单相双级式光伏并网逆变器设计

摘要摘要化石能源在随着人类的不断使用而越来越少，而因为化石能源的利用，我们所赖以生存的环境也遭到了严重的破坏，所以人类对能源的需求提出了更多的要求。太阳能等新兴能源因此得到了迅速发展，而如何更好地利用太阳能等新能源的问题也受到了人们的关注。本文主要是设计应用于太阳能光伏发电系统的逆变器系统。本文是在分析了当前国内外光伏发电系统的发展现状的基础上，以单相光伏并网发电系统作为研究对象，对单相光伏并网发电系统进行研究，主要讨论了光伏并网系统、太阳能电池特性、太阳能电池的最大功率点跟踪以及孤岛效应等问题。根据以上的分析与研究，我们给出了系统主电路与控制电路的设计，并给出了以数字处理芯片TMS320LF2407为主控制单元以及保护电路、逆变器电磁兼容的设计。关键词：光伏并网发电，逆变器，最大功率跟踪，孤岛效应- 6 -AbstractAbstractFossil fuels as human use become less and less, and because the use of fossil energy, the environment has been severely damaged. The demands to energy are increasing day by day. This condition gives great opportunity to the development of new energy, such as solar energy. How to make better use of solar and other new energy has also been a concern. This article is designed inverter systems for solar photovoltaic power generation system. In this paper on analyzing of the current domestic and foreign development status of photovoltaic power system，technical issues are analyzed and studied based on Single-phase grid-connected PV systems. We mainly discussed the photovoltaic grid system, solar cell characteristics, MPPT and Island protection. By deep analysis and research, we give the system main circuit and control circuit design. This paper also includes the control circuits whose core cell is digital signal processor TMS320LF2407.The design of protection circuit and systems EMC are introduced in detail.KEYWORDS: gridconnected power generation, Inverter, MPPT, islanding protection目录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 光伏发电的意义11.2 光伏发电技术的发展2 1.2.1 国外太阳能光伏发电技术的发展2 1.2.2 国内太阳能光伏发电技术的发展21.3 光伏并网发电系统3 1.3.1 光伏并网发电系统的优缺点4 1.3.2 光伏并网逆变器的作用4 1.3.3 光伏发电系统对并网逆变器的要求41.4 课题研究的主要内容及设计指标5 1.4.1 主要研究内容5 1.4.2 设计指标6第二章 太阳能电池的模拟电路及最大功率点跟踪72.1 太阳能电池的特性72.2 太阳能电池特性的实现电路92.3 太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT）112.4 本章小结14第三章 光伏逆变系统的设计153.1 单相双级式光伏并网发电系统原理153.2 主电路的设计16 3.2.1 DC/DC电路设计17 3.2.2 DC/AC电路设计213.3 控制电路的设计23 3.3.1 DC/DC变换器控制23 3.3.2 DC/AC逆变器控制25 3.3.3 采样调理比较电路设计26 3.3.4同步锁相环的设计28 3.3.5 驱动电路与电源电路设计29 3.3.6 系统的电磁兼容设计323.4 保护电路343.5 本章小结34第四章 光伏并网发电系统的孤岛效应354.1 孤岛效应的概念及其危害354.2 孤岛效应的检测方法36 4.2.1 被动检测方法36 4.2.2 主动检测方法37 4.2.3 外部检测方法394.3 反孤岛效应方法394.4 本章小结41第五章 结论425.1 总结425.2 展望42参考文献43致谢45附录46 第一章 引言第一章 引言新的时期人们对能源的要求越来越高，而随着化石能源的逐渐减少，每个国家都将会面临能源枯竭的问题。