小型独立光伏发电系统逆变器的设计设计+开题+综述.docx

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小型独立光伏发电系统逆变器的设计设计+开题+综述

BIYESHEJI

（二零届）

小型独立光伏发电系统逆变器的设计

所在学院

专业班级电气工程及其自动化

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

摘要

随着石油、煤和天然气等主要能源日益减少，新能源的开发利用越来越引起人们的关注。

太阳能作为新能源的一种是非常理想的清洁能源，近年来，由于能源问题和气候问题日益突出，太阳能的应用与普及得到了很大的发展。

我国的太阳能资源丰富，为太阳能的开发利用创造了有利条件。

为了充分利用太阳能电池的输出能量，应采用高效的电力电子装置，对太阳能电池输出地能量形式进行变换。

本文在直流升压环节采用Boost电路，在逆变环节SPWM全桥逆变技术，有助于降低系统体积并调高系统效率。

整个设计分为硬件和软件设计两部分，其中硬件分为直流升压环节和逆变环节。

最后，本设计给出了仿真电路和仿真结果，得到了预期的结果。

关键字：

光伏发电，逆变器，SPWM，升压电路

Thedesignofinvertersinsmallstand-alonePVsystems

Abstract

Withtheincreasingdecreaseofmainenergysuchasoil,coalandgas,thedevelopmentandutilizationofnewenergydrawpeople’smoreandmoreattentions.Solarenergyasoneofnewenergiesisaverydesirablecleanenergy.Recentyears,becauseoftheenergyandclimateproblemsbecomingoutstanding,theutilizationandpopularizationofsolarenergyacquireamazingdevelopment.Therichsolarenergyinourcountrycreatesadvantagesforthedevelopmentandutilizationofsolarenergy.Inordertofullyutilizetheoutputenergyofsolarbatteries,soweshouldusehighefficientpowerelectricsdevicesandinverttheoutputofsolarbatteries.

ThepaperusedtheBoostcircuitasdirectcurrentboostingpartandusedtheSPWMfullbridgeinverttechnologyininvertingpartinordertodecreasethesystemsizeandimprovetheefficiency.Thewholedesigncandividetwoparts,oneisthehardware,theotherissoftware.Inthehardwarepart,wecandividedirectcurrentbootingpartandinvertingpart.Atlast,Igotthesimulationresultsandpredictableoutcome.

Keywords:

photovoltaicsystem,inverter,SPWM,Boostcircuit

1绪论

进入21世纪，人类对能源的关注越来越大，能源成为制约人类社会快速发展的一个重要原因。

太阳能作为未来的能源是一种非常理想的可利用新能源，近年来由于人们对能源、环境问题的日益关注，太阳能的应用与普及越来越受到人们的重视，应用领域也越来越广泛。

我国的太阳能资源丰富，为太阳能的利用创造了有利条件。

根据太阳能的特点和世纪应用的需要，目前太阳能发电分为光热发电的光伏发电。

通常说的太阳能发电是指太阳能光伏发电[1,2]。

1.1太阳能及其开发背景

太阳的基本结构是一个由炽热气体构成的球体，主要有氢和氦组成，其中氢占80%，氦占19%。

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。

据计算，太阳辐射每秒抵达地球表面的能量高达8.0×1013kW，相当于550万吨标准煤燃烧产生的能量。

地球每年接收的太阳能相当于目前地球上每年燃烧的固、液、气体燃料产生的能量的2000倍左右，太阳能资源总量相当于现在人类所利用能源的1万多倍。

地球上的风能、谁能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等），从根本上说也是自远古以来储存下来的太阳能。

广义的太阳能所包括的范围非常广，下一的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换[3,4]。

在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。

这些化石能源本质上是数万年前甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源储存到古生物中，经沧海桑田的变化而演化成今天地球上的能源矿藏。

它们是古生物化石的特殊形态。

经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已被消耗了相当比例。

随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。

随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。

在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：

石油可采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。

可见，化石能源的可开采量已经是屈指可数了。

中国的能源资源储量情况更是危机逼人。

按2000年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。

中国能源剩余可开采总储量的结构为：

原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。

我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年。

中国各种一次能源的探明剩余储量（以储/采比表示）与世界的比较见图1-1所示

图1-1一次能源的探明剩余储量比较

由此可见，除太阳能以外，中国各种一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临更严重的挑战[4,6,7,8]。

