高效太阳能逆变器的设计Word文件下载.docx

1、作者单位：作者签名： 年 月 日 目 录目录摘 要： 3引言 31逆变技术 41.1 用户对逆变器的要求 51.2 光伏阵列对逆变器的要求 51.3 电网对逆变器的要求 61.4 单相三阶半周调制SPWM技术的原理 61.5 单相三阶半周调制SPWM的实现方法 71.6 本课题的主要研究内容 92. 太阳能逆变器的控制策略 92.1 光伏并网逆变器常用控制方式 102.2 太阳能逆变器的最大功率点跟踪控制 102.2.1最大功率点跟踪算法的原理 112.2.2扰动观察法实现MPPT 123太阳能并网逆变系统简介 133.1并网运行模式 133.2光伏并网逆变器常用拓扑方案 133.2.1 DC

2、-AC-DC-AC拓扑结构 133.2 .2 光伏逆变电路的主要器件 151. IGBT 152 . 单片机STC89C51 164. 逆变器主电路的设计 174.1 基本设计标准 174.2 硬件电路设计 174.2.1 功率检测电路设计 174.2.2 滤波变压网络设计 184.23 DC-DC变换器 184.2.4三相全桥逆变器 194.3 系统软件设计 205. 光伏并网逆变系统的仿真研究 215.1 PSIM仿真软件的介绍 215.2 对DC-DC转化器PSIM仿真 215.2.1 DC-DC c block编程 215.3 并网逆变器的PISM仿真 225.3.1 并网逆变器 C

3、block编程 225.3.2并网逆变器仿真图 22总结 23参考文献 23致 谢 24附录1 24附录2 26。本文主要研究了光伏并网逆变系统的设计、控制方法和仿真。针对光伏发电系统的特点，将其分为三部分进行研究。研究了逆变器的工作原理及输出特性，在此基础上建立了其仿真模型。利用PSIM仿真软件对其仿真。仿真与实测数据的对比验证可其仿真模型的正确性，为后续的仿真奠定基础。阐述了并网逆变器的工作原理和控制策略。基于逆变控制方法的研究，对系统进行仿真与实验。其中控制方法采用基于同步旋转Park变换法进行PWM调制。从仿真及实验结果中可以看出实现了输出功率因数为1的控制目标。关键词：光伏发电；单位

4、功率因数；逆变器；Park变化Abstract ：Aiming at the characteristics of photovoltaic energy system, which is divided into three parts. Studied the working principle and photovoltaic battery output characteristic, based on the simulation model was established. Use of its PSIM simulation software simulation. The si

5、mulation and comparison of measured data validation can the correctness of the simulation model for subsequent simulation, lay the foundation. Expounds the grid inverter working principle and control strategy. Based on the study of the method of inverter control the system simulation and experiment.

6、 The control method based on synchronization Park transform d - q method on PWM. From the simulation and experimental results can be seen in the output power factor to realize control targets of 1. Key words:Photovoltaic cells;Unit power factor；Inverter；Park change 引言由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重，清洁的可再生的太阳能

7、越来越受到人们是重视。极推广太阳能供电可谓是一项有意义的工作） 逆变器的主要功能是将电源的可变直流电压输入转变为无干扰的交流正弦波输出，既可供设备使用，也可反馈给电网。除了实现交直流的转换之外，逆变器还能执行其它功能，如将电路断开，避免电路因电流突波而损坏，以及跟踪最大功率点（MPPT）等，以尽可能提高发电的效率。家用太阳能供电系统，一般是将太阳能电池所发的电通过充电控制器存在蓄电池中（额定电压通常为12V），再通过逆变器逆变成220V/50HZ的正弦电压） 对逆变器的要求是可靠、高效、输出电压谐波含量低） 针对这一要求，本文提出新颖的单相三阶半周SPWM 技术，在一个正弦周期内，开关损耗比常

8、规SPWM 技术降低一半，抗干扰能力强） 它使得电路设计大为简化，降低了功耗，提高了系统的可靠性），并网发电已经成为光伏发电的发展趋势。当前，太阳能光伏市场（包括光伏模块和逆变器）正以每年约30%的年累积速度增长。太阳能逆变器的作用是将随太阳能辐照变化的DC电压转换成为电网兼容的AC输出；而对于广大电子工程师而言，太阳能逆变器是一个值得高度关注的技术领域。1逆变技术逆变技术是电力变换的基本形式之一，通过电力电子元件和触发策略将直流转变为交流提供负载或回馈电网就是通常意义上的逆变。其基本原理是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，将直流电能变换得到质量较高能满足负载对电压和频率要求的交流电能，