人们在发掘新的矿物能源的同时，新型的可再生能源的利用也变得越来越重要，尤其是太阳能，作为一种新型可再生的清洁能源已经逐渐得到人们的重视。1.1 光伏发电的意义随着工业化的发展，人们对能源的要求越来越高，以煤炭、石油、天然气等化石原料为主的不可再生资源已经变得越来越少，随着其大量的消耗终将最终枯竭。而太阳能作为当前世界上最清洁、最现实、大规模开发最有前景的可再生资源也渐渐得到了人们的重视。太阳能的开发利用是最终解决常规能源，特别是化石能源带来的能量短缺、环境污染、温室效应等问题的有效途径，是人类理想的替代能源。太阳能的利用主要是热利用、化学利用和光伏利用，光伏利用的主要形式是光伏发电，有独立供电和并网两种工作方式。过去光伏发电主要采用独立供电方式，而随着电力电子技术及DSP的发展，光伏发电产业已经转向并网方式。光伏发电是利用半导体材料的光生伏特效应原理直接将太阳能辐射能转化为电能的技术。因此，设计合理的逆变器是实现光能利用的有效途径。新型的可再生能源有很多种，例如光能，风能，生物质能等，但是光能能够得到大力的发展是因为其与其他能源相比有无可比拟的优越性：（1）太阳能是取之不尽、用之不竭的。据估算，一年之内投射到地球上的太阳能其能量是相当于燃烧1370000亿吨标准煤所产生的热量，大约为目前全球一年内利用各种能源所产生能量的两万倍。（2）太阳能在其转换的过程中不会产生危及环境的污染，所以是非常清洁的能源。（3）因为全球各地都受到太阳照射，太阳能资源遍及全球，所以太阳能可以分散地、区域性地开采。我国约有23的地区可以较好利用太阳能资源。（4）光伏发电是静态运行的，其没有运动部件，所以其寿命长，无需或极少需要维护。（5）光伏发电系统模块化，可以安装在靠近电力消耗的地方，并且在远离电网的地区，可以降低输电和配电成本，增加供电设施的可靠性。由于太阳能电池的主要原料是储量非常大的硅，所以其制作成本正在迅速降低，这就使太阳能电池的大量应用变为可能。1.2 光伏发电技术的发展越来越严重的能源问题促使各个国家大力开发可再生资源。太阳能的光伏发电技术在这种形式下也进入了快速发展的阶段。并且，随着大规模的集成电路以及数字信号处理器技术的发展，先进控制方法的提出也使得光伏并网逆变器的控制慢慢转向数字化和智能化。1.2.1 国外太阳能光伏发电技术的发展国外光伏发电技术早在八十世纪初就已经开始，当时都是由政府投资建立的较大型的光伏并网电站，当时由于太阳能电池的成本较高，虽然在环境方面有重大的意义，但是在经济利益上不能被电力公司所接受。直到九十年代国外发达国家重新开始重视光伏发电，不过其研究重点也有所转移。在技术发面，专用逆变器和相关系统也已经成熟，在欧洲光伏专用逆变器就有西门子、SMA等，占据了大量的市场份额2。总之，从能源利用的国际发展发面来看，光伏发电必将最终取代常规能源而进入电力行业。1.2.2 国内太阳能光伏发电技术的发展国内在光伏并网发电技术方面的研究起步较晚，我国正处于经济迅速发展时机，对能源的需求也日益增多，所以对太阳能能源的研究开发也已经刻不容缓。近几年我国虽然光伏发电技术有了长足进步，但是其核心技术和设备还是主要依靠进口，一次造成光伏发电的成本高，制约了我国光伏发电技术的发展。目前我国的光伏发电系统主要是直流发电系统，即将太阳电池发出的电能供给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载来供电，如我国的西北地区所使用较多的太阳能照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统的结构比较简单，成本低廉，但是由于其负载直流电压的不同，很难实现系统的标准化，特别是民用电力系统，由于大多民用系统的负载为交流负载，所以以直流电力供电的光伏电源很难进入真正的电力市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，交流光伏发电系统也必将成为光伏发电的主流。可再生能源也将由边远无电地区的独立供电模式向有电地区的常规并网发电方向快速发展，这将会大大提高可再生能源的利用率，为改善社会的环境和经济持续发展提供了有力保障。