光伏发电逆变器 毕业设计 论文.docx
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光伏发电逆变器毕业设计论文
摘要
随着太阳能光伏发电产业在我国的推广和普及，国内对并网逆变器的需求必将越来越大，仅仅依靠进口已很难解决日益增长的巨大需要。
因此，研制完全实用化、工程化的太阳能光伏并网逆变器成为该领域急需解决的问题，存在着广阔的市场前景。
在此背景下，本文对正弦波并网逆变器的软硬件系统设计、控制算法研究和系统仿真等方面进行了深入探索。
首先介绍了国内外光伏发电产业的现状和广阔的前景，详细分析了并网逆变电路的拓扑结构和工作原理，讨论了全桥逆变电路直流侧和交流侧滤波器的设计思路，并推导出逆变电路关键参数的计算公式。
其次分析了单相电压控制和单相电流控制的不足，采用了基于DSP软件算法的电流电压双闭环控制技术。
比较几种常用的光伏电池最大功率点跟踪方法，采用能够快速、准确跟踪光伏电池最大输出功率点的电导增量法来实现最大功率点的跟踪。
为了使并网电流和电网电压同频、同相，需要使用锁相环技术。
本文详细分析了软件锁相环的原理，并结合实际系统设计方案和绘制软件流程图。
本文对孤岛效应的含义及相关标准进行了说明，分析了产生孤岛效应的原因和危害，证明了添加反孤岛保护的必要性，并分别对孤岛效应的主动和被动检测法进行了比较，用MATLAB仿真工具对本文所采用的主动频率偏移法进行了仿真验证。
最后，根据系统总体设计要求，对并网逆变器控制电路、驱动电路和保护电路进行了详细的设计，并制作了基于DSP控制的3kW光伏并网逆变器样机。
通过实验表明，所采用的控制策略和设计的硬件电路能够满足设计要求，统可安全、稳定运行。
关键词光伏逆变器:
DSP最大功率点跟踪软件锁相环孤岛效应
Abstract
Withthepromotionandpopularizationofsolarphotovoltaic，therewillbeagreaterdemandforgrid-connectedinvertersinourcountry．Theincreasingdemandforgrid-connectedinvertershasbecomeaproblemwhichcannotbesolvedonlybymeansofimport．Anurgentproblemtobesolvedisthatthestudyanddesignofthephotovoltaicgrid-connectedinvertersmustbefullypracticalinuseandinmanufacture，andthereforetherearedesirablemarketprospectsoftheabove-mentionedproducts．Inthispaper,thegrid-connectedinverterisexploredinthehardwaredesign，controlalgorithmresearch，simulationandsoon．
Firstofall，thepresentsituationandbroadprospectofphotovoltaicindustryathomeandabroadareintroduced．Thetopologyandworkingprincipleofgrid-connectedinvertercircuitareanalyzedindetail．AndthedesignideasandprocessesofthefiltersonbothDCandACsidesarediscussed；moreover,theformulasofthekeyparametersofthemaincircuitarederived．
Next，thecurrentandvoltagedualclosed-loopcontrolbasedonsoftwarealgorithmsofDSPischosenbyanalyzingthedeficienciesofvoltagecontrolandcurrentcontro1．ThearithmeticofincrementalconductanceofMPPTofgrid-connectedsystemrealizesthetrackingofMPPTbycomparingwithseveralmethodsofMPPTofgrid-connectedsystem．
