【導(dǎo)讀】可再生能源受到了各國的廣泛重視。近年來，太陽能以其清潔、分布普遍和。資源量大的優(yōu)點(diǎn)，成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。光伏并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電的重要裝。置，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法的設(shè)計成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)。本論文在此背景下，對并網(wǎng)。信號處理器芯片的800W微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器。其次，分析了太陽能電池的模型及輸出特性，比較了一些常用的最大功率點(diǎn)跟蹤。的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的微型逆變器提出了最大功率點(diǎn)跟蹤控制的實(shí)現(xiàn)過程。性擾動正反饋頻率漂移孤島檢測方法。了本文所設(shè)計的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的可行性。

　　

【正文】 上的電壓在一個周期內(nèi)對時間的積分為零（伏秒平衡），即 ( ) ( 1 ) 0P V S P V d c sU D T U U D T? ? ? ? ? ? ? () 其中： PVU 是太陽能的輸出電壓， dcU 是直流母線的電壓，也即 Boost 電路的輸出電壓， ST 是開關(guān)管的開關(guān)周期， D 是 Boost 電路開關(guān)管的占空比 ， SDT 是開關(guān)管的導(dǎo)通時間， (1 ) SDT? 是開關(guān)管的截止時間。 由式（ ）整理得： 11dcPVUUD? ? () 本系統(tǒng)中，太陽能電池板的輸入電壓范圍是 100V~170V，直流母 線電壓 400dcUV? ，由 ()可得 m a xm i n 4 0 0 1 7 0 0 . 5 7 5400d c P VdcUUD U? ?? ? ? m i nm a x 4 0 0 1 0 0 0 . 7 5400d c P VdcUUD U? ?? ? ? 所以本系統(tǒng)中 Boost 電路占空比 D 是 ~。 系統(tǒng)按照輸入電流在滿足最小輸出功率為 20% OP 情況下連續(xù)的要求來設(shè)計電感值，電感值的大小由下式計算： 22m a x m a x( 1 ) ( 1 )2 4 0 %P V s d c S d c SL L OU D T D D U T D D U TL I I P??? ? ?? （ ） . . 開關(guān)管工作頻率的選擇：工作頻率過高，則輸出波形諧 波含量少，有利于濾波，但工作頻率過高則開關(guān)管的損耗和發(fā)熱會增加。本系統(tǒng)選取開關(guān)管的工作頻率為sf =10KHz， 由電感值表達(dá)式函數(shù)關(guān)系，當(dāng) D= 時，有： 2 2 4m a x ( 1 ) 400 10 % 800L mH?? ? ???? max mH? 因此取 6L mH? 。 （ 2） 開關(guān)管的設(shè)計 MOSFET 雖然有開關(guān)速度快和導(dǎo)通電壓低的優(yōu)點(diǎn)，但是不太適用于功率較大的場合。因此，選取 IGBT 作為 Boost 電路 的開關(guān)管，它具有輸入阻抗高、高速開關(guān)、低導(dǎo)通電壓、耐高壓和大電流的優(yōu)點(diǎn)，符合本論文的硬件參數(shù)設(shè)計要求。 在 IGBT 的選擇中，需要注意其最大集射級間電壓 CESU 、最大集電極電流和最大集電極功率 CMP 3 個參數(shù)。如果在開關(guān)過程中， IGBT 集電極和發(fā)射極之間的電壓超過允許的耐壓值 CESU ，將會損壞開關(guān)管；在 IGBT 工作過程中，集電極峰值電流必須處在開關(guān)安全工作區(qū)以內(nèi)，否則可能 會超過最大允許功率造成開關(guān)管損壞。此外，由于 IGBT 工作再高頻的開關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生的大量開關(guān)損耗將會使器件發(fā)熱嚴(yán)重，因此還必須綜合考慮開關(guān)管的散熱。