【正文】 能源過渡。發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球各國解決能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)之間矛盾 的最佳途徑之一。 發(fā)展可再生能源已成為全球課題。從長遠(yuǎn)來看，全球已探明的石油儲量只能用到 2020 年，天然氣也只能延續(xù)到 2040 年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二、三百年。 設(shè)計采 用 DSP 處理器 TMS320LF2812A 設(shè)計實現(xiàn)了 5kW 離網(wǎng)型光伏逆變器，可滿足中小功率應(yīng)用場合的需求。開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能，可以對環(huán)境不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少污染，太陽能幾時近期急需的能源補(bǔ)充，又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，不論是從經(jīng)濟(jì)社會走可持續(xù)發(fā)展之路和保護(hù)人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境的高度來審視，還是從特殊用途解決現(xiàn)實能源供應(yīng)問題出發(fā)，開發(fā)利用太陽能具有重大戰(zhàn)略意義。 本課題主要研究 的是 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的離網(wǎng)型光伏逆變器，對 逆變器的電壓型單相全橋逆變電路 及一次回路二次回路的主要控制芯片進(jìn)行介紹。 關(guān)鍵詞： 太陽能發(fā)電，離 網(wǎng) 型 光 伏 逆變器，最大功率點跟蹤，TMS320LF2812A 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 I THE DESIGN OF OFF GRIDCONNECTED PHOTOVOLTAIC POWER INVERTER WITH 5KW RATING ABSTRACT Solar energy as a massive amount of the renewable energy, daily radiation reaching the earth39。而傳統(tǒng)的石化能源所帶來的環(huán)境問題也令人擔(dān)憂。而綜觀可再生能源種類，風(fēng)能、生物能、太陽能中，太陽能的利用前景最好，潛力最大。 而隨著我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，尤其是光伏屋頂計劃的實施，國內(nèi)對離網(wǎng)型光伏逆變器的需求將越來越大。 美國政府最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展 規(guī)劃 ， 1997 年又提出 “ 百萬屋頂 ” 計劃，能源部和有關(guān)州政府制定了光伏發(fā)電的財政補(bǔ)貼政策，總光伏安裝量已達(dá)到 3000MW 以上，美國連續(xù)三年光伏產(chǎn)業(yè)均高于 30%的年增長率上升，其主要原因是光伏組件并網(wǎng)應(yīng)用和政策激勵引起的。德國政府并于 1999 年開始實施 10 萬太陽能屋頂 (每戶約 3kW~5kW)計劃。 我國光伏發(fā)電經(jīng)歷了兩次飛躍。第二次飛躍在 2021 年以后，為光伏產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展階段。 自 20世紀(jì) 80 年代，我國太陽能光伏技術(shù)得到了迅速發(fā)展，以每年 30%40%的速度持續(xù)高速增長， 尤其是進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展年均增長超過了 60%，經(jīng)歷了從小規(guī)模到現(xiàn)在的地面睡覺大規(guī)模利用的時代。接下來的 20212021 年，我國解決了上萬個自然村和行政村的用電問題。 太陽能光伏發(fā)電 的概述 太陽能發(fā)電可分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)即 可形成大面積的 太陽電池 組件，再配合上 功率 控制器等部件 ， 就形成了光伏發(fā)電裝置。本文的重點是設(shè)計一種離網(wǎng)型的光伏逆變器，從以下幾個方面進(jìn)行研究設(shè)計： （ 1）首先介紹光伏發(fā) 電的基本情況及前景。硬件設(shè)計包括對主回路的設(shè)計以及輔助電路的設(shè)計，對濾波電路的設(shè)計選型以及對功率驅(qū)動模塊 IPM 和 UC3842 的介紹。白天，日照達(dá)到一定強(qiáng)度，由光伏電池陣列直接向負(fù)載和蓄電池提供電能，或者是部分電能直接送到電網(wǎng)?；镜墓夥到y(tǒng)主要是由光伏電池陣列、控制器、變換器、逆變器及蓄電池組成。 逆變器是將直流電逆變成交流的 220V，供給交流負(fù)載使用。 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指與公共電網(wǎng)相連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)，將光伏電能饋送給公共電網(wǎng)。