小功率光伏逆变电源.docx
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小功率光伏逆变电源
目录
摘要1
Abstract2
1绪论3
1.1光伏发电的发展前景3
1.2光伏发电的发展趋势5
1.3发电原理5
2逆变器7
2.1逆变器的基本知识7
2.2光伏逆变器的分类7
2.2.1按功能用途分类7
2.2.2按逆变器输出分类7
2.2.3按逆变器输出交流的频率分类7
2.2.4线路原理分类8
2.2.5按主电路结构分类8
2.2.6按输出功率大小分类8
2.2.7按逆变器主开关器件分类8
2.2.8按逆变器输出电压或电流的波形分类8
2.2.9按逆变器开关电路工作方式分8
2.3逆变器的参数9
2.3.1额定输出电压9
2.3.2负载功率因数9
2.3.3额定输出电流和额定输出容量9
2.3.4额定输出效率9
2.3.5额定直流输入电压与输入电流9
2.3.6最大功率点跟踪10
3并网型光伏逆变器11
3.1并网逆变器的结构和原理11
3.1.1逆变器的结构11
3.1.2工作原理12
3.1.3主电路参数的选取15
3.2DC/DC级电路的MPPT实现17
3.3孤岛检测18
3.4过电流与过载保护电路设计21
3.4.1过电流和过载的危害21
3.4.2过电流与保护电路21
4MATLAB仿真23
4.1Boost升压电路与仿真及分析23
4.2后级DC/AC逆变电路仿真与分析24
总结26
致谢27
参考文献28
小功率光伏逆变电源软件设计
摘要
随着经济的发展和人们生活水平的提高，导致了化石能源的过度消耗，及生态环境的日益恶化，以致世界各国大力推动可再生能源的开发和利用。
光伏电池与光伏发电技术的不断进步，以及太阳能取之不尽、用之不竭，无污染等等特点，不久将来太阳能成为替代化石能源最重要新能源之一。
根据可再生能源与逆变的特性，得出了一种太阳能的逆变电源设计方案。
利用太阳能对锂电池进行充电，前面一级使锂电池12V电压通过BoostDC-DC升压变压器进行升压，接着再整流滤波成250V直流电压，后面一级是全桥式DC-AC电路把250V电压经过PWM控制器逆变成220V、50Hz的准确正弦交流电提供用用户使用。
该逆变电源能广泛使用于交通运输、长途旅游、野外露营和一些小功率电器设备中。
关键词电源，逆变，高频升压，PWM控制
Lowpowerphotovoltaicinverterpowersupplydesignofsoftware
Abstract
Alongwiththeeconomicdevelopmentandpeoplelivingstandardrise,leadtotheexcessiveconsumptionoffossilfuels,andtheincreasingdeteriorationoftheecologicalenvironment,sothattheworldvigorouslypromotetherenewableenergydevelopmentandutilization.Solarphotovoltaiccellsandphotovoltaicpowergenerationtechnologyadvances,aswellassolarinexhaustible,aninexhaustible,nopollutionandsooncharacteristics,inthenearfuturethesolarenergybecomesoneofthemostimportantnewenergytoreplacefossilenergy.Accordingtothecharacteristicsofrenewableenergyandinverter,itisconcludedthatasolarinverterpowersupplydesignscheme.Useofsolarenergyforlithiumbatterycharging,thepreviouslevelmakelithium-ionbatteriesthroughtheBoostDC-DC12vvoltagestep-uptransformerbooster,thenrectifierfilterinto250vDCvoltage,thelevelisthefullbridgeDC-ACcircuitthroughtheSPWMinvertercontrollerinto250vvoltage250v,50hzaccuratesinusoidalalternatingcurrent（AC）toprovidewiththeusers.Theinverterpowersupplycanbewidelyusedintransportation,travel,camping,andinsomesmallpowerelectricalequipment.
