【正文】 ................................................ 25 謝辭 ............................................................ 26 1 第一章 前言 隨著人類社會的發(fā)展 ,能源的消耗量正在不斷增加 ,世界上的能源正在日趨枯竭。同時 ,由于大量燃燒礦物能源 ,全球的生態(tài)環(huán)境円益惡化 ,對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了很大的威脅。我國經(jīng)濟(jì)正處在一個飛速發(fā)展的時期 ,能源需求量在未來幾十年仍將快速增力口。在今后十年或者更長的時間里 ,能源的發(fā)展?fàn)顩r對于我國全面實(shí)現(xiàn)小康社會的宏偉目標(biāo)將起到?jīng)Q定性的作用。 而目前 ,我國的能源工業(yè)主要面臨著經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境保護(hù)和社會發(fā)展等各方面的重大壓力。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國 ,煤炭占商品能源消費(fèi)的 76%,又由于我國能源結(jié)構(gòu)不合理和能源利用技術(shù)水平低 ,這就形成我國大氣污染的主要原因。因此 發(fā)利用可再生能源 ,改變能源結(jié)構(gòu)是我國能源戰(zhàn)線上十分艱巨而緊迫的任務(wù)。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源 ,具有儲量的無限性、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢。對太陽能的開發(fā)利用將最終解決常規(guī)能源特別是化石能源帶來的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題 ,是人 類理想的替代能源。太陽能開發(fā)利用必將在 21世紀(jì)得到長足的發(fā)展 ,并一定將在世界能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移中擔(dān)當(dāng)重任 ,成為 21世紀(jì)后期的主導(dǎo)能源。在這樣的背景下 ,太陽能作為一種巨量的可再生能源 ,引起了人們的重視 ,各國政府正在逐步推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其中 ,節(jié)能高效 ,安全可靠的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。 第二章選題背景 課題來源及其意義 能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的不斷加速和工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，世界范圍內(nèi)的能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大 重要因素，大力發(fā)展新的可替代能源已成為當(dāng)務(wù)之急。太陽能發(fā)電作為一種新的電能生產(chǎn)方式，以其無污染，無噪音，維護(hù)簡單等特點(diǎn)顯示出無比廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。光伏并網(wǎng)發(fā)電作為太陽能發(fā)電的主要形式之一，也越來越受到關(guān)注。因此深入研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對于緩解能源危機(jī)，保護(hù)環(huán)境，維護(hù)社會穩(wěn)定，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等都具有深遠(yuǎn)而重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 課題設(shè)計的主要內(nèi)容 本設(shè)計是光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，由于條件的局限性和設(shè)計題目的要求，采用蓄2 電池模擬光伏電池，作為直流電源，設(shè)計的主要內(nèi)容包括光伏陣列 MTTP 控制， 逆變并網(wǎng) DCAC 轉(zhuǎn)換，逆變器的設(shè)計是本設(shè)計的重點(diǎn)。 