摘 要

随着太阳能光伏发电产业在我国的推广和普及，国内对并网逆变器的需求必将越来越大，仅仅依靠进口已很难解决日益增长的巨大需要。因此，研制完全实用化、工程化的太阳能光伏并网逆变器成为该领域急需解决的问题，存在着广阔的市场前景。在此背景下，本文对正弦波并网逆变器的软硬件系统设计、控制算法研究和系统仿真等方面进行了深入探索。

首先介绍了国内外光伏发电产业的现状和广阔的前景，详细分析了并网逆变电路的拓扑结构和工作原理，讨论了全桥逆变电路直流侧和交流侧滤波器的设计思路，并推导出逆变电路关键参数的计算公式。

其次分析了单相电压控制和单相电流控制的不足，采用了基于DSP软件算法的电流电压双闭环控制技术。比较几种常用的光伏电池最大功率点跟踪方法，采用能够快速、准确跟踪光伏电池最大输出功率点的电导增量法来实现最大功率点的跟踪。

为了使并网电流和电网电压同频、同相，需要使用锁相环技术。本文详细分析了软件锁相环的原理，并结合实际系统设计方案和绘制软件流程图。

本文对孤岛效应的含义及相关标准进行了说明，分析了产生孤岛效应的原因和危害，证明了添加反孤岛保护的必要性，并分别对孤岛效应的主动和被动检测法进行了比较，用MATLAB仿真工具对本文所采用的主动频率偏移法进行了仿真验证。

最后，根据系统总体设计要求，对并网逆变器控制电路、驱动电路和保护电路进行了详细的设计，并制作了基于DSP控制的3kW光伏并网逆变器样机。通过实验表明，所采用的控制策略和设计的硬件电路能够满足设计要求，统可安全、稳定运行。

关键词光伏逆变器:DSP 最大功率点跟踪 软件锁相环 孤岛效应

Abstract

With the promotion and popularization of solar photovoltaic，there will be a greater demand for grid-connected inverters in our country．The increasing demand for grid-connected inverters has become a problem which can not be solved only by means ofimport．An urgent problem to be solved is that the study and design of the photovoltaic grid-connectedinverters must be fully practical in use and in manufacture，and therefore there are desirable market prospects of the above-mentioned products．In this paper,the grid-connected inverter is explored in the hardware design，control algorithm research，simulation and so on．

First of all，the present situation and broad prospect of photovoltaic industry at homeand abroad are introduced．The topology and working principle of grid-connected inverter circuit are analyzed in detail．And the design ideas and processes of the filters on both DC and AC sides are discussed；moreover,the formulas of the key parameters of the maincircuit are derived．

Next，the current and voltage dual closed-loop control based on software algorithms of DSP is chosen by analyzing the deficiencies of voltage control and current contro1．The arithmetic of incremental conductance of MPPT of grid-connected system realizes the tracking of MPPT by comparing with several methods of MPPT of grid-connected system．

APLL(Phase Locked Loop)is needed in order to keep the same frequency and phasesynchronous to the grid．In this paper, the SPLL(soft PLL)principle is analyzed in detail，the design scheme and software flow charts are given based on practical system．

Then，the meanings and the criteria of the anti-islanding are explained and the causes and disadvantages of anti-islanding are analyzed．And it tries to prove the necessity to add protection of anti—islanding in this paper．The active and passive detecting methods of anti—islanding are analyzed；moreover, the anti-islanding of active frequency drift method is simulated and confirmed by MATLAB．

Finally, according to the requirement of system design，the grid-connected inverter control circuit，drive circuit and protection circuit are designed in great detail and a sample of 3kW grid-connected photovoltaic generator based on DSP is designed and made．Test results show that the control strategy and the designed circuit can satisfy the design requests and the system can work safely and stably．

Key words photovoltaic inverter；DSP maximum power point tracking soft PLL anti—islanding

4 光伏并网系统中孤岛效应的仿真实验研究…………………………………………25

4.1 孤岛效应的分析……………………………………………………………………… 25

4.2 孤岛效应检测仿真实验………………………………………………………………26

绪 论

21世纪，人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在环境污染和资源短缺的双重制约下，能源问题更加突出，而太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点，因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视，成为理想的替代能源。

中国的常规能源远远低于世界平均水平，约为世界总储量10%。从长远来看，太阳能将是未来人类主要能源来源，可以无限期的使用，因此世界上许多发达国家和部分发展中国家都十分重视太阳能在未来能源供应中的重要作用。太阳能开发利用技术发展很快，特别是70年代爆发的世界性的石油危机有力的促进了太阳能的开发和利用。经过半个世纪努力，太阳能光热利用技术及其企业异军突起，成为能源工业的一支生力军。利用太阳能的方式很多，主要有太阳能发电，太阳能热利用，太阳能动力利用等，出于电能是现代工业中最常用的直接能源，因此太阳能直接转化成电能是太阳能利用中的最具有前景景的方式，而太阳能光伏发电是最重要的形式。