APLL（PhaseLockedLoop）isneededinordertokeepthesamefrequencyandphasesynchronoustothegrid．Inthispaper,theSPLL（softPLL）principleisanalyzedindetail，thedesignschemeandsoftwareflowchartsaregivenbasedonpracticalsystem．
Then，themeaningsandthecriteriaoftheanti-islandingareexplainedandthecausesanddisadvantagesofanti-islandingareanalyzed．Andittriestoprovethenecessitytoaddprotectionofanti—islandinginthispaper．Theactiveandpassivedetectingmethodsofanti—islandingareanalyzed；moreover,theanti-islandingofactivefrequencydriftmethodissimulatedandconfirmedbyMATLAB．
Finally,accordingtotherequirementofsystemdesign，thegrid-connectedinvertercontrolcircuit，drivecircuitandprotectioncircuitaredesignedingreatdetailandasampleof3kWgrid-connectedphotovoltaicgeneratorbasedonDSPisdesignedandmade．Testresultsshowthatthecontrolstrategyandthedesignedcircuitcansatisfythedesignrequestsandthesystemcanworksafelyandstably．
Keywordsphotovoltaicinverter；DSPmaximumpowerpointtrackingsoftPLLanti—islanding
4光伏并网系统中孤岛效应的仿真实验研究…………………………………………25
4.1孤岛效应的分析………………………………………………………………………25
4.2孤岛效应检测仿真实验………………………………………………………………26
绪论
21世纪，人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在环境污染和资源短缺的双重制约下，能源问题更加突出，而太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点，因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视，成为理想的替代能源。
中国的常规能源远远低于世界平均水平，约为世界总储量10%。
从长远来看，太阳能将是未来人类主要能源来源，可以无限期的使用，因此世界上许多发达国家和部分发展中国家都十分重视太阳能在未来能源供应中的重要作用。
太阳能开发利用技术发展很快，特别是70年代爆发的世界性的石油危机有力的促进了太阳能的开发和利用。
经过半个世纪努力，太阳能光热利用技术及其企业异军突起，成为能源工业的一支生力军。
利用太阳能的方式很多，主要有太阳能发电，太阳能热利用，太阳能动力利用等，出于电能是现代工业中最常用的直接能源，因此太阳能直接转化成电能是太阳能利用中的最具有前景景的方式，而太阳能光伏发电是最重要的形式。
太阳能光伏发电与传统发电方式相比具有下列优点：
⑴数量巨大。
每年到达地球表面的太阳辐射能约为18x1014t标准煤，即约为目前全世界所消费的各种能量总和的lxl04倍。
⑵清洁干净。
太阳能安全卫生，对环境无污染，不损害生态环境，是当之无愧的清洁能源。
⑶获取方便。
太阳能分布广泛，既不需开采和挖掘，又不用运输，对解决边远山区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应具有很大的优越性。
⑷时间长久。
只要有太阳，就有太阳辐射能，因此是取之不尽，用之不竭的能源。
据权威机构预计，2020年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1％左右，2050年约占25％。
可以断言，光伏发电正在快速进入电力能源结构，并且将逐步成为其重要的组成部分。
谁掌握了可再生能源和太阳能发电技术，谁就掌握了未来发展的主动权。
1光伏发电系统简介
国内外光伏发电现状
1.世界光伏发电现状
