【正文】 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 28頁計算過程如下： （5()2tUstcmDTc???5）即： （5()2()1sttUcm??6）由上式可得： （5()stindc?7）式中因為 Us(t)為連續(xù)的模擬變量， Uin也為連續(xù)變量，當采用開關(guān)周期狀態(tài)平均法時，用 Uin等效為 Uin 瞬時值，也可以將 Uin 看做模擬連續(xù)變量，即： （5()stidcm?8）可得： （5()UindKpwstc?9）由上所訴，故逆變器的傳遞函數(shù)等效為一個比例環(huán)節(jié)。其控制的結(jié)構(gòu)如圖 55所示： 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 29頁 kipS?kipS?Udcm1rcsC? 1rLs?U i nU n fiLi0U0R 圖 55 PI 控制圖 IPM 模塊的介紹 IPM 智能功率模塊是先進的混合功率器件，它內(nèi)部集成了高速、低損耗的IGBT、優(yōu)化的 IGBT 門極驅(qū)動和保護電路。保護電路分別檢測過流、短路、過熱、驅(qū)動電源欠壓等故障，當任何一種故障出現(xiàn)時，內(nèi)部電路會封鎖驅(qū)動信號并向外送出故障信號，以便外部的控制單元及時對故障信號進行處理，避免功率器件受到進一步損壞 [21]。 圖 55 為三菱公司的一塊 PM50B4LB060 的實物圖： 圖 55 PM50B4LB060 的實物圖其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為圖 55： 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 30頁 圖 56 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖在圖 56 中：P 引腳與光伏電池組件的正極相連， N 引腳與負極相連；Vupl，Vvpl，Vnl 為控制電源正極輸入端；Vupc，Vvpc，Vnc 為驅(qū)動電源負極輸入端；V UP， VP，U N，V N 為控制信號輸入端；U Fo，V Fo，F(xiàn)o 為故障信號輸出端。PM50B4LB060 是三菱公司專門為光伏發(fā)電逆變器設(shè)計的單相逆變 IPM 模塊，它的最大輸入電壓為 600V，輸出電流為 50A，最大絕緣電壓為 2500 V，適合制作交流輸出電壓為 220V 的逆變器。它的特點有：(1)采用新的第 5 代 IGBT 芯片，使它的性能有了顯著的提高，VCE(sat)降低到；(2)通過監(jiān)測芯片 Tj，實現(xiàn)了過熱保護，上下橋臂都有故障信號輸出功能；(3)采用新的封裝，與 S—DASH 系列相比，減少了 10%的體積，厚度減少了22%； (4)具有短路、過熱和欠壓監(jiān)測保護和指示功能。本課題中將使用 PM50B4LB060 作為逆變的主要部分。使用它省去了驅(qū)動電路和保護電路的設(shè)計，減少了系統(tǒng)復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。只需要七只光耦和少量外圍元件就可以設(shè)計出滿足要求的逆變電路。具體的設(shè)計將在下面的章節(jié)中闡述。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 31頁6 本課題中蓄電池以及光伏電池的選擇 蓄電池的選擇在上面的章節(jié)中對蓄電池的種類，充電方式有了一定的介紹。這里將對本課題的蓄電池的選擇進行闡述。要選擇蓄電池的容量，必須根據(jù)負載的情況來定。以下是用戶的一個負載使用的信息： 用電器 規(guī)格 數(shù)量 額定功率(W)數(shù)量用電時數(shù)(h)用電量(Wh)使用率節(jié)能燈 1 3 66W 3 8 475 節(jié)能燈 2 2 22W 4 8 1580 電視 29 寸 1 150W 1 8 1080 電腦 ” 液顯 1 100W 1 8 720 冰箱 150L 1 130W 1 24 624 洗衣機 1 300W 1 1 270 合計 3327 用戶用電為 下面是蓄電池的容量的計算： （61）0DFPCLuKa??