【正文】 廉的修正正弦波輸出的獨(dú)立型 光伏逆變系統(tǒng)。 (4)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，用高頻技術(shù)研制了 500W修正正 弦波輸出逆變電源，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下： 輸入電壓： 12V 輸出電壓： 220V 輸出頻率： 50Hz 輸出功率： 500W 效率： ? 80% 過載能力： 110%120% 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 6 2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖如上圖 21所示，主要由太陽能電池方陣、太陽能控制器、蓄電池組、逆變器四部分構(gòu)成。在設(shè)計(jì)選擇光伏系統(tǒng)蓄電池時(shí)需要考慮的指標(biāo)因素很多，如容量、電壓、放電深度、循環(huán)壽命、充放電性能 、自放電率、運(yùn)行溫度及維護(hù)要求等等。逆變器是一種由半導(dǎo)體器件組成的電力調(diào)整裝置，主要用于把直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力。 對(duì)于蓄電池部分，太陽能光伏陣列發(fā)出的直 流電能，經(jīng)過控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制，如 MPPT控制；但由于本文設(shè)計(jì)的的光伏逆變系統(tǒng)低電壓輸入，太陽能電池板滿足輸出電流小，蓄電池組處于充放電的循環(huán)狀態(tài)，綜合考慮成本，經(jīng)濟(jì)效益等方面，因此不考慮對(duì)蓄電池的控制，只進(jìn)行基本的穩(wěn)壓措施即可。 （ 2）具有較高的可靠性。 （ 4）在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。但是，這種拓?fù)浯嬖谠S多不足之處。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 9 BTLCN3N1D1N2D2D3 圖 22 正激式變壓器電路結(jié)構(gòu) (2)推挽式 如圖 23所示，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以看成兩個(gè)完全對(duì)稱的單端反激式交換器的組合。適合低壓大電流場(chǎng)合。 S1 D1D2S2D3BTD4D5D2D3S3S2 圖 25 全橋式變壓器電路結(jié)構(gòu) (5)反激式 如圖 26所示，它的電路形式與正激式變換器相似，主功率管的承受的電壓也相同，只是變壓器的接法不同。 逆變電源的基本工作原理 逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可分為單相半橋、單相全橋、三相橋式逆變器；但是，其基本原理相同，都是把直流電變?yōu)榻涣麟娸敵?，因此本文?duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電壓型單相全橋逆變電路為例進(jìn)行介紹 ,電路如圖 27所示。這種電路方式效率比較高 (可達(dá) 90％以上 )、可靠性較高、抗輸出短路的能力較強(qiáng)。然后高壓直流通過逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變得到220V或者 380V交流電。 控制脈沖的生成，控制算法的實(shí)現(xiàn)全部由模擬器件完成。 （ 2)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。 數(shù)字信號(hào)處理 （ DSPdigital signal processing） 是一門涉及許多領(lǐng)域的新興學(xué)科，在現(xiàn)代科技發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用。 本系統(tǒng)的逆變拓?fù)涫莾?級(jí)變換，前級(jí) DCDC推挽式升壓部分采用 PWM控制，利用專用集成芯片 SG3525對(duì)輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓；逆變部分采用單相全橋的 PWM控制，考慮本設(shè)計(jì)性能指標(biāo)以及開發(fā)能力，價(jià)格成本等因素，采用 PIC16F73單片機(jī)對(duì)逆變環(huán)節(jié)進(jìn)行 PWM調(diào)制，具有成本小，易于生產(chǎn)制作的特點(diǎn)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 14 3 光伏發(fā)電電池容量及光伏陣列的設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)是開發(fā)出 500W 的戶用型中小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)，在考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)和開發(fā)成本的基礎(chǔ)上，基于目前比較普遍的容量計(jì)算方法，對(duì)本系統(tǒng)的蓄電池容量以及太陽能電池板的設(shè)計(jì)如下： 太陽能光伏發(fā)電蓄電池組的設(shè)計(jì) 蓄電池容量設(shè)計(jì)的基本原理 設(shè)計(jì)思想是保證在太陽光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以正常工作。 (1)基本公式 將每天負(fù)載需要的用電量乘以根據(jù)實(shí)際情況確定的自給天數(shù)就可以得到初步的蓄電池容量，再除以蓄電池的允許最大放電深度即可得到所需的蓄電池容量。