研究和时间表明，太阳直接辐射到地球的能量丰富，分布广泛，可以再生，不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。

根据国际权威机构的预测，到21世纪50年代，即2050年，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的13%~15%之间，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于50%，如表1-1所示

表1-1可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例（%）

时段

2000

2010

2020

2030

2040

2050

日本预测

可再生能源

19.4

20.2

23.5

33.6

42.7

53.4

太阳能

-

-

-

1.9

7.9

13.5

Shell预测

可再生能源

18.3

22.2

20.9

32.3

43.3

54.6

太阳能

-

-

-

2.6

8.4

14.9

平均

可再生能源

18.9

21.2

22.2

33

43

54

太阳能

-

-

-

2.3

8.2

14.2

可以看到，太阳能将是目前大量应用的化石能源的主要替代能源之一，所以要大力开发太阳能，缓解人类的能源危机[1,2]。

1.2独立光伏发电系统的简介

独立光伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池组、MPPT控制器、逆变器、直流负载、交流负载等主要部分组成。

图1-2独立光伏发电系统构成图

1.3国内外光伏发电发展现状与趋势

国际上太阳电池的研究与开发具有领先地位的主要是德国、日本、美国、澳大利亚等发达国家。

澳大利亚以新南威尔士大学的马丁教授为代表，在单晶硅太阳电池研究上居世界领先地位，近年来首次提出了第三代太阳电池的概念，为太阳电池的发展做出了很大的贡献。

从太阳电池产业和利用来看，日本、德国、英国、美国和西班牙发展很快。

2004年世界十大太阳电池厂名单可见表1-2。

中国有两家企业并列第十名[5]。

其中日本的太阳电池产业实力雄厚，有4家企业名列其中，其中两家企业分享第一、第二位置。

德国有两家企业，分别处于并列第四和第八名。

美国的AP（GE收购）和法国的Photowatt（加拿大收购）已经不在十大名单之列。

德国的Q-Cells是非常成功的企业之一，该厂只生产太阳电池，而且一开始就定位于大尺寸、超薄的多晶硅片，同时保持较高的电池转换效率。

我国的尚德（Suntech）是发展历史较短的企业，但已急起直追，在2004年生产了35MW太阳电池，为我国太阳电池工业的发展做出了重要贡献。

表1-2世界十大太阳电池厂2003~2005年产量与排名

生产厂

2003年

2004年

2005年

2003~2004年

Sharp

1,197.926.4%

1,324.025.8%

排名不变比例下降

Kyocera

2,72.09.6%

2,105.08.3%

排名不变比例下降

BPSolar

3,69.39.2%

3,846.8%

排名不变比例下降

MitsubishiElectric

6,42.05.6%

4,756.0%

上升2名比例上升

Q-Cells

9,28.23.8%

4,756.0%

170

上升5名比例上升

ShellSolar

4,62.08.3%

6,,72.05.7%

下降2名比例下降

Sanyo

8,35.04.7%

7,65.05.4%

下降1名比例上升

RWESchottSolar

5,44.05.9%

8,63.05.0%

82

下降3名比例下降

Isofoton

7,35.24.7%

9,53.34.2%

75

下降2名比例下降

Motech

10,17.02.3%

10,35.02.8%

88

排名不变比例上升

Suntech

16,8.01.1%

10,35.02.8%

100

上升6名比例上升

合计

81.6%

78.8%

从1995年以后，世界太阳电池一直保持高速的发展，主要是德国和日本两国在光伏利用方面采取了一系列的措施，通过政策的推进达到了很好的效果。

2004年世界太阳电池生产总量1256MW，而日本占了将近一般的产量，欧洲占了近三分之一。