Keywordspowersupply,Inverter,Highfrequencybooster,PWMcontrol
1绪论
太阳能能源很多，分布很广，开发使用越来越多。
未来太阳能光伏发电将会是人类的主要利用方式，已经得到全球各国的重视。
近期十来年，太阳能光伏发电技术得到了迅猛发展，产业规模也变得越来越大，发电产量和光伏器件不断上升，已有相当多发电站投入利用，得到了极大地社会效益。
在世界各国市场的带动下，我国太阳能光伏产业规模也得到了迅速发展，且光伏电池成本与光伏发电技术在世界上战争力也是是一流的。
在发展趋势看来，太阳能光伏发电在中国已有了技术可行、经济合理及规模化发展条件地可再生能源利用方式。
人类正确控制能源利用总量、使利用非化石能源任务很有意义。
太阳能是地球上所有能源地源头，地球上全部的植物及动物的存在全部依赖于太阳能。
交通输送、传统发电用的化石能源（如煤炭、石油）是一种用于古老年代的植物原料，在本质上储藏了无数年地太阳能。
大家如果要将太阳能应用于交通输送、生活中等，一个必要渠道就是将太阳能转换成电能。
而在地球的某些小范围内，由于下雪、云雾、树阴等都存在阴暗，和地球的转动，不可能无时无刻地接收到太阳的光能，并且光照强度是随着时间和气候在变化，因而得到太阳能发的电是间断的、缓慢变化的直流电能。
为了让这种能量能够用于现实生产、生活中，得将其转化为稳定交流电能，这就必须用到光伏逆变器。
光伏发电（Photovoltaic，PV）是一种相对简单并且环保的太阳能利用方式，因为光伏电池能够把入射光线直接转换成电能且不会产生一些垃圾、噪声，污染并且发电装置性能可靠、寿命长、牢固，能够替代化石能源新能源之一。
1.1光伏发电的发展前景
近几年来，伴随着环境问题的日益严重，绿色环保发展理念逐渐深入人心，全球经济的成展方向已转向低碳经济，全球各国开始关注太阳能。
国家“十一五”规划纲提到，节能环保第一、开发新能源战略要重视，特别是发展太阳能产业。
“《中国光伏发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告前瞻》”得出，2010年，世界上光伏新增装机容量29.3GW相比去年的比较，涨幅达到54%，全世界共累计装机量超过68.1GW。
全世界的总装机量里，21GW的系统装在非洲，但增长速度很慢，而美国和意大利占全球装机增长量的57%。
2010年亚太区域太阳能的光伏产业使用量增长116%。
而太平洋地区，装机量为2.3GW，上涨了高达79%。
中国是在了光伏装机量成长为第一，2010年比2009年上升了大概6倍，2010年电池产量为21GW，大约是全世界的66%。
2010年为止，电池企业在中国有了120家，产量达到了37.5GW。
其中产量1.0GW及以上的企业为15家，是总产量的54%；在1.0MW和100GW之间地企业有64家，为总产是的45%；其余的产量都在100MW以上，是全国产量的5%。
由于成本、技术、规模的差异使企业竞争格局变的越来越清晰了。
全国前十家器件产商出货量已经占到61%。
在全世界的任何一个角落，能源全都是很有限的。
而中国的一次能源存储量远低于全球的平均水平，大概只占到全球总存储量的11%。
从太阳能各方面优点看出，太阳能将会是未来具有重要地位。
太阳能发展的越来越多，如城市屋顶发电、沙漠发电系统等等。
中国太阳能光伏发电有着巨大发展潜力，依靠稳定国家的政策支持，至2031年光伏安装量可心达到1.1亿千瓦，发电量相当于三十来个大型天然气电站。
未来国家将会投入越来越多的成本，来发展太阳能光伏发电，致吸引更多的战略者加入这个行业中。
自1839年发现“光生伏打效应”和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。
1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。
随着人们对能源和环境问题认识的不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。
以1997年美国总统克林顿的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等国也纷纷开始制定本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发展。
