控制器局域网络(CAN)2.OB模块。 ·串行通信外设接口(sci)模块。 ·16位的串行外设(spi)接口模块。 ·基于锁相环的时钟发生器。

·高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。 ·5个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。

·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。 3.1.2选择TMS32OLF2407芯片作为控制核心的原因

目前，随着单片机技术的迅速发展，涌现出许多高性能单片机。选择一款合适的控制芯片十分重要。以TMS32OLF2407(下称F2407)芯片作为最终选择是由该芯片强大的功能所决定的，理由如下:

·每片F2407具有两个事件管理器(EvA，EVB)，并且每个事件管理器都具有2个通用定时器，8个16位PMW

通道，可以方便地产生三相PWM波，对功率开关器件进行SPWM控制。

·F2407运行速度很快，可以用软件实现滤波，跟踪等功能，而不需使用任何硬件，这也是数字信号处理器的特点。

·F2407具有方便的A/D接口和数字量接口。

·F2407具有良好、方便的通讯功能，可以和微机进行串口通讯，便于系统网络化。 ·F2407内部具有16K*l6位字的EZPROM，可以满足普通的系统软件的容量要求。同时大大简化了外围硬件，提高了系统的稳定性和可靠性101

·F2407的指令系统功能强大，适合进行数字信号处理。 3.2外围采样电路设计

电网电压同步信号采样电路设计

在控制并网电流和电网电压同步的过程中，DsP需要采集电网电压值及电网电压信号的频率和相位以实现逆变系统输出的电流与电网电压同频、同相。在本系统中，通过DsP的捕捉功能来捕获电网电压的上升沿，从而产生同步中断，复位正弦表并重新设定逆变器输出电流的频率。电网电压采样电路如图3一2所示:

图3一2电网电压量及同步信号检测电路

在系统中与电压传感器(输出电压信号Av)C相串联电阻R巧起到一个分压的作用，电压传感器将电网电压按比例(本设计比例值为100:1)输出为VAC。通过比较器将正弦波转换成方波，再通过稳压二极管对方波限幅，然后连到DsP的以CAP2管脚上。当方波信号出现上升沿时，即为电网电压过零点，DsP就会产生中断，中断子程序就会复位正弦表，从零重新开始执行。

由于参与运算的主要是直流侧电压、直流侧电流、电感电流与输出电压，所以我们除了采集电网电压信号还需要采集这几个参数。

交流电压检测

交流电压的采样和电网电压同步信号的采样取自同一电压传感器，电路如图3一2所示，首先进行Rc滤波，去除高频干扰，然后又通过一电压跟随器进一步增强抗干扰的能力，上拉电阻将电平提升为零电压之上，再将其嵌位在0一3.3v之间，在连接DsP的加CINZ管脚之前通过两个串联的肖特基二极管进行稳压，输出接DSP的A民INZ管脚。

直流侧电压检测

模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为DPs可以读取的弱电数字信号，同时要保证强电和弱电的隔离，选用惠普公司的HCPL780A型光电耦合器，其非线性度为0.004%，共模电压为I00V时的共模抑制能力为15kv/lps，增益温漂为0.0025V/℃，带宽为IO0kHz。具体隔离检测电路如图3一3所示。

图3一3电池电压检测电路

对于光伏阵列输出的直流电压的检测，我们采用电阻分压的方法进行取样，然后用光耦进行隔离以保障控制部分的安全。再进行Rc滤波，去除高频干扰，然后再通过一电压跟随器进一步增强抗干扰的能力，上拉电阻将电平提升为零电压之上，再将其嵌位在在0一33V之间。再通过两个串联的肖特基二极管进行稳压，输出接DSP的Aoc工NS管脚。

直流电流检测

对于直流电流的取样，我们通过在直流输入端串入一个电流传感器来测得Ioc，经过电池电流采样电路再输送给DsP芯片。具体检测电路如图3-4所示:

图3-4电池电流采样电路

电流传感器的实际和采样输出的比例为100:1，R4为取样电阻，将输出电流信号转化为电压信号。再通过两个串联的肖特基二极管进行稳压，输出接DSP的ADCIN3管脚。

电感电流检测

电感电流的采样也是通过莱姆公司电流传感器获取电流信号IL，同样由于DSP的A/D采样电平只能为正，所以我们也进行了滤波和电压提升以及嵌位的处理。电路如图3一5所示:

