【文章內容簡介】 制器的設計難度。 兩級式逆變器結構雖然功率級數(shù)多，整機效率低于單級式逆變器，但其可以實現(xiàn)光伏器件最大功率點跟蹤與逆變器并網單獨控制，避免了逆變器并網工作對光伏器件輸出功率的影響，更適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。 目前上述兩種逆變器結構在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中均有應用，但或存在逆變器結構復雜、效率低的缺點，或存在結構雖然簡單，但適用范圍有限的 缺點。因此根據(jù)光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的功率等級，設計出結構簡單、效率高、對光伏器件利用效果好的逆變器拓撲是光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的一個熱點問題。 (3) 全數(shù)字鎖相環(huán)技術（ DPLL）的運用 通過調理電路產生電網電壓的同步方波信號，運用 DSP 的 CAP 口捕獲該同步信號，經過計算得到當前電網電壓頻率和相位，然后調節(jié)輸出電流基準的 SPWM 載波頻率和初始相位，從而實現(xiàn)光伏逆變器輸出電流對電網電壓的頻率及相位的跟蹤。 (4) 孤島效應的檢測與防止 一個性能完善的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，需要各種保護措施保證用戶的人身安全，同時防止設備因意外而造成的損壞。 由于光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網并聯(lián)工作，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)需要能及時檢測出電網故障并切斷其與電網的連接。如果不能及時發(fā)現(xiàn)電網故障，就會出現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)仍向局部電網供電的情形，從而使本地負載仍處于供電狀態(tài)，造成設備損壞和人員傷亡。這種現(xiàn)象被稱為孤島效應。 隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，局部電網中光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)目越來越多，因此研究出一種性能可靠、檢測速度快、檢測盲區(qū)小的孤島效應檢測方法對確保光 伏并網發(fā)電系統(tǒng)在電網故障時及時切斷其與電網的連接具有重要的意義 [4]。 本課題的主要研究內容 本文在分析光伏并網發(fā)電系統(tǒng)工作原理以 及前人工作的基礎上，以單相兩級不隔離式光伏逆變器作為研究對象，著重對孤島檢測技術和最大功率跟蹤技術進行研究，對整個電路硬件的參數(shù)以及軟件控制進行了設計，主要內容安排如下： 第一部分 為緒論，介紹了本課題的研究背景和研究工作的實際意義，并概述了光伏發(fā)電的工作原理以及光伏逆變器的關鍵技術。 第二部分 對光伏并網逆變器主回路的拓撲結構進行了研究，在此基礎上采用無變壓器絕緣的兩級拓撲結構，對前級的 Boost 電路和后級的全橋逆變電路的工作原理進. . 行了分析。 第三部分 為 并網逆變器關鍵控制技術研究。本章主要對 光伏陣列最大功率點 跟蹤 、孤島效應、并網控制技術進行了研究 。介紹了光伏電池的 基本原理 ，對幾種常用的最大功率點跟蹤的方法進行了比較分析，設計了一種變步長擾動觀察法來實現(xiàn)MPPT。分析了孤島效應的產生機理及其危害，提出一種周期擾動 AFDPF 方法。 第四部分 是基于 TMS320F240 型 DSP 的單相光伏并網逆變器的硬件電路設計 ，包括主電路的一些重要元件參數(shù)設計， 一些保護電路和采樣電路設計，部分控制流程圖。 第五部分 給出本文設計的光伏并網逆變器的仿真來驗證部分性能 。. . 2 光伏并網逆變器的總體結構設計 并網逆變器的分類 與拓撲結構 并網逆變器的分類 光伏并網逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制、電流源電流控制四種方法。以電流源為輸入的逆變器，其直流側需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會導致系統(tǒng)動態(tài)響應差，因此當前世界范圍內大部分 并網逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。 按輸入直流電源的性質，可將逆變器分為：電流型逆變器和電壓型逆變器，結構如圖 所示。 