从表3可见，我国太阳电池产量在2003年还不足印度产量的一半，到2004年已经超出印度15MW的产量，这是很了不起的事情。

但从所占比例来看，2004年我国太阳电池仅占世界总产量的4%左右，因此我国应加大太阳电池工业发展的步伐。

表1-3太阳电池产量地区分布

国家或地区

2003年

2004年

日本

365.448.7%

594.147.3%

欧洲

202.327.0%

344.127.4%

美国

96.312.8%

141.511.3%

中国

141.9%

51.84.1%

印度

26.13.5%

36.32.9%

澳大利亚

26.23.5%

33.12.6%

中东

1.40.1%

其他亚洲国家

19.42.6%

53.54.3%

合计

750

1256

从太阳电池的种类来看，硅材料太阳电池占主导地位，特别是晶体硅太阳电池。

从表1-4可见，加上单晶硅、多晶硅和带硅电池，2004年晶体硅电池所占比例超过94%，非晶硅电池从1999年的12%降到2004年的4%。

其他两种薄膜电池发展也极为缓慢，因此有人认为薄膜太阳电池厂停产或减产。

一些戏剧性的发展变化令人深思，一般认为多晶硅电池所占比例将越来越多，但2004年单晶硅电池比例上升，而多晶硅电池比例下降。

这主要是由于多晶硅材料材料的来源受到限制，此外单晶硅电池的生产技术也在继续发展：

一是单晶硅可实现大规模高效率电池生产，如日本Sanyo和美国Sunpower都实现了20%单晶硅电池的规模化生产；二是单晶硅更容易向超薄片电池工艺路线发展，德国研究机构可将单晶硅制成40um的厚度，所制成的电池的效率也达到了20%左右。

这些都促使人们继续大力发展单晶硅太阳电池。

表1-41999~2004年各类太阳电池产量百分比/%

电池种类

1999

2000

2001

2002

2003

2004

Mono-Si

40.8

37.4

34.6

36.4

32.2

36.4

Poly-Si

42.1

48.2

50.2

51.6

57.2

54.7

Si-sheets

4.1

4.3

5.6

4.6

4.4

3.3

a-Si

12.3

9.6

8.9

6.4

4.5

4.4

CdTe

0.5

0.3

0.5

0.7

1.1

1.1

CIS

0.2

0.2

0.2

0.2

0.6

0.4

从现有的发展来看，硅材料太阳电池在10年以至更长的时间里主导地位不会改变。

因此，晶体硅太阳电池应当在我国得到重点发展。

一些关于硅材料太阳电池，特别是晶体硅太阳能电池已经很成熟无需继续研究的观点应该改变[9,10]。

德国2003年圆满完成10万屋顶计划，2000年首先颁布可再生能源法，2003年又公布可再生能源促进法，由此引发了德国光伏发展的新一轮高峰期。

2004年德国发电总量达到601TW·H，其中可再生能源发电占9.3%各种可再生能源发电所占比例可参见表1-5。

表1-52004德国可再生能源发电统计

风能

水力

生物质能

光伏

合计

25TE·h

21

9.4

0.5

55.9

德国政府在推广光伏发电方面采取了一系列有力措施，主要是银行贷款和上网电价补贴等。

在德国，自家屋顶上安装一套发电设备相当于办一个企业，发出的电输入公共电网，国家最高给予57.4cent/kW·h的补贴，而从公共电网用电的电价少于30cent/kW·h，也就是说，安装光伏发电设备可以得到高的经济回报。

因此，目前德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济行业。

2004年德国光伏安装总量首次超过日本，走在了世界的前列，这也为我国的光伏发展提供了许多值得借鉴的经验，应当对德国的可再生能源的政策和技术进行深入的了解，这对我国太阳能光伏产业的发展具有十分重要的意义[3]。

中国是世界最大的发展中国家，人口众多。

国民经济建设的发展，人民生活水平的提高，社会各项事业的进步，必将对能源的供应提出更多、更高的要求。

中国光伏发电的需求量巨大，市场广阔。

各方面的预测表明，21世纪中叶太阳能将成为中国能源直接供应的一支主力军[11,12,13,14,15]。

光伏发电已成为现实，并在全球范围内迅猛发展。

如果说石化能源是20世纪的能源主体，那么可以说以太阳能为主体的新能源将成为21世纪人类能源的主体，掌握了未来的能源就掌握了人类未来的命运，光伏发电的时代正在向我们走来！

