【文章內(nèi)容簡介】 8 用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè) 法提高逆變電源的效率。 （ 2）具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變電源具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過熱，過載保護(hù)等。 （ 3）直流輸入電壓 具 有較寬的適應(yīng)范圍 。 由于太陽電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動，特別是當(dāng)蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如 12V蓄電池，其端電壓可在 10V～ 16V之間變化，這就要求逆變電源必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。 （ 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。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)有較高的外，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，為避免 對 公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變電源輸出正弦波電流。 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計 升壓環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較 升壓環(huán) 節(jié)實際上是 DCDC開關(guān)電源， DCDC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多，但本設(shè)計的是作為逆變電源的直流升壓環(huán)節(jié)，需要有電氣隔離。故此，只介紹以下幾種結(jié)構(gòu)： (1)正激式 如圖 22所示，電路拓?fù)浜唵?，在變壓器繞組中加一去磁繞組就可以實現(xiàn)去磁，是中小功率變換器常用的設(shè)計方案。但是，這種拓?fù)浯嬖谠S多不足之處。首先變壓器鐵芯單向磁化，利用率低，主功率管承受兩倍的輸入電壓，只能適合低壓輸入電路。其次，主功率管一般占空比小于 。另外，由于添加了去磁繞組使變壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，變壓器工藝水平的高低將直接影響到電路的性能。 畢業(yè)設(shè)計（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)簡單，可以看成兩個完全對稱的單端反激式交換器的組合。因此變壓器鐵芯是雙向磁化的，相同鐵芯尺寸下，推挽電路比正激式電路輸出更大的功率。但電路必須有良好的對稱，否則鐵芯容易引起電流偏磁飽和。另外，由于變壓器原邊漏感的存在，使主功率管必須承受超過兩倍電源電壓，因此功率管電壓尖峰很大，承受較大電壓應(yīng)力。適合低壓大電流場合。 D5Fuse 2S2D1 D2D3 D4BATC1GNDS1GND 圖 23 推挽式變壓器電路結(jié)構(gòu) (3)半橋式 如圖 24所示，變壓器鐵芯不存在直流偏磁現(xiàn)象，變壓器兩象限工作，利用率高 ，功率管只承受電源電壓，適合高壓中功率場合。 S1 D1D2S2D3BTD4D5C1C2 圖 24 半橋式變壓器電路結(jié)構(gòu) 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 10 (4)全橋式 如圖 25所示，功率管只承受電源電壓。并且鐵芯利用率高，易采用軟開關(guān)的工作方式，但功率器件較多，控制及驅(qū)動較復(fù)雜，并且存在直通現(xiàn)象，適合大功率場合。 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。從輸出端看，反激式是電流源，不能開路。 BTTCDQ 圖 26 反激式變壓器電路結(jié)構(gòu) 此外，目前市場流行的升壓方式為 BUCKBOOST，但本系統(tǒng)輸入端電壓 12V，屬于低壓，若想得到工頻 220V輸出電壓，必須含有變壓器升壓環(huán)節(jié)，綜合考慮上述各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，選擇推挽變換方式。推挽電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于低壓大電流的場合，正好滿足本文獨立光伏系統(tǒng)的設(shè)計要求。 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?，因此本文對結(jié)構(gòu)簡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。 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 11 VDZT1T2T3T4 圖 27 電壓型單相全橋逆變電路 結(jié)構(gòu) 全控型開關(guān)器件 T T4同時導(dǎo)通與關(guān)斷； T T2同時導(dǎo)通與關(guān)斷； T1（ T4）與 T2（ T3）的驅(qū)動信號互補(bǔ)，即 T T4和 T T3周期性地改變通斷狀態(tài)，周期 T對應(yīng) 2π弧度，輸出電壓基波頻率 f=1/T。