2KW正弦波光伏逆变器Word格式文档下载.docx
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4.1SPWM调制技术………………………………………154.2逆变器反馈控制技术………………………………….16
第五章
光伏并网发电系统的构成及电路参数光伏并网发电系统的构成及电路参数
5.1系统的构成…………………………………………..195.2电路主要技术参数……………………………………195.3主电路拓扑…………………………………………….205.4主功率管的选择……………………………………….205.5基于DSP的控制系统设计……………………………205.6驱动电路的设计…………………………………..……22
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5.7IGBT过流保护电路设计………………………………225.8电量信号检侧单元…………………………………………235.9主电路仿真……………………………………………..26
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第一章
1.1太阳能应用的背景
绪论
能源是人类不断发展和进步的动力，人类不断地从自然界探索和获取能源以满足以其生存和发展的种种需要，能源的利用水平映射出人类文明发展程度。
但在传统的能源结构中，人类主要利用的一次能源是石油、煤炭和天然气等化石能源。
这些化石能源经过人类数千年的消耗，能源危机己经展现在人类的面前。
在21世纪初进行的关于世界能源数据的调查显示，石油的可开采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭的可采量为227年。
可见能源问题的紧迫性。
同时，从环境的角度看，大量化石能源的开发和利用，已经对人类的生态环境带来严重和后果。
C02是大气中最主要的温室气体，而化石能源的燃烧是C02的主要排放源，全世界每天约产生1亿吨温室效应气体，如果不对温室气体采取减排措施，人们预计，全球平均气温每10年将升高0.2℃，到2100年全球平均气温将升高13.50C，这将对人类生存空间带来极大的威胁。
鉴于以上原因，开发新能源和可再生能源势在必行。
太阳能因其分布广泛、可以再生、不污染环境自然成为国际社会公认的理想替代能源，根据国际权威机构预测，到21世纪50年代，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%，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于50%。
太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。
1.2光伏发电应用现状及研究的意义
太阳能的转换利用方式有光一热转换、光一电转换和光一化学转
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换等三种形式。
接收或聚集太阳能使之转换为热能，是光一热转换的基本形式;
光一化学转换尚牌研究试验阶段，这种转换技术包括光伏电池电极化水制成氢、利用氢氧化钙和金属氢化物热分解储能;
光一电转换是利用光生伏打效应原理制成光伏电池，将光能直接转换成电能加以利用。
“光伏发电”是将太阳光的光能直接转换为电能的一种发电形式。
1.2.1国内光伏发电应用现状
我国于1958年开始对光伏电池的生产和应用进行研究，1971年成功将其应用到东方红二号卫星上。
在1981年一1990年间，我国的光伏工业得到一定的巩固与发展，并在一些应用领域建立了示范工程。
同时，国家也加大了对光伏发电系统研究及生产的投入，先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，除了一条1姗。
的非晶硅电池生产线外，其余全部是单晶硅电池生产线，使我国太阳难电池的生产能力由每年的IOKW发展到4.SMWP，售价也由80元/WP下降到40元/WP左右。
随着国家对光伏产业的不断重视，我国光伏电池的总装机容量和生产能力有较大的提高，到2005年全国光伏组件装机量已达70聪，光伏电池的制造能力也已超过200姗P，生产企业有十多家。
尽管如此与世界光伏产业发达国家相比还有很大的差距，目前光伏应用比较广泛的国家光伏总装机容量已接近或达到500Mw的规模。
造成这种差距的原因，除了一些历史因素外，主要原因应包括如下几个方面:
光伏电池价格昂贵，国家相应的政策支持力度不够。
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基础产业较为薄弱，光伏电池所必须的硅材料大量依靠进口，从而使我国光伏成本居高不下;
