离网光伏发电毕业论文-光伏离网逆变器中逆变电路的设计(编辑修改稿)

离网光伏发电毕业论文-光伏离网逆变器中逆变电路的设计(编辑修改稿)内容摘要：

，并需定期更换蓄电池等缺点。 3 光伏电池 光伏电池的工作原理 在光伏发电系统中，光伏电池般是实现光能转换成电能的器件，光伏电池阵列是多个特性相同的电池单体经过串并联后构成的，一是由半导体材料制成的，其特性与二极管类似。 光伏电池单体实际上是一个 PN 结， PN 结处于平衡状态时，中间处有一个耗散层存在着势垒电场，形成了方向由 N 指向 P 区的电场。 当太阳光照射到 PN 结时，就会产生一定量的电子和空穴对， N 区就有过剩的电子，这样就形成了光生电动势，其方向与势垒电场方向相反。 光生电动势使 P 区和 N区分别带正负电，从而产生光生伏特效应。 这样如果用导线连接两个电极，就会有“光生电流”流过，从而产生电能。 光伏电池的分类 光伏电池多用于半导体固体材料制造，也有用半导体家电解质的光电化学电池，发展至今种类繁多，无论采用何种材料生产光伏电池，它们对材料的一般要求是：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定。 按电池结构分类如下。 （ 1）异质结 光伏电池。 由两种不同禁带宽度的半导体材料构成，在相接的界面上形成一个异质 PN 结。 像硫化亚铜光伏电池、硫化镉光伏电池都为异质结光伏电池。 （ 2）同质结光伏电池。 在同一个半导体材料构成一个或多个 PN 结。 像砷化镓光伏电池、硅光伏电池都为同质光伏电池。 （ 3）肖特基光伏电池。 指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的光伏电池（又称 MS 光伏电池）。 其原理是基于在一定条件下金属 — 半导体接触时产生类似于 PN 结可整流接触的肖特基效应。 这种结构的电池现已发展成为金属 — 氧化物 — 半导体光伏电池（ MOS 光伏电池）、金属 — 绝缘体 — 半导体光伏电池（即 MIS 光伏电池）等。 （ 4）薄膜光伏电池。 指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料扑在非报道提的衬底上而构成的光伏电池。 这种光伏电池大大地减少半导体材料的消耗（薄膜厚度以 μ m计）从而大大地降低了光伏电池的成本。 可用于构成薄膜光伏电池的材料有很多种，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化镉以及 CIS 等，其中以多晶硅薄膜光伏电池性能较优。 （ 5）叠层光伏电池。 指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池。 鉴于波长短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特点，充分利用太阳光中不同波长的光，通常是让波长最短的光线被最上边的宽禁带材料电池吸收，波长较长的光线能够透射进去让下边禁带较窄的材料电池吸收，这就有可能最大限度地将光能变成电能。 （ 6）湿式光伏电池。 指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液而构成的光伏电池。 这种形式的电池不但可以减少半导体材料的消耗，还未建筑物和太阳能应用的一体化设计创造了条件。 按电池材料分类： （ 1） 硅光伏电池：包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。 其中单晶硅材料结晶完整，载流子迁移率高，串联电阻小，光电转换效率高，可达 20%左右，但成本比较昂贵。 多晶硅材料晶体方向无规律性。 由于在这种材料中的正负电荷有一部分会因晶体晶界连接的不规则性而损失，所有不能全部被PN 结电场分离，使之效率一般要比单晶硅光伏电池低。 但多晶硅光伏电池成本较低。 多晶硅材料又分为带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种类型。 用它们制造的光伏电池又分为薄膜和片状两种。 而非晶硅光伏电池是采用内部原子排列“短程有序而长程无序”的非晶体 硅材料（简称 α — Si）制成。 非晶硅材料基本被制成薄膜电池形式。 其造价低低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅光伏电池，目前主要用于弱光性电源，如手表、计算器等的电池。 （ 2）非硅半导体光伏电池。 主要有硫化镉光伏电池和砷化镓光伏电池。 硫化镉分单晶或多晶两种，它常与其他半导体材料合成使用，如硫化亚铜 /硫化镉光伏电池、碲化镉 /硫化镉光伏电池、铜铟硒 /硫化镉光伏电池等。 而砷化镓具有较好的温度特性，理论效率高，较适合于制成太空光伏电池。 即采用同质结形式也可以采用异质结形式，既可采用单晶切片结构也可采用薄膜结构 以制成光伏电池。 （ 3）有机半导体光伏电池：用含有一定数量的碳 — 碳键，导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成。 其特点是转换效率低、价格便宜、轻便，易于大规模生产。 基于 DSP 的控制系统硬件设计 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、坑干扰能力强、设备尺寸小、性能稳定等优点，所以目前大多设备采用数字技术设计实现。 本设计采用 TI公司推出的 TMS320F2812芯片。 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 [11]。 DSP 概述 一、 DSP 内部结构 TMS320F2812 处理器有较高的运算精度（ 32 位）以及系统的处理能力（达到150MIPS）。 