【文章內(nèi)容簡介】 流變換成交流后供給交流負(fù)載。蓄電池則用來儲存電 能，當(dāng)夜間、陰雨天等太陽能電池?zé)o法供電或供電不足時(shí)，則由蓄電池向負(fù)載供電。 4 圖 12 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨(dú)立系統(tǒng)由于負(fù)載只有太陽能光伏系統(tǒng)供電，且太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電受諸如日照、溫度等氣象條件的影響，因此當(dāng)供給負(fù)載的電力不足時(shí)需要適用蓄電池來解決這一問題。由于太陽能電池發(fā)電為直流，一般可直接接用于直流負(fù)載。當(dāng)負(fù)載為交流時(shí)，還需要適用逆變器，將直流變成交流供給交流負(fù)載。由于蓄電池在充放電時(shí)會 出現(xiàn)損壞且維護(hù)檢修成本較高，因此，獨(dú)立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般容量較小， 主要用于時(shí)鐘、無線機(jī)、路標(biāo)以及山區(qū)無電地區(qū)等領(lǐng)域 。 并網(wǎng)系統(tǒng) 圖 13 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上與其它類型的發(fā)電站一樣，可為整個(gè)電力系統(tǒng)提供電能，與獨(dú)立運(yùn)行的太陽能光伏電站相比，并入大電網(wǎng)可以給太陽能光伏發(fā)電帶來諸多好處。首先，不必考慮負(fù)載供電的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量問題；其次，光伏電池可以始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處，由大電網(wǎng)來接納太陽能所發(fā)出的全部電能，提高了太陽能發(fā)電的效率；再其次，省略了蓄電池作為儲能 環(huán)節(jié)，降低了蓄電池充放電過程中 5 的能量損失，免除了由于存在蓄電池而帶來的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)也消除了處理廢舊蓄電池帶來的間接污染。并網(wǎng)光伏逆變系統(tǒng)由光伏陣列、變換器和控制器組成，如圖 13所示，變換器將光伏電池發(fā)出的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中，控制器控制光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的波形和功率，使向電網(wǎng)轉(zhuǎn)送的功率與光伏陣列所發(fā)的最大功率電能相平衡 。 課題的主要研究內(nèi)容 逆變器的性能指標(biāo) (1) 額定功率 3kW，峰值功率 4kW： (2) 并網(wǎng)電氣方式：單相二線制； (3) 額定輸出電壓： AC220V； (4) 電能轉(zhuǎn)換效率 (額定 )： =93％； (5) 絕緣方式：工頻絕緣變壓器； (6) MPPT控制范圍： DCl35～ 350V； (7) 保護(hù)功能：“孤島”保護(hù)、過流、過壓、過熱、太陽能電池欠壓保護(hù)； (8) 質(zhì)量： =10kg： (9) 安裝場所：室內(nèi)。 主要研究內(nèi)容 通過對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較為深入的理論分析和研究，主要關(guān)鍵技術(shù)如下： (1) 高功率密度無源諧振軟開關(guān)全橋逆變器主電路拓?fù)涞难芯浚? (2) 基于 TMS320ULF407A DSP的逆變器空間矢量控制算法及其全數(shù)字化控制研究； (3) 太陽能電池伏一安曲線與逆變器最大功率跟蹤技術(shù)之間耦合關(guān)系研究； (4) 基于 DSP的 軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)與限脈沖響應(yīng)法鎖相環(huán)算法的研究； (5) 采用主動頻率偏移法實(shí)現(xiàn)逆變器“孤島”保護(hù)功能的研究。 6 2 光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 逆變技術(shù)是一門實(shí)用技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，大量高功率開光器件相繼出現(xiàn)，可以滿足各行各業(yè)對逆變技術(shù)的需求，逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛 。 系統(tǒng)組成 光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能 電池、主電路、控制電路和負(fù)載組成。主電路包括 DC／DC電路、 DC／ AC電路、濾波電路和隔離變壓器?？刂齐娐凡捎?DSP作為主控單元，其中還包括逆變器的 SPWM信號發(fā)生、閉環(huán)控制和最大功率點(diǎn)跟蹤電路。 本章將著重介紹逆變器的主電路，對逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選取合適的電路結(jié)構(gòu)以及 開 關(guān)器件。光伏系統(tǒng)的控制電路將在下一章再做介紹。 逆變主電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 通常 單相電壓型逆變器主要分為推挽式、半橋和全橋逆變電路三種。