9、逆变器就是完成该变换的装置。现代逆变技术就是研究现代逆变技术。通过逆变技术可以获得各种形式的电能，从而实现以下功能：逆变电源将市电转换成用户所需频率的交流电变频；逆变电源能将单相交流电转换成三相交流电，也能将三相交流电转换成单相交流电变相；逆变电源能将直流电转换成交流电逆变；逆变电源能将低质量的市电电压转换成高质量的稳压稳频的交流电压，从而提高电质量。（1）逆变技术首先具有高效节能特性。逆变技术高效节能主要表现在：电动机变频调速代替恒转矩、电动机制动时的有源逆变代替功耗电阻、提高功率因数、减小变压器体积的同时也减小了变压器的功耗。（2）逆变技术调节输出电压或者电流的幅值和频率。通过控制回路，可

10、以控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，从而使输出电压或电流的幅值和频率按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活的变化。（3）逆变技术动态响应快、控制性能好、电气性能指标好。由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性很好。具体表现为：对电网波动的适应能力强（源效应好），负载效应好，启动冲击电流小，超调量小，恢复时间快，输出稳定，纹波小等。（4）增加系统可靠性。由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号的反应快，从而增加了系统的可靠性。通过以上对供电系统、电气传动、交通运输、通信、电力技术等领域中的逆变主要应用，此外在工业生产、医疗设备、家用电器、航空逆变器、舰船逆

11、变器、变频电源及充电机等都会用到逆变器技术。总之，逆变器技术已经涉及各行各业以及各种领域的电源设备，并且可以预见，各种形式的逆变器还将在不久的将来得到更将广阔的应用。1.1 用户对逆变器的要求从光伏发电系统的用户来说，成本低、效率于可靠性高、使用寿命长是其对逆变器的要求。因此，对逆变器的要求通常是：具有合理的电路结构，严格筛选的元器件：具备输入直流极性反接、交流输出短路、过热过载等保护功能。具有较宽的直流输入电压适应范围。由于光伏阵列的端电压随负载和日照强度而变化，因此逆变器必须能在较宽的直流输入电压适应范围内正常工作，且保证交流输出电压的稳定。尽量减少中间环节（如蓄电池等）的使用，以节约成本

12、、提高效率。1.2 光伏阵列对逆变器的要求由于日照强度和环境温度都会影响光伏阵列的功率输出，因此必须通过逆变器的调节使光伏阵列输出电压趋近于最大功率点输出电压，以保证光伏阵列在最大功率点运行而获得最大电源。常用的最大功率点跟踪（MPPT）方法有：定电压跟踪法、“上山”法、干扰观察法及增量电导法。1.3 电网对逆变器的要求逆变器要与电网相连，必须满足电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔离接地3个要求。为了避免光伏并网发电系统对公共电网的污染，逆变器应输出失真度小的正弦波。影响波形失真度的主要因素之一是逆变器的开关频率。在数控逆变系统中采用高速DSP等新型处理器，可明显提高并网逆变器的开关频率性能，

13、它已成为实际系统广泛采用的技术之一；同时，逆变器主功率元件的选择也至关重要。小容量低压系统较多地使用功率场效应管（MOSFET），它具有较低的通态压降和较高的开关频率；但MOSFET随着电压升高其通态电阻增大，因而在高压大容量系统中一般采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）;而在高压大容量系统中，一般采用可关断晶闸管（GTO）作为功率元件。依据IEEE 200-929和UL1741标准，所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能。孤岛效应是指当电网因电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统为能及时检测出停电状态并切离电网，使光伏并网发电系统与周围的负载形成一个电力公司无法掌握的自给供