2000年以来，全球光伏产业连续6年以30%~~60%以上的速度增长，2002年全球光伏电池产量为560MW/a，到2003年已高达750MW/a,增长了34%。
2004年开始，德国对可再生能源法进行了修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场随后的爆发，随之而来的是发达国家间新一轮的政策热潮和全球光伏市场的更高速膨胀。
2004年世界光伏电池年产量达到1256MW，年增长率高达68%，2005年产量达1818MW，增长率仍有45%（图1-2），2006年，美国加州州长施瓦辛格提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划”，在未来10年内建设3000MW光伏发电系统的提案，这象征着美国光伏政策的新纪元的到来。
正是由于欧洲、日本和美国强有力的政策推动，全球太阳能光伏发电系统市场才呈现出今天欣欣向荣的景象，太阳能光伏发电的前景无限光明。
1.2光伏发电的发展趋势
太阳能光伏发电技术的开发始于20世纪50年代。
随着全球能源形势趋紧，太阳能光伏发电作为一种可持续的能源替代方式，于近年得到迅速发展。
随着全球经济和科学技术的飞速发展，世界许多国家将光伏发电作为发展的重点，光伏产业的技术进步已经使太阳能应用成为可能，并首先在太阳能资源丰富的国家，如德国和日本，得到了大面积的推广和应用。
在国际市场和国内政策的拉动下，中国的光伏产业逐渐兴起，并迅速成为后起之秀，涌现出无锡尚德、南京中电、江苏林洋、常州天合和天威英利等一大批优秀的光伏企业，带动了上下游企业的发展，中国光伏发电产业链正在形成。
1955年，我国制造出了第一块硅单晶。
1967年~1968年，科学院半导体所接受了为“实践1号卫星”研制与生产硅光伏电池板的任务，为光伏电池的研制起到了很好的基础。
1993年中国政府开始注意太阳能发电系统，投资造了个4MW多晶硅电池系统示范项目基地，这个项目是为了光伏电池将来的极速发展起到了一定的基础。
2004年2月，江苏省第一条10MW光伏电池生产线正式投入生产，产量可于此前五年全国光伏电池的总产量相比较，使中国与世界差距缩短了16年。
国家电网2012年12月21起开始，将家庭与电网并行发电，这对中国发展光伏产业起到了重要的意义。
随着传统能源的日益枯竭和石油价格的不断上升，以及人们对自身生存环境要求的不断提升，积极寻找新的替代能源已刻不容缓，作为无污染的清洁能源，太阳电池必将会得到迅速的发展。
虽然太阳能光伏发电成本较高，但是从长远看，随着技术的进步，以及其他能源利用形式的逐渐饱和，太阳能可以在2015年之后成为主流能源利用形式，有着不可估量的发展潜力。
国际经验表明，政策扶持是光伏产业发展的最主要驱动力，政府的政策导向将决定光伏产业的发展水准和市场需求，太阳能产业的发展对我们国家能源的开发和利用具有极其深远的意义。
1.3发电原理
光伏发电，基本原理可以说就是“光伏效应”。
光波（光子）射到金属时，其能由金属中某个电子全部接收，能量达到足够大后，金属内部开始做功，从金属表面逃跑掉，这样就是光电子。
这就是把光子变为电子、光能量变换为电能量了；然后，为形成电压的过程。
有了电压后，要是两者之间是通的，就会有电流地回路。
光电效应为光伏发电的主要原理。
硅是由四个电子组成，若把硼原子（3个电子）加入纯硅中，P型半导体就得到了；如果把磷原子（5个电子）加入纯硅中，N型半导体就得到了。
如果N型和P型在一起，电势差就会形成，太阳能电池也就得到了。
若太阳光照射到P-N结后，形成电流，这是因为电子由P区向N区移动，空穴与此相反。
太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。
前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。
（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。
当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，更加环保且效率更高，是可再生能源。
2逆变器
2.1逆变器的基本知识
通常把低压（24或12V）直流电变化为220V交流电定义为逆变器。