1.3 光伏并网发电系统目前的光伏并网发电系统主要是由光伏阵列、控制器、并网逆变器以及集成的继电保护电路所组成，光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将所接收到的太阳光能直接的转化成电能，目前应用最多的太阳能电池阵列是由一定量的晶体硅太阳能组件按照并网逆变器输入电压的规定要求进行串并联后固定在太阳光下组成。其中逆变器的主要任务就是将光伏电池发出的电能转化为可以供给电网使用的交流电，而控制器的作用是控制光伏电池的最大功率点的跟踪，控制逆变器并网电流的波形和功率。继电保护电路是用来保证光伏发电系统和电网的安全性的。其中，光伏并网发电系统框图如下图1-1所示。图1-1 光伏并网发电系统框图1.3.1 光伏并网发电系统的优缺点与独立运行的光伏发电站相比，并网的光伏发电系统有许多优点：（1）光伏电池可以始终工作在最大功率点处，有大电网来接纳太阳能电池所发出的全部电能，提高了光伏发电的效率。（2）因为是并入大电网当中，所以供电的稳定性和供电的质量得到很好地保证。（3）因为是直接将电能输入，省略了中间储能环节的蓄电池，所以可以充分利用光伏阵列所发的电力。（4）光伏发电系统可以对公用的电网起到一定的调节作用。但是目前的光伏发电系统还存在着一些缺点需要改进：（1）光伏发电当中的光伏阵列发电效率比较低。（2）光伏发电系统的造价成本比较高。（3）光伏发电系统在运行的时候容易受到气候、环境等因素的影响，自我调节能力还不够强大。（4）因为传统的发电系统是集中发电的，电网也是按照集中发电所设计的，但是光伏发电系统作为一种分散式的发电系统会对电网产生一定的不良影响，例如谐波污染等。1.3.2 光伏并网逆变器的作用在光伏并网发电系统中，光伏并网逆变器的主要作用是实现将光伏电池发出的电能转化为可以供给电网使用的交流电，实现高质量的电能转换。光伏并网逆变器的另一个作用就是实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、直流过压保护、交流过电压保护以及输入接反保护和欠电压保护等，并且对“孤岛效应”也有一定预防，此外，逆变器还有一个作用就是实现最大功率点跟踪，从而能够使太阳能电池最大效率的把太阳能转化为电能。1.3.3 光伏发电系统对并网逆变器的要求首先，对于光伏并网逆变器要求其有比较高的效率。因为太阳能电池还处于发展阶段，生产成本比较高，必须最大限度的提高太阳能的利用率，同时也就需要逆变器具有较高的效率。其次，要求逆变器具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要是应用于边远地区，许多发电站都是长期无人值守和维护的，这就要求逆变器应具有合理的电路结构、严格的元器件筛选以及各种保护功能。最后，光伏发电系统运行时可能会对公共电网产生污染，所以要求逆变电源输出正弦波电流。并且由于大多数的光伏发电是用于家庭，所以也要求逆变器具有较好的电磁抗干扰性。1.4 课题研究的主要内容及设计指标 本设计主要是在学习光伏并网发电系统逆变器的工作原理的基础上，设计出一个符合要求的光伏并网逆变器系统。其中，第一章引言主要讲述光伏并网发电系统的一些基本原理。第二章太阳能电池的模拟电路及最大功率点跟踪主要是太阳能电池的模拟电路的实现以及太阳能电池的最大功率点跟踪的研究。第三章主要是对并网逆变系统的总体设计，对主电路、控制电路及其它各部分电路进行了详细设计。第四章研究的是光伏并网系统所特有一种现象，孤岛效应及其防范措施。最后一章主要是对全文做出总结与分析，并指出本设计需要进一步研究的方向。1.4.1 主要研究内容太阳能电池是一种非线性的电源，而且其输出电能会受到太阳光照强度和环境温度的影响，为了使太阳能电池能够最大功率地将太阳能转化为电能，对其需要对其进行MPPT即最大功率点跟踪。然而由于太阳光照强度、环境温度等条件的不可控，在太阳能电池系统中研究MPPT控制会有众多不便，而且直接使用太阳能电池进行试验存在时间长、费用高等缺点。但是如何用一种简单的方法模拟太阳能电池的输出特性，使其可以在实验室环境下也能够方便、快捷地进行实验研究，同时控制太阳能电池的工作点以实现最大功率点输出是本设计将要解决的一个问题。同时，为了实现逆变器输出电流与电网电压达到完全同相的目的，并且达到功率因数为1的目的，需要分析光伏并网逆变器的控制方式及其电压、电流双闭环控制的原理，详细地分析以DSP为核心的单相光伏并网逆变器的并网策略，设计并网逆变器的电压、电流双闭环控制系统。其中内环为并网电流控制，控制并网逆变器的输出电流与电网电压同频、同相，外环为直流电压控制，控制并网逆变器的直流输入端电压稳定。