在電路中 IGBT 管承受的最大電壓為 400V，電流為 2A，選取一定的電壓、電流、 裕量 ， 因此選取用富士的 IGBT，型號為 1MBH60100，主要參數(shù)為：耐壓： 1000 V，額定電流： 60A。 （ 3） 二極管的設(shè)計 升壓斬波電路中的二極管應(yīng)具有較低的通態(tài)壓降和快反恢復(fù)特性，在電路中承受最大的 350V電壓和最大的電流 ，采用 DSEI6010A，主要參數(shù)為：耐壓： 1000V，額 定電流： 60A。 （ 4） 輸入電容的設(shè)計 假設(shè)電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)的電流只含有基波分量并且同相，則注入到電網(wǎng)的瞬時功率為： 2( ) 2 sin ( )OOP t P w t? ? ?，其中 OP 是注入電網(wǎng)的平均功率， w 是電網(wǎng)角頻率， t 是時間。 因此，中間直流側(cè)電壓有 100Hz 的低頻脈動，而且光伏陣列的輸出電流是在直流之上疊加了一個高頻分量，同時為了防止一些額外的因素引起 的波動會對逆變器造成影響。因此有必要設(shè)置輸入電容，光伏陣列與逆變器之間的導(dǎo)線上的分布電感和輸入電容組成了一個低通濾波，使各部分產(chǎn)生的干擾盡量不影響其余部分。輸入電容的. . 存在使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對太陽能電池的輸出電壓和輸出電流的采樣也會更加精確。 輸入電容采用 2 個 1mF/200V的電容并聯(lián)組成。 逆變電路主要參數(shù)設(shè)計 （ 1） 濾波電感的設(shè)計 在全橋逆變器中，輸出濾波電感是一個關(guān)鍵性的元件，并網(wǎng)系統(tǒng)要求在逆變器的輸出側(cè)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為 1，波形為正弦波，輸出電流與網(wǎng)壓電壓同頻同相。因而，電感值的選 取直接影響電路的工 作性能。對于電感值的選取，可以從以下兩個方面 考慮： ① 電 流的紋波系數(shù) 輸出濾波電感的值直接影響著輸出紋波電流的大小。由電感的基本伏安關(guān)系 diVLdt? 可得： 0 0()ONT LUti dtL??? （ ） 另外，根據(jù)電感的伏 秒平衡原理，我們可以得到， m a x m a x( ) (1 )g d c gU D T U U D T? ? ? （ ） 于是求得： maxdc gdcUUD U?? （ ） 從（ ）、（ ）可得： m a x m a x0 ()g dc gdcU U U TL iU?? ? （ ） 在本系統(tǒng)中， m a x 2 2 2 0 3 1 1gUV? ? ?， 0 ， 400dcUV? ，開關(guān)管的工作頻率取 10f KHz? ，取電流的紋波系數(shù)為 ，則由式（ ）計算可得： 60 3 1 1 ( 4 0 0 3 1 1 ) 1 0 0 1 0 8 . 9 6 20 . 1 5 3 . 6 4 2 4 0 0L m H?? ? ? ???? ? ? 因此，要保證實(shí)際電流紋波 00. 15 0. 54 6i I A? ? ? ，則濾波電感應(yīng)滿 0 mH? 。 ②逆變器的矢量三角形關(guān)系 從逆變器的矢量三角形關(guān)系可知 ： 00OgU jwL I U?? （ ） 于是，他們的基波幅值滿足下式： 2 2 200()OgU wL I U?? （ ） . . 由正弦脈寬調(diào)制理論可知： O dcUU?? （ ） 其中，α為調(diào)制比，且α≤ 1，從而： 2 2 200()g dcU wL I U?? （ ） 得到下式： 220 0dc gUULwI?? （ ) 帶入計算得： 220 4 0 0 2 2 0 2 9 2 .12 5 0 3 .6 4L m H? ????? 綜上，濾波電感的取值范圍為 08. 96 2 29 2. 1m H L m H??。在實(shí)際設(shè)計過程中，由于電感的體積、成本等因素的影響，一般只需考慮電感的下限值，即取稍大于下限值即可。另外需要特別指出的是，以上的計算是建立在額定 輸出電壓，即 V=220V的基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)際情況下網(wǎng) 壓的波動范圍，在設(shè)計電感時最終選取電感值 10OL mH? 