【正文】 M 的實現(xiàn) .................................................... 21 工頻隔離變壓器 ................................................. 22 LC 輸出濾波電路 ................................................ 22 5控制回路的設(shè)計 ......................................................... 25 輔助電源設(shè)計 ....................................................... 25 系統(tǒng)檢測與保護電路 設(shè)計 ............................................. 28 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 ii 直流電壓電流采樣電路 ........................................... 28 交流電壓與頻率的采樣 ........................................... 29 溫度檢測電路 ................................................... 30 功率驅(qū)動模塊 IGBT .............................................. 30 逆變器保護電路設(shè)計 ............................................. 33 6系統(tǒng)軟件設(shè)計 ........................................................... 35 系統(tǒng)主程序設(shè)計流程 ................................................. 35 設(shè)計 ............................................................... 36 A/D 中斷程序的設(shè)計流程 ............................................. 37 結(jié)論 ..................................................................... 40 參考文獻 ................................................................. 41 致謝 ..................................................................... 43 附圖 ..................................................................... 44 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 1 緒論 本課題的 意義 目前，傳統(tǒng)的石化能源與經(jīng)濟、環(huán)境的矛盾越來越突出。 本科畢業(yè)設(shè)計 5KW 離網(wǎng)型光伏 逆變器的 設(shè)計 THE DESIGN OF OFF GRIDCONNECTED PHOTOVOLTAIC POWER INVERTER WITH 5KW RATING 學(xué)院（部）： 電 氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣 085 學(xué)生姓名： 朱 紅 指導(dǎo)教師： 祝龍記教授 賈曉芬講師 年 月 日 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 I 5KW 離 網(wǎng) 型光伏 逆變器的 設(shè)計 摘要 太陽能作為一種巨量的可再生能源 ，每天到達地球表面的輻射能量相當于數(shù)以萬桶石油燃燒的能量。能源是經(jīng)濟與社會發(fā)展的基本動力，但由于常規(guī)能源的有限性和分布不均勻性，造成世界上大部分國家的能源供應(yīng)不足，不能滿足經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要。而其中的太陽光伏發(fā)電是世界上節(jié)約能源、倡導(dǎo)綠色電力的一種主要的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 1997 年又宣布 7 萬光伏屋頂計劃，到 2021 年將安裝 7600MW 太陽 電池 。國內(nèi)先后引進多條太陽能電池生產(chǎn)線，太陽 能電池生產(chǎn)能力由原來的幾百瓦升至幾兆瓦。特別是在 2021 年近 800 個無電鄉(xiāng)政府用電問題被解決。它 是利用 半導(dǎo)體 界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。 （ 2）分析光伏發(fā)電的原理及光伏電池的工作原理及分類，分析了光伏電池的輸出特性，并針對其輸出特性介紹了 MPPT 方法。負載可以是直流負載，也可以是交流負載。提高了系統(tǒng)供電可靠性。 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與公共電網(wǎng)相連接的，主要在一些離公共電網(wǎng)太遠的五點地區(qū)和一些特殊場合所使用，如一些偏僻農(nóng)村、牧場和偏遠的島嶼，即公共電網(wǎng)難以覆蓋到的地區(qū)，為其提供照明、廣播電視等基本生活用電。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常廣泛，如光纖通訊系統(tǒng)、微波中繼站、衛(wèi)星通訊和衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)、農(nóng)村程控電話系統(tǒng)、部隊通訊系統(tǒng)、鐵路安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 和公路信號系統(tǒng)、燈塔和航標燈電源、海洋浮標電源、石油和天然氣輸送管道陰極保護、氣象和地震臺站、水文觀察、污染檢測等災(zāi)害測報儀器電源等，甚至還可以用在航空設(shè)備以及飛機、車輛、船舶等交通 。當太陽光照射到 PN 結(jié)時，就會產(chǎn)生一定量的電子和空穴對， N 區(qū)就有過剩的電子，這樣 就形成了光生電動勢，其方向與勢壘電場方向相反。 在同一個半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個或多個 PN 結(jié)。這種光伏電池大大地減少半導(dǎo)體材料的消耗（薄膜厚度以 μ m計）從而大大地降低了光伏電池的成本。 按電池 材料分類： （ 1）硅光伏電池： 包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。