其中： C：蓄電池容量[kWh] D：最長無日照用電時間[4h] F：蓄電池放電效率的修正系數(shù)（通常取 ） Po：平均負荷容量 [kW] L：蓄電池的維修保養(yǎng)率（通常取 ) U：蓄電池的放電深度（通常取 ) Ka：包括逆變器等交流回路的損失率（通常取 ，如逆變器效率高 可取 ）由上面的數(shù)據(jù)可計算出 C=≈44 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 32頁由于蓄電池的充電電壓為本身電壓的 倍，所以可以去選擇相應(yīng)的光伏電池，在下面將會給于闡述，這里考慮到蓄電池的數(shù)量的問題，這里選用的電壓是24V。由此可計算出需要 24V 蓄電池的一個總?cè)萘繛椋?4/24=≈2022Ah.在設(shè)計中選用的蓄電池為：金源環(huán)宇公司生產(chǎn)的 12V 200Ah 的鉛酸蓄電池(AGM)。其參數(shù)為：充電電壓：循環(huán)使用時 —，浮充使用時 —最大電流：循環(huán)使用時 40A，浮充使用時 40V充電時間：循環(huán)使用時：12H，浮充使用時：48h這里為了構(gòu)成 24V 2022AH，選擇 10 個，其中 2 個串聯(lián)形成 24V，然后再將5 串并聯(lián)。 光伏電池的選擇因為課題為 1KW 單相離網(wǎng) 220V 逆變器設(shè)計，從題目中得出，要構(gòu)成 1KW的功率輸出，所以光伏電池組得有 1KW 的輸出。本課題中選擇的光伏電池為：深圳茂迪公司生產(chǎn)單晶硅光伏電池，功率：250W工作電壓：36V，工作電流：開路電壓：，短路電流：轉(zhuǎn)化效率：17%這里用 4 塊光伏電池串聯(lián)來構(gòu)成≈1KW 的輸出。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 33頁7 1KW 單相離網(wǎng) 220V 逆變器的硬件系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)的構(gòu)成和主要參數(shù) 系統(tǒng)的構(gòu)成由上面的章節(jié)所述，本課題所設(shè)計的整個結(jié)構(gòu)框圖如圖 71。光伏組件直流變換蓄電池逆變器直流負載M P P T充電控制逆變器控制交流負載DSP圖 71 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖1 伏電池陣列：用于實現(xiàn)光一電轉(zhuǎn)換；2 DC—Dc 變換器：把光伏陣列輸出的電壓變換到逆變所需要的直流電壓；3 逆變器：把直流逆變成與負載相匹配的工頻交流電；4 控制器：完成 DCDC 控制、MPPT 控制、逆變并網(wǎng)控制，蓄電池充電控制。5 保護：逆變部分采用的是的 IPM 模塊，里面有自帶的保護，但還需對直流部分進行保護 主要參數(shù)系統(tǒng)的主要參數(shù)主要是光伏電池和蓄電池的參數(shù)。蓄電池：金源環(huán)宇公司生產(chǎn)的 12V 200Ah 的鉛酸蓄電池選擇 10 個，其中 2 個串聯(lián)形成 24V，然后再將 5 串并聯(lián)。太陽能電池：深圳茂迪公司生產(chǎn)單晶硅光伏電池，單個光伏模塊輸出功率：250W工作電壓：36V，工作電流：開路電壓：，短路電流：轉(zhuǎn)化效率：17% 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 34頁這里用 4 塊光伏電池串聯(lián)來構(gòu)成 1KW 的輸出。 主電路拓撲及電路主要參數(shù)設(shè)計 主電路拓撲主電路拓撲如圖 72 所示：這里用一個單相全橋逆變電路代替 IPM 模塊。該電路前級由 Q1 、LC、Dl 等器件組成的 BOOST 電路對光伏輸出電壓進行升壓后并完成 MPPT 控制并對蓄電池進行充電；后級為單相全橋逆變電路，作用是將前級的產(chǎn)生直流電壓逆變并經(jīng) LC5 濾波后得到工頻正弦交流電。LCC 4abQ 2Q 3Q 4Q 5Z負載C 5D 1C 1ISILR 1C 2D 2蓄電池C 3L 2Q 1D 3P V圖 72 主電路拓撲 功率開光管的選擇 由前面的章節(jié)所述，采用的 IPM 模塊中已包含 IGBT 開關(guān)管。