。 （ 2） 開關(guān)管的選取 在中小容量低壓系統(tǒng)中，使用較多的開關(guān)器件為 MOSFET，因?yàn)?MOSFET 具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，而且具有正溫度系數(shù)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是在逆變器設(shè)計中， MOSFET 具有以下 2 個缺點(diǎn)： 1）由于輸出濾波電感的作用，使電流的續(xù)流時間增長，比較容易燒壞 MOSFET。 2）在高壓大容量系統(tǒng)中， MOSFET 隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增 大，導(dǎo)致電路的整體效率降低。 因此，在高壓中等容量逆變器系統(tǒng)中， IGBT 具有開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電壓低、耐高壓和大電流的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。因此針對本設(shè)計電路的特點(diǎn)，在此選用作IGBT 為開關(guān)元件。 在本文設(shè)計的系統(tǒng)中， IGBT 的集射級兩端承受的電壓為 400V，考慮到器件開關(guān)過程中電壓尖峰的影響，即使有加緩沖電路，還是選取了一定的裕量，因而耐壓為600V。選取用三菱的智能功率模塊（ IPM），型號為 6MBP20RH060，其耐壓為 600V，耐流為 20A，由六個開關(guān)管組成，里面集成驅(qū)動、保護(hù)、控制、邏輯等多種功能 。 （ 3） 支撐電容的設(shè)計 與三相逆變器不同， Boost 變換器與后級單相并網(wǎng)逆變器之間需要一個能量解耦環(huán)節(jié)，即中間直流母線電容。當(dāng)光照恒定時，光伏陣列的輸出功率可以近似認(rèn)為是直. . 流，為了能夠?qū)⒐夥嚵挟a(chǎn)生的直流功率轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)發(fā)電需要的交流波動功率，兩級變換之間需要一個能量解耦環(huán)節(jié)?？梢栽?Boost變換器后級增加一個較大的儲能裝置，一般用容值較大的儲能電解電容實(shí)現(xiàn)其能量的解耦。中間支撐電容既給 Boost 輸出進(jìn)行濾波，同時又起到了儲能的作用，它連接著前后兩級，通過其支撐作用，使前后兩級在某種程度上可以獨(dú)立開來，減小 相互之間的影響。當(dāng)前后兩級功率匹配時，即前級輸入功率等于后級輸出功率，系統(tǒng)達(dá)到平衡。 假設(shè)中間直流母線的 100Hz 電壓紋波為 ripU ，單相逆變器的平均輸入功率為 i dc dcP U I? ，輸入交流功率為 39。 cos(2 )i dc dcP U I wt? ，則可近似計算直流母線電容值為： 2 idc dc ripPC wU U? () 在本系統(tǒng)中， 800iPW? ， 2 50 /w rad s??? ， 400dcUV? ， 1% 400ripUV?? ，則由（ ）計算得： 800 7962 2 5 0 4 0 0 1 % 4 0 0dcC u F???? ? ? ? ? 由式（ ）可以看出，增加中間直流母線電容，可以減小母線電壓和電流的紋波。如果母線電容取的過小，母線直流電流的脈動很大一部分能量將由母線電容提供，導(dǎo)致母線電壓紋波也進(jìn)一步增大。但是母線支撐電容的增加大大提高了系統(tǒng)的體積和成本，當(dāng)電 容增大至一定值時，其效果將非常有限。本系統(tǒng)采用了 1 /450mF V 的電解容作為中間母線電容。 驅(qū)動 電路設(shè)計 在 IGBT 的驅(qū)動電路設(shè)計中，門極開通電壓 GEV? 越高，開通時間和損耗越小，但開通時越容易產(chǎn)生浪涌電壓；門極關(guān)斷電壓 GEV? 越大，關(guān)斷時間和損耗越小，所以應(yīng)綜合考慮選取開關(guān)管的驅(qū)動芯片。門極開通電壓 GEV? 的推薦值為 +15V，關(guān)斷電壓GEV? 為 5V~20V，于是本設(shè)計選取富士公司的 EXB841 驅(qū)動芯片。 