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 圖 21 所示是典型的并網(wǎng) 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括光伏 電池陣列、DC/AC 逆變器、 DC/DC 變換器、控制器和電網(wǎng)五個組成部分。 交 流 負(fù) 載蓄 電 池控制器光伏電池組件D C / D C 變換 器直 流 負(fù) 載D C / A C 變換 器電 網(wǎng) 圖 21 并網(wǎng) 光伏發(fā)電系 統(tǒng) 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏電池陣列、蓄電池組、控制器和逆變器及負(fù)載等部分。在方陣工作時，阻塞二極管兩端有一定的電壓降。較 為常見的混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng) — 光互補(bǔ)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 23所示。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 3 光伏電池 光伏 電池的工作原理 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池是實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，光伏電池陣列是多個特性相同的電池單體經(jīng)過串并聯(lián)后構(gòu)成的，一般是由半導(dǎo)體材料制成的，其特性與二極管類似。這 樣如果用導(dǎo)線連接兩個電極，就會有“光生電流”流過，從而產(chǎn)生電 能。像硫化亞銅光伏電池、硫化鎘光伏電池都為異質(zhì)結(jié)光伏電池。 （ 3）肖特基光伏電池。 （ 4）薄膜光伏電池。 （ 5）疊層光伏電池。指在兩側(cè)涂有光活性半導(dǎo)體膜的導(dǎo)電玻璃中間加入電解液而構(gòu)成的光伏電池。 多晶硅材料晶體方向無規(guī)律性。用它們制造的光伏電池又分為薄膜和片狀兩種。 （ 2） 非硅半導(dǎo)體光伏電池。即采用同質(zhì)結(jié)形式也可以采用異質(zhì)結(jié)形式，既可采用單晶切片結(jié)構(gòu)也可采用薄膜結(jié)構(gòu)以制成光伏電池。在使用光伏電池供電時，光伏電池片容量較小，輸出電壓只有零點幾伏、輸出峰值功率也只有 1W 左右。工程上使用的光伏電池板是光伏電池使用的基本單元，其輸出電壓一般在十安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 幾至幾十伏左右。所以要選擇工作電流相等或近似相等的電 池組件方可串聯(lián)使用，以免造成電流浪費。而且光伏電池的輸出電壓隨溫度的升高還會呈現(xiàn)負(fù)特性，所以在計算電池組件串聯(lián)級數(shù)時，要留有一定的余量，但也不能把串聯(lián)技術(shù)定的過高，造成較大的浪費。一般光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)乘以每一待并支路的最佳工作電流即為蓄電池的充電電流。 h /m2 表示該 光伏陣列單位面積的能量 質(zhì)量密度 kg/m2 表示該光伏陣列單位面積的質(zhì)量 單位成本 元 /W 表示該光伏陣列單位功率的成本 光伏陣列的分類 按外形結(jié)構(gòu)來分 ,光伏陣列主要有平面式光伏陣列、曲面式光伏陣列以及聚光式光伏陣列，以安裝形式分則分為固定安裝式光伏陣列、定向安裝式光伏陣列及加固定裝式光伏陣列，按使用場合分則可分為地面光伏陣列、高空光伏陣列、宇宙光伏陣列以及潛水光伏陣列。這種光伏 陣列直接收集自然照射來的太陽光，光伏陣列可固定安裝，也可安裝成定向形式。電池片可以貼在凸面，也可以是凹面。其特點不但能增強(qiáng)太陽的光強(qiáng)，還可用較少的電池得到較多的電能，但與此同時電池板的工作溫度也會升的很高。其特點是該光伏陣列表面好太陽光之劍的角度是連續(xù)變化的。太陽能跟蹤器又分 為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。根據(jù)圖中的電流電壓參考方向，光伏電池的 IU方程為： ? ?shSSLshDL R IRUA KT IRUqIIIIII ???????? ??????? ?????? 1e xp0 (31) 式中： IL光電流，單位 A； I0二 極管反向飽和電流，單位 A； q電子電荷（ 10? C）； A二極管因子； K波爾茲曼常數(shù)（ ?? J/K） 。因此，根據(jù)具體應(yīng)用情況，光伏電池的 IU方程可簡化： shA K TqULshDL RUeIIIIII ????????? ?????? 10 (32) 或 ???????? ?????? 10 A K TqULshDL eIIIIII (33) 簡化的模型結(jié)構(gòu)分別如圖 34（ a）和 34（ b） 所示。我國應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)測試條件為：日照強(qiáng)度 1KW/m2,電池溫度為 25℃ ，太陽輻射光譜為。但是，當(dāng)光伏電池輸出電壓較小時，隨著電壓的變化，輸出電流的變化很小，光伏電池近似為一個恒流源；當(dāng)光伏電池輸出電壓超過 Um時，輸出電流急劇下降，光伏電池又 可近似為一恒壓源?？梢钥闯觯?dāng)溫度一定時，光伏電池短路電 流 ISC 隨日照強(qiáng)度的增加而增加，并與日照強(qiáng)度成正比；開路電壓隨日照強(qiáng)度的增加略有增加，但是增加幅度很 小。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 而且，由于日照強(qiáng)度不變，即陽光投射到電池表面的功率不變，可見光電轉(zhuǎn)換效率可知電池的光電轉(zhuǎn)換效率受到溫度的影響很大。