太阳能光伏发电与传统发电方式相比具有下列优点：

⑴ 数量巨大。每年到达地球表面的太阳辐射能约为18x1014t标准煤，即约为目前全世界所消费的各种能量总和的lxl04倍。

⑵ 清洁干净。太阳能安全卫生，对环境无污染，不损害生态环境，是当之无愧的清洁能源。

⑶ 获取方便。太阳能分布广泛，既不需开采和挖掘，又不用运输，对解决边远山区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应具有很大的优越性。

⑷ 时间长久。只要有太阳，就有太阳辐射能，因此是取之不尽，用之不竭的能源。

据权威机构预计，2020年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1％左右，2050年约占25％。可以断言，光伏发电正在快速进入电力能源结构，并且将逐步成为其重要的组成部分。谁掌握了可再生能源和太阳能发电技术，谁就掌握了未来发展的主动权。

1 光伏发电系统简介

1.1 国内外光伏发电现状

1.1.1 世界光伏发电现状

世界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。近几年，世界光伏发电市场发展迅速。近10年太阳能电池组件的年平均增长率为33％，近5年的平均增长率为43％，2004年比上一年增长61．2％，光伏发电已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。2004年世界光伏电池组件产量达到1200MW，其中日本生产610MW，欧洲320MW，美国135MW，其他国家135MW。2004年世界光伏系统的总装机容量超过4GW。现在世界实力大国都制定了雄心勃勃的光伏发电近期发展规划：到20lO年日本计划累计装机容量将达到5GWp，欧盟3GWp(其中德国2.7GWp)，美国4.7GWp，澳大利亚0.75GWp，印度、中国等发展中国家估计为1.5～2GWp。统计资料表明至2010年，世界光伏系统累计装机容量预计将达至14～16GWp。世界光伏发展目标见表1-1。

1.1.2 我国光伏发电现状

中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。到2005年底，中国光伏电池总产量超过250MW，光伏组件总产量超过400MW。中国光伏发电市场的发展为：90年代初期，光伏发电主要应用在通信和工业领域，包括微波中继站、卫星通信地面站、程控电话交换机、水闸和石油管道的阴极保护系统等。从1995年丌始主要应用在特殊应用领域和边远地区，逐步建立了较大型的光伏发电应用系统，建成各种规模的县、乡、村级光伏电站40多座，推广应用家用光伏电源系统约15万套。2000年以后，中国的光伏技术已步入大规模并网发电阶段，开始建造100kWp级的光伏并网示范系统。虽然我国光伏发电产业发展很快，但与世界光伏产业的发展相比，国内的光伏产业还处于规模小、基础薄弱的阶段，应用市场不够稳定，同时还缺乏长期稳定的激励政策和长效发展机制；太阳能光伏发电并网应用还不多；光伏系统和相关部件的产品质量和技术水平还有待进一步提高；光伏发电成本还需不断降低。在2004年10月中国可再生能源发展项目办公室所作《中国光伏产业研究报告》中，对国内太阳级多晶硅的描述是“我国光伏专用太阳级硅材料的研制和生产是空白”。在系统工程方面，由于受到技术、经济等多种因素的制约，许多具有市场潜力的应用领域，光伏或风一光一柴互补电站系统、光伏海水淡化系统、太阳能水泵滴灌工程、太阳能电动车、光伏制氧系统以及较大规模的光伏并网发电等都还没有真正发展起来。因此，我国的太阳能光伏产业还有大量工作亟待完成。

表1-1 世界光伏发展目标(累计装机容量，GWp)

1.2 太阳能光伏发电系统简介

太阳能光伏发电系统按与电力系统的关系分类，通常分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而独立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。

1.2.1 独立系统

独立型太阳能光伏发电系统是根据负载的种类、用途的不同，系统的构成也不同。独立系统一般都由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池、逆变器以及负载（直流负载、交流负载)等构成。其工作原理是：如果负载为直流负载，太阳能电池的电力可以直接供给直流负载；如果为交流负载太阳能电池的电力则通过逆变器将直流变换成交流后供给交流负载。蓄电池则用来储存电能，当夜间、阴雨天等太阳能电池无法供电或供电不足时，则由蓄电池向负载供电。

图1-2 独立型光伏发电系统

独立系统由于负载只有太阳能光伏系统供电，且太阳能光伏系统发电受诸如日照、温度等气象条件的影响，因此当供给负载的电力不足时需要适用蓄电池来解决这一问题。由于太阳能电池发电为直流，一般可直接接用于直流负载。当负载为交流时，还需要适用逆变器，将直流变成交流供给交流负载。由于蓄电池在充放电时会出现损坏且维护检修成本较高，因此，独立型太阳能光伏发电系统一般容量较小，主要用于时钟、无线机、路标以及山区无电地区等领域。

1.2.2 并网系统

图1-3 并网型光伏发电系统

并网光伏发电系统实质上与其它类型的发电站一样，可为整个电力系统提供电能，与独立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处。首先，不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发出的全部电能，提高了太阳能发电的效率；再其次，省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。并网光伏逆变系统由光伏阵列、变换器和控制器组成，如图1-3所示，变换器将光伏电池发出的电能逆变成正弦电流并入电网中，控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。

