光伏发电并网逆变器毕业论文设计.docx

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光伏发电并网逆变器毕业论文设计

光伏并网发电逆变控制器的设计

摘要

恶化的环境和世界传统能源的枯竭，促进了新能源的研究和开展。

太阳能资源具有可持续开展的特点受到了很多国家的重视，为了发挥太阳能的作用，刺激太阳能产业的开展，许多国家出台了新能源法。

其中，太阳能发电有深刻的理论意义和现实意义，仅在过去五年，数千兆瓦的太阳能并网电站得以安装。

光伏并网逆变器、光伏阵列和太阳能电池是整个光伏并网发电系统的核心。

本文根据光伏发电阵列和逆变器结构特点，提出了依赖于DC-DC与DC-AC两级并网逆变器结构。

由于DC-DC和DC-AC电路的相互具有独立的特性，分别分析了DC-DC和DC-AC，其中，重点分析的是DC-AC的工作原理。

本文的重点是对并网逆变控制器进展设计，包括有逆变器的驱动电路设计、逆变器驱动电路的软件编程以与并网过程中直流侧欠电压、直流侧过电压、交流侧电流等硬件电路的设计。

此外，该设计对主电路元件的参数的选择、系统的最大功率跟踪方法进展了详细的分析。

关键词光伏并网；逆变器；太阳能；最大功率点跟踪

PVgridpowerinvertercontrollerdesign

Abstract

Deterioratingworldenvironmentandtraditionalenergydepletion,promptedthedevelopmentofnewenergyanddevelopment.Sustainabledevelopmentofsolarenergyresourcesbythenationalattention,countrieshaveintroducednewenergylawplayaroleinfuelingthedevelopmentofsolarenergy.Amongthem,grid-connectedPVhasprofoundtheoreticalandpracticalsignificance,inthepastfiveyearsalone,thephotovoltaicpowerstationinstalledtotalhasreachedthousandsofMW.ConnectedPVarrayandgridphotovoltaicgrid-connectedinverteristhekeytotheentiregrid-connectedPVsystem.

Basedontheinverterstructureandarrayofphotovoltaicpowergenerationcharacteristics,basedonthestructureoftheDC-DCandDC-ACtwogridinverter.BasedontherelativeindependenceoftheDC-DCandDC-ACcircuits,respectively,ontheDC-DCandDC-ACanalysis,thefocusoftheworkingprincipleoftheDC-AC.Thegridinvertercontrollerdesignisthefocusofthisarticle,DCinverterdrivercircuitdesign,softwareprogrammingoftheinverterdrivercircuitandgridsideundervoltageDCsidevoltageACsidecurrenthardwarecircuitdesign.Theselectionofthemaincircuitponentparameters,thesystem'smaximumpowerpointtrackingmethodtodoadetailedanalysis.

KeywordPhotovoltaicgrid；Inverter；Solar；MaximumPowerPointTracking

插图清单

表格清单

光伏并网发电逆变控制器的设计

第一章绪论

太阳能与其光伏产业

太阳能的能量是来自于太阳部连续不断的核聚变。

在地球外表上太的辐射强度为1367km/㎡。

我们生活的这个地球的赤道周长为40000km,所以我们大概可以计算出，地球可以获得173000TW的能量。

人类维持生存需要这些能量。

太阳这个能源是久远的、巨大的、无穷无尽的。

地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能以与局部潮汐能都来源于太阳；即使在地球上存在的化石原料，从本质上来说也是由远古时候的能量转化而来的，所以从广义来说，太阳能的定义围比拟广，太阳能从狭义的定义来说是指太阳辐射的光热、光电跟光化学之间的转换。

