【導讀】風能和太陽能在時間上、地域上和經(jīng)濟上都有一定的互補性,因而可以向電網(wǎng)提供更加穩(wěn)定的電能。本論文從建筑的太陽能電池方。實踐證明風光互補獨立供電系統(tǒng)在資源配置、技術(shù)方案和性能。能源需要、解決高層建筑供電節(jié)能問題的優(yōu)先選擇。電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性非常重要。準確合理的系統(tǒng)配置，可以達到以。最小投資成本提供可靠供電的目的。本文設(shè)計了一套完整的風光互補供

　　

【正文】 容的等效阻抗會影響開關(guān)電流的能量吸收，所以在 Cl兩端并聯(lián)高頻無極性電容 C2。 QI～ Q4構(gòu)成單相逆變橋， T為工頻變壓器， Ll、 C3為 LC濾波電路。 工頻變壓器主要參數(shù)設(shè)計 工頻變壓器是整個逆變器中比較重要 的一個環(huán)節(jié)，它不但起到變壓的作用，還起到一定的隔離作用。它對逆變器的效率和工作可靠性以及輸出電氣性能起著非常重要的作用。 (1)變壓器的變比 變壓器原邊電壓 U1正常為蓄電池輸出電壓 24V，最低為蓄電池端電壓最低值 20． 8V。變壓器輸出電壓為 220VAC，考慮到變壓器副邊繞組電壓降、預(yù)留容量等因素，副邊電壓 U2設(shè)為 260V。則變壓器變比 n為： N=N2 /N1 =U2 /U1 =260/= (2)鐵心選型 逆變電源的設(shè)計輸出功率是 1KW，過載能力 20％，則逆變器最大輸出功率為 1200W。設(shè)計變壓器的效率是 90％，則變壓器原邊功率為： P1 =P0 /η t =1200／ 0． 9≈ 1333． 3W 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 26 變壓器是變換 SPWM電壓波形，其基波 (50HZ)的成分相當大，所以選擇 400HZ的硅鋼 C型鐵心。由公式求出鐵心面積乘 積： Ac Ae =Mcett BKKfjK P ?????? ?? ? )1(0 (41) 其中： Ac 為鐵心的窗口面積 (mm2 )： Ae 為鐵心截面面積 (mm2 )： Po變壓器輸出功率 (W)： η t 變壓 器效率； K為波形系數(shù)，正弦波取 4． 44，方波為 4； J為導線平均電流密度 (A／ mm2 )； f為輸出交流頻率 (HZ)； Ke 為鐵心截面有效系數(shù)，硅鋼片為 0． 9，鐵氧體為 O． 95，非晶或微晶合金為 0． 550． 7之間； Kc 為窗口利用系數(shù)； Bm 為最大磁通密度 (T)。 查閱相關(guān)資料可以得到各個參數(shù)的值，計算求取鐵心面積乘積，進一步選定 鐵心型 號，由此而查出截面面積 Ae ，根據(jù)下式求出鐵心有效橫截面積： Se =Ae eK? (42) (3)繞組匝數(shù) 由公式： N1 =MBSfKV ??? (43) N2 =n 1N? 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 27 算出變壓器的原邊、副邊繞組匝數(shù) N1 和 2N 。 (4)導線截面 導線截面積 S可根據(jù)下式求?。? S=I／ j 其中： I為流經(jīng)導線電流， j為電流密度。由 上式 求出導線橫截面積之后，來選取標準的漆包線。 輸出濾波器參數(shù)設(shè)計 逆變器輸出的脈沖群的基波主要是 50HZ的正弦波，另外還含有兩倍開關(guān)頻率的 高頻分量，所以，獲得高精度的正弦波信號在輸出端應(yīng)加入低通濾波器濾掉高頻分量，本文選擇使用低通濾波器，其截止頻率與 L和 C之間的關(guān)系如下： LCfc π2 1? (44) 系統(tǒng)的輸出頻率為 50Hz，開關(guān)頻率為 20KHz，截止頻率需滿足如下條件： 50HZ cf 20KHZ 此次設(shè)計選擇截止頻率為 1000Hz，由系統(tǒng)的額定輸出功率 1KW，額定輸出電壓 220V，得到系統(tǒng)的特性阻抗為： )~()~(020 ????PUCL? (45) 系數(shù)取 0． 65時， ? =31． 46，于是得到輸出濾波電感和電容值應(yīng)為： ???? ππ cfL ? C=?cfπ21≈ 1． OluF (4． 11) 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 28 結(jié)合試驗選取濾波效果較好的 L與 C值。 交流采樣電路設(shè)計 逆變器系統(tǒng)中采樣電路包括交流電壓和交流電流采樣電路。將采樣值送入 DSP的 A／ D轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過 DSP的內(nèi)部運算既可實現(xiàn)對過流及 過壓等進行保護，又可調(diào)整逆變器輸出波形。 交流電壓采樣電路如圖 42所示。通過精密交流電壓傳感器對交流電壓進行采樣，并且傳感器具有很好的電壓隔離作用。將交流部分與 DSP進行有效的隔離，避免了干擾。 