世界光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电己由补充能源向替代能源过渡。
近几年，世界光伏发电市场发展迅速。
近10年太阳能电池组件的年平均增长率为33％，近5年的平均增长率为43％，2004年比上一年增长61．2％，光伏发电已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。
2004年世界光伏电池组件产量达到1200MW，其中日本生产610MW，欧洲320MW，美国135MW，其他国家135MW。
2004年世界光伏系统的总装机容量超过4GW。
现在世界实力大国都制定了雄心勃勃的光伏发电近期发展规划：
到20lO年日本计划累计装机容量将达到5GWp，欧盟3GWp（其中德国2.7GWp），美国4.7GWp，澳大利亚0.75GWp，印度、中国等发展中国家估计为1.5～2GWp。
统计资料表明至2010年，世界光伏系统累计装机容量预计将达至14～16GWp。
世界光伏发展目标见表1-1。
1.1.2我国光伏发电现状
中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。
太阳电池及组件产量逐年稳步增加。
到2005年底，中国光伏电池总产量超过250MW，光伏组件总产量超过400MW。
中国光伏发电市场的发展为：
90年代初期，光伏发电主要应用在通信和工业领域，包括微波中继站、卫星通信地面站、程控交换机、水闸和石油管道的阴极保护系统等。
从1995年丌始主要应用在特殊应用领域和边远地区，逐步建立了较大型的光伏发电应用系统，建成各种规模的县、乡、村级光伏电站40多座，推广应用家用光伏电源系统约15万套。
2000年以后，中国的光伏技术已步入大规模并网发电阶段，开始建造100kWp级的光伏并网示范系统。
虽然我国光伏发电产业发展很快，但与世界光伏产业的发展相比，国内的光伏产业还处于规模小、基础薄弱的阶段，应用市场不够稳定，同时还缺乏长期稳定的激励政策和长效发展机制；太阳能光伏发电并网应用还不多；光伏系统和相关部件的产品质量和技术水平还有待进一步提高；光伏发电成本还需不断降低。
在2004年10月中国可再生能源发展项目办公室所作《中国光伏产业研究报告》中，对国内太阳级多晶硅的描述是“我国光伏专用太阳级硅材料的研制和生产是空白”。
在系统工程方面，由于受到技术、经济等多种因素的制约，许多具有市场潜力的应用领域，光伏或风一光一柴互补电站系统、光伏海水淡化系统、太阳能水泵滴灌工程、太阳能电动车、光伏制氧系统以及较大规模的光伏并网发电等都还没有真正发展起来。
因此，我国的太阳能光伏产业还有大量工作亟待完成。
国家（地区）
2010年
2020年
2030年
日本
5
30
72
欧盟
3
15
30
美国
15
25
其它国家
3
10
23
总计
70
70
表1-1世界光伏发展目标（累计装机容量，GWp）
1.2太阳能光伏发电系统简介
太阳能光伏发电系统按与电力系统的关系分类，通常分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。
独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而独立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。
并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。
1.2.1独立系统
独立型太阳能光伏发电系统是根据负载的种类、用途的不同，系统的构成也不同。
独立系统一般都由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池、逆变器以及负载（直流负载、交流负载）等构成。
其工作原理是：
如果负载为直流负载，太阳能电池的电力可以直接供给直流负载；如果为交流负载太阳能电池的电力则通过逆变器将直流变换成交流后供给交流负载。
蓄电池则用来储存电能，当夜间、阴雨天等太阳能电池无法供电或供电不足时，则由蓄电池向负载供电。
图1-2独立型光伏发电系统
独立系统由于负载只有太阳能光伏系统供电，且太阳能光伏系统发电受诸如日照、温度等气象条件的影响，因此当供给负载的电力不足时需要适用蓄电池来解决这一问题。
由于太阳能电池发电为直流，一般可直接接用于直流负载。
当负载为交流时，还需要适用逆变器，将直流变成交流供给交流负载。
由于蓄电池在充放电时会出现损坏且维护检修成本较高，因此，独立型太阳能光伏发电系统一般容量较小，主要用于时钟、无线机、路标以及山区无电地区等领域。