在每個周期各對開關(guān)管通斷半個周期就產(chǎn)生 180度的方波電壓。 光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較 （ 1）工頻變壓器（ DCAC) 將直流電壓逆變成有效值基本不變的 PWM波形，由工頻變壓器升壓得到220V交流電壓。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)。但 是，它響應(yīng)速度較慢，波形畸變較 重，帶非線性負(fù)載的能力較差，而噪聲大。由于采用工頻變壓器，體積大 ，質(zhì)量大，價格也較貴。 （ 2）高頻變壓器構(gòu) (DCACDCAC) 首先將直流電壓逆變成高頻方波，經(jīng)高頻變壓器升壓，再整流濾波得到一個穩(wěn)定的高壓直流電 (一般 300V以上 )。然后高壓直流通過逆變電路實現(xiàn)逆變得到220V或者 380V交流電。系統(tǒng)逆變效率可以達(dá)到 90％以上，由于這種電路形式采用了高頻變壓器，體積、重量、噪音等均明顯減小。該電路的缺點是電路相對復(fù)雜。 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器控制方法的比較 光 伏逆變器實現(xiàn)輸出正弦波的工頻電壓，控制方案的實現(xiàn)通常分為模擬控制和數(shù)字控制，具體實現(xiàn)方案有以下幾種： (1)模擬控制。 控制脈沖的生成，控制算法的實現(xiàn)全部由模擬器件完成。優(yōu)點是技術(shù)前常成熟。但存在很多固有缺點： 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 12 ①控制電路的元器件比較多，體積龐大 ,結(jié)構(gòu)復(fù)雜； ②靈活性不夠，硬件電路一旦設(shè)計完成，控制策略就不能改變； ③由于元器件特性的差異，致使電源一致性差，且模擬器件的工作點漂移。會導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)的漂移，從而給調(diào)試帶來不便。 （ 2)由單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)字控制。 為改善系統(tǒng)的控制性能，通過模擬、數(shù)字 (A\D)轉(zhuǎn)換器， 將微處理器與系統(tǒng)相連，在微處理器中實現(xiàn)數(shù)字控制算法，然后通過輸入、輸出口或脈寬調(diào)制口 (PWM)發(fā)出開關(guān)控制信號。但單片機(jī)控制也存在一些缺點，比如控制靈活行不夠，由于程序執(zhí)行的時間限制導(dǎo)致在升壓及逆變環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓控制跟隨性差，不能有效起到穩(wěn)壓作用；另外，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜時，對單片機(jī)要求比較高，芯片發(fā)熱問題等等都是設(shè)計時需要考慮的因素。 (3)由 DSP實現(xiàn)數(shù)字控制。 數(shù)字信號處理 （ 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。近年來，數(shù)字 信號處理理論在不斷取得進(jìn)步的同時，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，專用的數(shù)字信號處理器芯片也獲得了飛速發(fā)展。數(shù)字信號處理器是在模擬信號變換為數(shù)字信號后對數(shù)字信號進(jìn)行高速實時處理的專用處理器，它具有計算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)點，是實現(xiàn)數(shù)字信號處理的強(qiáng)大工具。 但 DSP入門門檻較高，開發(fā)成本高，造價也較高。 本系統(tǒng)的逆變拓?fù)涫莾?級變換，前級 DCDC推挽式升壓部分采用 PWM控制，利用專用集成芯片 SG3525對輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓；逆變部分采用單相全橋的 PWM控制，考慮本設(shè)計性能指標(biāo)以及開發(fā)能力，價格成本等因素，采用 PIC16F73單片機(jī)對逆變環(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。 獨立光伏發(fā)電逆變電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成源源不斷的直流電，經(jīng)過單片機(jī)對其充放電進(jìn)行控制，使輸出為穩(wěn)定的 12V， 12V的直流電經(jīng)過推挽升壓后濾波，進(jìn)行全橋整流得到 360V的高壓直流電，再經(jīng)過逆變電路輸出工頻交流電。直流升壓采用推挽電路，工作頻率在 100kHz。升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而具有體積小、重量畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 13 輕的特點；后級的單相全橋逆變電路，采用 PWM調(diào)制，經(jīng)濾波電路得到 220V 50Hz的工頻交流輸 出。 