图3一5电感电流采样电路 3.3辅助电源设计

本设计中的控制用电，以及驱动和传感器用电，都是从辅助电源取得，辅助电源通过一反激变换器将太阳能电池输出的20于400V的直流电转换为多路+5v、一5v、+15v、一15v等电源，对整个光伏逆变系统供电。另外，它还包括系统的启动电路、继电器驱动电路、CAN通讯和485通讯等。

3.3.1反激变换器设计

为了给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供各种工作电源，需要设计一个与主逆变电路隔离的辅助电源。辅助电源的输入电压为太阳能电池输出的20于40V的直流电，输出的7路电压分别为+l5V0、+15vc、+15VB、+15V、一15V、+5v、一5v。采用高性能的固定频率电流控制器UC3842芯片进行辅助电源设计，具体设计的时候采用的是单端反激变换器电路，设计最大功率为12W。几路十15v分别供运放，、驱动和传感器用电;一巧V给传感器供电，+5V、一5V给相关电路中的光耦等芯片供电。集成芯片采用的是Uc3842，单端反激电路工作在电流断续状态。

在反激拓扑中，开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供，开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。反激变换器的主要优点是不需要输出滤波电感，从而可以减小变换器体积，降低成本。反激变换器广泛应用于高电压、小功率、多组输出的场合.由于不需要输出电感，输入电压和负载变化时反激变化时反激变换器的各输出端都能很好地跟随调整。代

当Ql导通时，所有的整流二极管都截止，输出电容给负载供电。LO相当于一个纯电感，流过LO的电流线性上升。当Ql关断时，初级储存的能量传送到次级，提供负载电流，同时给输出电容充电。而次级本身相当于一个buck变换器。buck变换器原理详述见本文2.3节。

3824芯片简介

CU3842是一种高性能的固定频率的电流模式P恻发生器，CU3824的内部框图如图3一6所示，主要包括:5.OV基准电压源、振荡器、误差放大器、电流测定比较器、P毗锁存器、输入和基准欠电压锁定电路等。

该芯片主要有以下性能:

1)可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比; 2)电流方式工作达500kHz; 3)封锁P明用于周期电流限制; 4)具有滞后的欠压封锁:

5)带锁定的PMW可以实现逐个脉冲的电流限制:

6)启动电流和工作电流低，起动电流小于1毗，正常工作电流为巧毗。

图3一6UC3842内部框图 3.3.2其他电路设计 继电器驱动电路

来自DSP控制板的继电器驱动信号DILA和DLZA不能满足继电器控制信号的要求，需要进行驱动和放大。本设计先通过光耦TLP521进行信号隔离和放大，再通过达林顿晶体管阵列芯片ULNZo3A进行驱动。ULNZOO3A是一种高电压，大电流的达林顿晶体管阵列，内部集成7个门电路。电路图如图3一7所示:

图3一7继电器驱动电路

CAN通讯

为了更好地实现人机交流，需要将整个逆变器的工作状态参数及一些检测信号传输到控制中心并显示其工作情况，。以便对整个逆变器系统进行长期监控，记录其工作时的各项参数，及时发现问题。从而就需要进行通讯电路的设计。

CAN通讯是WM5320LF2407芯片的优势之一，CAN通讯有结构简单、通信方式灵活、采用短祯格式、采用非破坏性总线仲裁技术、通讯距离远，通讯速度快等特点。电路图如图3一8所示:

图3一SCAN通讯电路

第四章控制系统软件设计

光伏并网逆变器的功能是将太阳能电池输出的直流电转化为符合电网要求的交流电然后输送到公共电网，从而实现并网发电。根据光伏并网发电系统的功能和性能要求，能量的传输与变化有多种方式，系统相应的配置、逆变器的拓扑结构以及系统的控制方法也各不相同。

光伏并网逆变器按控制方式分类，可以分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方式1调。电压源型逆变器是采用电容作为储能元件，在直流输入侧并联大电容用作无功功率缓冲环节，构成逆变器低阻抗的电源内阻特性，即电压源特性。以电流源为输入方式的逆变器，其直流侧需串联一个大电感作为无功元件储存无功功率，构成逆变器高阻抗的电流源特性，提供稳定的直流电流输入，但是串入大电感往往会导致系统动态响应差，因此目前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。

逆变器的并网输出控制可分为电压控制和电流控制。由于电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上就是一个电压源与电压源的并联运行的系统，这种情况下要保证系统的稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与电网同步，在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小及相位以控制系统的有功输出与无功输出。但是由于锁相回路的响应慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题，如果不采取特殊措施，一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。