太阳能的一种重要利用形式就是太阳能光伏发电，我们利用太阳电池把能量从光能变为电能，伴随着现代科技的进步，光伏发电在我国以致于全世界有很大的开展前途。

太阳能电池工作的原理是利用半导体具有的光伏效应，就是在太的照射下会产生光电压的现象。

1954年美国的贝尔实验室首先发明出了以PN结为根本结构具有使用价值的晶体硅太阳电池，从此以后太用电池在太空领域技术中就得到了应用，现在在地面也逐渐得到推广应用。

同核能、风能、化石能源等发电技术相比，光伏发电具有其自身的优势，可归纳为如下几点：

1〕先进性的发电原理：

直接由光子转化为电子，中间没有其他过程和机械运动，具有简洁的发电形式。

2〕太阳能资源的无限性和分布特性：

太阳能取之不尽、用之不竭，可以再生和洁净环保；太无处不在，不需运输，最最重要的是没有任何国家能过将其垄断和控制。

3〕太阳能没有资源短缺跟耗尽问题：

用到的主要的硅材料储存丰富，在地壳上出了氧元素之外的第二多的元素，多达26%。

4〕光伏发电同大自然的关系：

无燃烧的过程，无温室气体、废气和废水的放出，环境友好，可以称作真正的绿色发电。

5〕使用性能和寿命的问题：

已经经过应用和实践了十几年：

光伏发电有比拟稳定的性能，还有较长的使用寿命。

6〕维护和管理问题：

可实现无人化且维护本钱低。

太伏发电的开展史如表〔1-1〕所示。

它的历史还要从1800年前说起，伯克莱氏发现对某种半导体在的照射下，会改变其伏安特性。

最后光伏效应被发现，并用这种半导体做成了太阳能电池。

其后在此方面又有更突出的发现。

年份

成就

1800

1876

1904

1940

1954

1955

1956

1958

1972

1974

1976

1984

1985

1991

1992

1994

2003

光伏效应的发现

研究硒的光伏效应

对铜和氧化铜光敏感性的研究

研究PN结的理论

发明了单晶硅太阳能电池

发明CdS太阳能电池

发明GaAs太阳能电池

太阳能电池应用在先驱者1号通信卫星上

美国制定新能源开发计划

日本制定太阳能发电开展的“计划〞

发明了非晶硅太阳能电池

美国建成了7MW太阳能发电站

日本建成了1MW太阳能发电站

制定再生新能源发电与公共电力网并网法规〔德国〕

制定逆潮流供电与公共网并网法规〔日本〕

住宅用太发电系统技术规程〔日本〕

RPS法〔新能源法案〕〔日本〕

目前我国的经济开展正处在繁荣时期，但是能源问题却是很严峻，在大多数城市中，由于现在的工厂燃烧大量的化石能源，环境恶化的趋势十清楚显。

由世界卫生组织〔WHO〕

表1-1光伏发电的历史

2000年公布，在世界上污染最严重的十个城市之中，中国占了八个，而且位居第七位。

因此开展光伏并网发电会有助于提早解决这一问题。

我国相关部门开始重视起来，国家科技部首先规划出有步骤的推进有关的科技创新研究、示和产业化进程。

在“八五〞与“九五〞期间，“光伏屋顶并网发电系统〞已经被“国家科技公关计划〞所列入，假如干光伏屋顶并网发电系统示工程分别建成在和。

现在我国仍然需要进口光伏并网发电的关键技术和设备，然而，为了面对巨大的国需求，实现具有自我知识产权的高科技的开展相当关键，这是一个亟待解决的问题。

具体的目的在光伏并网发电系统中表现在：

〔1〕为了实现提高转换电能的质量，将太阳能光电转换组件阵列输出的直流电变化成为220V，频率为50Hz的单相正弦波，使电流与电压要有比拟小的畸变率；〔2〕可以使系统变得更安全，如输入接反保护、输出短路保护、输出过载保护、直流过压保护、欠压保护、交流过压、“孤岛〞保护。