1.4.2 设计指标本课题的主要任务是设计单相双级式光伏并网逆变器，其中主要参数如下：使用US=60V的直流电源和R1=3060的可变电阻模拟光伏电池的输出特性，用信号发生器产生的正弦电压信号uref为电网电压的正弦参考信号，其峰值为2V，频率fref为45HZ55HZ可调；使用电阻为RL=3060作为并网系统的最终负载，输出电压220V。第二章 太阳能电池的模拟电路及最大功率点跟踪第二章 太阳能电池的模拟电路及最大功率点跟踪太阳能电池现在还处于发展阶段。在光伏并网发电系统中，太阳能电池的光伏阵列是其中的重要组成部分，它是直接获得太阳能能量的原件，光伏阵列的输出特性是非线性的，因此所有的光伏发电系统都希望在相同的光照及相同的温度等条件下所能输出的电能尽可能的多，这就需要解决一个非常迫切的问题，即最大功率点跟踪的问题。而太阳能电池的发展也加速了人们对其的研究也来越深。2.1 太阳能电池的特性太阳能板是由很多的太阳能电池板组成，而每一个太阳能电池都是一个P-N截面的半导体，可以直接将太阳能转化为电能输出。太阳能电池的基本原理和半导体二极管的基本相同。我们可以认为太阳能板在经过光照后会产生独立电源供给负载使用。太阳能电池的输出特性是非线性的，会受到很多因素的影响，例如光照强度、环境温度等。其中光照强度对太阳能电池的输出特性的影响主要如图2-1所示。图2-1（a）不同日照强度下的I-V曲线图2-1（b）不同日照强度下的P-V曲线由图2-1可以看出，当太阳能电池的输出电压或者电流达到最大的时候，其输出功率均为很小。在一定的光照强度和环境温度下，只有使太阳能电池工作在特定的电压或者特定的电流下，才能输出最大功率。所以太阳能电池的输出特性可以等效为一个电压随着光照强度、环境温度等变化且等效内阻随外接负载电阻变化的电压源。因为影响太阳能电池输出的因素有很多，在一定的地区太阳光照强度是一定的，但是环境温度是可以变化的，环境温度对与太阳能电池的输出的影响主要如图2-2所示。图2-2（a）不同温度下的I-V曲线图2-2（b）不同温度下的P-V曲线2.2 太阳能电池特性的实现电路因为直接使用太阳能电池耗费的时间长、成本高，所以我们设计一个太阳能电池的模拟实现电路来研究太阳能电池的输出特性。为了方便可靠的对太阳能电池进行最大功率点跟踪，我们可以使用直流电源加可变电阻来模拟太阳能电池的输出特性曲线，电路如图2-3所示。图2-3 太阳能电池模拟电路图2-3中虚线框内为模拟的太阳能电池，它是由一个直流电源US和一个可变的电阻R1组成，电压Ui就是太阳能电池的输出电压。虚线框外为功率变换电路，其中直流-直流变换器选用的是Boost变换器。从变换器的电路可以看出，直流-直流变换器经常会选用的电路有Boost和Buck电路两种，但是因为Buck电路的输入电流不是连续的电流，对光伏发电系统来说，如果光伏阵列的输出电流是不连续的，那么系统将会损失一部分能量，同时大多数的光伏阵列的输出电压都是比较低的，而大多数的负载都是需要在高电压的情况下工作的，因此具有电压提升功能和输出电流能连续工作的Boost电路更加适合作为双级式光伏发电系统的最大功率点跟踪控制器。图2-3中的Ui和U0是变换器的输入和输出电压，Ii是平均输入电流，R2是负载。现在设d是控制器的占空比，假设电路中所有的元器件都是理想的元件，并且电路从输入到输出的过程中没有功率损耗，那么由以上电路的输入输出电压的关系我们可以知道： （2-1） （2-2）令 （2-3）由上面三个式子可以知道Req=（1-d）2R2。因此可将Boost变换器和负载看作是一个等效的可变电阻，其电阻值的大小随着占空比d和负载R2的变化而变化。如果用P来表示模拟的太阳能电池板的输出功率，那么对于整个系统而言有如下式子成立： （2-4） （2-5）由上面两个式子可以得到模拟的太阳能电池板输出功率的关系式如下： （2-6）并且当US等于两倍的Ui时有最大的功率输出： （2-7）根据上面两个式子绘制出模拟的太阳能电池的功率电压曲线（如图2-4所示）与真实的太阳能电池的功率电压曲线是相似的，所以可以代表太阳能电池的输出特性。图2-4 太阳能电池的功率电压曲线2.3 太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT）因为太阳能电池阵列的开路电压和短路电流受很多外部因素的影响，所以光伏并网发电系统的工作也变得不确定。而如果想要获得高效率的电能输出就必须对太阳能电池阵列进行最大功率点跟踪控制。最大功率点跟踪的实现实际上就是一个自寻优过程，即通过控制电路的控制阵列端电压是阵列能够在不同的外部环境下达到输出的最大功率的要求。 太阳能电池的最大功率点跟踪控制方法选择4。（1）固定电压法因为太阳能电池阵列的最大功率输出点大致对应于某一个固定的电压值，所以这就大大的简化了系统的最大功率点跟踪控制的设计，即只要知道了电压数据就可以使阵列的输出电压固定在这个电压数值处。