1.3 课题的主要研究内容

1.3.1 逆变器的性能指标

(1) 额定功率3kW，峰值功率4kW：

(2) 并网电气方式：单相二线制；

(3) 额定输出电压：AC220V；

(4) 电能转换效率(额定)：=93％；

(5) 绝缘方式：工频绝缘变压器；

(6) MPPT控制范围：DCl35～350V；

(7) 保护功能：“孤岛”保护、过流、过压、过热、太阳能电池欠压保护；

(8) 质量：=10kg：

(9) 安装场所：室内。

1.3.2 主要研究内容

通过对太阳能光伏发电系统用逆变器关键技术进行较为深入的理论分析和研究，主要关键技术如下：

(1) 高功率密度无源谐振软开关全桥逆变器主电路拓扑的研究；

(2) 基于TMS320ULF407A DSP的逆变器空间矢量控制算法及其全数字化控制研究；

(3) 太阳能电池伏一安曲线与逆变器最大功率跟踪技术之间耦合关系研究；

(4) 基于DSP的软件锁相环设计与限脉冲响应法锁相环算法的研究；

(5) 采用主动频率偏移法实现逆变器“孤岛”保护功能的研究。

2 光伏发电逆变系统的设计与研究

逆变技术是一门实用技术，随着电力电子技术的高速发展，大量高功率开光器件相继出现，可以满足各行各业对逆变技术的需求，逆变技术的应用领域也越来越广泛。

2.1 系统组成

光伏发电系统是由太阳能电池、主电路、控制电路和负载组成。主电路包括DC／DC电路、DC／AC电路、滤波电路和隔离变压器。控制电路采用DSP作为主控单元，其中还包括逆变器的SPWM信号发生、闭环控制和最大功率点跟踪电路。

本章将着重介绍逆变器的主电路，对逆变器的拓扑结构进行分析，选取合适的电路结构以及开关器件。光伏系统的控制电路将在下一章再做介绍。

2.2 逆变主电路的电路拓扑结构

通常单相电压型逆变器主要分为推挽式、半桥和全桥逆变电路三种。这三种方式根据其不同的特点应用于不同的场合。推挽式逆变电路的主电路简单，如图2-1所示。只需要两个开关管，基极驱动电路不需要隔离，驱动电路比较简单，但是开关管需要承受2倍的线路峰值电压，所以适合于低输入电压的场合应用。同时变压器存在偏磁现象，初级绕组有中心抽头，流过的电流有效值和铜损较大，初级绕阻两部分应紧密耦合，绕制工艺复杂。

图2-1 单相推挽式逆变电路

与推挽式逆变电路相比半桥式逆变器在电路中所使用的功率开关晶体管的耐压要求较低，决不会超过线路峰值电压，其次，晶体管的饱和压降也减少到最小，不在是重要的影响因素。再者，对其输入滤波电容使用电压的要求也较低。由于半桥逆变电路的特殊结构如图2-2所示，其不存在直流偏磁问题，可以广泛应用于数百瓦一数千瓦的开关电源中。但是其晶体管导通时，集电极电流增加一倍，电流的增大的局限性对于中、小功率的开关电源来说，不会构成影响，但是对于大功率的开关电源，由于能够承受高电压，大电流的晶体管价格昂贵，就难以实现了。

图2-2 单相半桥逆变器

全桥式逆变电路既保持了半桥式逆变电路的电压性质有兼有推挽式的电流性质。在逆变电路中，采用相同电压、电流容量的开关器件时，全桥式逆变电路可以达到最大功率输出，因此该电路常用于中大功率电源中，电路结构如图2-4所示。并且与半桥式逆变电路相比，它具有较好的逆变输出波形。

图2-4 单相全桥式逆变电路

所以本文设计的单相光伏并网逆变器采用全桥逆变电路，如图2-4所示，功率器件VT1～VT4组成逆变桥，VD1～VD4是对应的反并联二极管。单相光伏并网逆变电源是将太阳电池发出的直流电变换为正弦波交流电，经过隔离变压器后输送到电网。在逆变器运行过程中，本文采用带有电流、电压瞬时值反馈的单极性控制SPWM控制方案。

2.3 全桥逆变电路的工作原理

在图2-4所示电路中，首先令VT2和VT3的控制电压UG2和UG3为负值，使VT2和VT3截止；令VTl和VT4的控制电压UG1和UG4为正值，使VTl和VT4导通，如图2．5中tl～t2时间段。在t1时刻，VT1和VT4导通，电流的流通路径为：E+→VTl→变压器初级→VT4→E-。如果忽略VTl和VT4导通后的管压降，则变压器初级电压为Uin=E，变压器次级电压为Uout=EN2／N1(N1、N2分别为T的初级、次级匝数)。

