【文章內(nèi)容簡介】 制器的設(shè)計難度。 兩級式逆變器結(jié)構(gòu)雖然功率級數(shù)多，整機(jī)效率低于單級式逆變器，但其可以實(shí)現(xiàn)光伏器件最大功率點(diǎn)跟蹤與逆變器并網(wǎng)單獨(dú)控制，避免了逆變器并網(wǎng)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(jié)構(gòu)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中均有應(yīng)用，但或存在逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低的缺點(diǎn)，或存在結(jié)構(gòu)雖然簡單，但適用范圍有限的 缺點(diǎn)。因此根據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率等級，設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、效率高、對光伏器件利用效果好的逆變器拓?fù)涫枪夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的一個熱點(diǎn)問題。 (3) 全數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)（ DPLL）的運(yùn)用 通過調(diào)理電路產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的同步方波信號，運(yùn)用 DSP 的 CAP 口捕獲該同步信號，經(jīng)過計算得到當(dāng)前電網(wǎng)電壓頻率和相位，然后調(diào)節(jié)輸出電流基準(zhǔn)的 SPWM 載波頻率和初始相位，從而實(shí)現(xiàn)光伏逆變器輸出電流對電網(wǎng)電壓的頻率及相位的跟蹤。 (4) 孤島效應(yīng)的檢測與防止 一個性能完善的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，需要各種保護(hù)措施保證用戶的人身安全，同時防止設(shè)備因意外而造成的損壞。 由于光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)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(wǎng)故障并切斷其與電網(wǎng)的連接。如果不能及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)故障，就會出現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)仍向局部電網(wǎng)供電的情形，從而使本地負(fù)載仍處于供電狀態(tài)，造成設(shè)備損壞和人員傷亡。這種現(xiàn)象被稱為孤島效應(yīng)。 隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，局部電網(wǎng)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(yīng)檢測方法對確保光 伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時及時切斷其與電網(wǎng)的連接具有重要的意義 [4]。 本課題的主要研究內(nèi)容 本文在分析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)工作原理以 及前人工作的基礎(chǔ)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(shù)和最大功率跟蹤技術(shù)進(jìn)行研究，對整個電路硬件的參數(shù)以及軟件控制進(jìn)行了設(shè)計，主要內(nèi)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(shí)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(guān)鍵技術(shù)。 第二部分 對光伏并網(wǎng)逆變器主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上采用無變壓器絕緣的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對前級的 Boost 電路和后級的全橋逆變電路的工作原理進(jìn). . 行了分析。 第三部分 為 并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵控制技術(shù)研究。本章主要對 光伏陣列最大功率點(diǎn) 跟蹤 、孤島效應(yīng)、并網(wǎng)控制技術(shù)進(jìn)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(diǎn)跟蹤的方法進(jìn)行了比較分析，設(shè)計了一種變步長擾動觀察法來實(shí)現(xiàn)MPPT。分析了孤島效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)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(wǎng)逆變器的硬件電路設(shè)計 ，包括主電路的一些重要元件參數(shù)設(shè)計， 一些保護(hù)電路和采樣電路設(shè)計，部分控制流程圖。 第五部分 給出本文設(shè)計的光伏并網(wǎng)逆變器的仿真來驗(yàn)證部分性能 。. . 2 光伏并網(wǎng)逆變器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 并網(wǎng)逆變器的分類 與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 并網(wǎng)逆變器的分類 光伏并網(wǎng)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(cè)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(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前世界范圍內(nèi)大部分 并網(wǎng)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(zhì)，可將逆變器分為：電流型逆變器和電壓型逆變器，結(jié)構(gòu)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(zhì)分類的并網(wǎng)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(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則實(shí)際上就是一個電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用鎖相控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)與市電同步，由于鎖相回路的響應(yīng)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(dá)到并聯(lián)運(yùn)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(shè)計的光伏并網(wǎng)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(shí)現(xiàn)有源濾波和無功 補(bǔ)償?shù)目刂?，在?shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，可以有效地進(jìn)行光伏發(fā)電、提高供電質(zhì)量和減少功率損耗，而且可以節(jié)省相應(yīng)設(shè)備的投資。 逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用的光伏并網(wǎng)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(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為 3 類，即工頻變壓器絕緣的單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高頻變壓器絕緣的多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無變壓器的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 （ 1） 工頻變壓器絕緣的單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 典型的工頻變壓器絕緣的單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(wǎng)。