单相光伏并网微型逆变器设计

© 2012 Microchip Technology Inc.DS01444A_CN 第 1页AN1444作者：Alex Dumais 和Sabarish Kalyanaraman Microchip Technology Inc.简介风力发电系统和光伏（PV ）发电系统等可再生资源使用方便且前景广阔，在过去几年获得了大量关注。

太阳能系统具有很多优势，例如：•清洁的可再生能源，可替代煤、石油和核能产生的能量•可降低/消除用电费用•用于制造PV 电池板的硅是地球上含量第二多的元素•能够为边远地点提供电能随着晶体电池板制造能力的增强，总体制造成本随之降低，PV 电池板的效率也得以提高，因此近来对太阳能系统的需求不断增长。

使太阳能需求增长的其他原 因包括：PV 技术经过验证且可靠，PV 模块具有30年以上的保修期，以及政府的鼓励措施。

太阳能逆变器系统有两个主要要求：从PV 电池板收集可用能量，以及将与电网电压同相的正弦电流注入电网。

为了从PV 电池板收集能量，需要使用最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking ，MPPT ）算法。

该算法决定了在任何给定时间可从PV 模块获取的最大功率。

与电网接口要求太阳能逆变器系统符合公共事业公司指定的特定标准。

这些标准（如EN61000-3-2、IEEE1547和美国国家电气规范（NEC ）690）涉及电源质量、安全、接地和孤岛情况检测。

太阳能电池的特性要开始开发太阳能微型逆变器系统，了解太阳能电池的不同特性非常重要。

PV 电池是半导体器件，其电气特性与二极管相似。

但是，PV 电池是电力来源，当其受到光（如太阳光）照射时会成为电流源。

目前最常见的技术是单晶硅模块和多晶硅模块。

PV 电池的模型如图1所示。

Rp 和Rs 为寄生电阻，在理想情况下分别为无穷大和零。

图1：PV 电池的简化模型RpRsVoIoPV 电池的表现会因其尺寸或与其连接的负载的类型，以及太阳光的强度（照度）而有所不同。

微型光伏发电逆变器的设计摘要目前，人类社会发展迅速，对能源的需求不断加大，能源危机和环境保护成了21世纪的主题。

太阳能具有无限性，清洁性等特点，如果能加以利用，对人类以后的发展和延续由很重要的意义。

在此背景下，本设计基于TMS320F240对光伏发电并网逆变器做出了分析和研究。

本设计首先介绍了国内外光伏发电的现状，分析了光伏发电的工作原理，然后对主电路结构进行分析和选择，最终确定前级采用Boost升压电路以及后级采用全桥逆变电路，逆变主电路采用无变压器绝缘的两级拓扑结构。