这样做实际上就是把最大功率点跟踪控制简化为一种稳压控制，这就是固定电压法控制的最大功率点跟踪控制。这种控制方法控制起来比较简单，采用固定电压法控制比不采用最大功率点跟踪控制会多获得五分之一的电能，这就很好的控制了能源浪费。固定电压法控制实现最大功率点跟踪实现起来也比较容易，可靠性、稳定性也得到了很好地保证。但是它的控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化比较大的地区，而且这个控制方法还必须需要人工干预才能良好的运转，难以预料各种突发状况，安全性得不到保证。（2）电导增量法电导增量法实际上是一种以扰动太阳能电池的输出电压来进行太阳能电池的最大功率点跟踪。它是根据太阳能电池在最大功率点时输出功率对电压的微分为0，所以以下式子成立： （2-8）即 （2-9）式（2-9）就是太阳能电池达到最大功率点时的条件。所以我们通过检测以上变化量来进行最大功率点跟踪。电导增量法的原理我们可以从图2-5当中看出，在P-V曲线的不同部分，它的电导增量和电导的大小关系是不相同的。图2-5 P-V V-I曲线电导增量法是通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变控制信号的。其中，电导增量法控制流程图如图2-6所示：图2-6 电导增量法控制流程图其中，Un和In为检测到的光伏阵列的当前电压、电流值，Ub和Ib是上一个控制周期的采样值。 电导增量控制法的控制精度比较高，并且响应速度也很快，适合于大气条件变化比较快的场合。但是，这种方法对系统的硬件要求特别是传感器的要求比较高，所以成本比较高，并且系统的结果也比较复杂。 （3）变步长的占空比扰动法变步长的占空比扰动法有时也被称为扰动观察法。因为在大多数的情况下Boost电路的输出都是接在太阳能电池或者逆变器的直流侧，在比较小的时间内电路的输出电压变化也很小，可以视为恒定，即 （2-10）在双级式光伏系统中Boost电路的输入电压就是光伏阵列的输出电压。所以由上面的式（2-10）可以知道只要调节占空比的大小就能达到实现最大功率点跟踪控制的目的。并且在光伏发电系统中的光伏阵列和负载之间的接口通常都是采用的PWM型的DC/DC变换器和DC/AC逆变器，在这种拓扑结构的电路中占空比是可以调节的。所以采用变步长的占空比扰动法来实现最大功率点跟踪控制。通过对上面三种控制方法的分析，我们选定第三种方法，即变步长的占空比扰动法来实现太阳能电池的最大功率点跟踪。2.4 本章小结本章分析了太阳能电池的原理和基本特征，并且对其输出特性和最大功率点跟踪进行了研究，设计了太阳能电池输出特性的模拟电路，确定了利用变步长占空比扰动控制方法实现最大功率点跟踪控制。- 15 -第三章 光伏逆变器系统的设计第三章 光伏逆变系统的设计本设计所研究的是小功率的并网逆变器，这与大多数的逆变器不同，因为如果想要向电网供应电能，则就必须保证它的输出电流和电网的电压时同频同相的，也就是与电网同步。因为普通的工频电网输出频率是会发生变化的，所以设计的逆变器就需要保证其输出电流可以跟随电网的频率变化所变化。除此之外，供电的时候还必须考虑功率因数，一般需要逆变器的输出功率因数为1，这样就可以保证能源的高效率应用。文章主要对逆变器的主电路、控制电路及其辅助电路进行设计12。 3.1 单相双级式光伏并网发电系统原理单相双级式光伏并网发电系统的主要电路图如下图3-1所示： 图3-1 单相双级式光伏并网主电路单相双级式光伏并网发电系统是由光伏阵列、直流-直流变换环节、直流-交流逆变环节、隔离变压器和电网组成。其中，DC-DC变换器环节是完成光伏阵列的最大功率点跟踪控制，直流-交流逆变环节则是将直流电转换为交流电送往电网系统。第二章已经讨论，直流变换环节我们使用的是基于Boost电路的升压电路，它是由开关管、二极管、电容以及电感组成。Boost电路工作的基本原理是当开关管导通的时候，二极管会出现反偏，此时的电感将会处于充电状态，电感的电流会逐渐的增强；当开关管关断的时候二极管会处于导通状态，此时的电容会通过电感和光伏阵列不断提供能量而进行充电，电感电流逐渐减小。而直流变换器的输出电压可以通过调节开关管的占空比来进行调节。直流-交流逆变器则将会采用全桥逆变。主电路也将会采用工频变压器来保证逆变电压和电网电压相互匹配。系统的主要控制参数是当系统运行时，太阳能电池板所输出的额定电压为60V的直流电，经过直流变换器之后的输出电压会达到400V的直流电，最后经过逆变器之后电压变为220V的交流电并送向电网。同时还要设计相应的锁相环来保证并网系统的电流和电压严格同频、同相。控制部分选用最大功率点跟踪控制方案，并且采用一块TMS320LF2407A的DSP芯片进行协调控制。