畢業(yè)設(shè)計（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 本文設(shè)計的目標(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算方法，對本系統(tǒng)的蓄電池容量以及太陽能電池板的設(shè)計如下： 太陽能光伏發(fā)電蓄電池組的設(shè)計 蓄電池容量設(shè)計的基本原理 設(shè)計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。為了量化評估太陽光連續(xù)低于平均值的情況，首先需要引進(jìn)一個參數(shù)：自給天數(shù)，即系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下，負(fù)載仍 然能正常工作的天數(shù)。一般來說，自給天數(shù)由兩個因素決定：負(fù)載對電源的要求程度和光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝處的最大連續(xù)陰雨天數(shù)。本文的 光伏系統(tǒng)中使用的蓄電池 為 VRLA 鉛酸蓄電池。 (1)基本公式 將每天負(fù)載需要的用電量乘以根據(jù)實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。最大放電深度的選擇需要參考光伏系統(tǒng)中使用的蓄電池的性能參數(shù)，通常情況下，深循環(huán)型蓄電池推薦使用 80%的放電深度（ DOD）；淺循環(huán)型蓄電池推薦使用 50%的放電深度（ DOD）?；竟饺缦拢? = ?自 給 天 數(shù) 日 平 均 負(fù) 載蓄 電 池 容 量 最 大 放 電 深 度 （ 31） 每個蓄電池都有它的標(biāo)稱電壓，為了達(dá)到負(fù)載工作的標(biāo)稱電壓，我們將蓄電池串聯(lián)起來給負(fù)載供電，需要串聯(lián)的蓄電池的個數(shù)等于負(fù)載的標(biāo)稱電壓除以蓄電池的標(biāo)稱電壓。當(dāng)蓄電池總?cè)萘看笥趩蝹€蓄電池容量時，我們需要將單個蓄電池并聯(lián)起來組成總?cè)萘?。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 蓄 電 池 容 量 （ 33） 畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 15 (2)公式的修正 對于鉛酸蓄電池，蓄電池的容量不是一成不變的與兩個重要因素有關(guān)：蓄電池的放電率和環(huán)境溫度。 ① 放電率對蓄電池容量的影響。 蓄電池的容量隨放電率的降低（即蓄電池放電時間變長）而相應(yīng)增加， 這樣就會對我們的容量設(shè)計產(chǎn)生影響。進(jìn)行光伏系統(tǒng)設(shè)計時就要為所設(shè)計的系統(tǒng)選擇在恰當(dāng)?shù)姆烹娐氏碌男铍姵厝萘俊Ｍǔ?，生產(chǎn)廠家提供的是蓄電池額定容量是10 小時放電率下的蓄電池容量。但是在光伏系統(tǒng)中，因為蓄電池中存儲 的能量主要是為了自給天數(shù)中的負(fù)載需要，蓄電池放電率通常較慢，光伏供電系統(tǒng)中蓄電池典型的放電率為 100～ 200 小時。在設(shè)計時我們要用到在蓄電池技術(shù)中常用的平均放電率的概念。 公式如下： = ?自 給 天 數(shù) 負(fù) 載 工 作 時 間平 均 放 電 率 （ 小 時 ） 最 大 放 電 深 度 （ 34） 對于多個不同負(fù)載的光伏系統(tǒng)，負(fù)載的工作時間可以使用加權(quán)平均負(fù)載工作時間。公式如下： ?? ? ?負(fù) 載 功 率 負(fù) 載 工 作 時 間加 權(quán) 平 均 負(fù) 載 工 作 時 間負(fù) 載 功 率 （ 35） 根據(jù)上面兩式就可以算出光伏系統(tǒng)的實際平均放電率，根據(jù)蓄電池生產(chǎn)商提供 的該型號電池在不同放電速率下的蓄電池容量，就可以對蓄電池的容量進(jìn)行修正。 ② 溫度對蓄電池容量的影響。 一方面，蓄電池的容量隨溫度的下降而下降 通常，鉛酸蓄電池容量是在 25℃時標(biāo)定的，隨著溫度的降低， 0℃時的容量大約下降到額定容量的 90%,而在 20℃的時候大約下降到額定容量的 80%，所以必須考慮蓄電池的環(huán)境溫度對其容量的影響。 如果光伏系統(tǒng)安裝地點的氣溫很低，這就意味著按照額定容量設(shè)計的蓄電池容量在該地區(qū)的實際使用容量會降低，也就是無法滿足系統(tǒng)負(fù)載的用電需求。在畢業(yè)設(shè)計（論文）專用紙 16 實際工作的情況 下就會導(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。這樣，設(shè)計時需要的蓄電池容量就要比根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)情況（ 25℃ ）下蓄電池參數(shù)計算出來的容量要大，只有選擇安裝相對于 25℃ 時計算容量多的容量，才能夠保證蓄電池在溫度低于 25℃ 的情況下，還能完全提供所需的能量。 蓄電池生產(chǎn)商一般會提供相關(guān)的蓄電池溫度 容量修正曲線在該曲線上可以查到對應(yīng)溫度的蓄電池容量修正系數(shù)。 另一方面，蓄電池的最大放電深度受低溫的影響 在寒冷氣候條件下，如果蓄電池放電過多，電解液凝結(jié)點上升，電解液就可能凝結(jié)，以致?lián)p壞蓄電池。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。