14、电孤岛。防孤岛效应的关键是对电网断电的检测。为了保证电网和逆变器安全可靠运行，逆变器与电网的有效隔离及逆变器接地技术也十分重要。电气隔离一般采用变压器。在三相输出光伏发电系统中，其接地方式可参照国际电工委员会规定的非接地（-T）方式、单个保护接地（T-）方式和变压器中性线直接接地。而用电设备的外壳通过保护线（PE）与接地点金属性连接（T-N）。1.4 单相三阶半周调制SPWM技术的原理单相SPWM的产生方法一般是将两相位相差180。的正弦波与三角比较，所得的波形去控制全桥开关管的通断，根据三角波的极性，可以在桥中点得到二阶（只有+E和一E）两种电平）spwm和三阶（有十E、0、一E三种电平）s

15、pwm口，在个正弦周期内，四个开关管都在进行开关工作，损耗大在分析单相全桥逆变器工作特点的基础上，对传统的三阶spwm技术进行改进，提出了单相三阶半周调制spwm技术，该技术兼有三阶spwm谐波幅值小的优点，又大大降低了损耗单相三阶半周spwm实现原理如图2原理所示，它是将两相位相差180度的半波正弦（另半周为零）分别与单极性三角波比较，得到单相三阶半周spwm波作为单相全桥逆变器的控制信号- 图1（a）所示为ug2（u g1）的波形，图1b）所示为ug4（/ug3）的波形（ ug1到ug4）分别为开关管vt1 vt4的驱动信号。 图1 （a） ug2（/ug1）的波形图1 （b） ug4（/

16、ug3）的波形1.5 单相三阶半周调制SPWM的实现方法单相三阶半周调制SPWM实现的核心是如何计算半周正弦调制时的脉宽值为了计算方便，采用单极性规则采样法来产生SPWM波图1（c）（d）所示为单极性规则采样示意图正弦波与i角波同极性tb td为采样时刻根据三角形相似原理可得 2Masin（wtb）/td=2/Tc即T3=maTcsin（wtb）=maTcsin（23.14（ntc+tc/2）/Ts=MaXn式中Tc为三角波周期，Ts为正弦波周期 N为载波比，Ma为幅度调制比，Xn=Tc sin3.14（2n+1）/N,n=0到N-1.图1 （c）单相三阶SPM原理及采样示意图图1（d） 单极

17、性规则采样示意图1.6 本课题的主要研究内容在太阳能应用中，太阳能逆变器具有重要地应用价值。目前国际上学术界和工业界对太阳能逆变器进行了广泛和深入的研究，其拓扑结构各式各样。本课题的目的为研究现有的拓扑结构，为高效、稳定的拓扑的提出及应用提供依据。同时，对于太阳能逆变器控制策略进行了一定的研究。主要研究内容包括：（1）各种拓扑结构性能、工作方式分析、特点比较。（2）控制电路设计。（3）最大功率点的确定。（4）主电路参数分析与仿真。2. 太阳能逆变器的控制策略光伏并网发电系统控制方案为：光伏电池将太阳能转化成电能，并经串并联调节成满足SPWM逆变器需要的直流电压，经逆变器和滤波电感形成与电网电压

18、同频同相的正弦电流，实现并网，逆变器采用sPwM（正弦波脉宽调制）逆变技术实现。根据电力系统准周期并列的条件，采用SPWM逆变电路的再生能源回馈电网系统并网时应同时满足以下3个条件：（1）再生能源回馈电网系统中逆变器的输出电压和市电电压接近，一般压差应在10以内。（2）逆变输出频率接近市电频率，一般频差不超过04Hz；（3）逆变输出电流和市电电压同相，通常此相位差不宜超过10度。光伏并网逆变器的控制部分是逆变器设计的重点，采用先进的控制技术是提高逆变器性能必不可少的关键技术。随着电力电子器件的高频化和微处理器运算速度的提高，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网控制成为可能。2.1 光伏并网逆变

19、器常用控制方式常用的控制方法包括无差拍控制、PI控制、重复控制等。无差拍控制是数字系统特有的一种控制方式，在控制对象离散数学模型的基础上，通过施加精确计算的控制量来使得被调量的偏差在一个采样周期时间内得到校正。无差拍控制具有优异的动态性能，对由非线性负载引起的逆变电源输出电压波形的失真具有较强的抑制能力，其显著优势是快速性，其最大缺点是对精确数学模型的依赖性。重复控制是基于内模控制原理发展起来的一种控制方法。即如果希望控制系统对某一参考信号进行无静差跟踪时，则产生该参考信号的信号发生器必须包含在一个稳定的闭环系统中。在重复信号发生器的作用下，输出对输入信号的逐周期累加，当指令波形与反馈波形不一