对光伏并网发电系统的研究与探索是非常有意义的，不仅在技术上可以更上一个台阶，在工程上取得经验，而且另外还能确定它在经济方面是可行的。

光伏发电要是想进军到建筑市场和电力市场，那就必须开展并网光伏发电，光伏发电应用的规模只有达到了电力的规模，才能对能源的紧和环境污染的抑制起到理想的作用。

要想研究光伏并网发电系统，其重点应该落在并网发电的经济政策研究和具有商业化前景的实用技术和工业部件上。

大力推广光伏并网发电不仅减少环境的污染和节约了能源，对壮大光伏工业还有一定的促进作用，可以实现能源的可持续开展，同时也创造了很多就业的岗位。

要想将并网光伏发电实现，关键的技术就是设计并网光伏逆变器。

目前，独立光伏电站使用的逆变器应用比拟广，技术也相对成熟。

但是比拟落后的技术出现在并网逆变器这里，要想从国外进口并网逆变器，它的价格却很高昂，所以在国推广不是很现实。

为了能够自主研发生产，国有相关的企业和局部高校开始开展合作，共同研究光伏发电技术，但是还没有产业化的实现，几乎都是示系统。

为更好将网光伏发电系统大众化，自主研发并网逆变器就具有丰富的现实意义。

第二章光伏发电并网逆变控制器系统的理论分析

图2-1系统总拓扑图

从上面的这个总拓扑图〔2-1〕中我们可以简单得到，光伏列阵产生的直流电压首先会经过boost变换器，会对光照下系统的最大功率点进展追踪，再利用逆变器把直流电转变成为交流电，利用单片机控制，进展电压的检测和负载的过电流检测。

最后是利用辅助电源，把产生的电脑并到电网中去。

逆变器的电路原理

2.2.1逆变器的电路原理

如下图2-2所示的为单相桥式逆变电路最根本的工作原理，我们只有先弄懂了这个原理，才可能顺利设计出并网逆变器。

图中S1~S4是桥式电路的四个臂，他们由电子电子器件和辅助电路组成。

S1～S4为开关管。

当开关S1和S4闭合，S2和S3断开时，负载电压U0为正值；当开关S2和S3闭合，S1和S4断开时，U0为负值。

这样，就把直流电转变成了交流电，改变两组开关切换频率，即可改变输出的交流电的频率。

图2-2单相桥式逆变电路

2.2.2逆变器的逆变传统技术

三相逆变电路可以由三个单向逆变电路组合而成。

在三相电路中，三相桥式逆变电路的应用最为广泛。

开关器件采用的是IGBT的三相电压型桥式逆变电路如图2-3所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。

电路的直流侧通常只用一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出假象的中点

。

和单相半桥电路和全桥逆变电路一样，三相电压型逆变电路多数采用的工作方式如下：

逆变电路根本导电方式也是180度的方式，即是每个桥臂导电的角度为180度，同一相〔即同一半桥〕上下两个臂交替导通，各相开始导电的角度依次相差120度，这样在每一个瞬间，将会有三个桥臂同时导通。