这种芯片集成了 128KB 的 Flash 储存器， 4KB 的引导 ROM，数学运算表以及 2KB 的 OTPROM，因此能够大大改善其应用的灵活性。 其功能结构框如图 所示。 图 DSP内部结构 通过 DSP 的结构可以归纳出 DSP 的以下特点： COMS 技术，主频达 150MHz（时钟周期 ）、功耗低、 Flash 编程电压为。 JTAG 边界扫描接口。 32位 CPU，哈佛结构、快速中断响应和处理能力、统一寻址模式、高效的代码转换功能。 ，最多达 128K 16 位的 Flash 存储器。 引导（ BOOT） ROM,外部存储器扩展接口。 ，支持动态改变锁相环节的倍频系数、片上振荡器、看门狗。 三个外部中断，外设中断扩展模块（ PIE）支持 45 个外设中断、三个 32 位CPU 定时器、 128位保护密码。 ，每一个事务管理器包括：两个 16 位的通用定时器； 8通道 16 位的 PWM；不对称、对称或者四个矢量 PWM 波形发生器；死区产生和配置单元；外部可屏蔽功率或驱动保护中断；三个完全比较单元；三个捕捉单元，捕捉外部事件；同步模数转换单元。 ，串行外设接口（ SPI）、两个 UART 接口模块（ SCI）、增强的 接口模块、多通道缓冲串口（ McBSP）。 位模数转换模块， 2 8 通道复用输入接口、两个采样保持电路、单 /连续通道转换、流水线最快转换周期为 60ns,单通道最快转换周期 200ns、可以使用两个事件管理器顺序触发 8 对模数转换。 56 个可配置通用目的 I/O 引脚，先进的仿真调试功能，低功耗模式和省点模式。 二、 DSP 外围设备 TMS320F2812 数字信号处理器集成了很多内核可以访问和控制的外部设备，内核 需要某种方式来读 /写外设。 因此， CPU 将所有的外设都映射到了数据存储器空间。 每个外设被分配一段相应的地址空间，主要包括配置寄存器、输入寄存器和状态寄存器。 DSP 外设部分的连接如图。 图 DSP外围设备 DSP 系统硬件电路设计 一、时钟晶振电路和复位电路 通过晶振电路的作用为 DSP 系统提供基本的时钟信号。 为了节约成本，利用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。 无源晶振需要借助 于时钟电路才能产生振荡信号相对于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，更换不同频率的晶体时周边配置电路需要相应的调整。 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。 其电路连接如图。 图 DSP芯片和时钟晶振 通过按钮实现复位操作。 当按钮 S10 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。 其电路原路如图。 图 二、 JTAG 接口电路和辅助电源 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，其连接如图。 图 JTAG接口电路 TMS320F2812 采用了双电源供电机制，以获得更好的电源性能，其工作电压为 和。 其中， 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 供电相比， 供电大大降低功耗。 外部接口引脚仍然采用 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 和 ，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。 图 辅助电源电路 三、 2路串行通信 SCI 接口电路和 A/D 转换电路 2 路串行通信接口（ SCI）是采用双线通信的异步 串行通信接口，即通常所说的 UART 口。 为了减少串口通信时 CPU 的开销， TMS320F2812 的串口支持 16级接受和发送 FIFO。 SCI 模块采用标准非归 0数据格式，可以与 CPU 或其他通信数据格式兼容的异步外设进行数字通信。 当不使用 FIFO 时， SCI 接收器和发送器采用双级缓冲传送数据， SCI 接收器有自己的独立使能和中断位，可以独立操作，在全双工模式下也可以同时操作。 其接线如图 所示。 图 2路串行通信 SCI接口 A/D转换调理电路是用来把采集到的信号转换成 TMS320F2812芯片所能识别的工作数 字信号。 通常模拟信号的采集需要用到电压互感器、电流互感器、压力传感器、霍尔元件等把大的信号转化为弱电信号，然后经过调理电路才能送入DSP。 A/D 转换调理电路与 DSP 的连接如图 所示。 图 A/D转换电路 四、电平转换和缓冲电路 在新一代电子电路设计中 ， 随着低电压逻辑的引入 ， 系统内部常常出现输入/输出逻辑不协调的问题 ， 从而提高了系统设计的复杂性。 例如 ， 当 的 数字电路 与 工作 在 的模拟 电路 进行 通信 时 ， 需要首先解决两种 电平 的转换问题 ，这时就需要电平转换器。 由于 TMS320F2812采用的是 ，所以 MAX202E与 TMS320F2812 芯片之间必须加电平转换电路。 电平转换电路与 DSP之间的连线如图 所示。 图 缓冲电路的作用是用来解决电路中信号可能受到大的干扰，产生大的脉冲波，用来消除干扰，减少对控制芯片内部器件冲击，其连接电路如图 所示。 图 五、片外扩展 RAM 由于本设计中的 DSP 采集的数据较多，对处理存储容量有一定的要求，所以需要外接一块 RAM 来扩展容量。 本设计选用 CY7C1021（ 64K）的片外 RAM，只需将它的 A0A15 引脚直接和 DSP 的 XA0XA15 数据线相连， IO0IO15 与 DSP 的XD0XD15 地址线相连。 其余管脚的连接如图。 图 RAM 4 主电路拓扑及电路主要参。