0udUV 1V 2V 3V 4C+( a ) 電 壓 型 逆 變 器 dUV1V2C+(b)電流型逆變器LV3V4RLdI 圖 按輸入直流電源性質分類的并網逆變器原理圖 市電系統(tǒng)可視為容量無窮大的定值 交流電壓源，如果光伏并網逆變器的輸出采用電壓控制，則實際上就是一個電壓源與電壓源并聯(lián)運行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，就必須采用鎖相控制技術以實現(xiàn)與市電同步，由于鎖相回路的響應較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制、可能出現(xiàn)環(huán)流等問題。如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，即可達到并聯(lián)運行的目的，控制方法相對簡單，因此使用比較廣泛。 綜上所述，本文設計的光伏并網逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即電壓型逆變器。采用電壓型逆變主電路，同時可以實現(xiàn)有源濾波和無功 補償?shù)目刂?，在實際中已經得到了廣泛的研究和應用，可以有效地進行光伏發(fā)電、提高供電質量和減少功率損耗，而且可以節(jié)省相應設備的投資。 逆變器的拓撲結構 已經進入實用的光伏并網逆變器回路方式主要有 3 種：工頻變壓器絕緣方式、高. . 頻絕緣變壓器和無變壓器形式。根據(jù)這 3 種回路方式，可以將現(xiàn)在的光伏并網逆變器的拓撲結構分為 3 類，即工頻變壓器絕緣的單級拓撲結構、高頻變壓器絕緣的多級拓撲結構和無變壓器的兩級拓撲結構。 （ 1） 工頻變壓器絕緣的單級拓撲結構 典型的工頻變壓器絕緣的單級拓撲結構如圖 所示。 這種工頻變壓器形 式的逆變器是在單相電壓型全橋逆變電路輸出加一個變壓器，然后并入電網。電容 C 起到平波作用，使得直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。單相橋式逆變電路，共有四個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成，功率器件為全控型開關器件。二極管起到反饋與續(xù)流的作用。 工頻變壓器形式逆變器優(yōu)點：由于只有一個環(huán)節(jié)，結構簡單，效率高；采用工頻變壓器進行絕緣和變壓，具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能。缺點主要有：為了追求效率、減少空載損耗，工頻變壓器的工作磁通密度選的比較低，因此質量大，約占逆變器的總質量的 50%左右 ，逆變器外形尺寸也比較大；系統(tǒng)需要較高的直流輸入，提高了系統(tǒng)成本；對最大功率點的跟蹤沒有設立獨立的控制操作，使得系統(tǒng)可靠性降低、音頻噪音大；由于單級式拓撲結構要在逆變環(huán)節(jié)中實現(xiàn)最大功率跟蹤控制和逆變并網，控制對象之間的相互耦合增加了算法的設計難度。 I p vaV 1V 2 V 4UabUbV 3單 相 橋 式 逆 變 電 路U P VC 1C 2~A CV D P VV D 1V D 2V D 3V D 4工 頻 變 壓 器L 圖 帶工頻變壓器的單級式逆變器 （ 2） 高頻變壓器絕緣的多級式拓撲結構 由于單級式逆變器體積大、算法設計難度大的缺點，于是可以采用高頻變壓器代替工頻變壓器進行絕緣和升壓。典型的高頻變壓器絕緣的多級式拓撲結構如圖 所示，該拓撲結構由兩個全橋逆變器、高 頻變壓器和整流電路構成。太陽能光伏陣列輸出的電能經逆變、升壓、整流、再逆變四個環(huán)節(jié)轉為交流電。高頻變壓器較工頻變壓器的優(yōu)點是體積小、重量輕、成本低，但該拓撲經過了多級變換，缺點是所需的元件較多，整體效率較低且電磁干擾嚴重，需要采取濾波和屏蔽等措施。 . . V1V 2P VV 4V3A C 圖 高頻變壓器絕緣的多級式逆變器 （ 3） 無變壓器絕緣的兩級拓撲結構 無變壓器形式逆變器主電路由兩級電路組成， DCDC 電路和 DCAC 逆變電路。典型的無變壓器絕緣的兩級拓撲如圖 所示。 在 DCDC 變換器中， Buck 和 Boost電路的效率最高，而 效率對于光伏并網逆變器是非常重要的，所以在此升壓部分選擇Boost 電路， Boost 電路負責最大功率跟蹤控制并把太陽能光伏陣列的輸出電壓升高至某一數(shù)值，確保逆變部分輸入電壓的穩(wěn)定和降低損耗。 無變壓器形式逆變器優(yōu)點：由于沒有采用工頻變壓器進行隔離，這種拓撲具有體積小、重量輕，效率高，成本低的優(yōu)點；不采用變壓器進行輸入與輸出絕緣，只要采取適當措施，同樣可以保證主電路和控制電路運行的安全性；比工頻變壓器形式主電路要復雜一些，但是適應輸入直流電壓范圍寬，有利于與太陽蓄電池匹配；盡管由于天氣等因素使太陽蓄電池輸出電 壓發(fā)生變化，但有了升壓部分，可以保證逆變器部分輸入電壓比較穩(wěn)定。缺點主要是在某些要求隔離的場合不適宜使用。 M P P T2 2 0 V 5 0 H zIp vC 2aV1V 2V 4UabUbV3U p vB O O S T 電 路單 相 橋 式 逆 變 電 路~C 1V D BV D 1V D 2V D 3V D 4L 0L 1V 0 圖 無變壓器絕緣的兩級逆變器 光伏并網逆變器的總體設計方案 經過方案的比較論證以及本系統(tǒng)是針對小型家用的單相電網特點，本設計決定采用電壓源輸入 電流源輸出的控制方式，并采用無變壓器絕緣的兩級拓撲結構，前級為 DCDC 變換器，后級為 DCAC 逆變器，兩部分通過直流母線（ DClink）相連在. . 