如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。由于控制方法简单，因此使用比较广泛。

本系统也采用电压源输入、电流源输出的控制方式。 4.1电流跟踪控制方式

采用电流型输出的并网系统，输出电流的控制方式一般有SPWM电流跟踪方、电流滞环瞬时比较方式、SVPWM电流控制、重复控制，复合控制等控制方式，较常用的电流控制方法有:SPWM电流跟踪方式、电流滞环瞬时比较方式、SvPWM电流控制等。

4.1.1三角波比较方式的电流跟踪方式

这种方法也可以称为SP恻电流跟踪方式，控制原理图如图4一1所示。将指令电流ic’与并网电流it的实时值进行比较，两者的差值经Pl调节与三角波比较，输出PWM信号。

此方法的电流跟踪特性和Pl参数有关，对于Pl电路响应快的系统，必须提高三角波载波频率，以改善输出波形。这种方式输出电流的谐波比滞环比较方式少，因此常用于对于谐波和噪声要求较高的地方。

PWM信号 三角波

图4-1SPWM电流控制图 这种电流控制方法的特点: ?电流跟随误差较大; ?软件实现相对复杂:

?输出电压中主要含有与载波相同频率的谐波: ?开关器件的开关频率等于载波的频率:

?电流响应相对于电流滞环瞬时值比较方式较慢【，月。 4.1.2电流滞环瞬时比较方式

电流滞环瞬时比较方式的原理图如图4一2所示.以‘。作为滞环比较器的环宽，当指令电流扩和实际并网电流ic的差值超过环宽时，就产生MW信号。如果越。确定，则输出电流的误差范围不变。从越小，则输出电流误差越小，但是开郑州大学硕士学位论文第四章控制系统软件设计关频率也越高。

这种控制方案的特点:

?实时控制，电流响应快，控制准确; ?控制方法简单11熟

若滞环的环宽固定，电流跟踪的误差范围是固定的，但开关器件的开关频率是变化的，这将导致电流频谱较宽，增加了滤波器设计的难度，可能会引起间接的谐波干扰。

滞环比较器 PWM信号

图4一2滞环比较方式的电流控制图 4.1.3基于空间矢量的电流控制

空间矢量PWM(svPWM)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。它抛弃了原来的正弦波脉宽调制(sPWM)，而是采用逆变器空间电压矢量的切换来获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率条件下，使逆变器的输出获得较好的性能[le]。

常规的PsWM将控制重点放在波形的改进上，所以在不高的开关频率条件下，很难产生较为完善的正弦波输出，即使开关频率较高，由于电压型逆变器固有的开关死区延时，降低了直流电压的利用率，甚至使波形发生畸变。

采用SVPWM控制的并网系统，主要具有电压利用率高、动态响应快等优点。目前运用的SVP毗控制技术主要分两类:一种是具有固定开关频率的sVP删电流控制，即利用同步旋转坐标系(d，q)中电流调节器输出的空间电压矢量指令，再采用SVP删使逆变器的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到电流控制的目的:另一种是利用基于滞环电流控制的SVPMW，即利用电流偏差矢量或电流偏差变化率矢量空间分布给出最佳的电压矢量切换，使电流偏差控制在滞环宽度以郑州大学硕士学位论文第四章控制系统软件设计内，这实际是一种变开关频率的SVPMW。

4.1.4重复控制

虽然改进的PSMW电流跟踪控制策略电流的跟踪误差显著减小，但是无法消除周期性扰动误差和指令误差，使其无法更好地提高系统的稳定性和稳态性能。重复控制是一种能够消除稳定闭环内所有周期性误差的控制方案，能够有效较小输出波形的谐波分量，其基本思想源于控制理论中的内模原理1飞

4.13复合控制

重复控制在理论上能实现无静差，但这种内模结构给系统带来了N个位于单位圆上的开环极点，会降低系统的稳定性和鲁棒性，系统将会处于临界振荡状态，所以必须对其进行改进叫。改进的重复控制内模如图4一5所示，其中设置了滤波器Q(Z)，用于减弱积分效果，消除位于单位圆上的开环极点，一般取滤波器Q值为一个小于1的常数，在这里取0.98。由图4一5得到2域传递函数如式4.1:

G(2)=U(2)/E(2)二1/(1一0.982一N)(4.1)