3.2 主电路的设计并网系统采用的是两级结构，其中，前级为基于Boost的升压电路，后级则为PWM全桥逆变器，控制系统采用的是以TMS320LF2407A的DSP芯片的控制电路，另外还有一些其他的辅助电路。其中，并网系统的系统框图如图3-2所示。 图3-2 并网系统系统框图在系统开始运行之后，系统将会从太阳能电池板上获得电能，通过直流-直流变换器将电压升高之后送往后一级的全桥逆变器，全桥逆变器将送来的400V直流电逆变为220V的交流电送往电网，图3-3为全桥逆变系统的原理图。图3-3 全桥逆变3.2.1 DC/DC电路设计DC/DC电路原理图如图3-4所示：图3-4 DC/DC电路原理图主电路的DC/DC部分主要是由Boost电路组成，而Boost电路是由开关管VT1，二极管VD和电感L1以及电容C1组成。Boost电路的主要任务是将太阳能电池的直流输出电压Ui经过升压之后变成直流电压U0。1、Boost电路的电感L1设计首先假设所有的电路器件都是理想的，这将有利于对电感的设计。电感可以工作在连续和不连续两种不同的工作状态。因为当电感工作在不连续的工作状态时，太阳能电池所输出的电能将会在每一个周期内都产生浪费，这就降低了太阳能的利用率，同时也会产生较大的纹波。图3-5给出了Boost电路连续导电时的稳态波形。图3-5 Boost电路连续导电时的稳态波形现在来设计电感L1的参数大小。因为在稳态时，电感上的电压在一个周期内它所对时间的积分必须是零，因此有以下公式成立： （3-1）式（3-1）中d为占空比，T为开关管的开关周期，dT为导通时间。上式整理得： （3-2）需要设太阳能电池的输出功率为Pi，电流为Ii，即太阳能输入平均电流。Boost电路的输出功率为P0，电流为I0，即负载平均电流。因为假设的电路没有损耗，所以又有以下式子成立： （3-3）由式子（3-2）和（3-3）可以推导出： （3-4）由于电感电流IL和输入平均电流是相等的，所以下式成立： （3-5）又因为电感电压UL=L1*di/dt可得： （3-6）式（3-6）中iL是电感即太阳能输入电流的纹波电流，将iL/IL定义为，则有前面的式子整理之后可以得到： （3-7）由上式可以发现当占空比为1/3时电感L1取得最大值，其最大值为： （3-8）因为需要保证在额定的情况下电路必须满足纹波电流的要求，所以要求L1Lmax，并且，当处于临界导通状态时，即当电感的电流在经过一个周期后下降为零的时候，此时的电感临界电流值为ILB，其大小为iL/2。综合以上式子整理的： （3-9）由此可见，在其它的条件不变的情况下，当占空比为1/3时将会取得最大值，如果此时负载的平均电流下降，当下降到低于临界电流值的时候，电流的导电模式会由连续变为不连续，因此选择参数是需要保证I0I0max。由此可见上面推导的电感满足电路的要求可以应用。因为取太阳能电池板的电压输入为Ui为50V，中间的直流电压U0为400V，太阳能电池输出最大功率Pimax=US2/(4R1)，其数值大小为30W，有（3-2）可知占空比d=7/8，取开关频率为20kHz，那么T为50us，电流纹波允许最大值为25%。因此由（3-8）可得Lmax=158mH，所以我们选用的电感L1为160mH。2、Boost电路电容C1设计前面已经说过，电路需要工作在连续导电状态下，如果假定流经二极管的电流的所有纹波电流都会流经电容，而其平均值流经的是负载，那么电容上的电流和电压波形如图3-6所示。图3-6 电容上的电流和电压波形由I=C*dv/dt可以得到： （3-10）定义U0/U0为0，则 （3-11）前面计算出U0=400V，d=7/8，P0=30W，T=50us，0=1%，所以由上式可以算出C10.82uF。因为电容为中间直流侧的储能电容，所以要取的电容值应该为16.4uF。3、开关器件的选择 Boost电路的开关管选用MOS管，因为开关管要承受的最大电压为400V，所以我们选用型号为IXFH20N60的开关管，它的主要参数为耐压600V，可以很好地满足电路要求。续流二极管选用具有较低的通态压降和快速恢复时间的DSEI30-06，它的主要参数为600V，额定电流为60A。也能很好的满足电路耐压最高为400V的要求。同时还考虑到开关器件可能会对功率产生影响所以我们都会加散热片。3.2.2 DC/AC电路设计DC/AC部分的系统原理图如下图3-7所示：图3-7 DC/AC部分的系统原理图图3-7中，L2为交流输入电感，VTi为主开关管，VDi为其反并联二极管。这个电路是由两个桥臂进行并联组成的，所以这种桥式的拓扑结构仍然是升压式的结构。它的启动是有条件的，即直流侧的滤波电容必须预先充电到接近电网电压的峰值处，而如果想要使电感的电流能够按照预先给定的波形进行控制，那么就必须保证在运行的过程中直流侧的电压不会低于电网的峰值电压。1、电感L2的设计 本设计采用的是脉宽调制方式，即PWM方式，通过控制开关管VT的导通或者关断的时间。