公式如下： = 負(fù) 載 標(biāo) 稱 電 壓串 聯(lián) 蓄 電 池 數(shù) 量 蓄 電 池 標(biāo) 稱 電 壓 （ 32） = 蓄 電 池 總 容 量并 聯(lián) 蓄 電 池 數(shù) 量 單 個(gè) 蓄 電 池 容 量 （ 33） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 15 (2)公式的修正 對(duì)于鉛酸蓄電池，蓄電池的容量不是一成不變的與兩個(gè)重要因素有關(guān)：蓄電池的放電率和環(huán)境溫度。通常，生產(chǎn)廠家提供的是蓄電池額定容量是10 小時(shí)放電率下的蓄電池容量。公式如下： ?? ? ?負(fù) 載 功 率 負(fù) 載 工 作 時(shí) 間加 權(quán) 平 均 負(fù) 載 工 作 時(shí) 間負(fù) 載 功 率 （ 35） 根據(jù)上面兩式就可以算出光伏系統(tǒng)的實(shí)際平均放電率，根據(jù)蓄電池生產(chǎn)商提供 的該型號(hào)電池在不同放電速率下的蓄電池容量，就可以對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行修正。在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 16 實(shí)際工作的情況 下就會(huì)導(dǎo)致蓄電池的過放電，減少蓄電池的使用壽命，增加維護(hù)成本。如圖二給出 了一般鉛酸蓄電池的最大放電深度與蓄電池溫度的關(guān)系。例如，如果使用深循環(huán)蓄電池，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將使用的蓄電池容量最大可用百分比定為 60％而不是 80％，這樣既可以提高蓄電池的使用壽命，減少蓄電池系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)又對(duì)系統(tǒng)初始成本不會(huì)有太大的沖擊。 （ 3） 指定放電率：指定放電率 是考慮到慢的放電率將會(huì)從蓄電池得到更多的容量。則計(jì)算的日平均負(fù)載需求為 5kWh／ (85％x12V)= 系統(tǒng)所在地平均最低溫度 10℃，則根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料的鉛酸蓄電池最大放 電深度 溫度曲線，選放電深度為 70％，典型溫度 放電率一容量變化圖中，在平均放電率接近 50 小時(shí)率， 10℃時(shí)的放電率下，溫度修正因子為0． 8。而在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中沒有備用電源在天氣較差的情況下給蓄電池進(jìn)行再充電，這樣蓄電池的使用壽命和性能將會(huì)受到很大影響，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用也將大幅度增加。 基本公式如下： Ah= Ah日 平 均 負(fù) 載 （ ）并 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 組 件 日 輸 出 （ ） （ 37） ? ? ? ?A h A h??組 件 日 輸 出 （ ） 組 件 最 大 工 作 點(diǎn) 電 流 日 輻 射 最 小 時(shí) 數(shù) （ 38） = 系 統(tǒng) 電 壓 （ V ）串 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 組 件 電 壓 （ V ） （ 39） (2)公式的修正 太陽能電池的輸出，會(huì)受到一些 外在因素的影響而降低，根據(jù)上述基本公式計(jì)算出的太陽能電池組件，在實(shí)際情況下通常不能滿足光伏系統(tǒng)的用電需求，為了得到更加正確的結(jié)果，有必要對(duì)上述基本公式進(jìn)行修正，首先對(duì)引入的幾個(gè)術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 19 語進(jìn)行說明： ① 庫侖效率 在蓄電池的充放電過程中，鉛酸蓄電池會(huì)電解水，產(chǎn)生氣體逸出，所以太陽能電池組件產(chǎn)生的電流中將有一部分不能轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)起來而是耗散掉。通常的做法就是在計(jì)算的時(shí)候減少太陽能電池組件的輸出的 10%來解決上述不可預(yù)知和不可量化的因素。 修正后公式如下： h= h??????日 平 均 負(fù) 載 （ A ）并 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 庫 倫 效 率 組 件 日 輸 出 （ A ） 衰 減 因 子 （ 310） ? ? ? ?A h A h??組 件 日 輸 出 （ ） 組 件 最 大 工 作 點(diǎn) 電 流 日 輻 射 最 小 時(shí) 數(shù)（ 311） = 系 統(tǒng) 電 壓 （ V ）串 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 組 件 電 壓 （ V ） （ 312） 本文設(shè)計(jì)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用典型的 12V 50W 的光伏組件，最大工作點(diǎn)電流為 ，假設(shè)平均每天輻照 5小時(shí)，則組件日輸出為 ?=天。當(dāng) Sl 或 S2 通時(shí)，電感工的電流逐漸上升；兩個(gè)開關(guān)都斷開時(shí)，電感 L 的電流逐漸下降。偏磁嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變壓器磁心單向飽和，致使原邊繞組瞬時(shí)過流，損毀功率器件。兩個(gè) MOSFET 開關(guān)管上的壓降不等。 (3)由濾波電感的濾波作用使兩個(gè)二次側(cè)繞組電流最大值差別較小，每個(gè)二次繞組與相應(yīng)一次繞組的磁動(dòng)勢(shì)受到牽制。 (1)盡量選用特性一致的開關(guān)管，并適當(dāng)增大變壓器磁芯面積，或使磁芯保留一定的氣隙，使之在 電路不平衡的狀態(tài)下，磁通不至于飽和。但是電容的存在降低了功率傳遞的效率，影響了裝置的動(dòng)態(tài)性能；同時(shí)，脈沖電壓嚴(yán)重不對(duì)稱時(shí)電容上壓降有可能超過電源電壓的 lO％，從而使裝置在電源電壓下降或負(fù)載波動(dòng)較大時(shí)運(yùn)行不穩(wěn)定。由于這是電壓型控制芯片，其優(yōu)點(diǎn)是只有電壓環(huán)，單環(huán)控制容易設(shè)計(jì)和分析；波形振幅坡度大，因而噪聲小，工作穩(wěn)定；多模塊輸出時(shí)，低阻抗輸出能提供很好的交互控制。 推挽式 DC／ DC 升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 推挽式升壓電路也有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在變壓器部分副邊電路不同，本文采用圖 41 的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 ① 電 壓控制型的基本原理 電壓控制型的基本原理圖如圖 42所示。從控制系統(tǒng)的角度來說，開關(guān)變換器是個(gè)二階系統(tǒng)，有兩個(gè)狀態(tài)變量。所謂電流控制型，就是在脈寬比較器的輸進(jìn)端將電流采樣信號(hào)與誤差放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，以此來控制輸出脈沖的占空比，使輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。脈寬比較器就動(dòng)作，開關(guān)管關(guān)斷，保讓了輸出電壓的穩(wěn)定。 ② SG3525 引腳功能及特點(diǎn) ? 工作電壓范圍寬： 8— 35V。 ? 內(nèi)置軟啟動(dòng)電路。 ? 雙路輸出（灌電流 /拉電流） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 25 （ 3） SG3525 控制電路的原理圖 V1V+2SYNG3OSC4CT5RT6DISC7CSS8CDMP9SD10OUTA11GND12VC13OUTB14VCC15VREF16SG3525AU110uFC17100R16102C1918KR17103C18100KR18103C12R11104C1110KR1310KR1210KR14104C15104C1447uFC132KR15104C1612BAT+12V1234J1Header 4保護(hù)FN 圖 44 SG3525 控制外圍電路 工作頻率 100KHz，計(jì)算公式為： 鋸齒波的基本周期 T為： 1 2 T D TT t t ( 0 .6 7 R 1 .3 R ) C? ? ? ? 頻率： f=1/T 電壓采樣隔離電路 推挽升壓電路實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出之間的隔離，因此，輸出是浮地的。 常用的隔離方法有： （ 1）變壓器隔離 通常在驅(qū)動(dòng)電路與開關(guān)器件之間使用脈沖變壓器來驅(qū)動(dòng)和隔離。 （ 3）采用專門隔離器件 如電壓霍爾或電流霍爾元件，這種辦法控制精度高，但是價(jià)格昂貴。 TL431的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)為 的電壓誤差放大器，所以在 1 腳與 3 腳之間接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 。 本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)指標(biāo)如下： 輸入 12V 輸出頻率 為 50Hz 輸出功率為 500W 輸出電壓 220V 額定負(fù)載時(shí)變換效率 80％ 過載能力 110％ 120% 由于輸出電壓 220v，因此有單相全橋整流的工作原理可知，對(duì)于輸入電壓最小值為 220 2V=311V，因此，本文設(shè)計(jì)時(shí)使直流升壓輸出電壓為 360V。 （ 2） N 溝道 MOSFET 開關(guān)管的選擇 推挽升壓電路中開關(guān)管承受的最高穩(wěn)態(tài)電壓為兩倍的最大輸入電壓。 （ 3） DC/DC 整流二極管的選擇 整流二極管的設(shè)計(jì)要去為具有正向壓降小，反向漏電流小，反向恢復(fù)時(shí)間短等的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)中，整流輸出電壓為 360V 而實(shí)際考慮電壓尖峰的因素，一般整流二極管需要承受 23 倍的電壓，因此本文選用 RHRP8120快恢復(fù)二極管， Vrrm 為 1200V， Ifs 最大 100A，最高結(jié)溫 175℃， 能夠滿足設(shè)計(jì)要求。也就是說是利用電容的低阻抗而將交流電流分量的絕大部分，更希望是全部分流到濾波電容器上，使輸出電流沒有或非常小的交流電流分量。 如圖 47 所示為逆變環(huán)節(jié)主電路圖。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙 30 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脈 寬調(diào)制技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值 )。其內(nèi)含192 字節(jié)的 RAM ， 4K 程序存儲(chǔ)器、 5 路 A/D 轉(zhuǎn)換及 2路 PWM 波發(fā)生器，應(yīng)用時(shí)外圍電路 極其簡(jiǎn)單，是理想的單相逆變電源數(shù)字控制器。另外，PIC16F73 只有兩路 PWM 輸出，因此需要采用時(shí)序電路，得到四路 PWM 輸出，如圖 49所示： R1022kC1147456U4BMM74HC001 2U3AMM74HC04 圖 49 時(shí)序死區(qū)電路 ③光