在t2时刻，VTl和VT4关断，此后四个功率开关器件均截止。

图2-5 控制电压及输出电压波形

在t3时刻，VT2和VT3导通，电流的流通路径为：E+→VT3→变压器初级

→VT2→E-。在忽略VT2和VT3的导通压降情况下，变压器初级电压Uin=-E，变压

器次级电压Uout=-EN2／N1。

在t4时刻，VT2和VT3关断，此后四个功率开关器件均截止。

电路按照上述方式工作，则可在变压器次级获得交变的电压，从而实现直流变交流的功能。

2.4 逆变电路开关器件选择

在逆变系统中要求系统的响应快，保护功能强，可靠性高，对于逆变电路来说，开关器件应该具有合适的导通电流、关断承受反压以及尽量小的导通压降和关断时的拖尾电流、尽量短的开通和关断时间、尽量小的开关损耗和可靠稳定的导通和关断性能。

目前，新型的IPM智能模块以优良的性能越来越得到人们的赏识。IPM智能模块内部具有低功耗、软开关、高性能及拥有过热保护的高可靠性IGBT，内置有过电流保护、短路保护、控制电压欠压保护、过热保护及外部输出报警端口。用这样的模块做逆变器的功率器件，能够大大简化了硬件电路的设计，缩小电源的体积，简化了接线，大大缩短开发周期。所以本次设计选用三菱公司出产的IPM模块。IPM模块的型号选择可以从器件的电压等级和电流等级两方面加以考虑。桥式逆变器的最大输入电压为400V，所以各开关管所承受的最高电压为400V，考虑电压尖峰和电压裕量，可选择耐压为600V的器件等级。逆变器输出的额定功率为3000W，输出电流峰值为20A，隔离变压器变比为1：l，考虑到系统的余量，则逆变桥中每只IGBT中耐流值为30A以上。所以本次设计选用IPM模块的型号为PM200CLA60，他的耐压值和耐流值分别为600V和200A。

2.5 逆变电路的吸收保护

2.5.1 直流侧电容的选择

对于光伏并网系统直流侧电容器的选择需要满足下式

试中 P——太阳能电池阵输出功率，取3kW

K——波纹系数，取0.1

U——直流母线电压，取400V

W——电网角频率，取314

取C=2200，采用500V／2200的电解电容。

2.5.2 逆变器输出滤波电路设计

滤波器是影响输出波形质量的一个重要环节，在输入电压和输出电压确定的情况下，输出滤波电感的最小值主要由设定的电感电流纹波大小来决定。电流纹波一般取15％～20％的额定电流。本文取18％设计，输出为220V／3kVA，逆变器效率设为95％，可得：

式中——纹波电流

——纹波电流系数

——输出功率

——输出电压有效值

为了确保电网电压波动时，逆变器能向电网中有效回馈电流，取=400V，关频率fc=20000kHz， =2.53A得电感和电容构成的LC低通滤波器，对高于其谐振频率的高次谐波将以40dB／decade衰减，设计其谐振频率为基波频率的10～20倍，取12。

式中 f——基波频率

取电感为2mH，电容为40uF。

3 光伏逆变器的控制系统分析与电路设计

逆变器的控制系统部分是逆变器设计的重点部分，采用先进的控制技术是提高逆变电源性能不可或缺的方法。包括逆变器输出电压、电流采样和滤波，正弦波发生，输出波形控制，接收功率器件发出的过流、过压等保护信号，实现自动保护功能等等。

3.1 并网逆变器的控制实现

随着逆变电源对输出波形质量的不断提高，传统的模拟控制型正弦波逆变器已经渐渐的不能满足用户的要求，同时，随着各种高性能微处理器的出现和现代控制技术的发展，使逆变电源的数字控制成为可能，图3-1为以DSP为控制核心的逆变器控制系统结构框图。与传统的模拟控制方式相比，采用DSP为核心的控制方法具有如下特点：

(1) 控制灵活、方便，可以在线设置参数，实时完善系统。

(2) 易于采用先进的控制方法和控制策略，使逆变器的性能更完美。

(3) 可以应用通讯接口实现多机并联或与上位机的通讯，以实现远程控制。

(4) 用软件实现不同功能，减少硬件电路。

(5) 系统的可靠性、抗干扰能力进一步提高。

图3-1 逆变器控制系缆结构框图

3.2 并网逆变器输出控制

光伏并网系统是将太阳能电池板发出的直流电转化为正弦交流电，从而向用户以及电网供电的一个装置。并网逆变器的控制目标为：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的、高品质的正弦波，且与电网电压同频、同相，同时希望通过调节输出电流的幅值使光伏阵列工作在最大功率点。

目前逆变器的输出控制模式主要有两种：电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量，系统输出与电网电压同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源；电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标，系统输出与电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。由于电网可视为容量无穷大的交流电压源，如果光伏并网逆变器输出采用电压控制，则实际上就是一个电压源与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，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步。在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小和相移来控制系统的有功输出和无功输出，但是这种控制方式逆变器输出电压值不易精确控制，并且可能出现环流等问题，不易获得优异性能。