非晶硅材料基本被制成薄膜電池形式。其特點是轉(zhuǎn)換效率低、價格便宜、輕便，易于 大規(guī)模生產(chǎn)。 在構(gòu)成光伏陣列時，根據(jù)負荷用電量、電壓、功率、光照情況等，確定光伏電池的總?cè)萘亢凸夥姵氐拇?、并?lián)數(shù)量。光伏陣列串聯(lián)后的伏安特性曲線參考見圖 31。 ① 平板式光伏陣列。 ③ 聚光式光伏陣列。將光伏點多吃安裝在特有的定向裝置上，使得光伏電池表面總是面向太陽旋轉(zhuǎn)，以獲得最大的功率輸出。 U太陽能電池輸出電壓，單位 V。 開路電壓（ UOC）：標準條件下所能輸出的最大電壓； 最大功率點電壓（ Um）：標準條件下最大功率點的電壓； 短路電流（ ISC） :標準條件下所能輸出的最大電流； 最大功率點電流 （ Im） ：標準條件下最大功率點的電流； 最大功率點功率 （ Pm） ：標準條件下輸出最大功率 Pm=Um*Im。可以看出，隨著電池溫度的升高，光伏電池的短路電流 ISC 略微增加，而光伏電池開路電壓降低。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中采用的“上山法”正是 利用了最大功率點 dP/dU為零的特性。如果)()( kIkU ??? ，則認為陣列輸出 功率已經(jīng)滿足最大功率點的必要條件，可以近似 認為系統(tǒng)已經(jīng)工作在最大功率點上，只要保持系統(tǒng)有功功率即可；如果 )()( kIkU ??? ,則說明陣列輸出功率增大的方向為電壓增大而電流減小的方向，即系統(tǒng)工作在恒定電流區(qū)域以內(nèi)，必須降低系統(tǒng)有功輸出才能使得系統(tǒng)重新工作在最大功率點上；而如果)()( kIkU ??? ，則說明光伏陣列輸出功率增加的方向為電流增加而電壓減小的方向，即系統(tǒng)工作在恒定電壓區(qū)域以內(nèi)，此時只有增加系統(tǒng)有功輸出才能使得系統(tǒng)工作在當前的最大功率點上。U ( k )Δ ( I ) = Δ ( U )Δ ( U ) Δ ( I )U r e f = U r e f U r e f = U r e f + CU r e f = U r e f C輸 出 U r e f 控 制 有 功輸 出是是否否 圖 36 最大功率點控制算法框圖 幾種常見的最大功率點算法 下面介紹幾種常用的最大功率點的算法 。通過周期性的增加或減少負安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 17 載的大小，以改變太陽能光伏電池的端電壓及輸出功率，并觀察、比較負載變動前后的輸出電壓及功率的大小，以決定下一步的增、減負載動作。因此，通過測量增量值（ dI/dU）與瞬間太陽能光伏電池的電導(dǎo)值（ UI/ ），可以決定下一次的擾動，當增量值與電導(dǎo)值符合式（ 314）要求時，表示已達到最大功率 點，即不進行下一次擾動，此即為電導(dǎo)增量法的基本工作原理。由于太陽能的直接輸出一般都是 DC12V、 DC24V、 DC48V。 PU TUUUL 0022 )( ?? (41) 當輸出功率等于 5kW 時，計算得 L=20μ H，當工作在 電感電流連續(xù)模式下時，輸出電壓紋波較小，電容充放電電流的變化率也較小，具有很好的電能輸出質(zhì)量，本設(shè)計中選取 P=100W 時所對應(yīng)的臨界電感值 L=1mH。 本設(shè)計采 用數(shù)字方法控制，即用軟件實現(xiàn) 。 ?? ?? cT (46) 式 （ 45）和式（ 46） 中， tD為三角載波的中心的時間值； TC為 SPWM 載波信號周期； M 為三角載波的調(diào)制度。所安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 23 以需要濾波，常見的濾波裝置有單電感濾波， LC 濾波，還有 LCL 濾波。本設(shè)計中選擇系統(tǒng)開關(guān)頻率為 18kHz,逆變器輸出交流電源頻率為50Hz，初步確定截止頻率為 1kHz，濾波器中有兩個待定的參數(shù)，即濾波電感和濾波電容。內(nèi)部采用的是雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，外環(huán)是電壓控制環(huán)。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 52 所示。 第 2 腳是反饋腳，將采樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，控制脈沖的寬度。 根據(jù) UC3842 的特點， 該設(shè)計的輔助電源是由 UC3842 設(shè)計的開 關(guān)電源 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 28 U C 3 8 4 2V C CG N DV f bC O M PV r e fR t C t IO U T P U T1 6 . 5 V1 0 KI R F 5 4 0 U接 到 高 頻 變 壓 器 的 主 繞 組 上0 . 2 5 K2 0 K1 K1 0 K0 . 0 0 2 2 u f0 . 0 2 u f4 7 0 u f2 0 0 k 圖 54 UC3842的核心電路圖 如圖 54 所示， UC3842 的工作頻率由 4 腳和 8 腳間的 RT 和 CT 決定的。高頻變壓器出來的脈動直流電壓，先通過二極管整理，再通過 3 個 50V/3300μ F的電解電容，和由一個 33μ H 電感和 2 個 104 的電容構(gòu)成 ∏ 型濾波器進行濾波后輸出。 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 測 比 較 器V T 1V T 2電 源驅(qū) 動5 V 基 準 電源V C C欠 壓 限 制振 蕩 器P W M鎖 存 器 圖 53 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本外圍電路 第 7 腳為輸入電壓，開關(guān)電源啟動的時候需要在該引腳加 一個不低于 16V的電壓，芯片工作后，輸入電壓可以在 10～ 30V之間波動，低于 10V時停止工作。 UC3842 是 8 腳的雙列直插的封裝形式。因此，無論開關(guān)電壓的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高。輸出的 +5V 的直流電給液晶板供電。 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。因其逆變電源與負載之間存有工頻變壓器，故逆 變器運行穩(wěn)定、可靠、過負荷能力和抗沖擊能力強，且能夠抑制波形中的高次諧波成分 。由圖 71 所示。 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。 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。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。 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。但是，隨著太陽能光伏電