這三種方式根據(jù)其不同的特點(diǎn)應(yīng)用于不同的場合。推挽式逆變電路的主電路簡單，如圖 21所示。 只需要兩個(gè)開關(guān)管，基極驅(qū)動電路不需要隔離，驅(qū)動電路比較簡單，但是開關(guān)管需要承受 2倍的線路峰值電壓，所以適合于低輸入電壓的場合應(yīng)用。同時(shí)變壓器存在偏磁現(xiàn)象，初級繞組有中心抽頭，流過的電流有效值和銅損較大，初級繞阻兩部分應(yīng)緊密耦合，繞制工藝復(fù)雜 。 圖 21 單相 推挽式逆變電路 與推挽式逆變電路相比半橋式逆變器在電路中所使用的功率開關(guān)晶體管的耐壓要求較低，決不會超過線路峰值電壓，其次，晶體管的飽和壓降也減少到最小，不 7 在是重要的影響因素。再者，對其輸入濾波電容使用電壓的要求也較低。由于半橋逆變電路的 特殊結(jié)構(gòu)如圖 22所示，其不存在直流偏磁問題，可以廣泛應(yīng)用于數(shù)百瓦一數(shù)千瓦的開關(guān)電源中。但是其晶體管導(dǎo)通時(shí)，集電極電流增加一倍，電流的增大的局限性對于中、小功率的開關(guān)電源來說，不會構(gòu)成影響，但是對于大功率的開關(guān)電源，由于能夠承受高電壓，大電流的晶體管價(jià)格昂貴，就難以實(shí) 現(xiàn)了 。 圖 22 單相半橋逆變器 全橋式逆變電路既保持了半橋式逆變電路的電壓性質(zhì)有兼有推挽式的電流性質(zhì)。在逆變電路中，采用相同電壓、電流容量的開關(guān)器件時(shí)，全橋式逆變電路可以達(dá)到最大功率輸出，因此該電路常用于中大功率電源中，電路 結(jié)構(gòu)如圖 24所示。并且與半橋式逆變電路相比，它具有較好的逆變輸出波形。 圖 24 單相全橋式逆變電路 所以本文設(shè)計(jì)的單相光伏并網(wǎng)逆變器采用全橋逆變電路，如圖 24所示，功率器件 VT1～ VT4組成逆變橋， VD1～ VD4是對應(yīng)的反并聯(lián)二極管。單相光伏并網(wǎng)逆變電源是將太陽電池發(fā)出的直流電變換為正弦波交流電，經(jīng)過隔離變壓器后輸送到電網(wǎng)。 8 在逆變器運(yùn)行過程中，本文采用帶有電流、電壓瞬時(shí)值反饋的單極性控制 SPWM控制方案。 全橋逆變電路的工作原理 在圖 24所示電路中，首先令 VT2和 VT3的 控制電壓 UG2和 UG3為負(fù)值，使 VT2和 VT3截止；令 VTl和 VT4的控制電壓 UG1和 UG4為正值，使 VTl和 VT4導(dǎo)通，如圖 2． 5中 tl～ t2時(shí)間段。在 t1時(shí)刻， VT1和 VT4導(dǎo)通，電流的流通路徑為： E+→ VTl→ 變壓器初級 → VT4→ E。如果忽略 VTl和 VT4導(dǎo)通后的管壓降，則變壓器初級電壓為 Uin=E，變壓器次級電壓為Uout=EN2／ N1(N N2分別為 T的初級、次級匝數(shù) )。 在 t2時(shí)刻， VTl和 VT4關(guān)斷，此后四個(gè)功率 開 關(guān)器件均截止。 圖 25 控制電壓及輸出電壓波形 在 t3時(shí)刻， VT2和 VT3導(dǎo)通，電流的流通路徑為： E+→ VT3→ 變壓器初級 → VT2→ E。在忽略 VT2和 VT3的導(dǎo)通壓降情況下，變壓器初級電壓 Uin=E，變壓 器次級電壓 Uout=EN2／ N1。 在 t4時(shí)刻， VT2和 VT3關(guān)斷，此后四個(gè)功率 開 關(guān)器件均截止。 電路按照上述方式工作，則可在變壓器次級獲得交變的電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流變交流的功能 。 逆變電路開關(guān)器件選擇 9 在逆變系統(tǒng)中要求系統(tǒng)的響應(yīng)快，保護(hù)功能強(qiáng)，可靠性高，對于逆變電路來說，開關(guān)器件應(yīng)該具有合適的導(dǎo)通電流、關(guān)斷承受反壓以及盡量小的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷時(shí)的拖尾電流、盡量短的開通和關(guān)斷時(shí)間、盡量小的開關(guān)損耗和可靠穩(wěn)定的導(dǎo)通和關(guān)斷性能。 目前，新型的 IPM智能模塊以優(yōu)良的性能越來越得到人們的賞識。 IPM智能模塊內(nèi)部具有低功耗、軟開關(guān)、高性能及擁有過熱保護(hù)的高可靠性 IGBT，內(nèi)置有過電 流保護(hù)、短路保護(hù)、控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)及外部輸出報(bào)警端口 。用這樣的模塊做逆變器的功率器件，能夠大大簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，縮小電源的體積 ，簡化了接線，大大縮短開發(fā)周期。所以本次設(shè)計(jì)選用三菱公司出產(chǎn)的 IPM模塊。 IPM模塊的型號選擇可以從器件的電壓等級和電流等級兩方面加以考慮。橋式逆變器的最大輸入電壓為 400V，所以各開關(guān)管所承受的最高電壓為 400V，考慮電壓尖峰和電壓裕量，可選擇耐壓為 600V的器件等級。逆變器輸出的額定功率為 3000W，輸出電流峰值為 20A，隔離變壓器變比為 1： l，考慮到系統(tǒng)的 余 量，則逆變橋中每只 IGBT中耐流值為 30A以上。所以本次設(shè)計(jì)選用 IPM模塊的型號為 PM200CLA60，他的耐壓值和耐流值分別為 600V和 200A。 