现实生活中大多是把220V交流电整流成直流电来使用。
逆变器刚好与此相反。
现在是一个“移动”的时代。
在移动的年代里，人类不仅需要由电池电瓶供应给低压直流电，而且更需要在日常生活中不能没有的220V交流电,逆变器就能满足人类的这种要求。
2.2光伏逆变器的分类
光伏逆变器为逆变器的很重要一种，尤其是为光伏发电系统设计的逆变器。
同时，由于光伏逆变器与光伏模块的连接相当紧密，一般逆与顺变器组合成为逆变与光伏控制一体机。
一般为以下几种分类方式：
2.2.1按功能用途分类
独立型（离网式）光伏逆变器和并网光伏逆变器是光伏逆变器两大类别。
在并网系统中的逆变器，相比较于独立式逆变器，技术上控制算法更复杂、要求更高。
并网逆变器的主要功能为：
（1）把光伏模块产生的直流电变换为适用于电网保用的标准的正弦交流电。
（2）有预防孤岛效应能力。
（3）具有光伏模块MPPT功能。
（4）有电路佑护（过电压保护、欠电压保护、过载保护、过电流保护、短路保护、防雷保护等）。
（5）有工作状态监视和记录功能。
2.2.2按逆变器输出分类
（1）单相逆变器
（2）多相逆变器
（2）三相逆变器
2.2.3按逆变器输出交流的频率分类
（1）工频逆变器
（2）中频逆变器
（3）高频逆变器
2.2.4线路原理分类
（1）谐振型逆变器
（2）阶梯波叠加型逆变器
（3）脉宽调制型逆变器
（4）自激振荡型逆变器
2.2.5按主电路结构分类
（1）单端式逆变器
（2）半桥式逆变器
（3）全桥式逆变器
（4）推挽式逆变器
2.2.6按输出功率大小分类
（1）小功率逆变器（小于1KW）
（2）中功率逆变器（1~10KW）
（3）大功率逆变器（大于10KW）
2.2.7按逆变器主开关器件分类
（1）晶闸管逆变器
（2）晶体管逆变器
（3）场效应逆变器
（4）绝缘栅极晶体管逆变器
2.2.8按逆变器输出电压或电流的波形分类
（1）正弦波输出逆变器
（2）非正统波输出逆变器
2.2.9按逆变器开关电路工作方式分
（1）谐振式逆变器
（2）定频硬开关式逆变器
（3）定频软开关式逆变器
2.3逆变器的参数
2.3.1额定输出电压
在单相220V和三相380V的输出电压中，输出电压偏差主要有以下要求：
（1）在正常运行时，一般要求逆变器输出的三相电压不平衡度必须在8%以内。
（2）在负载突变时，一般要求电压偏差不允许高于额定值地±10%。
（3）在正常工作条件下，一般要求电压波动偏差不可超过额定值的±5%。
（4）输出电压的失真有一定要求，三相输出的电压波形失真不超越5%，单相输出在10%以内。
（5）正常条件下逆变器输出交流电压的频率偏差不能超越1%，49~51Hz之间为输出电压频率。
2.3.2负载功率因数
逆变器带容性负载或感性负载地能力来表示负载功率因数的值，负载功率因数在0.7~0.9之间是正弦波条件下的值，在负载功率为0.9固定的条件时，一旦逆变器的功率因数值小，逆变器的容量就得增加。
导致视在功率上升，回路电流加大，损耗就变大，系统效率值下降。
2.3.3额定输出电流和额定输出容量
负载因数规定范围内逆变器的输出电流称为逆变器额定输出电流，单位为A；纯电阻性负载（输出功率因数为1）时，逆变器额定输出电流与额定输出电压的积称为额定输出容量，单位为KV·A或V·A。
2.3.4额定输出效率
在一定的工作条件下，输出功率和输入功率的比值称为额定输出效率。
在纯电阻性负载、80%负载状况下地效率称为标称效率。
负载高于80%与低于20%时，逆变器效率就低一些。
现在，主流逆变器的标称效率为95%~80%，而小功率逆变器需要它的效率在85%以上。
2.3.5额定直流输入电压与输入电流
光伏发电输入逆变器地直流电压称为额定直流输入电压，按输入电压的大小可分小功率逆变器（24V、12V），中功率（48V、110V），大功率逆变器（110V、220V等）。
光伏逆变器直流输入电压允许在额定直流输入电压的90%~120%之间内波动，不会影响输出电压地变化。
光伏发电系统为逆变器提供的额定直流工作电流称做额定直流输入电流。
2.3.6最大功率点跟踪
最大功率点跟踪（MPPT）是通过查找光伏模块输出功率最大时对应的电压值，以致光伏模块在最大的转换效率下工作。
因为太阳光照射到地球表面的光强度是依据时间而变动的，所以光伏电池板产生的功率是不定的。
若要光伏电池板发电效率到达最高，就必须不间断地改变光伏电池板的输出电压，因而找到其的峰值功率点。