A C L A C N去 A / D+ 5 VC 2R 5 + 1 2 V 1 2 V_+R 3R 4C 1R 1 R 2電 壓 傳 感 器 圖 42 交流電壓采樣電路 交流電流采樣電路包括逆變器電流檢測與過流保護電路。如圖 4— 3上半部分所示，負載電流通過高精度霍爾電流傳感器進行采樣，通過適當變換之后送入 DSP的 A／ D端口，進行相應(yīng)的運算。該部分為逆變器輸出電流檢測電路。下半部分為過流保護電路，過流保護電路的輸出連接到 DSP的 I/0口，當該口的電平值 變?yōu)楦邥r， DSP停止輸出 SPWM脈沖，系統(tǒng)停機，等待維護。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 29 35421去 A / D 1 2 V+ 1 2 VR 1R 2 R 4 R 3 C 1+ _+ 1 2 V L F 3 5 3 1 2 VR 5+ 5 V R 6 C 2 去 A / DR 7D 1 + 1 2 V R 1 0 1 2 V+ 1 2 VR 9R 8_ 1 2 VD 2R 1 1R 1 2+ 5 VR 1 3 1 2 V+ 1 2 V U 2 U 1+ 1 2 VR 1 4R 1 5C 3D 3 R 1 6 C N 8 圖 43 交流電流采樣電路 逆變器 PWM信號的產(chǎn)生機制 PWM控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。這一結(jié)論是 SPWM控制的重要理論基礎(chǔ)。如圖 44，將正弦波半波看成由 N個相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都為π /N，但幅值不等，且脈沖頂部為曲線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果將上述脈沖序列用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，并 使矩形脈沖的重點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積相等就有圖 44所示的脈沖序列。像這樣脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的波形，即為河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 30 SPWM(Sinusoidal Pulse WidthModulmion)波形。 圖 44 SPWM 控制的基本原理示意圖 SPWM逆變電路的工作原理是：由控制器 (本文為 TMS320LF2407)產(chǎn)生的單相 SPWM控制脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路后，控制主開關(guān)管 Ql~Q4的通斷，將直流電壓逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟?壓并經(jīng)過濾波電路后，變成滿足要求正弦交流電壓提供給負載。通過改變調(diào)制信號的周期和幅值，就可以改變主開關(guān)的輸出脈沖周期與占空比。 SPWM的控制方式及調(diào)制方式 SPWM有兩種控制方式，分別為單極式與雙極式，其波形如圖 45與 46所示。兩種控制方式調(diào)制方法相同，輸出基本電壓的大小和頻率也都是通過改變正弦參考信號的幅值和頻率而改變的，只是功率開關(guān)器件通斷的情況不一樣。采用單極式控制時在正弦波的半個周期內(nèi)每相只有一個u u ω t ω t (a) (b) 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 31 開關(guān)器件開通或關(guān)斷，雙極式控制時逆變器同一橋臂上下兩個開關(guān)器件交替通斷， 處于互補的工作 方式。兩者對開關(guān)管的控制規(guī)律不同。 圖 45單極性控制方式 圖 46雙極性控制方式 定義載波的頻率 cf 與調(diào)制波的頻率 rf 之比為 N，即 N=cf /rf 。根據(jù)載波比 N的變化與否可分為同步調(diào)制與異步調(diào)制。同步調(diào)制方式下，載波比為常數(shù)，逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖是固定不變的。而在異步調(diào)制中，在逆變器的整個調(diào)制過程中，載波比不為常數(shù)。兩者各有其優(yōu)缺點，在一定頻率范圍內(nèi)，為保持輸出波形對稱的優(yōu)點，采用同步調(diào)制；當頻率降低較多時，使載波比分段有級地增加，可采納異步調(diào)制方式。本 設(shè)計 選擇同步調(diào)制方式來保證輸出波形的對稱性。 SPWM的控制模式 SPWM的控制模式是指如何根據(jù)三角波與正弦波的交點來確定逆變器功率管的開通與關(guān)斷時刻。由 SPWM逆變器的工作 原理可知，三角波變化一個周期之間，它與正弦波相交兩次，相應(yīng)的逆變器功率器件導通與u ud ud ω t ω t u ud ud ω t ω t 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 32 關(guān)斷一次。