小功率光伏并网逆变电源的设计.doc

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目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章绪论 1

1.1课题的研究背景与意义 1

1.2光伏并网发电系统简介 1

1.3光伏并网发电系统对逆变器的要求 2

1.4本文的主要研究内容 2

第二章并网逆变器的设计及系统的工作原理 3

2.1并网逆变器的选择 3

2.1.1并网逆变器结构的选择 3

2.1.2并网逆变器回路方式的选择 3

2.1.3系统的总体方案 4

2.2光伏并网发电系统的工作原理 5

2.2.1前级电路的工作原理 5

2.2.2后级电路的工作原理 6

第三章光伏并网发电系统的设计 8

3.1主电路的设计 8

3.2控制电路及保护电路的设计 8

3.2.2并网同步的实现 8

3.2.3SPWM波的产生 11

3.2.4保护电路 12

3.3驱动电路 12

3.4输出滤波电路 13

3.5辅助电源设计 14

3.5.1辅助电源的设计要求 14

3.5.2辅助电源设计电路 14

3.6系统的电磁兼容设计 15

3.6.1硬件方面考虑 15

3.6.2软件方面考虑 16

3.7光伏并网逆变器的仿真建模 16

3.8控制系统软件设计 17

第四章最大功率点跟踪方法的比较分析 19

4.1恒定电压跟踪法 19

4.2扰动观测法 20

4.3间歇扫描法 21

第五章光伏并网发电系统的孤岛效应及防止策略 22

5.1孤岛效应及其危害 22

5.2孤岛效应的检测方法 22

5.2.1被动检测方法 22

5.2.2主动检测方法 23

5.2.3外部检测方法 23

5.2.4本论文采用的孤岛检测的方法 24

第六章总结与展望 26

6.1总结 26

6.2展望 26

参考文献 27

III

第一章绪论

1.1课题的研究背景与意义

能源是人类社会生存和发展的动力源泉。

随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，世界范围内对能源的需求日益增长，目前世界能源的利用仍以煤炭、石油、天然气和水与核能等一次能源为主，然而这些有限的能源储量正在日趋枯竭。

据世界能源委员会（WEC）预测，按照资源己探明储量和目前的发展速度，石油将在45年后枯竭，天然气将在60年后殆尽，资源量最大的煤炭也只够再开采220年。

另外，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排向天空，使大气环境遭到严重污染，同时由于大量排放CO2等温室气体而使地球产生明显的温室效应，引起全球气候变化；水力发电受到水力资源的限制和季节的影响，并且有时会破坏当地的生态平衡；核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样十分严重，并且核废料的处理直至今日仍然是一个全球性待解决的问题。

自1973年世界石油危机以来，常规能源频频告急。

人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源己经是当前人类面临的迫切课题。

太阳能以其清洁、无污染，并且取之不尽、用之不竭等优点越来越得到人们的关注。

地球表面每年接受太阳的辐射量达5.4×1024J，相当于1.8×1014t标准煤。

若将其中的0.1%按转换率5%转换为电能，每年发电量可达5600TW·h，相当于目前全世界能耗的40倍。

因此，太阳能发电，必将成为21世纪后期的主导能源。

据欧洲JRC预测，到未来的2100年时，太阳能在整个能源结构中将占68%的份额[3]。

因此，太阳能发电对今后能源发展有着特别重要的意义。

1.2光伏并网发电系统简介

光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。

光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。

光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。

目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、并联组成的。

并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成220V／50Hz的正弦波电流并入电网。

电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。

控制器一般由单片机或DSP芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。

继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。

1.3光伏并网发电系统对逆变器的要求

作为光伏阵列和交流电网系统间进行能量交换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对光伏并网发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的作用。

因此，光伏并网发电系统对并网逆变器有如下要求：

1）实现高质量的电能转换。

并网逆变器输出的电流频率和相位与电网的必须严格一致，以使输出功率因数尽可能的达到1。

2）实现系统的安全保护要求。

如输出过载保护、输出短路保护、输入反接保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护及装置自身保护等，从而确保系统的安全性和可靠性。

3）具有较高的可靠性。

目前光伏并网发电系统主要在一些自然条件恶劣的地区，所以逆变器应在长时间的工作条件下保证低故障率，并具有较强的自我诊断能力，因此所设计的逆变器应具有合理的电路结构、严格的元器件筛选。

4）最大功率的跟踪。

最大限度的利用光伏阵列，提高逆变器的效率。

1.4本文的主要研究内容

本文在学习光伏并网发电系统逆变器工作原理及前人研究的基础上，研究光伏并网逆变器的结构与控制，进一步研究了光伏并网发电系统的孤岛检测，并进行了较为深入的理论分析和研究。

第一章绪论，简要介绍了课题背景光伏并网发电系统及其逆变器，对光伏并网发电系统有了初步认识。

第二章，对逆变器主回路的拓扑结构进行了研究，设计了两级并网逆变器，同时对逆变器主回路的工作原理进行了分析。

第三章，研究了光伏并网逆变系统的特点和光伏并网逆变器的工作原理，对各种控制策略进行了比较，选择改进固定频率SPWM电流跟踪控制策略，较好的实现了并网逆变器的单位功率因数正弦电流输出控制。