具體要求，用直流穩(wěn)壓電源 US 和電阻 RS模擬光伏電池， US=60V， RS=30Ω ~36Ω；uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號，其峰峰值為 2V，頻率 fREF為 45Hz~55Hz； T 為工頻隔離變壓器，變比為 n2:n1=2: n3:n1=1:10，將 uF作為輸出電流的反饋信號；負(fù)載電阻 RL=30Ω ~36Ω。 系統(tǒng)設(shè)計主要完成的功能：（ 1）具有最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）功能： RS和 RL在給定范圍內(nèi)變化時，使dS12UU?，相對偏差的絕對值不大于 1%。（ 2）具有頻率跟蹤功能：當(dāng) fREF在給定范圍內(nèi)變化時，使 uF的頻率 fF=fREF，相對偏差絕對值不大于 1%。（ 3）當(dāng)RS=RL=30Ω時， DCAC 變換器的效率 ≥ 60%。（ 4）具有輸入欠壓保護(hù)功能，動作電壓 Ud（ th） =（ 25177。 ） V。（ 5）具有輸出過流保護(hù)功能，動作電流 Io（ th） =（ 177。 ）A。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示： D CA CUdIdio 1uouR E F+RLuFuo 1濾波器控 制 電 路n1n2n3USRS+Tio 圖 1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖 第三章光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模擬裝置設(shè)計原理 逆變原理 以直流電變換成交流電的設(shè)備。由光電池發(fā)出的是直流電，無法直接提供給負(fù)載設(shè)備，需要逆變器來實(shí)現(xiàn)此功能。本設(shè)計用蓄電池代替，有于模擬裝置是個小型的模擬發(fā)電裝置，逆變器是整個系統(tǒng)的主要部件不可或缺，逆變器按輸出波形又可分為方波逆變器和正弦波逆變器，由于設(shè)計要求采用輸出為交流正弦信號。直流輸入由蓄電池直接輸入到逆變器，再由逆變器將 60V直流電轉(zhuǎn)換成 220V的交流電供用電設(shè)備用電。 整個逆變器由逆變橋、濾波電路、控制邏輯組成。其中逆變橋采用全橋和單橋?qū)崿F(xiàn)。 3 圖 逆變電路原理圖 圖 不同負(fù)載上 的電流和電壓波形 圖 ， S1， S S S4 由電力電子器件以及輔助電路組成。當(dāng)開關(guān) S S4斷開， S S3 閉合時， uo=Ud； S S4合上， S S3斷開時， uo=Ud，當(dāng)橋中各臂以頻率 f 斷開、閉合時，輸出 uo電壓變?yōu)榻蛔兊姆讲妷?，幅?Ud，頻率為 f，波形圖如圖 所示， 從而將電壓有直流變?yōu)榻涣?，由于交變電的變相頻率與開關(guān)閉合頻率相關(guān)，通過改變開關(guān)閉合頻率改變交流電頻率。負(fù)載為阻感時 io 相位滯后 uo，波形不同，負(fù)載為電阻時， io相位和 uo相同，波形也相同。 逆變器 可根據(jù)各不同性能指標(biāo)來分類。根據(jù)直流端可分為電壓型和電流型，即直流側(cè)為電流源逆變電路為電流型逆變器，只留段為電壓源的則為電壓型逆變器。根據(jù)交流側(cè)逆變器有有源和無源兩種，是根據(jù)電能去向而分，如果將逆變交流側(cè)直接送到電網(wǎng)，電網(wǎng)為負(fù)載，這樣的逆變器為有源逆變器，逆變過程可歸結(jié)為：直流→逆變器→交流→交流電網(wǎng)，這種電路常用在直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、可變速電機(jī)。如果將逆變交流端變?yōu)榭烧{(diào)頻率交流電直接送到交流負(fù)載，這樣的逆變器為無源逆變器。根據(jù)輸出波形分為正弦和非正弦逆變器，正弦開關(guān)功耗小，適合工作頻率較高，非正弦開關(guān)損4 耗大 ，適合低頻率。