（ maximum power point tracking， MPPT） 。當(dāng)功率達(dá)到最大值時滿足式（ 34） ，同時還可以推得式（ 35）。它們具有功率的量綱，可以視作功率差分。 在圖 36 的算法框圖中， Uref代表系統(tǒng)輸出有功指令， C 代表輸出有功變化的步長。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 16 開 始檢 測 端 電 壓 及線 路 電 流d U = U ( k ) U ( k 1 )Δ ( U ) = d U 其輸出特性可以視為由恒電流區(qū)域與恒電 壓區(qū)域組成，這兩 區(qū)域的交接點即為最大功率點。但是，隨著太陽能光伏電池日漸普及到日常生活用品上時，由于有地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)，造成大氣的變化，使得 最大功率點瞬息萬變，此方法便不能符合我們的需求，因此電壓反饋法已經(jīng)很少被用在最大功率點跟蹤上。如此反復(fù)地擾動、觀察及比較，使太陽能光伏電池達(dá)到其最大功率點，這就是擾動及觀察法的基本動作原理。 否是開 始設(shè) 定 U p v 輸 出檢 測 光 伏 陣 列 輸 出 電壓 、 電 流計 算 功 率 PP P _ o l d保 持 擾 動 方 向 改 變 擾 動 方 向P = P _ o l d 圖 37 擾動觀測法控制流程圖 c)電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法（導(dǎo)納微分）的基本理念是與功率反饋法時相同的，其出發(fā)點為 dU/dI=0這個邏輯判斷式，其中的功率 （ P） 可由電壓（ U）與電流（ I） 表示。就理論上而言，此法的理論推導(dǎo)是完美的，但是當(dāng)傳感器無法達(dá)到非常精密的測量時，其誤差是不可避免的，因此，式（ 314）發(fā)生的機(jī)率是微小的，這意味著此法在實際應(yīng)用時 仍然有很大的誤差存在。離網(wǎng)型光伏電系統(tǒng)主要是由光 伏電池陣列、控制器、逆變器、儲能裝置等環(huán)節(jié)組成的，其中逆變器是光伏系統(tǒng)中的重要器件之一，它的可靠性和轉(zhuǎn)換效率對推行光伏系統(tǒng)、降低系統(tǒng)造價至關(guān)重要。 離網(wǎng)型光伏逆變器的主要作用是將光伏電池輸出的直流電變換成適合交流負(fù)載使用的交流電。 U s+ QDLCU o 圖 42 Boost電路 根據(jù) Boost 電路中電感電流是否連續(xù)可以分為電感電流連續(xù)、電感電流斷續(xù)和電感電流臨界連續(xù)三種工作模式。 輸入濾波電路的設(shè)計 輸入濾波電路是由濾波電容組成是 用來減小輸入端電壓的脈動，假如變換器傳輸最大功率為 Pm，由輸入輸出功率相等可得出一個周期內(nèi)輸入濾波電容所提供的能量約為 rin fPW ?max? (43) 式 （ 43） 中， η 為變換器的效率， fr為功率 IGBT 開關(guān)器件的工作頻率。 逆變采用的電路為單相全橋逆變，如圖 43 所示： CUiV T 1V D 2ZU0V D 1V T 3 V D 3V T 2V T 4 V D 4i0 圖 43 單相全橋逆變電路 SPWM 的實現(xiàn) 產(chǎn)生 SPWM 波的方法有多種，主要分為硬件實現(xiàn)方法和軟件實現(xiàn)方法兩大類。 本設(shè)計采用的是規(guī)則采樣法 生成 SPWM 波。由圖 71 所示。即逆變輸出的電壓為 220V的交流電。因其逆變電源與負(fù)載之間存有工頻變壓器，故逆 變器運行穩(wěn)定、可靠、過負(fù)荷能力和抗沖擊能力強(qiáng)，且能夠抑制波形中的高次諧波成分 。 LC 濾波器用場合在公共并網(wǎng) /獨立雙模式逆變器中，當(dāng)逆變器工作在 獨立模式時， LC 濾波器能有效衰減輸出電壓的高頻諧波部分，從而可以獲得理想的輸出電壓波形，當(dāng)逆變器工作于并網(wǎng)模式時，由于電網(wǎng)電壓的鉗制作用，僅濾波電感對并網(wǎng)電流起濾波作用，濾波電容相當(dāng)于本地負(fù)載。 LC 低通濾器的選取主要考慮幾個方面的因素，噪聲、抑制能力、輸出阻抗、逆變電流應(yīng)力。 CZ 2Z 1U i nLU o u t 圖 45 LC低通濾波器結(jié)構(gòu)圖 LC 濾波器的傳遞函數(shù)為： 1211)()(220??? swswsUsUlin ? (47) 式 56 中 ω l為 LC 諧振的角頻率 , LCwl /1? ；為阻尼系數(shù)； CLRL21?? (48) 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 24 S 為拉普拉斯算子。輸出的 +5V 的直流電給液晶板供電。這種控制方式可改善系統(tǒng)的電壓調(diào)整率，提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，無論開關(guān)電壓的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高。該調(diào)制器單端輸出，能直接驅(qū)動雙極型的功率管或場效應(yīng)管。 UC3842 是 8 腳的雙列直插的封裝形式。當(dāng)電源電壓異常時，功率管的電流增大，當(dāng)采樣電阻上的電壓超過 1V時， UC3842就停止輸出，有效地保護(hù)了功率管。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 27 8421 3 56V C CV r e7電 壓 反 饋 輸 入電 流 檢