研究设计了控制电路及其它重要电路。

第五章，分析了孤岛效应产生的原因、危害，详细的阐述了常用的孤岛效应的检测方法，并指出它们的优缺点及使用范围。

对光伏并网发电系统所存在的孤岛效应进行研究和验证，采用有效的孤岛效应的检测方法。

第六章,总结与展望，对全文做出总结，指出本课题需要进一步研究的方向。

39

第二章并网逆变器的设计及系统的工作原理

2．1并网逆变器的选择

2．1．1并网逆变器结构的选择

光伏并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。

以电流源为输入的逆变器，直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。

按照输入直流电源的性质，可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变器，结构如图所示。

图2.1逆变器结构

市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，光伏并网逆变器的输出可以控制为电压源或电流源。

如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则光伏并网系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联运行，这种情况下要保证光伏并网发电系统稳定运行，则必须采用锁相控制技术实现与市电电网同步。

在稳定运行的基础上，可通过调整并网逆变器输出电压的幅值与相位来控制系的有功输出与无功输出。

但由于锁相回路的响应较慢，并网逆变器输出电压值不易精确控制，系统可能出现环流等问题，同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。

因此光伏并网逆变器的输出常采用电流控制，此时光伏并网系统和电网实际上是交流电流源和电压源的并联，只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。

这种控制方式相对简单，使用比较广泛。

综上所述，本文设计的光伏并网逆变器采用电压源输入、电流源输出的控制方式，即电压型逆变器。

采用电压型逆变主电路，可以同时实现有源滤波和无功补偿的控制，在实际中已经得到了广泛的研究和应用，可以有效的进行光伏发电、提高供电质量和减少功率损耗，而且可以节省相应设备的投资。

2．1．2并网逆变器回路方式的选择

逆变器的主电路结构按照输出的绝缘形式分为：

工频变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式、无变压器方式3种。

逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂～些，比高频变压器绝缘方式简单，效率高。

此外这种方式没有变压器，体积小、重量轻、成本较低，是到目前为止比较好的一种主电路方式。

并且对于小功率的光伏并网发电系统，光伏电池阵列的输出电压比较低，适合采用无变压器方式。

2．1．3系统的总体方案

经过方案的比较论证，本论文决定采用无变压器的两级结构，即前级的DC／DC变换器和后级的DC／AC逆变器，两部分通过DClink连接。

系统的控制部分由以TMS320F2812为核心的控制单元完成，另外系统设计了辅助电源为控制电路提供电源，辅助电源采用HV9120芯片。

光伏并网发电系统的结构图如图所示。

图2.2系统框图

前级DC／DC变换器，可选择的形式有降压式变换电路，升压式变换电路，升降压式变换电路，库克式变换电路等。

由于Buck电路的输入工作在断续状态下，若不加入储能电容，光伏阵列的工作时断时续，不能工作在最佳工作状态，加入了储能电容后，Buck电路功率开关断开时光伏阵列对储能电容充电，使太阳能电池始终处于发电状态，此时调节Buck电路占空比才能有效跟踪最大功率点，因此储能电容对于利用Buck电路实现MPPT功能是必不可少的，然而在大负荷情况下，储能电容始终处于大电流充放电的状态，对其可靠工作不利，同时由于储能电容通常为电解电容，增大了MPPT装置的体积，使整个系统变得笨重。

此外，后级DC／AC电路为了能得到正常的输入工作电压，前级的输出电压不能太低，而光伏阵列的电压随着日照等因素变动较大，其输出电压低时若通过Buck电路降压，则逆变器无法工作，所以不采用Buck电路。

相比之下，Boost变换器可以始终工作在输入电流连续的状态下，只要输入电感足够大，电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流，因此只需加入通量较小的无感电容甚至不加电容，避免了加电容带来的弊端。

Boost电路简单，功率开关器件的驱动设计方便，因此，选用Boost升压电路。

光伏并网发电系统主电路的拓扑结构图如图所示。

光伏阵列输出的额定直流电压为50--一80V之间，通过DC／DC变换器转换为DClink的直流电。

后级的DC／AC逆变器，采用逆变全桥，作用是将DClink直流电转换为220V／50Hz的正弦交流电，实现逆变向电网输送功率。

DClink的作用除了连接DC／DC变换器和DC／AC逆变器，还实现了功率的传递。

系统主电路的拓扑结构如下：

图2.3系统主电路的拓扑结构

2．2光伏并网发电系统的工作原理

2．2．1前级电路的工作原理

1）电路原理图

Boost电路由开关管Q1，二极管D，电感L，电容C组成。

Boost电路的作用是将电压Upv升压到Udc。

，其中，Upv是光伏阵列的输出电压，Udc是Boost电路的输出电压。

Boost电路原理图如下

图2.4Boost电路原理图

2）工作过程

在每个斩波周期内，开关管Ql导通、关断各一次。

开关管Q1导通时，等效电路如图所示，流过电感L的电流为t，在电感未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感L中。

此时，由于二极管阳极接在电源负极，二极管关断，电容C只能向电阻姓放电，提供电阻电流名，。

当二极管关断时，其等效电路如图所示，由于流过电感的电流不能突变，电感工两端的电压极性改变，此时，电源和电感串联，向电容和电阻供电。

简言之，开关管Q1导通时，二极管反偏，输出级隔离，由输入端向电感提供能量；开关管Q1断开时，输出级吸收来自电感和输入端的能量。

根据上述分析，列出工作过程中的关系表达式如下：

式中，Ts为开关管的开关周期；D为占空比；DTs为开关管的导通时间