1.4逆变技术的现状与发展

DC/AC逆变器是将直流电能变换成交流电能的变流装置，供交流负载用电或与交流电网并网发电[3]。

如果是通过直流电动机—交流发电机组来实现这种电能的逆变，则称为旋转变流机；如果是通过功率半导体器件来实现这种电能的逆变，则称为静止变流器。

由于静止变流器在体积、重量、变换效率、可靠性、电性能等方面均比旋转变流机优越，因此，静止变流器必将并且正在逐步取代旋转变流机。

按照交流用电负载与输入直流电源的电气隔离元件的工作频率，逆变技术可分为低频环节和高频环节两大类。

而非电气隔离型逆变器，可以看成是电气隔离

SPWM逆变器具有如下特点：

（1）电路拓扑简明，单级功率变换DC-LFAC，双向功率流，变换效率高；

（2）变压器仍工作在工频，体积大且笨重，其体积与重量仅和输出电压的频率有关，与逆变器的开关频率无关，提高逆变器开关频率并不能减小变压器的体积和重量；（3）输出电压THD小且输出滤波器的体积小、重量轻；（4）对于输入电压和负载的波动，系统的动态响应特性好；（5）变压器和输出滤波电感产生的音频噪声得到改善；（6）功率器件的开关频率高，开关损耗增加，降低了变换效率[16,17,18,19,20]。

1.5本课题的设计任务

主要内容：

设计一个应用于独立光伏发电系统的高性能、纯正弦波输出的逆变电源。

功能是将升压得到的高压直流电经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz正弦交流电压输出，基本要求：

（1）能输出一个电压稳定、频率稳定的交流电，无论是输入电压发生波动还是负载发生变换，都要能达到一定的电压精度；

（2）具有一定的过载能力，一般能过载125%~150%；

（3）输出电压波形含的谐波成分应尽量少；

（4）具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能，且具有快速的动态响应。

2光伏发电系统的相关概念

2.1光伏发电系统的分类

利用光伏发电原理，可以将太阳能通过光电转换变为电能储存起来，通过各种调节控制技术，将储存起来的电能转换为满足负载所需要的用电要求，以满足不同的负载需要，本文所设计的小型独立光伏发电系统逆变器正是为了满足这些要求而展开设计的。

单从结构上来看，光伏发电系统大致可分为三种基本类型：

独立型光伏发电系统、并网型光伏发电系统和混合型光伏发电系统。

（1）独立型光伏发电系统

独立型光伏发电系统的结构示意图如图2-1所示，在独立型光伏发电系统中，蓄电池组作为储存电能的单元在系统中是不可或缺的，它将有阳光时光伏电池阵发出的富于的电能储存起来来供阳光不足或是没有阳光时使用。

为了尽可能地使蓄电池的使用寿命延长，在直流控制环节中应具有一个调节控制环节和保护控制环节来优化蓄电池充放电过程。

图2-1独立型光伏发电系统结构示意图

（2）并网型光伏发电系统

并网型光伏发电系统是指将发出的电直接送入电网或供负载使用，这就要求逆变器具有与电网相连接的功能，系统构成如图2-2所示，并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池而是将电网作为储存电能单元。

当阳光很强时，系统将发出的多余的电能经过并网逆变器变为满足所连接电网电能质量要求的交流电回馈到电网，而当需要用电时再次从电网输入电能，减少了光伏发电系统的成本。

图2-2并网型光伏发电系统结构示意图

（3）混合型光伏发电系统

混合型光伏发电系统是在上述光伏系统中增加备用的发电机组，当光伏电池阵发电不足时或蓄电池所储存的电量不足时，就应该启动备用发电机组，这样备用发电机组既可以直接给交流负载供电，又可以经过整流环节后给蓄电池组充电，如图2-3所示。