20、致时，控制量幅度会随周期无限制的增加。如系统是稳定的，则可以使稳态波形误差为零，即反馈波形与指令波形重合，既没有幅值偏差也没有相位滞后。重复控制易实现、成本低、效果好，是一种较好的控制方案；但缺点是无法实现短于一个基波周期的动态响应PI控制是工程上应用最广的一类控制方法，也是迄今为止发展最成熟的一种控制方法，其概念清晰，容易数字化实现，并具有参数易整定、易实施、鲁棒性强等特点。但由于空载的PWM逆变器近似于一个临界振荡环节，积分作用又增加了相位滞后，这样为保证系统稳定，对控制比例P必须有所限制，因此PI的快速性虽相对于均值反馈有了较大的改善。2.2 太阳能逆变器的最大功率点跟踪控制提高太阳能逆

21、变器的转换效率是太阳能光伏发电所面临的最大的问题。由于光伏阵列的输出伏安特性曲线为非线性，而且与太阳能辐射的强度、环境温度、阴雨、雾等气象条件有密切关系，随着日照强度、环境温度的不同，其端电压也发生变化，使得输出功率也产生很大变化，故太阳能电池是一种不稳定的电源。为了在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，提出了太阳能电池阵列的最大功率点跟踪问题。在系统中使用最大功率点跟踪器可以提高整个逆变系统转换效率，而且对任何日照强度都要发挥在当前日照下光伏阵列输出功率的最大潜力，充分利用太阳能逆变器输出的功率。2.2.1最大功率点跟踪算法的原理太阳能光伏发电系统中，在某一特定的温度或

22、日照强度总存在着一个最大功率点。最大功率点跟踪的过程实质上是一个寻优过程，即通过控制太阳能逆变器两端电压来控制最大功率的输出。图2.13为太阳能逆变器的输出功率特性曲线，由图可知，当太阳能逆变器工作于最大功率点电压m 左侧时， V其输出功率随电池端电压的上升而增加；当太阳能电池工作于最大功率点电压m 右侧时，其输出功率V随逆变器两端电压的上升而减少。此外，MPPT 控制也可以先根据采集到的太阳能电压、电流值以及功率值来判断其运行在哪个工作区，然后根据不同的工作区采取不同的工作指令进行跟踪控制。但要注意日照强度和温度环境对太阳逆变器的开路电压和短路电流的影响。图2.13 太阳能逆变器的输出功率特

23、性Fig2.13 solar photovoltaic cell output power characteristics2.2.2扰动观察法实现MPPT扰动观察法（perturb and observe（P&O） 又称为爬山法（ mountain climbing），是目前实现MPPT 最常用的算法之一。在光伏方阵正常工作时，不断地给它的工作电压一个很小的扰动，在电压变化的同时，检测功率的变化，根据功率的变化方向，决定下一步电压改变的方向。其算法程序流程图见图2.14，如果电压增加了，功率也增加了，或者电压减小了，功也减小了，说明工作点位于最大功率点的左侧，下一步需要增加电压；如果电压增加了

24、，而功率减小了，或者电压减小了，功率增加了，说明工作点位于最大功率点的右侧，需要减小电压。其最后的结果是工作点在最大功率点附近来回振荡，扰动观测法的原理是：周期性地扰动太阳电池的工作电压值（V +V），再比较其扰动前后的功率变化，若输出功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一方向（+V）扰动；若输出功率值减小，则往相反（-V）方向扰动。通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大，此时应有P /V=0；然而，即使跟踪己经达到最大功率点附近，扰动仍然不停止，系统工作于动态平衡状态。2.14 扰动观察法算法流程Fig2.14 disturbance observation algorithmic proce

25、ss3太阳能并网逆变系统简介3.1并网运行模式当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，都加大力度发展光伏产。近年来无论经济是衰退还是繁荣，太阳能光伏发电产业一直以10%到15%的递增速度在发展。特别是近10 年来，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。为了使太阳能大规模应用，太阳能发电的应用趋势就是由边远无电地区的独 立供电模式向有电地区的常规并网发电方向发展，即将太阳能发电系统与电网并 联。当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充；而当输出的功率超出负载需求, 将电能输送到电网中。光伏并网发电系统如图1.1所示。在公用电网的场合，光伏发电系统可直

