【正文】 波形和分析 .............................................................................................. 37 第五章 總結(jié)和展望 ................................................................................................................ 39 工作總結(jié) .................................................................................................................... 39 展望 ............................................................................................................................ 39 參考文獻 .................................................................................................................................. 41 附錄 .......................................................................................................................................... 42 附錄 A DSP 控制電路 PCB 板 ...................................................................................... 42 附錄 B 3D 模式的控制電路 PCB 板 ............................................................................... 42 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 41 附錄 C 主電路 PCB 板 .................................................................................................... 43 附錄 D 3D 模式的主電路 PCB 板 ................................................................................... 43 附錄 E 總體原理電路圖 .................................................................................................. 43 附錄 F DSP 控制電路原理圖 ........................................................................................... 43 致謝 .......................................................................................................................................... 44 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 41 第一章 緒 論 課題研究的背景、目的和意義 當今世界 ， 人類對于能源的依賴性越來越強，能源已經(jīng)成為我們生活中必需的部分，它為人類的各項活動提供著動力。隨著一次能源煤、石油、天然氣等不可再生能源的過度開發(fā)，以及地球環(huán)境的日益惡化 —— 全球變暖、酸雨、厄爾尼諾現(xiàn)象等，一系列環(huán)境問題危及人類的可持續(xù)發(fā)展。環(huán)境 、能源和可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為人類迫切要解決的問題。 能源短缺和環(huán)境惡化加快了人類去尋找替代能源的進程，各國都在大力發(fā)展新能源。在新能源家族中，有風能、太陽能、地熱能、潮汐能等。由于太陽能資源分布相對廣泛、蘊藏豐富，光伏發(fā)電以清潔可再生的太陽能為能源，直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，是一種不需要燃料、沒有污染獲取電能的高新技術(shù)，因此光伏發(fā)電被認為將是 21 世紀、最具活力的新能源 [1]。過去太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中因為太陽能電池的制造成本比較高，所以太陽能光伏發(fā)電只能應用于一些偏遠地區(qū)的供電。例如，一些分散的農(nóng)牧戶、基站的通信 設備供電、氣象、國防等。而且應用于村莊的大都是小型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，大多未能并入電網(wǎng)，屬于獨立的離網(wǎng)式發(fā)電。當今太陽能電池硅板成本有所降低，電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機處理技術(shù)等也有了飛速發(fā)展。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)有了質(zhì)的飛躍，發(fā)電成本在逐年下降，發(fā)電的效率和市場效益也在進一步提高，這為大規(guī)模發(fā)展太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)提供了基礎。 