国内生产厂家规模普遍较小，自动化程度低也是导致光伏电池价格高的主要原因之一。
所以总体来说国内光伏电池的质量不如国外产品，但其价格却高于国针对我国可再生能源的应用与研究现状，2005年2月28日《可再生能源法》在十届全国人大常委会第十四次会议上获表决通过，并于2006年1月1日起正式实施〔，‘。
。
该法明确了各类可再生能源开发利用主体的权利和义务，确立可再生能源发展目标和规划的法律地位，规定了可再生能源并网发电审批和全额收购制度、可再生能源上网电价与费用分摊制度及可再生能源专项资金和税收、信贷鼓励政策。
同年10月，在上海召开的“第十五届国际光伏科学与工程大会”上，国外专家基本达成共识〔”口:
太阳能光伏发电是目前已知发电方式中最清洁、最安全，潜力最大的新兴发电方式，在未来15年左右的时间内，光伏发电成本将持续降低到可与常规发电成本相竞争的水平。
这些政策的出台和共识的达成无疑确立了可再生能源在国民发展中的重要地位，明确了可再生能源的发展方向，对可再生能源包括光伏发电的发展具有巨大的推进作用。
但到目前为止，我国光伏并网发电的关键技术及设备主要来自进口，面对巨大的国内需求，大力研发具有自主知识产权的相应高技术具有重要的战略意义和市场价值。
对太阳能的转换技术和应用装置的研究无疑成为光伏发电中最热门的课题。
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第二章光伏电池的输出特性及MPPT控制
2.1光伏电池的输出特性
光伏电池输出的电能的大小与其周围环境条件有密切的关系，其输出功率随太阳光照的强度和电池模块所处的环境温度的变化而变化，并存在最大功率输出问题。
为此必须对光伏电池的输出功率加以检测与控制，以使其有最大的功率输出。
本章主要分析光伏电池的工作机理和输出特性;
根据光伏电池物理机制的数学表达式建立单个电池的电路仿真模型及任意功率级的光伏阵列的仿真模型;
并在了解常用最大功率点跟踪控制技术的基础上，采用双模式最大功率点控制方法进行专门的实验，取得了较好的跟踪控制效果。
2.1光伏电池的工作机理在自然界中，物体根据其导电能力和电阻率的大小分为导体、绝缘体和半导体三类，其中把电阻率在IOe一3~10e+8Q.Cm左右的称为半导体。
半导体有许多的特性如掺杂特性、热敏特性、光敏特性等，这些特性在现代电力、电子技术中己得到极为广泛的应用。
除此之外，半导体还具有很强的光伏效应。
所谓光伏效应是指当物体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子的分布状态和浓度发生变化，由此产生电流和电动势的效应。
光伏电池是以半导体PN结上接受太阳光照射产生光生伏特效应为基础，直接把光能转换成电能的能量转换器。
当光照射到表面时，部分光线被其表面反射，对发电不起作用;
部分被电池吸收，给电池加热，产生电池的温升:
其它部分太阳光进入半导体内部，冲击N区和P区的价电子，使其得到超过禁带宽度Eg的能量，从而脱离共价键的束缚，形成非平衡状态的电子一空穴对。
这
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些被激发的电子一空穴对，部分复合后对外不显电性，属于光伏电池能量损耗部分;
剩下部分处于非平衡状态的电子一空穴对，在原PN结垫垒电场的作用下，把P区的光生非平衡少子电子拉入N区，同
样把N区的光生非平衡少子空穴拉入P区，从而形成一个与原垫垒电场Ei方向相反的光生电场Epv，如图2一1（b）所示。
当光伏电池的外部与负载接通后，就会形成电流，电流方向由电池的外部从P区流向N区。
这就是光伏发电的基本机理。
PN结的饱和电流越小，光生电压Up，就越大。
2.2最大功率点跟踪控制技术
通过对光伏电池的输出特性分析和实验仿真，已经清楚地看到光伏电池的输出与环境条件的关系。
所以，为了使光伏电池有更大的功率传输，必须实时检测电池的输出功率，以及时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大工作点附近，即进行最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTraeking，MPPT）。
目前最大功率点跟踪控制的方法有很多，较为常用的MPPT控制技术有恒压法、扰动观察法、电导增量法等。
2.3常用MPPT控制技术
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1恒电压控制（Constantv。
ltageTraeking，CVT）根据2.2节分析，当光伏电池的结温不变的前提下，其输出功率的变化随电压的变化情况如图2一3（b）所示。
当光照强度发生变化时，电池输出的开路电压变化不大，最大输出功率会随光照强度的增强而增加，但在最大功率点处对应的输出电压基本不变，为um，见图中虚线，该值近似为电池开路电压的0.76倍〔〕‘，。