根據(jù)相數(shù)分為單相和多相逆變器。根據(jù)逆變電路器件可分為由無關(guān)端能力的半控器件組成的半控型逆變器和有控斷能力的全控型逆變器。由逆變電路結(jié)構(gòu)又可分為全橋、半橋和推挽式逆變器。 設(shè)全控型開關(guān)器件 V V2信號在一周期內(nèi)各半周正偏、反偏，兩者互補(bǔ)，負(fù)載為感性時，工作波形相位不一致，如圖 所示，輸出電壓 uo為矩形，幅值 Um=Ud/2,輸出電流 io根據(jù)負(fù)載的變化而變化，設(shè) t2 時刻， V1為通態(tài)， V1為斷態(tài)，此時給 V1斷態(tài)信號 V2 通態(tài)信號，但感性負(fù)載中 io不能立即改變方向，保持原來的導(dǎo)通方式，在t3 時刻 io降為零時， VD2截至， V2 開通， io開始反向。 圖 在 t4 時刻，給 V2 關(guān)斷信號， V1開通信號，此時 VD1先導(dǎo)通， t5時刻 V1開通。V1 或 V2 導(dǎo)通時，負(fù)載電壓電流同相，由直流側(cè)提供電能， VD1 或 VD2導(dǎo)通時，輸出電流電壓方向相反，負(fù)載中儲存的能量向直流側(cè)反饋并將能量暫時儲存在電容中，直流側(cè)電容就起到了緩沖反饋的無功能量的作用。 圖 5 電壓型全橋逆變器可看成 2個半橋組合構(gòu)成，其中 4 橋臂為一對， 3 為另一對，分別成對導(dǎo) 通和斷開，且兩對交替各導(dǎo)通半個周期，其輸出電壓波形圖（ b）的半橋相同為矩形，幅值 Um=Ud，輸出電流和圖 (b) i0相同，幅值增大一倍。 VD VVD V2 相繼導(dǎo)通區(qū)間對應(yīng) VD1和 VD VD2和 VD V1 和 V V2 和 V3的導(dǎo)通區(qū)間。 全橋逆變電路在單相逆變電路應(yīng)用比較廣泛，可對電壓波形幅值 U0和矩形波 u0展開傅立葉級數(shù)，得 其中基波幅值 U01m和基波有效值 U01分別為 : 負(fù)載為 RL 時，輸出電流的基波分量為 : 當(dāng) u0正負(fù)電壓各為 180176。脈沖時，要改變輸出電壓有效值只能通過改變 輸出直流電壓 U0來改變。 相全橋逆變電路中，各柵極信號 180176。正偏和反偏，每對力臂信號互補(bǔ)， V3 的基信號比 V1 落后α， V V4柵極信號比 V V2 的柵極信號前移 180176。－α，輸出電壓u0的正負(fù)各位α的脈沖，調(diào)節(jié)α即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。 上所述，全橋逆變電路優(yōu)點(diǎn)可歸結(jié)為：要求電壓低，輸出功率大；缺點(diǎn)為：驅(qū)動復(fù)雜，開關(guān)器件過多。所以全橋逆變適合在大功率器件中逆變器 。 正弦脈寬調(diào)制 SPWM 6 Pulse Width Modulation 即 PWM(脈沖寬度調(diào)制） ， 通過調(diào)節(jié)輸出方波的占空比改變輸出電壓。 SPWM即 PWM的基礎(chǔ)上改變調(diào)制方式，把脈沖寬度的時間占空比按正弦排列完成的。由采樣控制理論可得出，沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)上時，它們的輸出響應(yīng)基本相同，慣性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)取決于系統(tǒng)的沖量，即與窄脈沖的面積有關(guān)而與形狀無關(guān)。圖 為例舉的幾種形狀不同沖量相同的幾種窄脈沖函數(shù)圖，其中圖 （ d）為單位脈沖函數(shù)，即脈沖過渡函數(shù)圖。 圖 形狀不同沖量相同的幾種窄脈沖 將正弦波的正半部分波形劃分為 n等分，將每部分用等面積的矩形波代替，得到一組等效于正弦波等幅不等寬的矩形脈沖波，這種方 法即為逆變器的正弦脈沖調(diào)制（ SPWM），方法如圖 。 圖 SPWM代替正弦波 單相全橋逆變中的 SPWM控制 根據(jù)脈沖調(diào)制所處調(diào)制信號脈沖的正負(fù)極性，可以分為單極性和雙極性。 單極性調(diào)制：脈沖在調(diào)制信號正半周期或者負(fù)半周期內(nèi)，即只有一種極性的脈沖信號稱為單極性調(diào)制。如圖 所示，單相橋式電壓