這里主要對直流變換部分的開關(guān)管進行選擇。本課題中選用的開關(guān)管為 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）管。 IGBT 的選擇可以從器件的電壓等級和電流等級兩個方面加以考慮。要將電量逆變到交流 220V 且能有較好的電流波形，逆變器直流側(cè)的電壓應(yīng)高于220V=311 的峰值電壓。系統(tǒng)的前級經(jīng) BOOST 升壓后最大輸出電壓約為400V，即橋式逆變器的最大輸入電壓。因此，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，器件的耐壓一般為最高電壓的 2 到 3 倍，這里選擇耐壓為 1000V 的器件等級；而電流則要根據(jù)通過它們的最大峰值電流來確定。如上所示直流測的 IGBT 管的峰值電流 IP 為： 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 35頁 （71）???主功率開關(guān)管 Q1 和二極管 Dl 具有相同的額定電壓，這里跟 BOOST 升壓的最大電壓為 400V，所有耐壓大于 400V 的 2 到 3 倍，可取≥1000V 的。IGBT 的額定電流應(yīng)大于電感電流峰值的最大值。由于光伏陣列的特殊性二極管的電流的最大值應(yīng)不會超過光伏陣列的短路電流即 。這里選擇 IGBT 其額定的電流可以選擇大一些。 由上所述，這里選用的 IGBT 和二極管的型號參數(shù)分別為： IGBT：型號：東芝公司的 GT40T301 參數(shù)：耐壓 1500V，電流容量 25℃時 80A，100℃40A，內(nèi)含阻尼二極管。開關(guān)頻率：100KHZ二極管： 型號：哈里斯公司的 MUR10100參數(shù)：10A，1000V 功率開光管的緩沖電路的設(shè)計 如圖中 72 中所示，DRC2 組成了常用的 R—C—D 箝位式緩沖電路。該電路可以有效地吸收開關(guān)管關(guān)斷時線路中的雜散電感上產(chǎn)生的感應(yīng)峰值電壓，使開關(guān)管源—漏電壓尖刺箝位在電源電壓左右，從而保證開關(guān)管不會過壓擊穿。 其基本箝位原理為： 在穩(wěn)態(tài)時，無論開關(guān)管處于導(dǎo)通還是截止狀態(tài)，電容 C2 兩端電壓均為電源電壓。當器件兩端電壓高于電源電壓時，線路雜散電感中的能量通過二極管 D2 轉(zhuǎn)儲到吸收電容 C2 上，此時器件兩端的電壓被箝位在電容電壓，利用電容兩端電壓的不突變性就可以有效地抑制器件上的尖峰電壓；同時電容 C2 通過 Rl 向電源放電，于是轉(zhuǎn)移到電容上的能量部分回送到電源，另一部分消耗在電阻 Rl 上。由于線路的雜散電感一般不大，且部分回饋到電源，因此即使在高頻情況下，Rl 上消耗的功率也是不大的。 因而 RCD 箝位式緩沖電路成為 IGBT 器件最實用的緩沖電路之一。實驗電路中 R1 取值 10Ω，R1 越小，開關(guān)管的峰值電壓越接近母線電壓；D2 與開關(guān)管的峰值電壓相同，但電流不需很大，選擇 FR307(3A/1000V)；箝位電容的值越大箝位的效果越好，但實際應(yīng)用中無須很大，這里選 103/1000V(10PF/1000V)。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 36頁 電路主要參數(shù)設(shè)計 要使 BOOST 工作在電流連續(xù)狀態(tài)，儲能電感 Lc 的臨界值 [18]為： （72）max2in(mini1)2oVTsLcDI?? 由前面的敘述可以知道，V 0max=400V，I 0max 取 ，電池最大輸入為電池的開路電壓。開關(guān)頻率 fs 取 5KHZ。 可得： （73）?????? 把上述數(shù)據(jù)代入式 72 中，則可得儲能電感的值： 4 () mH???? 逆變器輸出濾波電路設(shè)計：在輸入電壓和輸出電壓確定的情況下，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。設(shè)電感電流紋波最大值△I max。是滿功率輸出額定電流的 20％，即： （74）m1020%????兩橋臂中點間的電壓是單極性 SPWM 脈沖，其脈沖寬度 d 是輸出電壓瞬時值 v0 和輸