1.2.2并网系统
图1-3并网型光伏发电系统
并网光伏发电系统实质上与其它类型的发电站一样，可为整个电力系统提供电能，与独立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处。
首先，不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发出的全部电能，提高了太阳能发电的效率；再其次，省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。
并网光伏逆变系统由光伏阵列、变换器和控制器组成，如图1-3所示，变换器将光伏电池发出的电能逆变成正弦电流并入电网中，控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。
1.3课题的主要研究内容
1.3.1逆变器的性能指标
（1）额定功率3kW，峰值功率4kW：
（2）并网电气方式：
单相二线制；
（3）额定输出电压：
AC220V；
（4）电能转换效率（额定）：
=93％；
（5）绝缘方式：
工频绝缘变压器；
（6）MPPT控制范围：
DCl35～350V；
（7）保护功能：
“孤岛”保护、过流、过压、过热、太阳能电池欠压保护；
（8）质量：
=10kg：
（9）安装场所：
室内。
1.3.2主要研究内容
通过对太阳能光伏发电系统用逆变器关键技术进行较为深入的理论分析和研究，主要关键技术如下：
（1）高功率密度无源谐振软开关全桥逆变器主电路拓扑的研究；
（2）基于TMS320ULF407ADSP的逆变器空间矢量控制算法及其全数字化控制研究；
（3）太阳能电池伏一安曲线与逆变器最大功率跟踪技术之间耦合关系研究；
（4）基于DSP的软件锁相环设计与限脉冲响应法锁相环算法的研究；
（5）采用主动频率偏移法实现逆变器“孤岛”保护功能的研究。
2光伏发电逆变系统的设计与研究
逆变技术是一门实用技术，随着电力电子技术的高速发展，大量高功率开光器件相继出现，可以满足各行各业对逆变技术的需求，逆变技术的应用领域也越来越广泛。
2.1系统组成
光伏发电系统是由太阳能电池、主电路、控制电路和负载组成。
主电路包括DC／DC电路、DC／AC电路、滤波电路和隔离变压器。
控制电路采用DSP作为主控单元，其中还包括逆变器的SPWM信号发生、闭环控制和最大功率点跟踪电路。
本章将着重介绍逆变器的主电路，对逆变器的拓扑结构进行分析，选取合适的电路结构以及开关器件。
光伏系统的控制电路将在下一章再做介绍。
2.2逆变主电路的电路拓扑结构
通常单相电压型逆变器主要分为推挽式、半桥和全桥逆变电路三种。
这三种方式根据其不同的特点应用于不同的场合。
推挽式逆变电路的主电路简单，如图2-1所示。
只需要两个开关管，基极驱动电路不需要隔离，驱动电路比较简单，但是开关管需要承受2倍的线路峰值电压，所以适合于低输入电压的场合应用。
同时变压器存在偏磁现象，初级绕组有中心抽头，流过的电流有效值和铜损较大，初级绕阻两部分应紧密耦合，绕制工艺复杂。
图2-1单相推挽式逆变电路
与推挽式逆变电路相比半桥式逆变器在电路中所使用的功率开关晶体管的耐压要求较低，决不会超过线路峰值电压，其次，晶体管的饱和压降也减少到最小，不在是重要的影响因素。
再者，对其输入滤波电容使用电压的要求也较低。
由于半桥逆变电路的特殊结构如图2-2所示，其不存在直流偏磁问题，可以广泛应用于数百瓦一数千瓦的开关电源中。
但是其晶体管导通时，集电极电流增加一倍，电流的增大的局限性对于中、小功率的开关电源来说，不会构成影响，但是对于大功率的开关电源，由于能够承受高电压，大电流的晶体管价格昂贵，就难以实现了。
图2-2单相半桥逆变器
全桥式逆变电路既保持了半桥式逆变电路的电压性质有兼有推挽式的电流性质。
在逆变电路中，采用相同电压、电流容量的开关器件时，全桥式逆变电路可以达到最大功率输出，因此该电路常用于中大功率电源中，电路结构如图2-4所示。
并且与半桥式逆变电路相比，它具有较好的逆变输出波形。
图2-4单相全桥式逆变电路
所以本文设计的单相光伏并网逆变器采用全桥逆变电路，如图2-4所示，功率器件VT1～VT4组成逆变桥，VD1～VD4是对应的反并联二极管。
单相光伏并网逆变电源是将太阳电池发出的直流电变换为正弦波交流电，经过隔离变压器后输送到电网。
在逆变器运行过程中，本文采用带有电流、电压瞬时值反馈的单极性控制SPWM控制方案。
2.3全桥逆变电路的工作原理
在图2-4所示电路中，首先令VT2和VT3的控制电压UG2和UG3为负值，使VT2和VT3截止；令VTl和VT4的控制电压UG1和UG4为正值，使VTl和VT4导通，如图2．5中tl～t2时间段。