控制方法采用滞环反馈调节。

分析了太阳能电池的工作原理，确定了采用扰动观测法实现最大功率点跟踪（MPPT）的方法。

接着论述了孤岛效应的产生原因和危害，确定了采用周期性扰动正反馈频率漂移(AFDPF)孤岛检测方法。

对系统进行了软硬件的设计，最后利用MATLAB软件对系统部分指标进行了仿真，满足了部分要求。

本次设计能够部分解决地区供电难，社会能源短缺问题，对社会发展和稳定有重大现实意义。

关键词：太阳能，光伏并网逆变器，最大功率点跟踪，孤岛检测，MATLABThe Design of Photovoltaic InverterABSTRACTAt present, the development of human beings growing demand for energy, the energy crisis and environmental pollution have become the theme of this century. In this background, this paper use the solar energy, based on TMS320F240 is designed 800 w miniature grid-connected photovoltaic inverter.At first, this paper analyzes the main circuit structure of system, before the final level using the Boost booster circuit, and the latter adopts full bridge inverter circuit working principle of inverter main circuit adopts the two levels of topological structure of transformer insulation. Then analyzed the working principle of solar cells, determines the disturbance observation method is used to achieve maximum power point tracking (MPPT) method. Then discusses the causes and harm of islanding, determines the periodic disturbance using positive feedback frequency drift island (AFDPF) detection method.Finally, the system hardware and software design, and on the part of the performance of the MATLAB simulation, to verify the part of the performance of the system.KEY WORDS:The solar energy，Photovoltaic grid-connected inverter，Maximum power point tracing，Island detection，MATLAB目录前言 (1)第1章绪论 (2)1.1 微型光伏发电逆变器国内外研究动态 (2)1.2 选题的依据和意义 (2)1.3 基本内容和解决重点问题 (3)1.4 研究进度 (3)1.5 主要内容 (3)第2章控制系统总体设计 (4)2.1 光伏逆变系统的工作过程 (5)2.2 光伏并网逆变系统的性能指标和参数要求 (6)2.2.1 逆变器性能指标 (6)2.2.2 逆变器参数要求 (6)2.3 光伏并网逆变系统的控制方案 (7)2.3.1 系统的整体控制方案 (7)第3章控制系统硬件设计 (10)3.1 控制系统的整体构成 (10)3.2 控制系统中变量分析 (10)3.2.1 变步长扰动观察法实现最大功率点跟踪 (10)3.2.2 孤岛效应及其检测方法 (12)3.3控制系统中所用硬件设备的选择 (13)3.3.1 Boost电路设计 (13)3.3.2 逆变电路设计 (15)3.3.3 驱动电路的设计 (17)3.3.4 控制电路的设计 (18)第4章控制系统的软件设计 (19)4.1 MATLAB简介 (19)4.2控制系统整体设计 (20)4.3 DSP 锁相环节软件设计 (20)第5章系统仿真 (22)5.1电流跟踪型逆变器仿真 (22)5.2光伏阵列的仿真 (25)5.3扰动观察法模型仿真 (28)第6章总结与展望 (31)6.1本设计主要完成的工作 (31)6.2控制系统的性能和优缺点 (31)6.3控制系统设计过程中的技术难点 (32)6.4控制系统还需改进的地方 (32)谢辞 (33)参考文献 (34)外文翻译资料 (36)前言本课题主要针对目前能源问题而设计，能源问题一直关乎人类生存和发展，是人类能否延续下去的关键。

单相光伏并网逆变器的设计
在设计单相光伏并网逆变器时，首先要确定逆变器的额定功率。

根据
光伏电池板的额定功率和数量，可计算出所需的逆变器功率。

此外，还需
要考虑逆变器的最大功率点跟踪（MPPT）性能，确保在不同的光照条件下
能够实时追踪光伏电池板的最大功率点，以提高系统的效率。

接下来，需要选择合适的逆变器拓扑结构。

目前常用的拓扑结构有单
级逆变器和多级逆变器。

单级逆变器结构简单，但效率较低，适用于小功
率应用；而多级逆变器结构复杂，但效率较高，适用于大功率应用。

根据
实际需求来选择适合的拓扑结构。

另外，在设计过程中还需要考虑到逆变器的控制策略。

一种常用的控
制策略是相位锁定环路（PLL）控制。

PLL控制可以确保逆变器输出的交
流电与公共电网同步，以避免发生干扰或相位不匹配。

此外，还需要考虑
到电流控制、电压控制、频率控制等方面的控制策略。

同时，逆变器的可靠性也是设计过程中需要考虑的重要因素。

在设计
中应选择可靠性较高的元件和材料，同时进行充分的散热设计，以确保逆
变器在长时间运行时不会过热受损。

最后，还需要在设计中考虑到逆变器的通信接口和监控系统。

逆变器
通常需要具备与电网通信以实现并网功能，并提供与用户的通信以方便监
控运行状态和故障诊断。

综上所述，单相光伏并网逆变器的设计需要考虑到逆变器的额定功率、拓扑结构、控制策略、可靠性以及通信接口等因素。

只有在全面考虑这些
因素的前提下进行设计，才能确保逆变器的性能和可靠性，并实现可持续
发展。

0 前言光伏发电是近年来迅猛发展的新能源技术。

它以取之不尽用之不竭，干净环保无污染的优点而获得社会一致认可，西方发达国家的光伏产业一直遥遥领先，我国在这方面还有一定差距，所以我国光伏市场仍然有着巨大的发展空间。