所以电感值的选取是否合适将会直接影响电路的工作性能。对于电感值得选取需要考虑以下两个方面：（1）电流的纹波系数电路输出滤波电感L2的数值直接影响着系统输出纹波电流的大小，由以下式子： （3-12）可以知道： （3-13） 上式中的UL(t)是电感两端的端电压，当考虑到输出的电压处于峰值附近时，即当UL(t)=Umax的时候，输出的电流纹波将会达到最大，如果现在假设开关管的开关周期为T0占空比为d0，那么将会有以下式子成立： （3-14）除此之外，我们根据电感的伏秒平衡原理可以得到以下式子成立： （3-15） 因此可以求得占空比的大小： (3-16)由式子（3-16）整理得到： (3-17)已知Umax=220=311V，U0=400V，IS=22050=4.4A，f=5kHz，T0=200us,取纹波系数为0.15，则我们可以计算出电感L2的大小为8.2mH。（2）从逆变器的矢量三角形的关系可以知道： （3-18）可以得到它的几波幅值满足以下公式： （3-19）由正弦脉宽调制的原理我们知道V0=aU0其中，a为调制比，从而可以得到以下式子： （3-20）于是我们可以求得电感为： （3-21）代入数值之后得到L2242mH。通过上面的计算算出电感为8.2mH到242mH之间。所以选用电感值为50mH的。2、开关器件的选择逆变器电路的DC/AC环节由于存在输出滤波电感，使得续流时间变得很长，这就会使得MOS管容易烧坏，所以不选用MOS管，我们选用绝缘栅型双极型晶体管，即IGBT作为逆变器主电路的开关元件。选用IGBT我们需要考虑三个方面的问题：电压应力、电流应力和热应力。首先，电压应力为在晶体管工作过程中，它的集电极和发射极上的电压峰值不允许超过它自身的最高耐压值，否则，晶体管会被击穿而损坏。其次，电流应力为在晶体管工作的过程中，集电极的峰值电流需要满足在晶体管的开关安全工作范围之内的要求。最后，热应力为在晶体管的开关过程中，晶体管会产生损耗，使得器件发热，因此选用晶体管的时候还需要考虑器件的散热问题6。Boost电路的输出电压为直流电压400V，即晶体管所要承受的电压为400V，按照这个要求选用型号为G30N60的IGBT，它的主要参数是耐压600V，额定电流为30A。3.3 控制电路的设计太阳能光伏发电并网逆变器系统的控制主要分为DC/DC变换器部分的最大功率点跟踪控制和DC/AC逆变器部分的双闭环控制。3.3.1 DC/DC变换器控制在前面的第二章已经讨论过DC/DC变换器的最大功率跟踪控制方法，讨论了各个控制方法的优缺点，也确定了使用变步长的占空比扰动法来实现太阳能电池的最大功率点跟踪控制。变步长的占空比扰动法控制原理如下。最大功率点跟踪控制器通过调节PWM信号的占空比来调节变换器的输出/输入关系，其原理为：检测太阳能电池在不同的工作点的输出功率，通过比较寻优获得太阳能电池在一定的外部环境下所输出最大功率时对应的占空比。具体的控制方法可以通过以下两个步骤来实现。第一步是是太阳能电池工作在某一个确定的占空比下，并且测定此时的太阳能电池的输出功率，然后确定一个稍微大些的定步长，以这个定步长扰动PWM信号的占空比，测量输出功率的变化并与没有扰动之前的相比较。如若输出功率值增加，则表示前面设置的扰动方向是正确的，若扰动后的功率值减小则向反方向再以前面设置的定步长进行扰动。以此类推，直到PnPn-1而且PnPn+1时停止。则此时的Pn就是初步搜索出来的最大功率点。第二步是将Pn点作为新一轮寻优的起始点，重新选定较小的步长，搜索步骤和第一步相同，直到出现新的最优功率点。以此类推当步长减小的最小单位时就找到了系统的最大功率点Pmax。值得注意的是在搜索当中如果出现扰动前后功率输出值相同的情况则此功率值就是初步搜索出来的最大功率点，此时应该停止此轮搜索进入下一轮搜索。这和传统的占空比扰动法不同，因为当找到最大功率点之后不是继续扰动，而是停止扰动，之所以这样做是因为如果继续扰动下去，那么系统就始终无法工作在最大功率点上了，就会造成太阳能电池能量的浪费降低了系统的效率。在停止了扰动之后，还要随时监测系统的输出功率并与最大输出功率相互比较，根据比较的结果在进行相应的寻优，让系统一直保持在最大功率点上工作。图3-8给出了DC/DC变换器的控制流程，经过最大功率点跟踪控制得到相应的参考电压和太阳能电池的实际电压相互比较，经过PI比较器调节之后产生PWM波形，经隔离驱动之后用来控制开关管的导通与关断，由此来实现DC/DC变换器的最大功率点跟踪控制。图3-8 DC/DC变换器的控制流程3.3.2 DC/AC逆变器控制所要设计的并网系统主要是有两个方面的实现目标，第一是实现输出与电网电压同频同相的电流。第二是实现并网系统的最大功率点的跟踪。这就要求有合理的控制方案来实现这两项目标。