逆變電路的吸收保護(hù) 直流側(cè)電容的選擇 對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)電容器的選擇需要滿足下式 試 中 P—— 太陽能電池陣 輸出功率，取 3kW K—— 波紋系數(shù)，取 U—— 直流母線電壓，取 400V W—— 電網(wǎng)角頻率，取 314 取 C=2200 F? ，采用 500V／ 2200 F? 的電解電容 。 逆變器輸出濾波電路設(shè)計(jì) 濾波器是影響輸出波形質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在輸入電壓和輸出電壓確定的情WKUPC 22?FWKU PC ? 2 ?? 10 況下， 輸出濾波電感的最小值主要由設(shè)定的電感電流紋波大小來決定。電流紋波一般取 15％～ 20％的額定電流。本文取 18％設(shè)計(jì)，輸出為 220V／ 3kVA，逆變器效率設(shè)為 95％，可得： 式中 I? —— 紋波電流 ? —— 紋波電流系數(shù) outP —— 輸出功率 outU —— 輸出電壓有效值 為了確保電網(wǎng)電壓波動時(shí)，逆變器能 向電網(wǎng)中有效 回 饋電流，取 DCV =400V， 關(guān)頻率 fc=20210kHz， maxI? = LC低通濾波器，對高于其諧振頻率的高次諧波將以 40dB／ decade衰減，設(shè)計(jì)其諧振頻率為基波頻率的 10～ 20倍 ，取12。 式中 f—— 基波頻率 取 電感為 2mH，電容為 40uF。 AUPI outout a xm a x ?????? ?mHIfVL c DC m a x ???FfLC ?? )122( 1 2 ??? 11 3 光伏逆變器的控制系統(tǒng)分析與電路設(shè)計(jì) 逆變器的控制系統(tǒng)部分是逆變器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分，采用先進(jìn)的控制技術(shù)是提高逆變電源性能不可或缺的方法。包括逆變器輸出電壓、電流 采樣和濾波，正弦波發(fā)生，輸出波形控制，接收功率器件發(fā)出的過流、過壓等保護(hù)信號，實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)功能等等。 并網(wǎng)逆變器的控制實(shí)現(xiàn) 隨著逆變電源對輸出波形質(zhì)量的不斷提高，傳統(tǒng)的模擬控制型正弦波逆變器已經(jīng)漸漸的不能滿足用戶的要求，同時(shí)，隨著各種高性能微處理器的出現(xiàn)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，使逆變電源的數(shù)字控制成為可能，圖 31為以 DSP為控制核心的逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。與傳統(tǒng)的模擬控制方式相比，采用 DSP為核心的控制方法具有如下特點(diǎn)： (1) 控制靈活、方便，可以在線設(shè)置參數(shù)，實(shí)時(shí)完善系統(tǒng)。 (2) 易于 采用先進(jìn)的控制方法和控制策略，使逆變器的性能更完美。 (3) 可以應(yīng)用通訊接口實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)或與上位機(jī)的通訊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 (4) 用軟件實(shí)現(xiàn)不同功能，減少硬件電路。 (5) 系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力進(jìn)一步提高。 圖 31 逆變器控制系纜結(jié)構(gòu)框圖 12 并網(wǎng)逆變器輸出控制 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池板發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為 正 弦交流電，從而向用戶以及電網(wǎng)供電的 一 個(gè)裝置。并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)為：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的、高品質(zhì)的 正 弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻、同相，同時(shí)希望通過 調(diào)節(jié)輸出電流的幅值使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)。 目前 逆變器的輸出控制模式主要有兩種：電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為受控量，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻很小的受控電壓源；電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為受控目標(biāo)，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電流信號，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻較大的受控電流源。由于電網(wǎng)可視為容量無窮大的交流電壓源，如果光伏并網(wǎng)逆