可能是上面的一个臂下面的两个臂，也许是上面的两个臂和下面的一个臂。

对于U相的输出来说，，当桥臂1导通时，

，当桥臂4导通时，

。

因此，

的波形是幅值为

/2的矩形波。

V相、W相的情形和U相类似，他们的波形形状一样，只是每个相位之间相差120度。

、

、

的波形如如下图2-4所示

图2-3电压型三相桥式逆变电路

图2-4

、

、

的波形

假设负载中性点N与直流电源假想中性点

之间的电压是

，如此各相负载相电压可由如下式子求出：

〔2-1〕

将上面的公式整理得：

设负载为三相对称的，即有

，如此：

〔2-2〕

如下图给出了

的波形，它也是矩形波，但是它的频率为

频率的三倍。

利用式（2-1）和式（2-2）可以绘画出

、

的波形，

、

和

的波形形状是一样，仅是相位相差120˚。

图2-5

和

的波形图

2.2.3逆变器的SPWM控制技术

在采样控制理论中有一个重要的结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果根本一样。

这个原理叫做面积等效原理，这也是PWM控制技术的重要理论根底。

例如图2—6所示,有三个窄脉冲，它们形状不同，（a）图为矩形脉冲,（b）图为三角形脉冲，（c）图为正弦半波脉冲，但是它们的面积都等于1。

当它们作为输入分别加在可以将其看成惯性环节的R-L电路上时，设电路的输出记作电流i（t），图2—7（b）给出了输入为不同的窄脉冲时，输出i（t）响应波形。

从图中波形可以知道，在i（t）处于上升阶段，脉冲的形状不同，i（t）也会有所不同，但是其下降段的波形几乎完全一样。

越窄的脉冲，其输出响应i（t）的波形差异也就会越小。

如果上述脉冲的施加是周期性的，如此输出响应i（t）波形也会呈现周期性的变化。

用傅立叶级数分解之后将看出，在低频段各i（t）的特性是非常接近的，仅是在高频段是不同的。

图2-6波形不同冲量一样的窄脉冲

图2-7冲量一样的各种窄脉冲的响应波形

2.3并网逆变

上图2-1显示出了并网逆变器的结构，该电路的结构包括：

工频逆变器、高频逆变器、工频变压器、输入滤波器和输出滤波器。

2.3.2系统的总体方案

光伏并网逆变器的控制策略是光伏系统并网控制的关键。

通过对方案的研究和比照论证，本次的设计将会采用无变压器两级模型结构，前级的DC-DC变换器通过DClink相连接后级的、不可或缺的DC-AC逆变器。

在这里，对于前级和后级变换器的控制策略可以独立的进展研究。

就一般而言，拥有两级变换的并网逆变系统中，前级的DC-DC变换器的主要作用是实现最大功率点的跟踪控制，在此方案中考虑到输入电压是比拟低的，如果采用了半桥电路，会使得流过开关管的电流变大，得到的输出电压会太低；假如采用了全桥电路，如此结构变得复杂，开关的功耗变大。