從 2021 年歐盟聯(lián)合研究中心預測的世界能源結(jié)構(gòu)大致變化發(fā)展趨勢 [2]中可以看出，在接下來的近一百年里，石油、煤炭、天然氣等不可再生能源在一次能源消費中所占的比例將呈下降趨勢，而太陽能光伏發(fā)電則會大比例的增加。所以大力發(fā)展太陽能有利于緩解能源危機和解決環(huán)境問題，促進人類社會的可持續(xù)發(fā)展。 我國擁有豐富的太陽能資源，所以發(fā)展太陽能占有一定的先天優(yōu)勢。從我國所處的地理位置、地形以及緯度來分析，我國中西部地區(qū)太陽能資源比較豐富，西藏、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏均屬于世界太陽能資源豐富的地區(qū)。這些地方又有十分廣闊的面積，有利于大規(guī)模安置太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電設備，也有利于部分地區(qū)環(huán)境的改善。 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 與獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有一些自己的優(yōu)點。它省掉了體積龐大、價 格高昂、不易維護的蓄電池，具有造價低，輸出電能穩(wěn)定的特點，因而具有更為廣闊的市場前景。典型的光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)包括：光伏陣列，直流到直流斬波電路（ DCDC）， Dclink，直流到交流逆變器（ DCAC）控制電路，采樣電路，保護電路，故障處理電路等。 國內(nèi)研究的現(xiàn)狀 由于我國在光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的研究起步相對較晚，光伏發(fā)電只在一些尖端領域應用比較多，核心技術(shù)方面和國外還有一定的差距。就光伏并網(wǎng)型逆變器而言，合肥工業(yè)大學能源畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 41 研究所、燕山大學、上海交通大學、中國科學院電工研究所等科研單位在這一方面 進行了相關的研究，并且在“九五”、“十五”期間，國家科技部投入相當數(shù)額的經(jīng)費進行開發(fā)工作 [3]。 目前 我 國光伏并網(wǎng)逆變器市場 發(fā)展 規(guī)模 還比 較小，國內(nèi)生產(chǎn)逆變器的商 家雖然很 多， 但 專門 用于生產(chǎn) 光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器制造 廠 商 卻并不多 ， 而且有 不少國內(nèi) 制造廠商 已經(jīng)在逆變器 方面 研究 開發(fā) 多年，已經(jīng) 發(fā)展到擁有一定的 規(guī)模和 市場 競爭力，但在逆變器技術(shù)質(zhì)量、 驗證技術(shù)上、 規(guī)模上與國外企業(yè)仍有 很大 差距 。 目前 我國 具有較大規(guī)模的廠商有北京索英、南京冠亞、北京科諾偉業(yè)、志誠冠軍上海英偉力新能源科技有限公司等企業(yè)。國內(nèi)市場規(guī)模雖然 比 較小， 核心技術(shù) 還處在不算成熟的階段， 但未來光伏 發(fā)電 市場的巨大發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展空間 將 給國內(nèi) 光伏 企業(yè)帶來 前所未有的發(fā)展 機遇。目前國內(nèi)光伏 并網(wǎng) 逆變器主要被陽光電源、艾思瑪、 KACO 等品牌所占領， 而 國外 的 企業(yè)多數(shù)通過代理渠道進入國內(nèi) 的 市場，由于售后服務提供難度大 的問題導致其 整體市場占有率不高。國內(nèi)重點光伏 發(fā)電項目大功率產(chǎn)品幾乎全部選用國內(nèi)產(chǎn)品。 從技術(shù) 層次 來 說 ，國內(nèi)企業(yè)在智能化程度、穩(wěn)定性 、 轉(zhuǎn)換效率、結(jié)構(gòu)工藝等方面與國外先進水平仍有一定差距 。 目前我國在小功率逆變器技術(shù)上與國外處于同一水平，在大功率并網(wǎng)逆變器上，還有一定的差距， 大功 率并網(wǎng)逆變器仍需進一步發(fā)展 和研究 。 國外研究的現(xiàn)狀 近幾年，隨著德國 、 美國、西班牙、日本對本國光伏 發(fā)電 產(chǎn)業(yè) 在 政策 上大力 扶持，全球光伏 并網(wǎng) 逆變器的銷售額 在 逐年 上升 ，光伏 并網(wǎng) 逆變器進入了一個 飛速發(fā)展 的階段。但目前全球光伏 并網(wǎng)逆變器市場被國際幾大巨頭瓜分，歐洲 作為 全球光伏 并網(wǎng)逆變器市場發(fā)展 的先驅(qū)，具備 了 完善的光伏產(chǎn)業(yè)鏈，光伏 并網(wǎng) 逆變器技術(shù)處于世界領先地位。 SMA 是全球最早 、 最大的光伏逆變器生產(chǎn)企業(yè)（ 其中 德國市場占有率達 50%以上） ， 2021年 SMA以占據(jù)全球市場份額 44%獨占鰲頭。 SMA、 KACO、Fronius、 Ingeteam、 Siemens、 Studer、 Xantrex、 Danfoss、 Conergy、 Satcon、 Powerone、 Outback power等基本占領全球光伏逆變器市場份額。 其中排名 前五位 的企業(yè)占的市場份額已經(jīng) 超過 了全球的 70%。 本課題研究的主要內(nèi)容 本論文主要設計了一種基于 DSP 控制的單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件電路，并用 Protel DXP 軟件完成了整個系統(tǒng)的硬件電路，生成了 PCB 板。最后通過 Matlab 對電路進行了仿真。其中硬件電路包括：直流斬波電路拓撲結(jié)構(gòu)、逆變器電路、 DSP 控制電 路、采樣硬件電路和輔助電源。控制策略選擇有：最大功率點跟蹤、 SPWM 控制等。仿真部分主要針對升壓斬波電路和逆變器部分參數(shù)設計的檢驗和分析。 