3.3 逆变电源控制方法

3.3.1 电压反馈控制

电压反馈控制技术是以输出电压作为控制对象，其控制原理如图3-2所示。将逆变器输出电压Uout与基准电压相比较后得到误差Ue，经PI调节后与三角载波信号经过比较器比较，产生占空比变化的SPWM信号去驱动逆变器，这是电压型控制技术的基本原理。

图

3-2 电压瞬时值反馈原理框图

如果反馈采用输出电压的平均值与一个电压平均值基准相比较进行的控制叫做电压平均值反馈控制；而如果反馈电压为输出电压的瞬时值，与一个电压瞬时值基准进行比较实现的控制称为电压瞬时值反馈控制。这两种控制策略中，电压平均值控制是恒值调节系统，其优点是输出可以达到无静差，缺点为是响应快速性较差，而电压瞬时值反馈控制策略是一个随动调节系统，由于积分环节存在的相位滞后，系统不可能达到无静差，但相对平均值反馈控制，其快速性较好。电压型反馈控制设计和分析较为简单，具有较强的抗干扰能力，但当输入电源电压、负载、功率电路元器件参数发生变化时，只有等到输出电压变化后才能起到调节作用，故其动态响应较慢。

3.3.2 电流反馈控制

电流反馈控制是一种新颖的控制方法，具有其独特的优点。对于电压型的电流反馈系统，当交流侧电压发生波动时，若PWM开关频率固定，则电流跟踪偏差大小也发生波动。然而当交流侧电压发生波动的同时，若PWM的开关频率也作相应的波动时，则电流跟踪的偏差几乎不变。滞环控制是一种应用广泛的闭环电流反馈控制方法，其主要优点是响应速度快、结构简单。图3-3为采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图。图中将指令电流和实际并网电流，进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路控制功率器件的通断，从而控制并网电流的变化。

图3-3 采刚滞环比较器的电流瞬时值比较原理图

电流滞环跟踪控制方式特点有：

系统具有快速的瞬态响应：由于电流反馈作用，当输入直流电压波动或负载突变引起输出电压变化时，都将引起电感电流的变化，使功率器件的开关状态产生变化，从而改变输出电压波形。

系统具有较高的稳定性：前述具有电压单环反馈控制系统是一个二阶系统，是一种有条件的稳定系统，需要对电路作精心的校正设计；相反具有电流单环反馈控制系统则是一个一阶系统，是一种无条件稳定系统。

电流型全桥电路容易产生失控：电流脉宽不等固然可以维持电感端压的伏秒值平衡。但却会导致电容电荷的安秒值不平衡，在全桥电路结构中，这种不平衡会导致直流侧分压电容端压不等，电源中点漂移，恶性循环的结果将使电路失控。

开关频率不固定：由于器件的开关点完全取决于电流到达上下限值的时间，因此滞环控制的开关频率并不固定，这与电压型控制下载波频率恒定的PWM控制有很大不同。由于开关频率是变化的，电路工作可靠性下降，输出电压的频谱特性变差，所有这些对系统性能都是不利的。除了上面介绍的电流滞环跟踪控制法，还有很多电流型控制策略的电路拓扑，例如，定时控制的电流瞬时值比较法，三角波比较方式的电流跟踪法等等，在此就不在详细介绍。

3.3.3 基于DSP的PWM电流电压双环控制

单独的采用电压控制和电流控制都有其各自的不足，而采用电压电流多环瞬时值控制方案的逆变器，因为其输出电压波形质量好、控制简单及动态响应好等特点，受到了人们很大的关注。目前采用较多的瞬时值控制一般采用双环反馈，其外环为输出电压反馈，电压调节器一般采用比例积分(PI)形式，其输出作为内环的给定，内环为瞬时值电流反馈。双闭环控制方案中的电流内环加大了逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减少，非线性负载适应能力增强。电压外环采用瞬时值反馈，对输出电压的瞬时误差给出调节信号，该信号经PI调节后作为电流控制给定L，电流内环由电感电流或电容电流瞬时值与电流给定，，比较产生误差信号，经PI调节，所得信号与三角形载波比较后产生SPWM信号控制功率管的开通。在实际应用中采用电流内环之外还设置电压外环的目的在于对不同负载实现给定电流值的自动控制，电压瞬时值外环能及时、快速的校正输出电压波形，使系统在各种负载情况下均具有良好的电压输出波形。

3.4 MPPT控制方法

太阳能电池昂贵的价格限制了光伏发电产业的发展，在努力降低制造成本的同时，但是如何使太阳能电池的输出功率最大化一直是人们研究的热点。

3.4.1 太阳能电池输出特性

如图3-4所示，I-U特性是指在某一确定的同照强度和温度下，太阳能电池的输出电压和输出电流之间的关系I-U特性曲线表明：太阳能电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源。输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定，最终在大于某一个电压之后，电流迅速下降至零。