根据电池的这一特性，只要知道电池的开路电压，即可得到最大功率点对应的工压Um。
这就是CVT法的理论基础。
实际控制时，只要以某一温度下最大功率输出对应的工作电压呱作为控制目标，实际电池输出电压叽与之比较，P工调节后与三角波比较得到的P枷波去驱动功率管，经从而改变电池阵列的负载阻抗，最后使其工作在最大功率点上。
CVT控制框图如图2一20所示。
这种控制方法控制简单，可靠性和稳定性较高，但受工作场合季节、早晚时间、天气情况及环境温度变化的影响较大，实际使用时一般在CVT算法的基础上采取一定的措施以补偿这些影响。
如手工调节给定电压、软件根据测量的环境温度查表得到给定等。
另外根据2.2.1节中光伏电池的V一工特性分析，同样也可以采用固定电流的方法实现最大功率控制。
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2.扰动观察法（Perturb&
Observe，服O）扰动观察法是目前最常用的MPPT方法之一。
根据图2一7（b）可知，光伏电池的输出工作点在最大功率点的左侧，dP/dV>
O，而在最大功率点的右侧，在最大功率点时，dP/dy=0。
根据这个特点，P&
o法的控制过程为首先初设一个光伏电池工作电压，然后通过调节功率管的占空比给光伏阵列输出电压周期性的扰动，例如使其增加，然后比较扰动前后光伏的输出功率，如果输出功率也因此增加，即dP/dV>
O，说明光伏工作于最大功率点的左侧，则应在下一扰动周期继续保持当前的扰动方向，增大光伏电池输出端电压;
反之，若输出功率减小，即dP/dV<
O，则说明光伏工作于最大功率点的右侧，当前扰动方向将使工作点远离最大功率点，所以应改变扰动方向，使光伏电池输出端电压减小。
经过反复的调整，最后使光伏电池的工作点逼近最大功率点。
这种控制算法控制简单、容易实现，对参数检测精度要求不高，控制效果在日照变化不是很剧烈的情况下能满足光伏系统对最大功率点跟踪的要求。
但这种算法存在以下缺点:
》需要周期性的扰动，且当扰动方向确定后，只能在下一个扰动周期去影响输出电压，这将导致光伏阵列的输出在最大功率点附近振荡，从而减小系统的输出效率;
》当环境条件变化剧烈时有可能导致跟踪失败。
10第三章
3.1光伏发电系统的基本构成
太阳能光伏发电系统的典型结构主要由光伏阵列、直流变换与控制系统、储能系统与逆变器四个部分组成。
（1）光伏电池阵列光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池功率较小，最大输出功率不超过5佛〔8〕，为满足不同等级负载供电需要，人们将光伏电池串、并联后统一封装构成光伏模块（Ph。
t。
v。
ltaiCM。
dule，PV），这是目前光伏器件的主要存在及应用方式，用户可根据需要构建10W到3OOW。
的光伏模块。
因大功率光伏模块安装、维护方便，因此在光伏发电系统中200W。
以上的光伏模块更受欢迎。
如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，则需要根据光伏发电系统的功率要求，将同规格的光伏模块串联起来构成光伏阵列（PVArray）为系统提供更高的输出功率和输出电压。
（2）直流变换及控制系统直流变换部分作用主要是把光伏阵列输出电压变换成能够满足
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储能系统和逆变器要求的电压等级。
同时由于光伏阵列输出特性的特殊性，其输出功率为日照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大输出功率跟踪（Max1InumPowerPointTracking，MPPT）问题。
如果
不加以控制直接用于给负载提供能量，则很难有较好地发挥光伏模块转换效率。
为此，控制系统除了完成对DC一DC变换和DC一AC变换所需的基本控制外，还需在DC一DC变换环节中增加MPPT控制，以实现光伏阵列的最大功率输出。
（3）逆变器光伏电池发出的只能是直流电，而包括电网然内的许多用电场合需要交流电，因此DC一AC逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。
它的功能是受控制系统控制，将直流转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电。
该环节的要求是变换的高可靠性和高转换率。
目前我国在小功率逆变器上与国外处于同一水平，但在大功率逆变器上差距较大。
3.2光伏发电系统的运行模式光伏并网发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况，分别可工作于独立运行模式、并网发电运行模式和混合运模式三种。
1.独立运行模式所谓光伏发电系统的“独立运行模式”是指远离电网的光伏发电系统。