通常，对并网系统的逆变器与电网电压并联运行时的输出控制进行了分类，主要有电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四类。如果所设计的光伏并网逆变器输出采用的是电压控制，那么电网就会被视为一个容量为无穷大的定值交流电压源，那么这个并网系统也就相当于一个电压源与电压源并联运行的系统。在这种情况下需要保证系统的稳定运行，那么就必须要采用锁相控制技术来实现输出电流与电网电压达到同频同相的目的。在此稳定运行的基础上，可以通过调整逆变器的输出电压的大小来实现对系统的控制，还可以通过控制输出电压的相位来控制系统。但是因为锁相电路的响应非常慢，会影响到逆变器的输出电压的数值的精确度。并且因为锁相环回路的存在还可能出现环流等问题，此时如若不采取特殊的措施那么相同功率等级的电压源并联运行方式通常不会获得相应的优点。如果设计的逆变器的输出采用的是电流控制，那么只需要来控制逆变器的输出电流跟踪电网电压就可以实现所需要的逆变器输出电流应该与电网电压同频同相的要求。这样系统的功率因数也会变为1，符合系统设计的要求，也达到了电流源与电压源并联运行的目的。采用电流控制的控制方法相对比较简单，所以它的应用范围也比较广泛。设计的光伏并网系统是将太阳能电池板所产生的直流电转化成为与电网同频同相的正弦交流电，从而向电网供电的装置，实际上它就是一个有源逆变系统。光伏并网系统的控制目标是：控制逆变器所输出的交流电为高质量、稳定的正弦波，并且要与电网同频同相。所以选用的被控量为逆变器的输出电流而不是输出电压。所要设计的单相光伏并网逆变器是要把其输出交流电送往电网运行的，逆变器的输出电流必须能够跟踪电网的电压，即逆变器的输出电流要与电网电压同频、同相，并且逆变器的输出幅值要保持正弦输出。为此，我们在本系统的光伏并网逆变器设计的控制方法采用双闭环控制，双闭环控制就是电压电流控制，其中外环为直流电压控制，这个控制的主要目的是实现并网逆变器直流输入的端电压的稳定；内环为并网电流控制，它的目的是为了使逆变器的输出电流可以很好的跟踪电网电压，达到并网逆变器的输出电流与电网的电压可以同频、同相，并且达到功率因数为1的目的。3.3.3 采样调理比较电路设计（1）电感电流采样电路设计由于DSP无法直接对所需的控制量进行A/D采样，所以采用电流霍尔传感器对电感电流进行采样。其中，电流霍尔传感器的输出电压和电流有如下关系式成立： VOUT=2.5（0.625*IP/IPN） (3-22)其中：IP为实际流过霍尔元件的电流，IPN是选择的电流范围的有效值。电感电流采样调理电路如图3-9所示。 图3-9 电感电流采样调理电路（2）电网电压采样和过零点检测电路设计电网的220V交流电经过电压霍尔传感器，转换成偏移量为5V的正弦交流信号。为了实现数字锁相的控制，必须对电网的电压的过零点进行采样。其中，过零比较调理电路如图3-10所示。 图3-10 过零比较调理电路（3）太阳能电池电压采样电路设计图3-11为太阳能电池电压采样电路。开始时太阳能电池采样电压送给线性光耦，经过线性光耦的放大再经过运放的电压跟随送到DSP的A/D采样口。电路中R7=R8=R9=R10，C7=C9，HCPL7840为线性光耦。图3-11 太阳能电池电压采样电路（4）太阳能电池电流采样电路设计太阳能电池电流采样电路如图3-12所示。电路通过采样电阻R15把电流信号转化为电压信号。 图3-12 太阳能电池电流采样电路3.3.4 同步锁相环的设计 在太阳能光伏并网发电系统中，需要保证逆变器的输出电流能够与电网的电压同频、同相，所以就必须设计锁相环，锁相环的主要作用就是调节逆变器的输出电流的频率和相位，从而能够达到与电网电压达到要求的情况。锁相环的基本结构如图3-13所示。图3-13 锁相环的基本结构 图3-13中PD为鉴相器、LF为环路滤波器、VCO为电压控制振荡器。在本系统中，采用的方案是检测电网同步信号的方式，以此方式来实现输出的交流电流和电网同步的要求。而这一控制方式是由硬件和软件两部分组成的。在系统的同步过程中，DSP芯片需要采集电网电压信号的相位，并且由于DSP芯片只能采用TTL信号，所以电网电压的信号通过滤波整形之后，产生同步方波信号，这一过程需要硬件电路辅助实现。产生的同步信号的上跳沿同电网电压的过零点相对应，我们将同步方波信号输入到DSP芯片的相应外部中断引脚当中，以此来捕捉电网电压的过零点。当DSP检测到同步信号的上跳沿时，就会产生相应的同步中断。在同步中断中正弦表对应的正弦指针将会复位为0,。除此之外，由于同步信号易受到干扰，所以在软件上还必须写入滤波程序。当产生了同步信号之后，正弦指针与经过调节之后电流指令相乘将会产生正弦电流指令。同步信号可以使得正弦表指针与电网电压同步。而相乘之后产生的正弦指令在通过闭环控制使得输出的电流跟踪正