式(4.1)离散化得U(K)二E(K)+0.98U(K一N)，K表示第K次重复信号发生器输出，由于积分效果的减弱，必然会导致稳态误差不为零，可以说是牺牲了稳态性能才提高了稳定性。在改进的重复信号发生器内模的基础上，添加周期延迟环节和稳定化补偿器就可构成一个比较完整的重复控制系统。考虑到开机时跟踪指令会受重复控制器的滞后影响，所以加了一个前馈通道，其作用是开机时系统可通过前馈通道跟踪指令，而使重复控制器来抑制误差，改善系统性能。整个控制结构框图如图5所示，其中2一N的作用是为了实现超前控制而滞后一个基波周期;zj是为了实现系统相位补偿而采用的超前j拍控制;5(Z)的作用有两个，一是为了把对象中的低频增益校正成1或略小于1，使Kr的调整归一化;二是抵消谐振峰值，提高稳定性，同时提高高频衰减特性。

该控制算法对死区影响及其它周期性扰动有明显的抑制作用，而且能消除跟踪误差，使系统输出达到无静差。同时，在控制中还将前馈控制与重复控制相结合，克服了重复控制固有的滞后调节特性，改善了光伏并网逆变器的输出并网电郑州大学硕士学位论文第四章控制系统软件设计流波形和稳态误差。

z-’盆:zjs(2) Q(2)Z’万

图4一3改进的重复控制结构框图 4.2、SPWM波的软件生成方法

SPWM波的产生可以通过硬件电路生成或通过软件编程生成。这两种方式中用硬件电路实现sPMW波的方法往往电路复杂，控制精度难以保证。而用软件编程的方法由于是采用数字控制方式，从而可以获得调节灵活、

稳定可靠、性能优越的控制效果，但是要求中央处理器的运算速度快，运算能力强。由于TMS320LF24O7芯片具有高速优异的运算功能和功能强大的P恻波发生模块，故本系统中使用软件编程的方法生成SPWM波。

通过软件编程的方法来生成SPWH波，其原理是基于正弦控制波和三角载波相交以确定开关通断时刻。用软件生成SPWM波一般有两种方法:查表法和计算法。查表法，即离线算出对应的脉宽数据，写入EPR明，实际控制时，由DSP通过查表和加减运算得到脉宽和间隔时间，以此控制功率器件的开通时间。计算法，即根据理论推导出脉宽函数表达式，由DsP在实际控制时实时在线计算，以获得相应的脉宽和间隔时间。一般来说，前者将占用大量存储空间，而后者则需要大量运算时间1叹

本系统中，为了实时有效地生成SP恻波，采用实时计算法生成SPMW波。 4.2.1使用TMS320LF2407芯片产生SPWM波 1.TMS320LF2407芯片的事件管理器模块介绍

每个WM5302FL2407器件都包括两个事件管理模块EAv和EBv，每个事件管理器模块都有2个通用定时器，3个比较单元，3个捕获单元及正交编码脉冲电路。

每个通用定时器最多可以提供4路P删输出，故每个事件管理器模块最多可以提供8路P恻，每块翔5320LF2407芯片最多可以提供16路P切M输出。

可选用连续增或连续增/减计数模式来产生PMW输出。选用连续增计数模式阮可产生边沿触发或非对称，信号:选用连续增/减计数模式可产生对称、信号。产生PWM输出的设置步骤如下:

设置和装载ACTRx寄存器:

如果使能死区，则设置和装载DBCTNOx寄存器;

设置和装载TIPR或T3PR寄存器，即规定P服波形的周期; 初始化CMPRX寄存器;

设置和装载COMCNOx寄存器:

设置和装载Tcl0N或T3c0N寄存器，来启动比较操作;

更新伽PRx寄存器的值，使输出的PWM波形的占空比发生变化。 2.TMS320LF2407芯片中PwM波发生器的功能特点

TMS3502FL2407芯片中的通过事件管理器(Ev)模块可以完成PwM波的产生。 PWM波发生器的功能特点如下: 16位寄存器;

有从0到16su的可编程死区发生器控制PWM输出对; 最小的死区宽度为1个CPU始终周期;

对PWM频率的变动可根据需要改变PWM载波频率;

在每个PWM周期内以及之后可根据需要改变PWM脉冲宽度: 外部可屏蔽的功率驱动保护中断;

自动重装载的比较和周期寄存器使CPU的负担最小。 3.TMS32OLF2407芯片产生PMW波的过程

比较寄存器Tcx即R中储存了一个值(脉宽值)，该值不断地与GP定时器TxCNT相比较，当两值匹配时，将发生一个特定的事件。其中包括相应比较/PWM输出引脚上的电平转换。另外，相应的比较中断标志被设置为1。GP定时器的周期寄存器TxPR中的值决定了定时器的周期。当周期寄存器和定时器计数器的值相匹配时，GP定时器的操作停止并保持当前值，复位为0或启动开始向下计数，这依赖于定时器的计数模式。