它通常用作便携式设备的电源，向远离现有电网的地区和设备供电或者用于任何不想与电网发生联系的供电场合。
该系统中，蓄电池作为
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储能单元一般是不可缺少的，它将日照时发出的剩余电能存储起来供日照不足或没有日照时使用，所以它属于可调度光伏发电系统。
虽然独立系统的构成分类有许多，但其基本原理都是太阳光辐射能通过光伏器件转换成电能，再经过能量储存、控制、保护和能量变换等环节，最终提供给负载直流或交流形式的电能，满足用户不同负载的要求。
2.并网运行模式在公用电网的场合，光伏发电系统可直接与电网连接，在系统容量足够大而日照强度较大时，可将多余的电能回送给电网。
所以该系统对应的逆变器所输出的交流电要求满足并网的条件。
其结构框图如图
3.混合型光伏发电系统所谓混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系
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统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的阵列发电不足，或电池容量不足等因素带来的供电不连续。
较为常见的混合系统是风一光互补系统，系统结构框图如图所示。
在通常情形下，白天日照强，夜间风多;
夏季日照强、风小;
冬春季日照弱风大。
显然风能发电与太阳能发电具有很好的互补性，其优点显见:
利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出，提高系统供电的稳定性和可靠性;
在保证供电情况下，可以大大减少储能蓄电池的容量;
对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风/光系统供电，无须启动备用电源和备用发电机，以此获得较好的经济效益。
当然，风/光互补联合发电系统存在一次性投资较大，并需定期更换蓄电池等缺点。
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4.1SPWM调制技术
SPWM调制技术是指是输出脉冲的宽度按正弦规律变化且和正弦波等效的脉宽调制电路。
这种技术在你变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了SPWM技术。
逆变电路是PWM控制技术最重要的应用场合。
逆变控制中引入SPWM技术所起的重要作用是它较好地抑制了谐波。
根据理论分析，载波频率越高，SPWM波形中谐波频率就越高，所需滤波器的体积就越小。
但载波频率升高使功率器件的开关频率上升，从而导致开关损耗的增大。
因此，实际控制中常采用倍频式SPWM技术，即输出电压的载波频率fc是逆变桥功率器件开关频率fs的2倍。
倍频技术的应用较好地缓和了谐波抑制与效率提高
图4-1倍频式spwm产生机理之间的矛盾，其实现仅需适当安排逆变器件的控制脉冲时序。
从图上可以看出倍频式PWM信号的产生比传统方式更加复杂，但本文所设
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计的系统是基于DSP来实现的，故并没对硬件电路设计有额外的要求。
需要注意的是产生的PWM门极驱动信号与桥式逆变器中四个功率管必须是对应的，否则会导致逆变的失败4.2逆变器反馈控制技术逆变器控制的分类中，按其输入电源的性质可分为电压源型和电流源型;
按控制对象或者反馈量的性质又可分为电压型和电流型。
因此逆变器的控制方式可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制的电流源电流控制四种方式。
而以电流源为输入的逆变器，由于其直流输入侧需串一个大电感以提供稳定的直流电流输入，大电感的存在往往会导致系统动态响应变差〔川。
因此当前所使用的并网逆变器大部分以电压源输入为主。
下面主要对电压源逆变器的控制模式进行分析讨论。
1.电压源电压控制电压型控制技术是以输出电压作为控制对象，其控制原理如图所示。
将变换器输出电压V、:
与基准电压相比较后得到误差Ve，经PI调节后与锯齿波信号相比较，产生占空比变化的P脚信号去驱动变换器，这是电压型控制技术的基本原理。
如果反馈采用输出电压的平均值与一个电压平均值基准相比较进行的控制叫做电压平均值反馈控制;
而如果反馈电压为输出电压的瞬时
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值，与一个电压瞬时值基准进行比较实现的控制称为电压瞬时值反馈控制。