图3-4 太阳能电池的I-U特性曲线

图中Isc——在给定温度照度下所能输出的最大电流

Uoc——在给定温度照度下所能输出的最大电压

Im——在给定温度照度下最大功率点对应的电流

Um——在给定温度照度下最大功率点对应的电压

Pm——在给定温度照度下所能输出的最大功率，Pm=Um×Im影响太阳能电池的输出特性的主要因素为日照强度和表面温度。

当温度不变时，日照强度发生改变时太阳能电池的I-U曲线见图3-5(a)，其中P-U曲线见图3-5(b)。由此两图中可知当表面温度不变日照强度增加时，其短路电流ISC几乎与日照强度成正比地增加，而太阳能电池的开路电压UOC随着日照强度的增大而略微增加，所以其输出功率与最大功率点会随之改变。同照强度的增加，总体效果会造成太阳能电池的输出功率增加。

当同照强度不变而温度发生改变时太阳能电池的I-U曲线如图3-6(a)，P-U曲线如图3-6(b)。由这两个图可知，当同照强度不变表面温度升高时，太阳电池开路电压UOC下降，短路电流ISC则轻微增大。表面温度的升高，总体效果会造成太阳能电池的输出功率下降。

太阳能发电系统要求太阳能电池能够始终工作在当前环境下的最大功率点，以最大效率的输出功率，但是由于太阳能电池在不同表面温度和同照强度下的输出特性不同，并且输出功率随着工作电压的改变而改变，因此需要对太阳能电池进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

图3-5 不同日照强度下太阳能电池的I-U，P-U曲线

图3-6 不同温度下太阳能电池的I-U，P-U曲线

3.4.2 太阳能电池的最大功率点跟踪方法的研究

(1) 恒定电压跟踪法(CVT)

恒定电压法是一种最直接的最大功率跟踪方法，在太阳能电池温度一定时，光伏电池的输出P-U曲线上最大功率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧。因此，CVT控制法思路即是将光伏电池输出电压控制在该电压处，此时光伏电池在整个工作过程中将近似工作在最大功率点处。

采用CVT控制的优点是可以很方便地通过硬件或者软件实现，具有控制简单、可靠性高、稳定性好等优点。但是这种跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压和输出功率的影响，CVT方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率，即当系统外界环境条件改变时，对最大功率点变化适应性差。

(2) 扰动观察法（P&O）

鉴于CVT控制的局限性，扰动观察法能有效地解决这一问题。它通过对太阳电池输出电压、电流的检测，得到电池当前的输出功率，再将它与前一时刻的记忆功率相比较，从而确定给定电压调整的方向。若△P>0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向调整；若△P<0，则说明参考电压调整的方向错误，需要改变调整的方向。

采用扰动观察法的优点是控制思路简单，实现较为方便，可实现对最大功率点的跟踪，提高系统的利用效率。但其缺点是稳态时只能在最大功率点附近振荡运行；存在着因功率跟踪过程中非单调性造成的误差；存在着因自身算法的不严谨，而在日照强度变化时产生跟踪错误。

除了以上两种方法，最大功率点跟踪的方法还有很多：最优梯度法、滞环比较法、间歇扫描法、实时监控法、模糊控制法等等。这些方法都各具优缺点，这罩就不再详细介绍。

3.4.3 最大功率点跟踪方法的实现

本文采用电导增量法来实现太阳能电池的最大功率跟随，虽然此方法对硬件要求较高，其算法在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行A／D转换，但这对现在的快速DSP芯片来说已不成为问题。电导增量法最大的优点，是当太阳电池上的照度产生变化和表面温度产生变化时，可以始终向后级负载提供最大功率，并同时满足快速和高精度的要求。该子程序在周期中断罩面实现，其程序流程图如图3-7所示。

图3-7 电导增量法的控制流程图

图3-7中，通过采样电压、电流值UPV，IPV然后计算当前的功率PPV,再判断电压差值是否为零?(因后面做除法时分母不得为零)若为零则再判断电流差值是否为零?若都为零则表示阻抗一致，扰动值UREF不变。若电压差值为零，电流差值不为零，则表示光照强度有变化，电流差值大于零UREF值增加；电流差值小于零UREF值减少。再来讨论电压差值不为零时，若成立则表示功率曲线斜率为零(达最大功率点)，若电导变化量大于负电导值，则表示功率曲线斜率为正，UREF值将增加，反之UREF值将减少。

3.5 逆变器控制电路设计

逆变器的控制电路是采用TMS320LF2407A DSP作为主控单元，其中还包括电流电压采样电路、SPWM电路、IPM驱动电路和CAN控制器通信电路。

3.5.1 DSP电源设计

TMS320LF2407A DSP芯片采用高性能静态COMS技术，使得供电电压降到3．3V，而不是通常单片机所使用的5V电源，减少了控制器的损耗。而现在常规的电源系统都是5V电源，所以需要一个DC／DC转换电路将5V电源转换为可以给DSP使用的3．3V电源。本文采用TPS7333Q芯片将5V的直流电转化为稳定的3．3V直流电供给DSP。