在混合型光伏发电系统中，最普及的是风-光互补发电系统。

图2-3混合型光伏发电系统结构示意图

2.2独立型光伏发电系统的组成

独立型光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、控制器和逆变器四大部分组成。

（1）太阳能电池方阵

光伏电池是光伏发电系统具有决定性作用的元件，光伏电池的效率直接影响光伏发电系统的发电效率。

由于单个光伏电池产生电量极为有限，工作电压仅约0.45~0.5

，工作电流大约在20~25

之内，而且是直流电，在大多数情况下满足不了实际应用。

为了满足负载所需的输出功率，一般都是将电池组串并成太阳能电池组件的形式。

在实际使用时可以根据实际需要选择电池组件组合连接形成太阳能电池方阵。

（2）蓄电池组

光伏发电系统只有在白天有太阳光的时候才能够发出电，但大多数情况下人们主要是在夜间大量用电，这就要存储太阳能电池方阵发出的电并时刻准备向负载供电。

光伏发电系统对蓄电池组的基本要求是：

1、深放电能力强；2、充电效率高；3、自放电率低；4、使用寿命长；5、维护少或免维护；6、价格低廉；7、工作温度范围宽。

（3）控制器

控制器主要用于实现管理整套系统的充电和放电。

光伏电池方阵产生出的直流电，经过充电控制器对蓄电池组充电，在蓄电池组还未充满时，控制器的作用是尽可能地对蓄电池充电，当蓄电池充满电时，适当地调整充电方式，将蓄电池组处于浮充状态。

当蓄电池组放电到蓄电池组过放点电压时，控制器发出电量不足的报警信号并同时切断蓄电池组的放电回路，以此来保护蓄电池组。

伴随着光伏产业的高速发展，控制器的功能也变得越来越强大，控制器、逆变器以及监测系统将会集成在一起。

（4）逆变器

在光伏发电系统中，如果负载是交流的，DC/AC变换器将直流变为交流以供其使用，将光伏电池组件产生的直流电或蓄电池组提供的直流电逆变为负载所需要的交流电。

太阳能电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电经逆变主电路的调制、滤波、升压后，得到与交流负载额定频率、额定电压相同的正弦交流电提供给系统负载使用。

逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。

逆变器具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。

3逆变器的工作原理及其控制

3.1逆变电源基本工作原理

逆变电源的拓扑结构有很多，所以各自的工作原理不尽相同，但是最基本的逆变过程是相同的。

下面以简单的单相桥式逆变电路为例，说明逆变器的逆变过程。

单相桥式逆变电路如图3-1所示，T1，T2，T3，T4是桥式电路的4个功率管，由电力电子器件和辅助电路构成。

输入的直流电压为Vcc，逆变器的负载Z。

当功率开关管T1、T4导通时，电流就可以流过T1，Z和T4，负载上的电压极性是左正右负；当功率开关管T1、T4开断时，T2、T3导通，电流流过T2，Z和T3，此时负载上的电压极性刚好相反，这样就把直流电变成了交流电。

通过改变两组功率开关管的切换频率就可以改变输出交流电的频率，得到正负半周对称的交流方波电压。

当负载为电感时，电流滞后于电压，波形也不同；当负载为纯电阻型时，负载电压电流波形、相位相同。

图3-1单相桥式逆变原理图

3.2光伏发电系统逆变器主电路的基本形式

伴随光伏产业的大力发展，逆变器的种类也各不相同，光伏发电系统中逆变器的主电路拓扑结构主要有三类：

（1）工频变压器形式的主电路：

单级DC-AC结构，如图3-2所示。

将直流电逆变成有效值基本不变的PWM波形，再经由变压器升压得到高压交流电。

这种电路逆变效率比较高，可靠性也比较高，但是它的响应速度慢，波形畸变严重，而且体积、噪声和质量都较大，比较不经济。

图3-2工频变压器形式主电路

（2）高频变压器形式的主电路：

DC-AC-DC-AC结构，如图3-3所示。

主电路有高频升压和工频逆变两部分，系统相对复杂。

DC-AC-DC部分：

首先将直流电逆变成高频方波，再经变压器升压，经整流滤波得到一个比较稳定的高压直流电。

DC-AC部分：

高压直流经过工频逆变电路逆变得到220V或者380V高压交流电。

系统逆变的效率可高达到90%以上，由于这种电路形式采用了高频变压器，体积、重量、噪音等均明显减小。

该电路主要缺点是电路比较复杂。

图3-3高频变压器形式主电路

（3）无变压器形式的主电路：

DC-DC-AC结构，如图3-4所示。

将直流电经过非隔离变换（Boost升压电路）后得到