在t1时刻，VT1和VT4导通，电流的流通路径为：
E+→VTl→变压器初级→VT4→E-。
如果忽略VTl和VT4导通后的管压降，则变压器初级电压为Uin=E，变压器次级电压为Uout=EN2／N1（N1、N2分别为T的初级、次级匝数）。
在t2时刻，VTl和VT4关断，此后四个功率开关器件均截止。
图2-5控制电压及输出电压波形
在t3时刻，VT2和VT3导通，电流的流通路径为：
E+→VT3→变压器初级
→VT2→E-。
在忽略VT2和VT3的导通压降情况下，变压器初级电压Uin=-E，变压
器次级电压Uout=-EN2／N1。
在t4时刻，VT2和VT3关断，此后四个功率开关器件均截止。
电路按照上述方式工作，则可在变压器次级获得交变的电压，从而实现直流变交流的功能。
2.4逆变电路开关器件选择
在逆变系统中要求系统的响应快，保护功能强，可靠性高，对于逆变电路来说，开关器件应该具有合适的导通电流、关断承受反压以及尽量小的导通压降和关断时的拖尾电流、尽量短的开通和关断时间、尽量小的开关损耗和可靠稳定的导通和关断性能。
目前，新型的IPM智能模块以优良的性能越来越得到人们的赏识。
IPM智能模块内部具有低功耗、软开关、高性能及拥有过热保护的高可靠性IGBT，内置有过电流保护、短路保护、控制电压欠压保护、过热保护及外部输出报警端口。
用这样的模块做逆变器的功率器件，能够大大简化了硬件电路的设计，缩小电源的体积，简化了接线，大大缩短开发周期。
所以本次设计选用三菱公司出产的IPM模块。
IPM模块的型号选择可以从器件的电压等级和电流等级两方面加以考虑。
桥式逆变器的最大输入电压为400V，所以各开关管所承受的最高电压为400V，考虑电压尖峰和电压裕量，可选择耐压为600V的器件等级。
逆变器输出的额定功率为3000W，输出电流峰值为20A，隔离变压器变比为1：
l，考虑到系统的余量，则逆变桥中每只IGBT中耐流值为30A以上。
所以本次设计选用IPM模块的型号为PM200CLA60，他的耐压值和耐流值分别为600V和200A。
2.5逆变电路的吸收保护
2.5.1直流侧电容的选择
对于光伏并网系统直流侧电容器的选择需要满足下式
试中P——太阳能电池阵输出功率，取3kW
K——波纹系数，取0.1
U——直流母线电压，取400V
W——电网角频率，取314
取C=2200
，采用500V／2200
的电解电容。
2.5.2逆变器输出滤波电路设计
滤波器是影响输出波形质量的一个重要环节，在输入电压和输出电压确定的情况下，输出滤波电感的最小值主要由设定的电感电流纹波大小来决定。
电流纹波一般取15％～20％的额定电流。
本文取18％设计，输出为220V／3kVA，逆变器效率设为95％，可得：
式中
——纹波电流
——纹波电流系数
——输出功率
——输出电压有效值
为了确保电网电压波动时，逆变器能向电网中有效回馈电流，取
=400V，关频率fc=20000kHz，
=2.53A得电感和电容构成的LC低通滤波器，对高于其谐振频率的高次谐波将以40dB／decade衰减，设计其谐振频率为基波频率的10～20倍，取12。
式中f——基波频率
取电感为2mH，电容为40uF。
3光伏逆变器的控制系统分析与电路设计
逆变器的控制系统部分是逆变器设计的重点部分，采用先进的控制技术是提高逆变电源性能不可或缺的方法。
包括逆变器输出电压、电流采样和滤波，正弦波发生，输出波形控制，接收功率器件发出的过流、过压等保护信号，实现自动保护功能等等。
3.1并网逆变器的控制实现
随着逆变电源对输出波形质量的不断提高，传统的模拟控制型正弦波逆变器已经渐渐的不能满足用户的要求，同时，随着各种高性能微处理器的出现和现代控制技术的发展，使逆变电源的数字控制成为可能，图3-1为以DSP为控制核心的逆变器控制系统结构框图。
与传统的模拟控制方式相比，采用DSP为核心的控制方法具有如下特点：
（1）控制灵活、方便，可以在线设置参数，实时完善系统。
（2）易于采用先进的控制方法和控制策略，使逆变器的性能更完美。
（3）可以应用通讯接口实现多机并联或与上位机的通讯，以实现远程控制。
（4）用软件实现不同功能，减少硬件电路。
（5）系统的可靠性、抗干扰能力进一步提高。
图3-1逆变器控制系缆结构框图
3.2并网逆变器输出控制
光伏并网系统是将太阳能电池板发出的直流电转化为正弦交流电，从而向用户以及电网供电的一个装置。
并网逆变器的控制目标为：
控制逆变电路输出的交流电流为稳定的、高品质的正弦波，且与
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