基于双核控制器的单相光伏并网逆变器研究

论文摘要

光伏发电作为储量巨大、清洁无污染的新能源具有广阔发展前景。光伏并网逆变器是光伏发电系统中重要组成部分,中小功率的户用型单相光伏并网逆变器因投资小、使用灵活和适应性强等优点可应用在家庭、公司等诸多场合实现光伏发电,是普及光伏发电的重要手段。控制器作为其核心部件,决定了光伏并网逆变器的性能与成本。光伏并网逆变器中的关键技术包括电网电压的锁相控制技术、最大功率跟踪技术和孤岛检测技术。本文对此进行了原理性说明,并详细介绍了当前的一些设计方法,同时结合中小功率光伏并网逆变器的特点给出了设计方案和优化思路。阐述了光照突变和阴影遮蔽情况下带来的最大功率跟踪误判的原因,在传统扰动观察法的基础上,提出了带有功率预测和阴影判断的优化算法。针对两级式单相光伏并网逆变器,本文阐述了其工作原理和控制策略。设计了一种双电感式的高增益Boost电路作为逆变器的前级DC-DC变换器,可使系统在较宽的输入电压范围内正常工作。详细分析了后级DC-AC电流内环和电压外环的数学模型与PI校正设计方法,并进行了仿真验证。给出了电网电压前馈、电流预测、直流分量抑制等优化算法。本文选择IRMCF143芯片作为系统的控制器,它是一款片上集成了双核处理器的逆变专用控制器。详细介绍了该控制器的内部结构与运行机制,并给出了通过该控制器进行800W单相光伏并网逆变器系统开发设计的流程与方案,通过控制器内部MCE处理器部分与8051处理器部分相对独立而又有机结合的设计方式,实现了系统性能与成本及开发周期的优化。最后对系统硬件电路进行了设计,搭建了光伏并网逆变系统实验平台,实现了并网运行。对实验波形和结果进行了记录和分析,逆变器性能达到预期指标,额定功率运行时THD小于4%,效率高于93%,同时实现了设计方案中的各项功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 能源危机与光伏发电
• 1.1.2 本课题的研究意义
• 1.2 国内外光伏发电的发展概况
• 1.2.1 国内外光伏产业发展概况
• 1.2.2 国内外光伏并网逆变器发展概况
• 1.3 光伏并网逆变器介绍
• 1.3.1 逆变器与光伏阵列的组合方式
• 1.3.2 光伏并网逆变器中的控制器
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 光伏并网逆变器中的关键技术
• 2.1 引言
• 2.2 电网同步锁相技术
• 2.2.1 并网逆变器中的锁相技术
• 2.2.2 电网同步锁相设计
• 2.3 最大功率跟踪技术
• 2.3.1 光伏电池模型与特性曲线
• 2.3.2 MPPT 控制方法介绍
• 2.3.3 最大功率跟踪的误判与解决
• 2.3.4 最大功率跟踪算法设计
• 2.4 孤岛效应检测技术
• 2.4.1 孤岛效应的产生与危害
• 2.4.2 孤岛效应的检测方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 单相并网逆变器原理与控制
• 3.1 光伏并网逆变器拓扑及原理
• 3.1.1 单相光伏并网逆变器拓扑与原理
• 3.1.2 脉宽调制技术在逆变器中的应用
• 3.2 单相光伏并网逆变器控制方法研究
• 3.2.1 控制目标与控制策略
• 3.2.2 电流内环设计
• 3.2.3 电压外环设计
• 3.2.4 MATLAB/Simulilnk 下系统仿真
• 3.3 控制算法的优化设计
• 3.3.1 电网电压前馈补偿
• 3.3.2 电流预测算法
• 3.3.3 直流分量的抑制
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于双核控制器的系统设计
• 4.1 总体设计方案
• 4.2 IRMCF143 控制器
• 4.2.1 IRMCF143 内部结构与运行机制
• 4.2.2 IRMCF143 开发流程
• 4.3 MCE 与8051 处理器的开发设计
• 4.3.1 双核处理器的任务分配
• 4.3.2 MCE 处理器的开发设计
• 4.3.3 8051 处理器的开发设计
• 4.3.4 系统故障的诊断与处理
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验平台的搭建与结果分析
• 5.1 系统硬件电路设计
• 5.2 滤波器参数设计
• 5.3 实验平台的搭建
• 5.4 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