GP定时器的比较和周期寄存器(Tx以PR和TxP)R是被映象的，在一个周期中的任何时刻，可以向这些寄存器中的任何一个写入一个新的值。在下一个周期就可改变下个周期中的定时器周期和PWM脉冲的宽度。这样，就意味着P恻载波频率的现场变化，并且给产生形成SP恻波提供了可能。

GP定时器的PWM输出可以被定义为高电平有效，低电平有效或强制高电平、强制低电平。由G盯CON各位控制。当定义为高电平有效时，在发生比较匹配时，产生从低到高的跳变，接着发生周期匹配时，产生从高到低的跳变，从而完成一个周期，低电平有效的跳变方向与前者相反。并且如果比较寄存器值大于周期寄存器

值，则整个周期内输出为0。采用连续加/减计数模式，每次重复计数器都复位至0，一旦启动了这种工作模式，就不再需要任何软件或硬件的干预来重复计数周期了。全比较单元要受不同控制寄存器的控制，并且其变化要受死区单元的支配。

4.死区的概念及使用TMS320LF2407生成死区

在电机控制和功率电子应用场合中，两个功率器件(上臂和下臂)被串联放在一个功率转换支路中，为避免直通，两器件的开周期必须不能重叠，这就需要一对非重叠的P恻输出来正确地开关这两个器件。在一个三极管的关断和另一个三极管导通之间要插入一个时间间隔，此即为死区时间。这段延迟由三极管的开关特性和负载特性决定。

设计死区单元的目的是在任何情况下，确保上臂器件和下臂器件的开通期没有重叠。对每一个输入信号PHx，会产生两个输出信号DTPHx和DTPHx一，当比较单元和相关输出的死区未被使能时，这两个信号是相同的。当死区被允许用于比较单元时，这两个信号的转换边沿被一个称为死区的时间间隔分开，这个时间间隔称为死区时间，其大小由DBTCON中的相应位决定。

4.2.2 SPWM波的具体实现

使用TMS320L2F407中的通用定时器1(GP)I来产生四个全比较/PWM输出，使用通用定时器2(GP2)做普通定时器，定时从指定的表中读出SPWM波的脉宽并赋值给TxCMPR，从而不断改变脉宽，同时根据从电网中获取的同步信号的周期值计算后改变sP服波的载波周期值TxPR，从而生成合适的SPWM波。

4.3软件实现

本系统主控芯片采用的是美国Tl(Texaslnstru眼nts)公司型号为

TMS320LF2407A的DSP(DigitalsignalProscessing)芯片，属于T光320LF240x系列的16位定点运算DsP芯片，是专用于电机控制、变频调速和逆变控制的产品。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。TMs320LF240xDsP具有以下一些特点侧:

采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3v，减小了控制器的功耗;30MIPS的执行速度是的指令周期缩短到33ns(30阳2)，从而保证了控制器的实时控制能力。

基于TMS320CZxxDSP的CPU核，保证TWM5320LF240x系列代码和TMS320系列代码兼容。

片内高达32K字的FALHs程序存储器，高达1.KS的数据/程序R胡，544字节双口队M(DARAM)和2K字的单口RAM(SARAM)。

两个时间管理模块EAV和EVB，每个包括:两个16位通用定时器;8个16位的脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现:三相反相器控制:P叫的对称非对称波形;当外部引脚尸D月W介出现低电平时快速关闭PWM通道;可编程的PWM死区开展以防止上下桥臂同时输出触发脉冲;3个捕获单元;片内光电编码器接口电路:16通道A/D转换器。事件管理模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、步进电机、多级电机和逆变器。

可扩展的外部存储器(LF240)7总共192K字空间:64K字程序存储器空间:64K字数据存储器空间;64K字1/0寻址空间。

看门狗定时器模块(WDT)

10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个时间管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。

控制器局域网络(cAN)2.0模块。 串行通信接口(SC)l模块。

16位的串行外设(sPl)接口模块。 基于锁相环的时钟发生器。

高达40个的可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO). 5个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。

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模式. 4.3.1程序设计

系统的总体工作过程比较简单，系统上电后，首先是系统初始化、P侧初始化、捕捉初始化和A/D初始化，然后启动定时器，开中断，进入While(l)循环等待中断。其中主要有A/D中断，保护中断。主程序流程图见图4一4。