3.5.2 A／D转换电路

(1) DSP基准电源

TMS320LF2407A的A／D转换模块电源电压为DSP的供电电压，一般—如转换参考基准电压也不大于3.3V。本次设计选用MAXIM公司的MAX6003为A仍转换建立参考基准电压。MAX6003精度为1％，温度系数为100ppm／C，适用温度范围40℃～85℃，输出电压为3.000V。由于A／D转换的参考基准电压为3.0V,因此采样模拟信号要处理调整成0～3V范围内的电压信号，然后再输入到模拟输入通道进行转换。

(2) 并网电流侧电流采样电路

采样并网输出交流侧的电流，电流信号首先要转换成电压信号才能对其进行处理。所以我们此次选用深圳迦威公司生产的CSK3-100A的霍尔电流互感器，他可以将所采集到的电流直接转化为-4～+4V的电压信号，从而减少使用串联电阻所引起的人为损耗。再通过精密电压放大器INAll4，电压偏执1.5V后，并使其输出电压满足A／D转换所允许的电压范围O～3V。

(3) 直流输入电压采样电路

前端的输入电压为直流电压，其采样无需外加直流电压偏置，但仍要保证采集的电压在0～3V以内。本文选用森社电子生产的CHV-25P霍尔电压传感器，其输出范围为0～5V，我们采用分压电阻3VR2使其采集到的电压信号控制在0～3V之间。

A／D转换电路模块还包括市电电压采样电路、并网电压平均值采样电路、太阳能电池输出电流和电压以及电压和电流的相位检测电路，这些电流电压采集电路都和以上所介绍的电路基本类似，在此就不在详细介绍。

3.5.3 SPWM信号发生电路

TMS320LF2407A共有两个事件管理模块(EVA,EVB)，共能控制输出16路PWM信号。由于设计中只需控制逆变器的4个IGBT，因此只用到其中一个事件管理模块(EVA)的4路PWM信号：PWMl-PWM4，其余8路留作扩展。

要产生一个PWM信号，需要一个合适的定时器来重复产生一个与PWM周期相同的计数周期，一个比较寄存器保持着调制值。比较寄存器的值不断地与定时计数器的值相比较，当两个值匹配时，在相应的输出上就会产生一个变换(从高到低或从低到高)。当两个值之间的第一个匹配产生或一个定时周期结束时，相映的输出上会产生又一个转换(从低到高或从高到低)。在每个定时器周期中，这个过程都会出现，但每次比较寄存器中的调制值是不同的，这要由控制软件根据每个采样周期的反馈量实时计算得到。这样在相应的输出引脚就会产生一个PWM信号。详细的PWM的产生过程将在控制软件的实现中进一步阐述。

3.5.4 逆变器驱动电路

本次设计使用的IPM模块是使用IGBT作为功率开关元件，IGBT的驱动条件与其特性密切相关。在设计门极驱动电路时应特别注意开通特性，负载短路能力和误触发等问题。对驱动电路总的要求包括以下方面：

(1) IGBT是电压驱动，具有一个2.5～5.0V的开启电压，有一个容性输入阻抗，因此，IGBT对栅极电荷集聚敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短；

(2) 用内阻小的驱动源对栅极电容放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小，IGBT开通后，栅极驱动源应能够提供足够的功率；

(3) GBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，并有极强的抗干扰能力。

DSP芯片输出的PWM信号驱动能力相当弱，不能直接驱动各功率管，必须先将此信号送入到驱动电路，经电气隔离及放大后再去驱动功率器件IPM模块。本文选用了TLP250高速光耦作为放大隔离芯片。TLP250输出采用推拉结构，最大输出电流为1.5A，开关频率最高可达25kHz，上升沿和下降沿时问只有150ns，隔离电压可达2500V。

3.5.5 CAN通信电路

CAN(ControllerAreaNetwork)臣P控制器区域网，是主要用于各种设备监测及控制的一种网络。CAN具有独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强。与传统的通信方法(232、485串口通信)相比CAN具有如下特点：

(1) 结构简单，只有两根线与外部相连，且内部含有错误探测和管理模块；

(2) 通信方式灵活，可以多主方式工作；

(3) 直接通信距离最大可达10km，最高通信速率可达1Mb／s；

(4) CAN采用CRC检验并可提供错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

为了保障逆变系统的正常运行而且可以实时的查看系统运行时的各种状态，实现对系统的智能化管理，系统设计中加入了通信电路模块。本文设计中采用DSP中的CAN通信接口。在实验过程中，可以把控制系统与上位机相连，将系统运行过程中的各个单元的状态发送给上位机，以便设计人员及时找到系统的不足加以改正。同时加入通信接口也是为了以后多台逆变系统并机运行，共同并网发电时系统之间传输一个统一的输出控制，保证各个并联的逆变系统均流输出。