本文光伏并網(wǎng)逆變器設計參數(shù)如表 所示： 表 光伏并網(wǎng)逆變器設計參數(shù) 序號 名稱 參數(shù) 1 輸出功率 1kW 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 41 2 電池輸出電壓 DC 60～ 140V 3 交流輸出電壓 AC 220V/50Hz 4 電網(wǎng)電壓允許偏差 10%～ +7% 5 電網(wǎng)頻率允許偏差 ～ + 6 功率因數(shù) = 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 41 第二章 太陽能光伏并網(wǎng)的研究 太陽能光伏發(fā)電原理是利用 太陽能電池的光生伏打效應，它是通過將太陽能輻射的能量直接通過硅電池板轉(zhuǎn)變成電能的一種可再生發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能電池板陣列、充電蓄電池、逆變器和控制器等部分組成。本章將對太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)進行設計，對其控制策略進行分析。 光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)設計 按變壓器拓撲結(jié)構(gòu)分類 目前，在實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)應用中，按變壓器拓撲結(jié)構(gòu)分類的主電路有三種，分別是帶工頻變壓器隔離的單級式逆變器、帶高頻變壓器隔離的多級式逆變器和無變壓器隔離的兩級式逆變器。根據(jù)這三種逆變主電路，可 以將現(xiàn)在的光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)分為三類，即工頻隔離型拓撲結(jié)構(gòu)、高頻隔離型拓撲結(jié)構(gòu)和無變壓器隔離拓撲結(jié)構(gòu)。 一、工頻隔離型拓撲結(jié)構(gòu) 工頻隔離型拓撲結(jié)構(gòu)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成：太陽能硅電池陣列、直流側(cè)的濾波器件、光伏并網(wǎng)逆變器、工頻變壓器、 LC 濾波電路等。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 工頻隔離型拓撲結(jié)構(gòu) 這種形式的太陽能光伏并網(wǎng)電磁干擾小，結(jié)構(gòu)簡單，維護量小，可靠性高，開關頻率低。由于采用了工頻變壓器能起到與電網(wǎng)側(cè)隔離、保護的作用，所以能夠防止人體誤觸摸逆變器造成的傷害。但是由于采用了工頻變壓器 ，導致整個系統(tǒng)體積龐大、重量增大，比較笨重、占用面積也增加。 二、高頻隔離型拓撲結(jié)構(gòu) 高頻隔離型拓撲結(jié)構(gòu)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)指光伏并網(wǎng)逆變器經(jīng)過兩次直流電逆變成交流電能的變換。一次是經(jīng)過高頻方波逆變，用來提高變壓器的工作頻率，從而能夠減輕變壓器的體積和重量。變換后產(chǎn)生的高頻方波經(jīng)過高頻變壓器，然后再通過 AC/DC整流電路和濾波電路的作用后得到另一種直流電壓，這種直流電壓通過工頻 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）控制的逆變器，得到并網(wǎng)所需要的波畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 41 形。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 高頻隔離型拓撲結(jié)構(gòu) 這種形式的光伏并網(wǎng)逆 變器拓撲結(jié)構(gòu)能夠顯著提高光伏并網(wǎng)逆變器的性能，因為它采用了SPWM 控制的方式進行了周波變換，所以使得輸出的波形畸變比較小，濾波電感體積也比較小。它的缺點是能量傳遞的級數(shù)增多，這使得其中的能量損失變大。 三、無變壓器隔離拓撲結(jié)構(gòu) 無變壓器隔離的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即非隔離型里面不含隔離變壓器，能量傳遞一般只有兩級。因此系統(tǒng)體積小，能量損耗也小，是目前研究的熱點 [4]。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 無變壓器隔離拓撲結(jié)構(gòu) 這種拓撲結(jié)構(gòu)進一步降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)設備的成本，使得傳輸能量的級數(shù)減少，提高了發(fā)電的效率 。其中的 DC/AC 逆變器是有工頻 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）控制的，這種形式的電路在大功率的光伏發(fā)電系統(tǒng)中有應用。把太陽能電池板陣列輸出的直流電壓通過 DC/DC直流升壓斬波電路升高到 400V左右，這樣可以利用直流側(cè)平波儲能大電容的作用，來保證輸入逆變器部分的電壓穩(wěn)定。同時也能起到減小電流提高電壓的作用，從而降低逆變部分的能量損耗，提高光伏并網(wǎng)的發(fā)電效率。這種拓撲結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)啟動的先決條件是直流側(cè)濾波電容預先充電到接近電網(wǎng)電壓的峰值 [5]。 按功率變換級數(shù)分類 通常按照功率在光伏發(fā)電系統(tǒng)的變換級數(shù)進行分類可 以分為兩種類型：單級式光伏并網(wǎng)變換型和多級式光伏并網(wǎng)變換型。 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 41 一、單級光伏并網(wǎng)