在系统初始化中主要是设置寄存器的初始值，配置1/0端口复用引脚。P恻初始化中主要是设置PWM各输出引脚的有效电平，以及死区控制等。A/D初始化主要是配置A/D采样通道，以及启动方式，通道转换顺序等。

在/AD中断子程序中，检测并判断直流侧电压电流信号和交流侧电压电流及频率信号是否满足条件，计算占空比，更新比较寄存器值，发出驱动信号。

A/D中断子程序流程图见图4一5。 程序开始

OSp寄存器初始化 启动定时器 While(1) 等待中断 是

进入中断处理

图4-4主程序流程图

图4-5中断子程序流程图

第五章太阳能并网发电系统的孤岛效应及防止策略

由于光伏并网发电系统是直接将太阳能逆变后馈送给电网的，所以需要各种完善的保护措施。对于通常系统工作时可能出现的功率器件过流、功率器件驱动信号欠压、功率器件过热、太阳电池阵列输出欠压以及电网过压、欠压等故障状态，比较容易通过硬件电路检测配合软件进行处理。但对于光伏并网发电系统来说，还需要考虑在一种特殊的故障状态下的应对方案，即孤岛效应的防止对策。

5.1孤岛效应及其危害

所谓孤岛(ilsandign)效应是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，光伏发电系统未能及时检测出停电状态而脱离电网，使太阳能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侧.而这种现象不只太阳能发电系统存在，其他分布式发电系统也都会存在这种现象。

孤岛现象会对整个配电系统设备及用户端设备造成不良影响，主要有以下几种情况:

1.电网无法控制孤岛中的电压和频率，如果电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏; 2.如果负载容量大于逆变电源容量，逆变电源过载运行，易被烧毁;

3.与逆变电源相连的线路仍然带电，对检修人员造成危险，降低电网的安全性;

4.对孤岛进行重合闸操作会导致该线路再次跳闸，还有可能损坏逆变电源和其它设备。

有上可知孤岛现象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之道来应对日趋严重的孤岛效应问题。

5.2孤岛效应国际通行标准

在通常情况下，一个装有过压、欠压、过频和欠频继电器的逆变器具有对孤岛的基本保护功能。电网一旦由于某中原因失电，逆变器输出功率与负载需求不匹配，负载两端电压和频率值就会逐渐超过继电器的额定值范围，此时继电器动作使逆变器与电网和负载脱离，同时逆变器停止工作。但是在源一负载功率平衡的情况下，电压和频率变化很小，这些继电器将失效，导致系统进入“孤岛运行”。

根据专用标准IEEStd.929一200和UL1714，所有的并网逆变器必须具有防孤岛的功能，同时这两个标准给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间限制比胡。表5-1表明了断电后，在不同状态下所允许的检测到孤岛现象的最大时间。

表5一IIEEEStd.200-0929/UL1741对孤岛最大检测时间的限制 状态 断电后电网电压幅值 断电后电网频率 允许的最大检测时间 A V<0.5V助 口几口 6cycles B 0.5V~

孤岛效应的检测方法一般分为两类，即被动检测法和主动检测法。被动检测法一般是利用检测电网的某些状态参量(电压、频率等)作为电网是否故障的判断依据。电网失电后，负载电压及频率均不稳定，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。主动检测法是由并网逆变器定时产生一扰动信号，然后观察电网是否受影响作为判断电网是否故障的依据。当发生孤岛情况时，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、频率有明显变化而检测出孤岛效应。

5.3.1被动检测方法

被动检测方法常见的有以下几种:

1.过/低电压和高/低频率检测

一般所有并网逆变器都具备过/低压和高/低频保护电路，一旦公共耦合点的频率和电压幅值超过阐值范围，逆变器将受保护而停止运行。图5一2为逆变器并网运行示意图，断路器闭合时，逆变器向a点提供的功率为P十jQ，负载得到功率为PLOad+jQLoad，电网提供的功率为△P+j△Q，则有式5.1和5.2:(Va为a点电压)1231

二尸+△尸=VaZ/R

·Q十姆·vuZ【仔此)一，一环七1 (5.1) (5.2) 压器电网

图5一2逆变器并网示意图

一旦电网发生故障或失电时，由方程(5.)1和(5.)2表明，当逆变器输出的有功功率和负载所需的有功功率不平衡时，负载电压将变化直到其达到平衡，从而激活过、欠压保护电路。同理，若其有功功率平衡，而无功功率不平衡时，负载频率将变化直到平衡而激活过、欠频保护电路。当有功功率和无功功率均不平衡时，负载电压和频率都将变化而激活过、欠压和过、欠频保护电路。但是，当逆变器输出的功率和负载所需的功率平衡时，则会因为系统电压及频率变动过小，而导致过/低压和高/低频保护电路失效。