26、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。结构框图如图1.2 所示。图2.2 并网运行逆变发电系统框图Fig2.2 grid connected photovoltaic power generation system block diagram3.2光伏并网逆变器常用拓扑方案可根据功率变换的级数光伏并网逆变器的具体电路拓扑众多,一般可按照有无变压器分类,也来进行分类。3.2.1 DC-AC-DC-AC拓扑结构高升压比的多级式逆变器拓扑结构通常是由高频DC-AC-DC变流器和高频（或工频）逆变器两大部分组成。高频DC-AC-DC变流器可将PV阵列输出的直流电压变

27、换成可调的直流电压；逆变器可将该直流电转换成预期的交流电压。图3-4（a）为一种传统的DC- AC-DC-AC拓扑结构,该拓扑通过前级逆变器、高频升压变压器、整流器和直流滤波器,使其后级逆变器的输入得到了一个可控的直流电压。由于该拓扑前后级的开关管工作频率都很高,从而导致损耗较大、成本也很高。（a）电流源型Buck逆变器（b）电压源型Boost逆变器（c）电流源型Boost逆变器图3-4 DC-AC-DC-AC拓扑族图3-4（b）为一种电压源型Boost逆变器,它的前级由PWM控制,在前级与后级之间得到一串被称为伪直流环节的直流脉冲序列。根据冲量原理,这些直流脉冲序列所对应的是正弦或者半正弦波

28、形。与图3-4（a）相比,图3-4 （ b ） 省去了直流滤波电路,整流后直接通过后级逆变电路可得到高质量的交流输出,并且其逆变电路的功率器件工作在工频,从而降低了开关损耗.最后交流输出需要利用低通滤波器来减小THD,以提高交流输出的波形质量,但其体积有所增大。图3-4 （ a ）、（ b ） 所示的两种拓扑结构的后级为电压源 型逆变器,而图3-4（c）的后级为一个电流源型逆变器,其前级开关管高频斩波在电感上得到正半波,后级使用很低的开关频率将电感电流调整为正弦输出,输出端省去了交流滤波器,中间省去了电解电容。该拓扑被美国通用电气公司在10 kW光伏并网发电系统中商业化推广。以上对多级式逆变器

29、拓扑结构的分析结果表明,为了增强承受PV阵列输出电压波动的能力、扩大容量,多级式逆变器一般包含两级或者更多级,通常需要在前级装设一个高频变压器,提高升压的比例, 实现必要的隔离;后级是一个低开关频率的逆变器,以减少整体的开关损耗.与单级式逆变器相比,它使用的开关器件数增多,从而导致其开关损耗也略有加大。3.2 .2 光伏逆变电路的主要器件在小容量、低压PVS 中，功率器件多使用金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）。因其在低压时，具有较低的通态压降和较高的开关频率，但随MOSFET 电压的升高，其通态电阻增大。因此，在大容量、高压PVS 中，一般使用绝缘栅晶体管（IGBT）作为功率器件；

30、在100kVA 以上特大容量的PVS 中，一般采用门极可关断晶闸管（GTO）作为功率器件。PVS 中的逆变驱动电路主要针对功率开关管的门极驱动。要得到好的PWM脉冲波形，驱动电路的设计很重要。近年来，随着微电子及集成电路技术的发展，陆续推出了许多多功能专用集成芯片，如：HIP4801,TLP520,IR2130,EXB841 等，它们给应用电路的设计带来了极大的方便。逆变电源中常用的控制电路主要是为驱动电路提供要求的逻辑和波形，如PWM，SPWM控制信号等。目前，较常用的芯片有国外生产的8XC196，MP16，PIC16C73 和国内生产的TMS320F206，MS320F240 ，SG3525 等。1. IGBT 其中逆变电路的重要器件绝缘栅双极型晶体管IGBT的基本特性：静态特性与P-MOSFET类似；UGE=0时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）；UGE足够大（一般为515V），IGBT进入导通状态（通态），当UCE大于一定值（一般2V左右）时IC0。 优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高，IGBT比其他功率晶体管有更多优点，当中包括更高电流能力，利用电压而非电流来进行栅极控制，以及能够与一个超快速恢复二极管协同封装来加快关断速度。此外，工艺技术及器件结