要準確的生成 SPWM波形，就要盡量精確地計算功率器件的導通時刻和關(guān)斷時刻。根據(jù)采樣時刻的選擇方式不同，可以分為自然采樣法、規(guī)則采樣法和等面積采樣法等。 (1)自然采樣法 風光互補發(fā)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究按照正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度與間隙時間的采樣，進而生成 SPWM波形，該種方法叫做自然采樣法。自然采樣法能夠準確地生成正弦脈寬調(diào)制波形，但是在求解脈沖寬度時，需要求解超越方程，費時較長，實時性較差，工程應(yīng)用上一般很少采 用該種方法。 (2)規(guī)則采樣法 為簡化計算量，將脈沖中點與三角波中點重合，即使每個脈沖關(guān)于三角波峰值點左右對稱，這樣會使計算工作量大為減小。規(guī)則采樣可以對三角波正峰值和負峰值時刻采樣，對正峰值采樣，脈沖寬度明顯偏小控制誤差大，因而人們普遍采用負峰值采樣。如圖 4． 7，在三角波峰值 dt 時刻對正弦調(diào)制波采樣得到 D點，過 D點作水平直線與三角波別交于 A點和 B點，在 A點時刻 At 和 B點時刻 Bt 間 輸 出高電平，其他時刻輸出低電平，根據(jù)三角關(guān)系，可以得出： DsCDsCCs TwTMTwTUU s i ns i n ??????? （ 46） 其中， ? 為脈沖寬度： TC 為三角波周期； DT 為采樣點時刻； M=CSUU為調(diào)制度， M在 0～ 1之間變化，并且總小于 l。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 33 圖 47規(guī)則采樣法解析圖 逆變器控制信號中，調(diào)制波與載波頻率一定 ，本課題中調(diào)制波為正弦波，頻率 50HZ，載波為三角波，其頻率與功率開關(guān)管頻率相同為 20KHZ。定義載波的頻率 cf 與調(diào)制波頻率 rf 之比為載波比 N，即 N=cf /rf 。由圖 47可以看出，負峰值時刻即采樣點時刻 DT 只與載波比 N有關(guān)，并且 TD為 n倍三角波周期 (n=l， 2，．．．， N)，如果一個周期中有 N個矩形 波，則第 n個矩形波的占空比 D為： D=Msinws nTC t t A D B Tc u u 0 0 tA tD tB Us sinω st 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 34 5 風光互補獨立供電系統(tǒng)的優(yōu)化匹配設(shè)計 系統(tǒng)優(yōu)化匹配設(shè)計原則 本章提出了一種風光互補獨立供電系統(tǒng)優(yōu)化匹配設(shè)計的方法 自動尋優(yōu)法，具體優(yōu)化設(shè)計原則是：在滿足用戶用電可靠性的前提下，第一步，先不考慮太陽能光伏發(fā)電，即只有風力發(fā)電機給用戶供電 (風力發(fā)電機供電份額為 100％ )，計算出此時所需要的風力發(fā)電機的功率和系統(tǒng)初投資；第二步，降低風力發(fā)電機的供 電份額 (每次降低 1％ )，同時相應(yīng)地增加太陽電池方陣的供電份額 (每次增加 1％ )，經(jīng)過計算得出此時的系統(tǒng)部件匹配設(shè)計結(jié)果和系統(tǒng)初投資，將此次的系統(tǒng)初投資與上次進行比較，取小舍大；重復上述第二步 .....，直到由程序篩選出最小系統(tǒng)初投資的部件優(yōu)化匹配設(shè)計組合。這一組合就是既滿足用戶用電可靠性，又使系統(tǒng)初投資最小的系統(tǒng)優(yōu)化匹配設(shè)計組合。 系統(tǒng)的可靠性 負載缺電率 對于可靠性指標，國外大多采用負載缺電率 (LOLP)來衡量 。負載缺電率定義為系統(tǒng)停電時間與供電時間的比值。 LOLP值在 O到 1之間，數(shù)值越小，可靠性越高， LOLP=O表示任何時候都能滿足負載用電需要，而LOLP=I表示任何時候都不能滿足負載用電需要。目前，運用負載缺電率來設(shè)計光伏系統(tǒng)，國外已經(jīng)有不少介紹，但往往計算相當復雜，或者僅用圖像模擬，使用起來不方便。國內(nèi)關(guān)于用負載缺電率來設(shè)計獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和風光互補發(fā)電系統(tǒng)的方法也有過介紹，但此文中也是僅用圖河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 35 像模擬，使用不方便。 系統(tǒng)的可靠性要求應(yīng)根據(jù)負載的供電等級及其它因素來確定合理的指標， LOLP值不是越小越好，更不是任何風光互補獨立供電系統(tǒng)都要求LOLP=0。實際上，即使是公共電網(wǎng)對大城市供 電也只能達到 LOLP=10之數(shù)量級，要求價格相對昂貴的風光發(fā)電系統(tǒng)達到百分之百的可靠性，顯然是不合理的。事實上