综合上面的分析，此系统采用结构比拟简单，控制比拟方便的Boost升压斩波电路。

而后级DC-AC变换器控制要求要实现两个：

第一是要稳定前后级之间的直流侧电压；第二是要完成控制并网电流，甚至要按照指令来调节电网的无功功率。

由此可见，网侧逆变器是光伏发电的核心。

采用单相全桥逆变电路，其作用是将直流电变为交流电，实现将电能并入电网。

DClink的作用不仅是连接前后两级变换器，而且还可以实现功率的传递。

系统主电路如图2-1所示：

2.3.3前级电路的工作原理

前级为Boost电路，该电路是由电感、电容、开关管和二极管组成，其作用是将太阳能电池输出的电压升高，Boost电路的原理图以与输出波形如如下图2-8所示。

图2-8Boost电路的工作原理图

在分析Boost电路工作原理时，假设在电路里，电感L的值很大、电容C的值同样也大，当全控器件V通态时，电源E给电感L充电并且使电路中的电流恒定为

，电容C同时向负载R供电。

因为电容C的值很大，输出电压

根本上保持为恒值

。

假设开关V导通的时间为

，此时电感L上储存的能量是

。

当开关V为断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并且把能量传递给负载R。

假设开关V断开时间为

。

在此过程中电感L放出能量为

。

当电路在稳态工作时，电感L在一个周期中积蓄与释放的能量相等，即

〔2-3〕

化简之后得

（2-4）

上式中，

，所以升压斩波电路输出的电压高于电源电压。

在式〔2-4〕中

定义为升压比，要使输出电压

的值改变，就可以调节升压比的大小。

记

为升压比的倒数，即

。

和占空比

的关系为

〔2-5〕

如此式〔2-4〕可改写为

（2-6）

升压斩波电路能够将输出电压升高的关键原因有两个：

其一是因为电感L的储能使电压具有泵升的作用，其二是电容C可以保持输出电压恒定。

在上述的分析中，设定开关V处于通态的期间，因为电容C的作用使输出电压

恒定，但是电容C的值不会是无穷大的，在向负载放电的过程中，

肯定会下降，所以实际输出得电压略低于式〔2-4〕中所得的结果。

但是电容C的值有足够大时，误差是很小的，几乎可以是忽略不计的。

（1）滤波电感的选择

在逆变器中有个器件很关键，那就是滤波电感。

光伏发电并网系统最根本的就是要逆变器输出波形为正弦波，要使它的功率因数接近1。

所以电感的选取直接决定电路的性能。

选择滤波电感，要尽量把调制波中的含有高次谐波分量滤掉，使输出电压的质量大幅提高。

滤波电感的同滤波电容的高频阻抗相比不能过低，就是滤波电感的感值不能太小。

选取电感，我们要考虑到电感的值会对输出纹波电流的值有直接的影响。

在现实的设计中，会对电感的本钱、体积等因素有所考虑。

很重要的一点是参考电感的下限值，取值要稍微大于要求的下限值即可。

（2）滤波电容的选择

滤波电容和滤波电感一起作用滤除输出电压里的高次谐波，已达到改变输出电压的波形形状。

但是从电路上看，在输出的电压不会变动的情形下，滤波电容的增大会增大滤波电容的电流，从而增大了逆变器的无功能量，降低了效率，增加了损耗。

所以滤波电容不应该选的太大。

（3）开关管的选取

对逆变电路来说，选择主功率元件这一方面也是至关重要的，目前应用较多的功率开关元件主要有绝缘栅极晶体管（IGBT），功率场效应管（MOSFET），达林顿功率晶体管（BJT）和可关断晶闸管（GTO）等。

假如一个系统电压低、容量小，如此用MOSFET较多，因为MOSFET具有较高的开关频率和较低的通态压降。

假如系统电压高、容量大，一般会采用IGBT模块，因为MOSFET的特性是随着电压的上升，通态电阻也会增大，在中容量系统中IGBT会占有比拟大的优势。

而GTO一般存在于在特大容量（100kVA以上）系统中。

针对上述电路的特点，开关器件我们应该选用IGBT。

在光伏发电系统中，除了光伏电池的部特性影响光伏电池的利用率之外，还受使用环境的影响，比如温度、负载、辐射度等因素影响。

由于工作的外界环境不同，光伏电池运行的最大功率点是不同的，但是每种情况下确是唯一的。

因此，对于光伏发电系统来说，我们应当探索光伏电池工作的最优状态，尽可能大的将光能转变为电能。

利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪技术。

最大功率点的跟踪从本质上讲是一个自寻优的过程，即对光伏阵列端电压进展控制，使得光伏阵列能够在不同的温度和光照条件下智能的将最大功率输出。

介绍下面几种典型的跟踪方法：

〔1〕定电压跟踪法：

在温度的变化不是很大且辐射度大于一定值时，光伏电池的输出P-U曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。