逆变器为光伏发电技术的最核心部分之一，目前正向着数字化、模块化、高频化、高可靠性发展。

本文以单片机为控制主体，设计了一款小功率单相光伏逆变器。

1 整体方案设计设计一个小功率单相光伏逆变器，其电压输出波形为正弦波。

设计中的主电路采用光耦隔离DC-DC 和DC-AC 技术，前级控制部分采用UC3843产生PWM 对Boost 升压电路进行控制。

后级控制是由单片机生成两路SPWM 波，利用光耦TLP250对逆变功率元件MOS 管的驱动脉冲控制，使其输出为交流正弦波稳压的光伏逆变器。

Boost 直流升压变换器。

电路中的升压电感L 起到了反复充放能量的作用，当升压电感L 储能后于输入电压叠加使输出电压升高，而电容C 在电路中起到作用：一种滤波，二种储存能量。

通过改变功率开关管的导通和关闭时间到达控制输出电压的效果。

该直流升压电路的优势为其结构较为简单，损耗较小，输出效率较高。

电路中MOS 管Q1Q3和Q2Q4分别为两对同时导通的功率开关，从而同侧Q1Q2和Q3Q4分别两个功率管交替导通组Absrtact: Based on single-chip computer, this paper designs a low-power single-phase photovoltaic inverter. The input of the inverter is 12V photovoltaic battery pack, and the output of the inverter is 24V, 50Hz standard sinusoidal AC. In the control circuit, the front Boost boost circuit is controlled by UC3843 chip with quasi-closed-loop voltage stabilization feedback; in the inverter part, the driver chip TLP250 high-speed optocoupler is used to isolate the whole bridge inverters, and the single chip IAP15F2K61S2 is used to generate SPWM wave and its dead zone. , timing control, the output voltage of the later stage is sampled and fed back by a small power frequency transformer, and then the ADC of the single chip iap15f2k61s2 is stabilized to form a double feedback link, which increases the stability of the photovoltaic inverter; the output current of the later stage is sampled and fed back by acs712 chip to achieve overload and short circuit protection. Using the internal resources of single chip IAP15F2K61S2, the multi-functional protection circuits such as input voltage overvoltage/undervoltage protection and overheat protection for photovoltaic battery pack are realized, which enhances the reliability and safety of the inverter. LCD1602 LCD screen and acousto-optic alarm circuit are used to realize the whole machine working condition display, fault display and alarm. Key words :photovoltaic;single-phase inverters;Boost;SPWM;IAP15F2K61S2基金项目：湖北省教育厅科学技术研究计划项目（B2017336）。

光伏并网微逆变器的设计随着全球可再生能源发电量的增加，光伏技术已经成为可再生能源的主要来源之一。

光伏发电装置将太阳能转换为电能。

然而，没有负责将直流电能转换为交流电能的设备，光伏发电就无法进入电网。

因此，并网微逆变器变得日益重要，进行光伏并网微逆变器的设计成为当务之急。

光伏并网微逆变器有很多优势。

它可以有效地调节直流电力系统的电压，并可用于调节网络电压的湿度和频率，以及抗暂态和瞬态故障。

此外，它也可以将太阳能利用最大化，并使用高效率转换系统和保护系统，具有良好的容量溢出、节能和可靠性。

为了设计出一个微逆变器，必须先明确几个重要的因素，包括输出电压、输出功率、输出频率、电源噪音以及输出电流。

此外，还要考虑到散热、热损失、过载、湿度、电路拓扑等因素。

首先，要选择满足应用条件的变换器类型。

其次，根据电路设计计算出元件的尺寸、位置和电容，以及散热系统和过载保护系统，确定输出电压。

最后，根据实际情况，验证设计方案，如果有必要，对设计方案进行修改。

为了验证设计的可行性，必须对其进行实际测试。

该测试的目的是确定微逆变器的参数，并验证它的性能、可靠性和安全性。

在验证阶段，需要测量微逆变器的电压、电流和频率，测定它的输入功率和输出功率，测量它的散热效果和温升，以及测量电磁干扰、抗干扰能力和抑制能力。

最后，需要对设计的微逆变器进行实际的实施，并对其进行完整的调试。

首先，根据输出电压、功率和负载等因素，选择合适的变压器和电感。

其次，测量电路中各种电压、电流和频率，使其符合设计要求。

最后，针对微逆变器的接入以及安装、维护和故障排除等方面，进行相关设计。

因此，要完成光伏并网微逆变器的设计，需要从变换器类型的选择，到元件尺寸、散热、实验测试、调试等多方面进行设计。

只有综合考虑这些方面的因素，才能有效设计出满足要求的微逆变器。

单相太阳能并网逆变器SPWM发生器设计1 实验目的(1) 学会使用高级控制定时器；(2) 理解SPWM波形的产生原理。

2 实验任务(1) 对信号发生器的正弦信号进行频率和相位跟踪，调整SPWM波的频率、相位与其一致，模拟实现逆变并网；(2) 编写函数实现载波频率，正弦频率调节等功能的SPWM波输出控制指令。