关于MPPT的参数有MPPT精度与MPPT电压范围，MPPT电压范围就是MPPT系统能够扫描的电压范围，MPPT精度就是最大功率点地准确程度。
3并网型光伏逆变器
3.1并网逆变器的结构和原理
3.1.1逆变器的结构
图3-1以TMS320LF2407为控制核心的两级式光伏并网系统。
系统主要由Boost升压变换器DC/DC、逆变器DC/AC、光伏阵列和负载构成。
当中DC/DC变换器实现MPPT控制功能与输出升压。
根据电路的特点采用结构简单，容易控制的Boost升压电路，根据变化地天气条件下使输入电压得到一定的值，来实现最大功率点的跟踪，具有很好的经济性。
DC/AC逆变环节是用单相全桥逆变，实现直流到交流的逆变，把直流母线的直流电转成220V/50Hz标准正弦交流电。
并且在该环节执行孤岛检测及孤岛防护。
系统里，直流12V，经过DC/DC逆变换器转变为250V的直流电，然后经过DC/AC逆变器逆变成220V/50Hz的标准正弦交流电，而且电压电流需保持同相。
用DSP芯片TMS320LF2407来协调控制，从而实现MPPT,，从而保证并网系统的运行可靠，同时也可以提高并网电流的质量。
图3-1DSP控制的单相双级式光伏并网系统
3.1.2工作原理
（1）前级Boost电路的工作原理
如图3-2开关管VF1,二极管D1，电感L1，和电容C1组合成Boost升压电路，主要功能是把光伏输出电压U1升到U2。
图3-2Boost升压电路图
电路工作过程为：
首先当开关管VF1接通时，二极管D1就会反偏，输出级就会被隔开，然后光伏电池往电感L1身上充电，电感电流慢慢增加；当开关管VF1断开时，电感的电流因保持特性不会马上为0，即电感开始慢慢给电容充电，电容两端电压慢慢上升，此时电压值大于输入电压。
直流母线输出U2电压、光伏阵列的输出电流i是由输入电压调节开关管VF1的占空比D来实现，如图3-3
图3-3（a）VF1导通时工作电路
（b）VF1断开时的电路
（2）后级单相全桥逆变器的工作原理
图3-4所示为IGBT为主开关器件的单相全桥逆变器主电路，图中L2是交流输出电感，C1是直流侧支撑电容，V1~V4为主开关管IGBT，反向续流地作用器件VD1~VD4。
单相桥式PWM控制是通过四个开关管，然后调节输出电流i为正弦波，使得输出与保持同相位，输出功率因数就为1了。
电路仍采用升压式构造由两个桥臂并联而成的。
主要的控制规律为：
信号波与载波经过调制电路传送给开关管IGBT，电路采用双极性控制方式，在的半个周期内，由于三角载波是双极性的，即有正也有负，使PWM波同样也有正和负。
Ur一个周期，PWM波为，没有0电平。
调制信号Ur和载波的交点时刻来控制IGBT的是通还是断。
当调制信号大于载波信号，导通信号加到V1和V4，关闭信号加到V2和V3。
此时当i大于0，V1和V4就导通，反之，i小于0，VD1和VD4导通。
而输出电压都是正的。
当调制信号小于载波信号，导通信号加给V2和V3，关闭信号V1和V4。
那么，输出i小于0，V2与V3导通，若输出i大于0，则VD2与VD3导通，而输出为负的。
启动因素是直流侧滤波电容首先充电到最大，当直流侧电压不小于电网电压的峰值，电感电流就能按照给定的波形与相位得到控制。
要不然，电感电流不完全可控，这是因为续流二极管在传统的整流方式运行。
图3-4（a）单相PWM全桥逆变器电路
图3-4（b）双极性PWM控制方式波形
3.1.3主电路参数的选取
（1）滤波电感的选取
在全桥逆变器时，输出滤波电感是一个重要元件，要求实现波形为正统波，功率因数为1，且电压电流同频同相。
防止输出电流发生失真，并网前得用到低通滤波，所以，电感值选取是直接影响到电路的工作性能。
根据电感值的选取，需要考虑有：
a）电流的纹波系数。
输出纹波电流的值与输出滤波电感的值相关。
电感地基本伏安关系：
得到
（3-5）
公式中，是电感两端地电压，若是当输出电压在峰值附近（）时，输出的电流纹波为最大，要是此时开关管的开关周期是T,占空比是D（t），就有
（3-6）
公式中，是直流母线电压；L是滤波电感。
根据SPWM原理，得到开环频率远远大于工频频率，即
（3-7）
所以每个开关周期的占空比为
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