一起。 在本文設計的光伏并網系統(tǒng)中，太陽能光伏陣列輸出的直流電壓在 100~170V，通過 Boost 電路將其升為 400V，并實現(xiàn)最大功率跟蹤功能；后級的 DC/AC 逆變采用單相逆變橋，將直流母線的電壓轉換成正弦波電流，向電網輸送功率?？刂菩酒捎肨i 公司的 TMS320F240 芯片，其高速的計算能力可以保證實時跟蹤最大功率點，并向電網輸出高品質電流，主電路拓撲結構如圖 所示。 系統(tǒng)工作原理 前級 Boost 電路工作原理 Boost 電路由開關管 Q，二極管 D，電感 L，電容 C 組成，完成將太陽能電池的直流電壓 PVU 升壓到 dcU 。其電路圖如圖 所示。 ELQDCR 圖 Boost 電路原理圖 Boost 電路工作過程如圖 所示 ，當開關管 Q 導通時，二極管反偏，于是將輸出級隔離，由輸入端向電感器供應能量，當開關管 Q 斷開時，輸出級吸收來自電感器和輸入端的能量 [5]。 ELC RLi RLi ELC RRLiLi（ a ） Q 導 通 ， D 關 斷 （ b ） Q 關 斷 ， D 導 通 圖 Boost 電路工作過程 Boost 電路工作時，根據(jù)電感電流在周期開始是否從零開始，是否連續(xù)，可分為連續(xù)的工作狀態(tài)或不連續(xù)的工作狀態(tài)兩種模式，光伏發(fā)電系統(tǒng)中電路參數(shù)的選擇應讓Boost 電路工作在連續(xù)導電模式下。實際應用中必須限制 Boost 電路的最大占空比，一般控制導通占空比在 ? 之內，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [6]。 . . 后級單相全橋逆變器的工作原理 后級電路采用電壓型單相橋式逆變電路，功率器件為全控型開關器件，其原理圖如圖 所示。 CV1V 2V 4V3~L 0dcU+_0UgridI gridU 圖 單相橋式逆變器的拓撲結構 工作原理如圖 28 所示， gridU 為電網電壓， 0U 為逆變器輸出電壓， gridI 是逆變器輸出到電網的電流 。 gridjwL I? oU?gridI? gridU?? 圖 單相橋式 PWM 逆變器向量分析 由圖 可得下式： 0 gridgridU U jwL I? ? ??? （ ） 其中： w 為電網角頻率， 2wf?? ， f 為電網頻率； L 為輸出濾波電感。 從圖中可以看出并網逆變器的輸出電壓和電網電壓之間有一個位移量 ? ，于是可以通過開關管的 PWM 控制，使逆變器的輸出滿足上述矢量關系，實現(xiàn)輸出電流與電網電壓同頻同相。 本章首先介紹了光伏并網逆變器的分類以及常用拓撲結構，對常用拓撲結構的優(yōu)缺點進行了比較，確定了采用無變壓器的拓撲結構，即前端 Boost 電路和后端全橋逆變電路，兩者通過直流母線相連。最后對 Boost 電路和全橋逆變電路進行了原理上的分析。 . . 3 并網逆變器關鍵技術 光伏陣列最大功率點跟蹤 光伏電池的原理 并網光伏系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列和并網逆變 器組成。根據(jù)需要的直流電壓和發(fā)電功率，可以把多塊太陽能電池組件通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合起來放置于屋頂或地面，形成太陽能光伏陣列。在太陽能光伏電池中，實現(xiàn)光電轉換的最小單元是太陽能電池單體。太陽能電池單體發(fā)電是以光生伏特效應為基礎的。太陽能電池單體實際上是一個 PN 結，當 PN結處于平衡狀態(tài)時會產生一個耗盡層，耗盡層中存在著勢壘電場，其方向由 N 區(qū)指向 P 區(qū)。當光照射到 PN 結上時，產生電子一空穴對，在半導體內部結附近生成的載流子沒有被復合而到達空間電荷區(qū)，在勢壘電場的影響下，電子流入 N 區(qū)，空穴流入 P 區(qū)，結果使 N 區(qū)儲存 了過剩的電子， P 區(qū)有過剩的空穴。這些電子和空穴在 PN 結附近形成與勢壘方向相反的光生電動勢。光生電動勢除一部分了抵消勢壘電場的作用外，還使 P 區(qū)帶正電， N 區(qū)帶負電，產生電動勢，這就是光生伏特效應。 太陽能電池的工作原理可概括為：當太陽光源照射時，光子注入到半導體內，激發(fā)出電子－空穴對，由于絕大部分太陽能電池由于存在 P－ N 結勢壘區(qū)將會產生靜電場，在靜電場的作用下，電子－空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊，被分離的電子和空穴經由電極收集輸出到電池體外，形成電流，從而獲得功率輸出。 太陽能光伏 電池的最大功率輸出跟蹤策略 （ 1） 恒定電壓法 從圖 的太陽能電池的 PV曲線可以看出，當忽略環(huán)境溫度時，隨著光照強度