2.电压相位突变检测

相位突变检测法是检测逆变器终端电压和其输出电流之间相位的差异来检测孤岛效应的方法。电网连接时，电流源型逆变器检测a点电压Va的过零点，使输出电流波形与电网电压同步(通常由锁相环来完成)。对于电流源型逆变器，电网断开后，va不再被电网电压所固定，而逆变器输出电流1是固定的，它一直跟随逆变器内部的控制系统所提供的波形。1和va仅仅在va的过零点发生同步，在过零点之间，逆变器工作在开环状态。由于短时间内频率没有发生变化，负载的相位与系统断开前相同，因此va必然要跳变到新的相位。在va的下一个过零点，Va与输出电流之间的相位差即可被用来检测孤岛。如果相位差大于阂值，控制器可以断开断路器使逆变器停止工作。

3.电压谐波检测

逆变电源监视电压av的谐波含量(TH)D，如果其谐波含量超过某个阐值，则使逆变器停止工作.正常情况下，电网可以看作是一个稳定的无穷大的电压源，为负载提供低失真(THD、0)的正弦电压，线性负载得到一个不失真的正弦电流。

电网连接时，逆变器产生的电流谐波将通过图5一2的结点a流入整个并网系统网络，而此并网系统网络为低阻网络。谐波电流一般比较小，系统阻抗低，va的THD通常低于可检测点。电网断开后，逆变电源产生的谐波电流将会流入负载，负载阻抗通常要比系统阻抗大得多，谐波电流与负载阻抗相乘，va将产生比较大的谐波。逆变器通过检测电压谐波含量活谐波变化量来判断是否处于孤岛状态。

5.3.2主动检测方法

主动检测法的思想是在逆变器的控制信号中加人很小的电压，频率或相位扰动信号，然后检测逆变器的输出。如果逆变器与电网相连则扰动信号的作用很小，而当孤岛效应发生时，扰动信号的作用就会显现出来，当输出变化超过规定的门限值则检测出孤岛效应的发生。主动检测的方法主要有以下几种:

1.阻抗检测法

主动式阻抗测量法是周期地在电流幅值上加一些小的扰动，通过检测这些扰郑州大学硕士学位论文第五章太阳能并网发电系统的孤岛效应与防止策略动在电网电压上的响应来判断是否存在孤岛效应。此方法适合于电流源输出型并网逆变器。当电网正常时，由于电网的存在，整个并网系统的阻抗非常小，电流幅值的扰动不会造成电网电压幅值的扰动。当电网断开时，由于负载阻抗比较大，电流幅值的扰动就会造成负载电压较大的变化，通过检测这个电压幅值的变化，就能判断出是否存在孤岛。

2.频率或相位偏移法

频率偏移法主要思想是逆变器输出在每周期和电网的上升沿锁相的同时，实时调整频率，f由电网频率fo加上一个小的偏移量得到。在正常并网工作时，图5一2公共连接点va的电压波形由电网电压决定，所以逆变

输出的频率基本上保持fo加上一个偏置值不变，如果孤岛效应发生，逆变器检测到的电网频率不再是稳定的fo，而是以逆变器上周期发出的逆变输出波形的频率为参考，再加上一个偏置，这样几个周期之后的逆变器输出波形的频率将不断偏移，直至超出频率闽值范围而被检测出孤岛效应，这种方法称为频率偏移法。

3.输出电压扰动法

输出电压扰动法是指逆变器在并网过程中，控制系统通过程序使得逆变输出电压每隔几个周期的正常电压之后，输出一个比正常电压值高的电压波形，使输出电压按一定的规律高低变化，当并网正常时，通过并网公共点ya检测回来的电压为市电电压，此电压值是基本稳定的。一旦出现孤岛状态，从va点检测到电压为逆变器输出电压，也按前述控制规律高低变动，即可判断出孤岛状态，从而及时退出并网工作。