3 实验说明(1)TIM1和TIM8简介高级控制定时器(TIM1和TIM8)由一个16位的自动装载计数器组成，它由一个可编程的预分频器驱动。

它适合多种用途，包含测量输入信号的脉冲宽度(输入捕获)，或者产生输出波形(输出比较、PWM、嵌入死区时间的互补PWM等)。

使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微秒到几个毫秒的调节。

高级控制定时器(TIM1和TIM8)和通用定时器(TIMx)是完全独立的，它们不共享任何资源，可以同步操作。

(2)TIM1和TIM8主要特性16位向上、向下、向上/下自动装载计数器●16位可编程(可以实时修改)预分频器，计数器时钟频率的分频系数为1～65535之间的任意数值● 多达4个独立通道：─ 输入捕获─ 输出比较─ PWM生成(边缘或中间对齐模式)─ 单脉冲模式输出● 死区时间可编程的互补输出● 使用外部信号控制定时器和定时器互联的同步电路● 允许在指定数目的计数器周期之后更新定时器寄存器的重复计数器● 刹车输入信号可以将定时器输出信号置于复位状态或者一个已知状态● 如下事件发生时产生中断/DMA：─ 更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化(通过软件或者内部/外部触发)─ 触发事件(计数器启动、停止、初始化或者由内部/外部触发计数)─ 输入捕获─ 输出比较─ 刹车信号输入● 支持针对定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路● 触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理(3)SPWM波形的产生原理SPWM全称正弦脉冲宽度调制技术，是用一系列等幅不等宽的脉冲等效正弦波。

单级式单相太阳能光伏并网逆变系统的设计摘要：转换效率是太阳能光伏并网逆变系统的关键技术问题。

当前，多级式变换的拓扑结构多被系统采用，尽管其结构控制较为简单，但由于变换级数的增加，难于提高该结构的转换效率。

因此，拥有高效低功耗、高可靠性、电路简单等诸多优点的单级式拓扑结构越来越成为太阳能光伏并网逆变系统设计的第一选择。

关键词太阳能；光伏；单级式拓扑结构；并网逆变系统；滤波近年来，为缓解常规能源消耗和能源结构不合理等问题，太阳能光伏发电作为新能源核心产业发展迅速，且逐渐以供应分布式能源的主体为目标。

并网系统与独立系统是太阳能光伏发电系统的两种主要方式，而并网系统主要被作为分布式或者集中式的太阳能发电站来应用。

光伏发电系统的储能设备使用的是蓄电池，并不与电网直接连接，白天储存其太阳能电池需要输出的电能，而夜晚向供电负荷直接提供电力。

本文就单级式单向太阳能光伏并网逆变系统进行分析讨论。

因单级式太阳能光伏并网逆变系统在控制时既要对并网电流的相位和幅值进行控制，且还要对太阳能电池最大功率点进行跟踪，因此，提高系统工作安全性和稳定性及整个系统的工作效率，是目前太阳能光伏并网逆变系统中主要面对的问题。

另外，由于控制系统相对复杂实际应用中较少采用该拓扑结构。

但与多级式系统相比，单级式系统工作效率要高许多，而工作效率是太阳能光伏发电系统中极其关键的。

随着现代数字信号处理技术以及电力电子技术的迅猛发展，克服系统拓扑结构带来的控制难题也成为可能。

1设计MPPT控制方案日照温度和强度会对光伏阵列的开路电压和短路电流造成影响，如带来系统效率降低等问题。

为了对太阳能进行充分利用，MPPT方式必须应用于并网逆变系统中，以便于在任何环境下，光伏阵列能够得到最大功率输出。

虽然有诸多光伏阵列的最大功率跟踪方法，但现阶段应用较多的有：模糊控制法、间歇扫描法、电导增量法、扰动观测法、恒定电压法等。

方法各有千秋，具体应用时要根据系统所处环境进行选择。

武汉科技学院毕业设计（论文）任务书课题名称：单相光伏并网逆变器的设计完成期限：院系名称电子信息工程学院指导教师专业班级指导教师职称学生姓名院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字一、课题训练内容(1)通过毕业设计培养学生综合应用，巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、使用计算机解决实际问题的能力。