4 光伏并网系统中孤岛效应的仿真实验研究

4.1 孤岛效应的分析

孤岛效应是当电网的部分线路因故障或维修停电时，停电线路由所连的并网系统继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛情况。孤岛效应的检测和防止一般是通过监控并网系统输出端电压的幅值和频率实现的。当电网断开时，由于并网系统的输出功率和负载功率之间的差异会引起并网系统输出电压的幅值或频率发生相当的改变，这样通过监控系统输出的电压就可以很方便地检测出孤岛效应。然而，当负载消耗的功率与光伏系统相匹配的时候，通过这种被动的检测方法检测孤岛效应就会变得困难。当有许多光伏系统同时向电网并网发电时，甚至很多主动检测的方法也失去了效果。实际并网系统中，虽然发生孤岛效应的概率不高，但在光伏并网系统规模越来越大的情况下，这种可能性仍然存在。

逆变器并网运行时，输出电压是由电网电压控制的，并网逆变器能控制的只是并网电流，包括电流幅值、相位和频率。其中频率和相位与电网电压相同，实际系统中一般都是通过与公共耦合点电压过零点同步来实现的，幅值都是根据实际系统来可调的。因为在研究孤岛检测技术时，关心的只是逆变电源的输出特性。所以，在研究孤岛检测技术时，逆变电源可以等效为一个幅值可调、频率和相位都跟踪电网的受控电流源。

孤岛效应的检测和防止一般是通过监控并网系统输出端电压的幅值和频率实现的。当电网断电时，通常由于并网系统的输出功率和负载功率之间的巨大差异会引起系统输出电压的幅值或频率发生很大改变，这样通过监控系统输出的电压可以很方便地检测出孤岛效应。图4-1是用于检测并网逆变器孤岛效应的示意图，它由光伏并网系统、本地负载(使用并联的RLC电路组成)以及电网组成。

图4-1 逆变器孤岛效应示意图

4.2 孤岛效应检测仿真实验

根据本文设计的系统，选用主动频率偏移法来检测孤岛效应。通过周期性扰动系统输出电压频率，当电网断电时，由于没有固定的电网频率，整个系统的输出频将一直升高，最终导致超过频率保护的上限值。在此，我们每个周期给输出电压0．IHz的扰动。整个系统的反孤岛效应的仿真图如图4-2所示。

图4-2 孤岛仿真模型

图4-3 反孤岛效应仿真结果图

从结果我们可以看出，系统在0．1s与电网断开后，输出电压由于没有电网的稳定频率，导致频率越来越大，经过lOOms达到50．5Hz，此时系统的高频保护将检测出系统的频率异常，而将并网逆变器与电网断开。

结 论

本文针对光伏并网系统中的核心问题，对太阳能光伏发电系统用逆变器的关键技术进行了深入的研究，并在此基础上建立起一套相对完善的光伏发电系统用逆变器实验平台。现将本文的主要研究工作总结如下：

(1) 分析了全桥逆变电路的工作原理，研究了直流侧和交流侧滤波器的设计依据，推导并提供了主电路关键参数的计算公式。

(2) 针对逆变器并网运行特点，结合电流控制和电压控制的优点，选用基于DSP的PWM电流电压双闭环控制方法。

(3) 研究了太阳能电池伏．安曲线与逆变器最大功率跟踪技术之间耦合关系，选用电导增量法来实现太阳能电池的最大功率跟踪。

(4) 选用主动频率偏移法作为本系统的孤岛防止方法，并用MATLAB 7．0中Simulink仿真工具对该方法进行了仿真。从仿真结果可知，此方法能够达到反孤岛。

根据系统总体设计要求，开发了基于TMS320LF2407A DSP芯片并网逆变器样机，对其硬件电路及软件程序进行了分模块调试，给出了实验结果。通过分析实验波形，证明了所设计的样机系统在设计思想、实际应用上都是可行的。但一些功能和参数方面仍需许多实验进一步验证和完善，有待于后续者进一步研究和改进。

致 谢

首先我要由衷地感谢我的导师武汉理工大学张立炎副教授，本文是张老师的精心指导和亲切关怀下完成的。在最后一学期期间里，张老师一直在学习、科研、生活各个方面都给予我极大的关怀。在论文的选题、研究方向和研究方案的确立以及撰写的过程中，始终凝聚着张立炎副教授的悉心指导和亲切教诲。

导师为人和蔼而不失严格，其渊博的知识、严谨的治学态度、高度的责任心、精益求精的工作作风、丰富的实践经验给我留下了深刻的印象，半年里一直是激发我奋发向上的动力源泉。在此，谨向导师张立炎副教授表示衷心的感谢和崇高的敬意!

在课题准备和研究过程中，还得到了郭磊老师、徐春燕老师、梅秋艳老师的热心指点，为论文的撰写打下了坚实的基础。对几位老师在百忙之中给予的无私帮助表示深深的谢意。此外，还要感谢季凯健等同学的帮助和支持，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。

在这一学期的时间里他们在生活中始终给予了我无微不至的关心、鼓励我专心完成学业。他们一直是我精神上不竭的动力。感谢所有帮助过我的老师们、同学们和朋友们!

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