4.无功补偿法

将并网逆变器中引入无功补偿技术，利用可调节的无功功率输出实现孤岛检测。系统正常并网运行时，负载端电压受电网电压钳制，而基本不受逆变器输出的无功功率的影响。而当系统进入孤岛状态时，一旦逆变器输出的无功功率和负载需求不匹配，负载电压幅值或者频率将发生变化。由于逆变器输出的无功电流可调节，而负载无功需求在一定的电压幅值和频率条件下是不变的，因此将逆变器输出设定为对负载的部分无功补偿或波动补偿可避免系统在孤岛条件下的无功平衡，从而使得负载电压或者频率持续变化达到可检测闽值，最终确定孤岛的存在。

5.3.3本设计所采用的孤岛检测方法

本设计采用自适应逻辑频率偏移法进行孤岛保护，自适应逻辑频率偏移技术它以一般频率偏移技术为基本扰动工具，必要时再叠加一新的偏移量。一般频率偏移算法表达式如式5.3:网

口p‘【KI一万·Tave一T区一1 TIK一1](5。3)

其中6Ps〔Kl为逆变器输出电流和所采样电网电压之间的相位差，T[K一11为 测得的上一电压周期的周期值，Tave为前面N个电压周期的平均值如式5.4。 T。ve_上勺，TI‘1 N‘牟_。(5.4)

在此算法中，前N/2个电压周期的平均值作为下一个电流周期的周期值。从第K个周期开始，接下来的N个电压周期内，如果孤岛情况发生将有下列关系式5.5成立:

0搜Ps·△T>0(5.5)

其中:△T.Taev一兀j+1，j二k一1，k，一，k+N一1，6nPs如式5.6中定义。若在N个周期内式5.5情况发生的概率P大于0.5，6PS将引入一新的相位偏移叠加量如下:(其中Tave保持不变)

份，‘，印5+△0[k]

△雄1一△伞一1]+0·sgn砂乃 (5.6) (5.7)

60为很小的相位常数，且第一个相位偏移叠加量△6【1」0=。在此过程中，检测每N/2个周期的平均值，如果连续两次相临两个N/2个周期的平均值之差小于常量“或式5.5发生的概率P小于0.5(P值每N个周期检测一次)，则置60【K]二0，且Tave更新为最新的N个周期的平均值。该算法的流程图如图5一3所示。

自适应逻辑频率偏移技术在孤岛效应发生时通过正反馈相位偏移叠加，可以快速地使频率超出欠、过频额定范围而触发欠、过频硬件保护电路，从而能够有效地防孤岛。并且在正常并网状态下维持很小的频率偏移量，相对一般频率偏移技术不仅提高了孤岛检测的速度和精度，也提高了输出功率的质量四。

图5-3程序流程图

第六章总结

本文对光伏并网逆变系统进行了理论分析和探讨，完成了3Kw光伏并网逆变器软件和硬件的设计及调试，并实现了并网运行，取得了良好的效果。

本光伏并网逆变器属于单相工频隔离型，其主逆变电路采用全桥逆变结构，逆变过程中4个开关管有4种有效的组合状态。

选用Tl公司的T邓320LF2407作为主控芯片。采用电流源输出的控制方式产生SP侧波。并实现光伏并网逆变系统的孤岛保护。

本文也对整个光伏并网逆变系统电磁兼容性设计进行了分析研究，并取得良好的效果。 参考文献

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郑州大学硕士学位论文致谢 致谢

本论文是在导师张宇翔副教授和郭敏副教授的精心指导下完成的。三年来，从论文的选题、课题开展直至论文完成的全部过程中张老师和郭老师都给了我无微不至德关怀和悉心指导。他们崇高的道德品质、渊博的专业知识、严谨的学术作风、忘我的工作态度将激励我的一生。他们在日常生活中对我的言传身教同样也令我终生难忘。在此，谨向张老师和郭老师致以衷心的感谢和诚挚的敬意。

感谢杨雷教授和郑国恒副教授等系里其他老师在我学习期间给我的指导和帮助。

感谢朱炜锋师兄和张明昌师兄在项目学习过程中给予的大力帮助1感谢实验室的张宇、凌飞、宁蕴菲等在生活和学习上对我的帮助。感谢一起工作学习的杨洁、李秀红、薛冰、李自双等，和你们分享的不仅仅是学习的进步，同时还有生活中的快乐。

感谢我的全家人，感谢他们这么多年对我在精神上的鼓励和生活上的照顾，使我得以专心完成学业。 衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家! 最后，感谢关心和帮助过我的每一个人。 肖巧景 2007年5月

攻读硕士学位期间发表的论文

1.肖巧景，张宇翔，郭敏一种新的频率偏移技术在光伏并网发电系统孤岛检测 中的应用.现代电子技术，207:1，第107一108页__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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