(2)通过毕业设计，培养学生正确的设计思想、理论联系实际的工作作风、严肃认真的科学态度、团结协作的团队精神；(3)训练收集查找太阳能光伏发电系统的中外文专业资料的阅读与翻译能力；(4)学习相关的背景知识，了解、熟悉单相光伏并网逆变器的工作原理及其结构。

(5)训练方案选择和比较能力；(6)训练工程设计及实验研究能力；(7)训练计算机编程及应用能力，提高学生计算机软件、硬件和应用系统设计和开发的能力；(8)通过对已完成的工作进行整理，以及毕业设计论文的撰写和毕业答辩，使学生的书面和口头表达能力得到进一步的训练和提高。

二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求）(1)设计任务：主要研究单相光伏并网逆变器的设计以及相关电路实现。

(2)设计要求：①提交开题报告一份，提交时间3月20日左右，字数在2000～3000 字之间，内容需包含课题意义，所属领域的发展状况，本课题的研究内容、研究方法、研究手段和研究步骤以及参考书目等；②提交毕业设计论文一份，正文不得少于 10000 字，按照武汉科技学院毕业设计模版格式要求规范撰写；③翻译一篇与本课题相关的英文专业资料，其对应的中文翻译不得少于3000 字；④绘制各电路单元电路图，并做相关分析，说明；⑤做出相关底层软件的流程、框图，以及相关程序并在条件允许的情况下做出相应程序的软件仿真。

三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料主要参考资料：[1] 杨军.太阳能光伏发电前景展望[J].沿海企业与科技，2005(8).[2] 林勇.太阳能光伏并网发电系统[J].上海电力，2005(1).[3] 赵玉文.21世纪我国太阳能利用发展趋势[J].中国电力，2000(9).[4] 杨海柱，金新民.最大功率跟踪的光伏并网逆变器研究[[J].北方交通大学学，2004(4).[5] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社，2003.[6] 程曙，徐国卿.SPWM逆变器死区效应分析[J].电力系统及其自动化学报，2002(2).[7] 张雄伟，曹铁勇.DSP芯片的原理与开发应用[M].北京:电子工业出版社，2000.[8] 王念旭.DSP基础与应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社，2001.[9] 杨海柱，金新民.最大功率跟踪的光伏并网逆变器研究[J].北方交通大学学报2004,28(2).[10] 陈兴峰，曹志峰，许洪华等.光伏发电的最大功率跟踪算法研究[J]。

光伏并网微逆变器的设计
1 光伏并网微逆变器简介
光伏并网微逆变器（Grid-tied Micro Inverter）是一种用于开
放式光伏系统的新型变换器，可以准确地将由多路太阳能单元收集的
直流能量转换为平衡的交流电能，然后将其输入到电网或本地负载中。

本设计的微逆变器的目的是研发一种适用于开放式光伏系统，可以实
现最优性能、最低成本以及最短运行时间的设备。

2 微逆变器设计原理
微型逆变器的设计原理是利用其底层发电系统“多路太阳能细胞”（Multi-junction Solar Cells）以及每个太阳能细胞交流输出最优
性能的控制逻辑。

首先，每个太阳能细胞根据其能量来划分不同等级；然后，不同等级的太阳能细胞会产生不同的相位和功率；最后，对于
每个太阳能细胞的相位和功率，根据功率曲线分析及最优化算法，以
及直流母线输出功率最大化，从而使发电系统输出最大功率。

3 硬件要求
微型逆变器硬件系统包括控制器和变换器。

控制器通过调节DC母
线及太阳能单元输出电流来实现最优化的输出效果，而变换器则利用
半导体元件的高速PWM技术来输出 AC 脉冲信号，使得逆变器能够精
确通过调节脉冲宽度调控 AC 电压，而不受 AC 电压的范围限制。

4 其他考虑因素
在微逆变器的设计中，除了硬件设计外，还必须考虑应用场景周围环境因素，比如温度等，否则可能会对设备造成严重损害。

此外，对微型逆变器的设计还需要考虑其安全性问题，即放电防护及湿度防护等，确保微逆变器的安全工作。

5 结论
由于光伏并网微逆变器能够极大提高开放式光伏系统的性能以及效率，因此本设计的微型逆变器将成为未来光伏系统中不可或缺的组成部分。