電容 C 起到平波作用，使得直流側(cè)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(guān)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(diǎn)：由于只有一個環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，效率高；采用工頻變壓器進(jìn)行絕緣和變壓，具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能。缺點(diǎn)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(zhì)量大，約占逆變器的總質(zhì)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(diǎn)的跟蹤沒有設(shè)立獨(dú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)要在逆變環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制和逆變并網(wǎng)，控制對象之間的相互耦合增加了算法的設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu) 由于單級式逆變器體積大、算法設(shè)計難度大的缺點(diǎn)，于是可以采用高頻變壓器代替工頻變壓器進(jìn)行絕緣和升壓。典型的高頻變壓器絕緣的多級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩個全橋逆變器、高 頻變壓器和整流電路構(gòu)成。太陽能光伏陣列輸出的電能經(jīng)逆變、升壓、整流、再逆變四個環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)為交流電。高頻變壓器較工頻變壓器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、成本低，但該拓?fù)浣?jīng)過了多級變換，缺點(diǎn)是所需的元件較多，整體效率較低且電磁干擾嚴(yán)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?fù)浣Y(jié)構(gòu) 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?fù)淙鐖D 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(wǎng)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(fù)責(zé)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(diǎn)：由于沒有采用工頻變壓器進(jìn)行隔離，這種拓?fù)渚哂畜w積小、重量輕，效率高，成本低的優(yōu)點(diǎn)；不采用變壓器進(jìn)行輸入與輸出絕緣，只要采取適當(dāng)措施，同樣可以保證主電路和控制電路運(yùn)行的安全性；比工頻變壓器形式主電路要復(fù)雜一些，但是適應(yīng)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(diǎn)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(wǎng)逆變器的總體設(shè)計方案 經(jīng)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(wǎng)特點(diǎn)，本設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(shè)計的光伏并網(wǎng)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(shí)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(zhuǎn)換成正弦波電流，向電網(wǎng)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(shí)時跟蹤最大功率點(diǎn)，并向電網(wǎng)輸出高品質(zhì)電流，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)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(dāng)開關(guān)管 Q 導(dǎo)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(yīng)能量，當(dāng)開關(guān)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(dǎo) 通 ， D 關(guān) 斷 （ b ） Q 關(guān) 斷 ， D 導(dǎo) 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(yīng)讓Boost 電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下。實(shí)際應(yīng)用中必須限制 Boost 電路的最大占空比，一般控制導(dǎo)通占空比在 ? 之內(nèi)，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(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu) 工作原理如圖 28 所示， gridU 為電網(wǎng)電壓， 0U 為逆變器輸出電壓， gridI 是逆變器輸出到電網(wǎng)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(wǎng)角頻率， 2wf?? ， f 為電網(wǎng)頻率； L 為輸出濾波電感。 從圖中可以看出并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓之間有一個位移量 ? ，于是可以通過開關(guān)管的 PWM 控制，使逆變器的輸出滿足上述矢量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。 本章首先介紹了光伏并網(wǎng)逆變器的分類以及常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，確定了采用無變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(jìn)行了原理上的分析。 . . 3 并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù) 光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤 光伏電池的原理 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列和并網(wǎng)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(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)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(yīng)為基礎(chǔ)的。太陽能電池單體實(shí)際上是一個 PN 結(jié)，當(dāng) PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時會產(chǎn)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(dāng)光照射到 PN 結(jié)上時，產(chǎn)生電子一空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而到達(dá)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(jié)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(jié)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(fù)電，產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。 太陽能電池的工作原理可概括為：當(dāng)太陽光源照射時，光子注入到半導(dǎo)體內(nèi)，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(jié)勢壘區(qū)將會產(chǎn)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(jīng)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(dāng)忽略環(huán)境溫度時，隨著光照強(qiáng)度