这两种控制策略中，电压平均值控制是恒值调节系统，其优点是输出可以达到无静差，缺点为是响应快速性较差，而电压瞬时值反馈控制策略是一个随动调节系统，由于积分环节存在的相位滞后，系统不可能达到无静差，但相对平均值反馈控制，其快速性较好。
总体来说，电压型反馈控制设计和分析较为简单，具有较强的抗干扰能力，但当输入电源电压、负载、功率电路元器件参数发生变化时，只有等到输出电压变化后才能起到调节作用，故其动态响应较慢。
实际在光伏并网发电系统中较多使用了电流型控制策略，具体分析见下一节。
本文在进行实验研究时，在光伏发电工作在独立供电模式时，采用了电压瞬时值反馈控制策略，控制结构框图如图所示。
2.电压源电流控制电流型PWM控制技术是针对电压型PWM控制技术的缺点发展起来的。
这种控制方式是在PWM比较器的输入端直接用输出电感电流信号与指令电流信号相比较产生的误差量去控制输出脉冲的占空比，使输出电感的峰值电流跟随误差电压变化。
这种控制方式有效地改善开关管电源的电压调整率和电流调整率，也改善整个系统的瞬态响应。
电流型PWM控制技术又分为瞬时值电流滞环控制技术和电流三角波
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比较控制技术。
图令电流i:
与实际检测电流ic比较产生的误差△l’c作为滞环比较器的输入。
若滞环比较器的环宽为2盯，则ic在仁十AI一i:
一AI范围内，呈锯齿状跟踪指令i:
显然滞环宽度对跟踪性能有较大的影响。
环宽过宽时，开关动作频率低，但跟踪误差增大，输出电流中的高次
谐波含量也增大;
环宽过小时，跟踪误差较小，但开关动作频率变高，甚至会超出开关器件的允许范围，开关损耗也随之增大。
这种控制方式的特点是电流响应速度快，但对功率管的开关频率要求较高，在同一开关频率下输出电流所含的谐波分量较大，给滤波电路的设计带来困难。
电流三角波比较控制方式是较为常用的控制方式之一，图给出电流三角波比较控制原理图。
该控制技术是将指令电流z’:
和输出电流l’c进行实时比较产生的误差电流△ic，经P1调节后与三角波载波进行比较产生对应的PWM驱动信号。
在这种控制方式中，功率开关的开关频率是一定的，即为载波频率，与滞环比较控制相比，它输出电流的谐波脉动较小，输出滤波器的设计也较方便。
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5.1系统的构成
光伏并网发电系统的构成及电路参数
根据上述分析，本文实验所设计的光伏并网发电系统的电路结构框图。
主要有以下几个部分构成：
》光伏电池阵列:
用于实现光一电转换;
》DC一DC高频变换器:
把光伏阵列输出的电压变换到逆变所需要的直流电压;
》逆变器和滤波器:
把直流逆变成与负载或电网相匹配的工频交流电;
》控制器:
MPPT控制、逆变并网控制;
》检测保护:
完成控制所需的电压、电流、相位、频率待信号的检测及过载、短路、孤岛等异常保护。
5.2电路主要技术参数
》光伏阵列:
光伏组件输出额定电压为48v，功率为2kw》逆变输出电压有效值:
22OVAC士5%》逆变输出电压频率:
50Hz士0.5%
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5.3主电路拓扑
5.4主功率管的选择
目前，IGBT以其优良的开关特性、较低的饱和压降以及容易驱动等特点在中小功率开关电源以及逆变电源中占据了主导地位，因此本系统采用工GBT作为功率开关器件。
5.5基于DSP的控制系统设计选用MC56F8037的CPU，其管脚介绍如表：
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5.6驱动电路的设计
驱动电路是指将DSP输出的PWM信号进行隔离、放大，从而可以安全驱动IGBI’电路。
本文选用了TLP250高速光耦作为放大隔离芯片。
输出采用推拉结构，最大输出电流为1.5A，开关频率最高可达2k5Hz，上升沿和下降沿时间只有150ns，隔离电压可达2500V。
因为fLP25O本身相当于一个非门，所以需要在光祸输入前再接一个非门Ula，电阻Ral为下拉电阻，保证在没有PWM脉冲时，输出为低。
Dalo为稳压管。
5.7IGBT过流保护电路设计
短路保护的工作原理当IGBT发生短路时，过大的电流会使IGBT的Vce电压升高，本文设计的保护电路正是根据这个原理，判断IGBT过流与否，并进行保护动作。
电路图如所示。
正常工作时，因故障检测二极管Dzll03的导通，a点的电压钳位在稳压二极管Da101的击穿电压以下，将晶体
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管VTl始终保持截止状态，正常开通和关断。
S1电容C102为硬开关应用场合提供很小的延时，使得S1开通时Vce有一定的时间从高电压
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