EXB841 芯片驅(qū)工作頻率可達(dá) 40kHz，可驅(qū)動 300A/1200V的 IGBT。該芯片采用20V 電源供電，開通時可以提供 +15V 的偏壓，關(guān)斷 IGBT 時能通過內(nèi)部穩(wěn)壓管提供－ 5V 偏壓。此外，芯片內(nèi)部還集成了過流保護(hù)電路，當(dāng) IGBT 出現(xiàn)短路故障，可以進(jìn)行緩關(guān)斷，防止在瞬間切斷過電流，導(dǎo)致產(chǎn)生的過高的集電極尖峰電壓損壞 IGBT。 富 EXB841 的典型應(yīng)用電路如圖 所示。 . . 123456141510 mA驅(qū) 動 信 號過 流 保 護(hù) 輸 出T L P 5 2 14 .7 1 / 2kW?47 uF47 uFIG B TRG絞 線 20 V0V?隔 離 電 源3 4 1 0ERA ?841EXB控 制 電 路 印 刷 電 路 板 圖 EXB841 典型的應(yīng)用電路 控制電路設(shè)計 在光伏并網(wǎng)逆變器的控制電路中，控制算法的實(shí)現(xiàn)控制部分的核心，由于最大功率跟蹤控制策略和逆變算法的計算量比較大，要實(shí)現(xiàn)比較好的性能，必須工作再比較高的開關(guān)頻率下，以便在此基礎(chǔ)上完成計算和控制任務(wù)，于是本文選取美國 TI 公司推出的 TMS320F240 高性能 16 位數(shù)字信號處理器來完成控制算法的實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)如下： （ 1） 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，供電電壓降為 ，減小了控制器的功耗 。指令周期縮短到 33ns，從而提高了實(shí)時控制能力； （ 2） 片內(nèi)有高達(dá) 32K 字節(jié)的 FLASH 程序存儲器、 字節(jié)的數(shù)據(jù) /程序 RAM、544 字雙口 RAM 和 2K 字節(jié)的單口 RAM； （ 3） 可擴(kuò)展的外部存儲器總共 192K 字節(jié)空間： 64K 字節(jié)程序存儲器、 64K 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器、 64K 字節(jié) I/O 尋址空間； （ 4） 兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB。每個事件管理器包括 ： 兩個 16 位通用定時器、比較單元、捕獲單元、正交編碼電路以及 8 個 16 位的脈寬調(diào)制通道；它們能夠?qū)崿F(xiàn) ： 三相反相器控制 ； PWM 的對稱和非對稱波形 ； 當(dāng)外部引腳 PDP 工 NTx出現(xiàn)低電 平時快速關(guān)閉 PWM 通道 ； 可編程的 PWM 死區(qū)控制以防上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖，其中死區(qū)控制單元 (DBTCONA)用來產(chǎn)生可編程的軟件死區(qū)，使得受每個全比較單元的兩路 CMP/PWM 輸出控制的功率器件的關(guān)斷開啟周期間沒有重疊，最大可編程的軟件死區(qū)時間達(dá) 16s? ； 3 個捕獲單元 。片內(nèi)光電編碼器接口電路 ； 16 通道A/D 轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電. . 機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器。 （ 5） 具有 5 個外部中斷（兩個電機(jī)驅(qū)動保護(hù)、復(fù)位和兩個可 屏蔽中斷）和串行通信接口 SCI 模塊。 （ 6） 擁有 40 可單獨(dú)編程或復(fù)用的雙向 I/O 引腳。 （ 7） 看門狗定時模塊、控制器居于網(wǎng)絡(luò) 模塊和鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器。 （ 8） 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 （ 9） 電源管理模式包括 3 種低功耗模式，可以獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。 本系統(tǒng)是在 TMS320F2