因此，假如能将光伏电池输出电压控制在最大功率点附近上的某一定电压处，光伏电池将会获得近似的最大输出功率，这种MPPT控制称为定电压跟踪法。

定电压跟踪法的优点是拥有简单的控制策略、有较高的稳定性且易于实现。

缺点就是它没有考虑到太阳能电池结温会影响开路电压，所以能量的损失会比拟大，定电压跟踪法跟踪最大功率点的误差也会越大，这只是最大功率的一种近似跟踪方法。

〔2〕扰动观测法：

扰动观测法是实现MPPT最常见的自寻优类方法之一。

其根本原理是在正常工作下的光伏阵列，每隔一个固定的时间，都会利用一个较小的步长，来将太阳能电池输出的电压改变。

方向即可以减少也可以增加，并对功率的变化方向进展检测，以此确定寻优的方向。

假如输出的功率增大，那么会继续按照上述的方法以周期的方向继续进展“干扰〞，否如此会改变扰动的方向。

算法的流程图如如下图2-9所示，其中I（k）、U（k）是光伏列阵当前的输出电流，输出电压，P（k-1）是上一个周期采样值。

由于系统始终存在着“扰动〞，系统虽然在最大功率点旁边工作，但无法稳定下来，只能振荡运行在其附近，而步长决定着振荡的幅值。

如果扰动的步长过大，如此振荡在最大功率点附近就会比拟大，就会损失较大的功率，但是跟踪的速度会比拟快；相反如果取得较小的步长，虽然会减小功率的损失，但是同时也会降低跟踪的速度，系统的响应速度会降低。

当光照随时间变化不大时，用这种算法是很有效的；当光照强度突变时，跟踪算法很有可能失效，得出错误的跟踪方向。

优点：

原理很简单，测量的参数较少，转换的效率较高，硬件的实现比拟方便，所以应用很广泛。

缺点：

步长对速度和控制精度影响会比拟大，即步长同精度不可以兼顾；系统的工作点是无法在最大功率点上稳定下来，将会导致局部功率损失；因为此种方法没有一套严谨的算法，对外界变化的环境有较低的适应能力，所以只有在光强变化不大的环境中才得以运用；复杂的控制算法，对控制系统的要求很高。

P（k）-P（k-1）>1

计算当前功率P（k）

检测U（k）、I（k）

改变原扰动方向

施加扰动输出

保持原扰动方向

初始功率读取

输出控制信号

图2-9扰动观测法的流程图

2.3.6逆变器驱动电路

逆变器的驱动电路采用的是在AT89C51单片机控制下，SA4828芯片生成SPWM调制信号，其中SA4828芯片是专用产生三相SPWM信号的。

驱动电路作用主要是：

当电压突然不正常时，相位依次相差180˚，频率为50HZ的两路矩形电压脉冲依次产生，这两路脉冲分别驱动两个IGBT。

当电压出现不正常状态时，控制信号就会由AT89C51单片机迅速发出，SA4828芯片就会在此时立即工作，IGBT的通断便是由它发出的六路脉冲控制进展控制的。

此时会有导通三个管子，同一桥臂上下的两个管子依次轮流导通180˚，根据PWM控制技术，逆变器将会输出50HZ频率的交流电。

第三章硬件电路的设计

硬件电路的设计主要介绍直流侧欠电压、过电压检测电路，交流侧的过电流检测电路。

图3-1直流侧欠电压检测电路

直流侧欠电压检测电路如上图3-1所示，当太阳能电池板工作在正常状态时，输出的电压大约为96V，由分压电阻R10和R11分压，此时比拟器的

大约是2.4V，

近似为1.8V，比拟器的输出电压为12V，光耦合器

会导通，发光二极管

由于承受了正向电压会发光，输出

为0；当太阳能电池板工作在欠压时，

会小于1.8V，比拟器会输出0，光耦合器

不会导通会使灯息灭，输出

为1。

直流侧过电压检测电路如如下图〔3-2〕所示，将Boost电路里电容C的两侧电压采集，通过电阻输入到比拟器的负端。

直流侧的电压值大约是240V，分到2管脚上的电压大概是2.5V，+5V的电压施加在

的电阻上，通过

分压，落在1管脚上大约3.0V，在设计电路时使得

>

，这样就使3管脚稳定在+12V，

承受了正压而发光，输出

为0。

当直流侧的电压过高时，2管脚的电压也会相应的升到比3.0V还有高，此时比拟器3管脚输出为0V，

会导通，导致发光二极管

关断从而不发光，输出

为1。

当直流侧的电压降至临界电压时，虽然2管脚的电压可下降到3.0V,但是因为1管脚已从降低到了2.5V，所以3管脚仍是0V，因此只有当直流侧的电压继续降到某一定值的时候，2管脚才降到低