开题报告-光伏电源逆变器的研究与设计.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计题目：光伏电源逆变器的研究与设计指导教师: 2015 年 3 月 18 日毕 业 设 计 开 题 报 告 1选题依据：1.1 设计目的与意义随着世界能源问题和环境问题的不断加剧，传统的能源尤其是煤炭、石油、天然气三大化石燃料更是有限，它们在21世纪内就会濒临枯竭，产生能源危机，可再生能源的开发和利用呈现出迅速发展的趋势。作为可再生资源之一的太阳能，被认为是人类可利用的最清洁的能源，因此开发和利用太阳能具有非常重要的战略意义。而光伏逆变电源系统是光伏发电系统中的核心部分之一，因此，开发一种具有高可靠性、高转换效率和优良的电能转换质量的光伏逆变电源系统是研制高效率光伏发电系统的关键技术2。传统的工频变压器隔离型逆变器虽然技术性能可靠，但是存在系统效率低下、体积大、成本高等问题；无隔离型逆变器虽然克服了工频逆变器的缺点，但是其结缘性能和可靠性还不够成熟。针对以上问题，本设计采用高频变压器升压电路+全桥逆变的设计方案，从而实现了高效可靠的直流输入、交流输出3。1.2 光伏逆变技术的发展趋势随着光伏发电的迅速发展，对光伏发电提出了新的要求，需要大规模的并网发电，与电网连接同步运行。逆变器作为光伏发电的核心，对其要求也越来越高。主要技术发展趋势如下：结构发展趋势 过去逆变器的结构由工频变压器结构的光伏逆 变器转化多转换级带高频变压器的逆变结构，功率密度大大提高，但也导致了逆变器的电路结构复杂，可靠性降低。现阶段的光伏并网逆变器普遍采用了串级型，经过反复研究表明：逆变器采用多串级逆变结构，融合了串级的设计灵活、高能量输出与集中型低成本的优点，是今后光伏并网逆变结构的一种发展趋势。 控制策略发展趋势 光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功率进行控制，逆变器输出电流主要采用各种优化的PWM控制策略。对光伏阵列工作点跟踪控制主要有：恒电压控制策略和 MPPT 光伏阵列功率点控制策略。现代控制理论中许多先进算法也被应用到光伏 逆变系统的控制中，如人工神经网络、自适应、滑模变结构、模糊控制等。将来光伏并网系统的综合控制成为其研究发展的新趋势。基于瞬时无功理论的无功与谐波电流补偿控制，使得光伏并网系统既可以向电网提供有功功率，又可以实现电网无功和 谐波电流补偿。这对逆变器跟踪电网控制的实时性、动态特性要求更高14。1.3 光伏逆变技术原理如图2-1是单相桥式逆变电路，以其为例说明基本工作原理，是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成，当开关闭合，断开时，负载电压为正；当开关闭合，断开时，为负。其波形如图2-1(b)所示。这样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。这就是光伏逆变电路最基本的工作原理5。 a) b)图1-1 逆变电路及其波形a)电路原理图 b)波形图 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：2.1 设计任务及指标 设计任务: (1)建立并网式逆变电源主要部件的数学模型； (2)给出并网式逆变电源主要环节的硬件电路设计； (3)并网式逆变系统软件设计。具体指标: (1)单相输出电压额定值为220V，频率为50Hz，正弦交流输出；(2)输出功率额定为500W；(3)具有欠压、过流保护动作。2.2 设计方案2.2.1 系统的总体结构图2-1系统结构框图2.2.2 升压环节升压环节实际上是DC-DC开关电源，DC-DC变换器的拓扑很多，但我们采用的DC-DC变换器是作为逆变电源直流升压，需要有电气隔离，常用的隔离式DC-DC电路有半桥式、全桥式、正激式、推挽式等。 图2-2半桥式 图2-3全桥式 图2-4正激式 图2-5推挽式 推挽式电路结构简单，可以看成两个完全堆成的单端正激式变换器的组合因此变压器的铁心是双向磁化的，相同铁心尺寸下，推挽电路比正激电路输出更大的功率。但电路必须有良好的对称性，否则铁心容易引起直流偏饱和，另外，由于变压器原边漏感的存在，使主功率管必须承受超过两倍的电源电压，依次功率管电压尖峰很大，承受较大电压应力，适合低压大电流场合。由于本系统输入端电压为12V，属于低压，选择推挽变换方式适用于低压大电流的场合，正好满足独立光伏系统的要求，故采用SG3525+高频变压器实现推挽升压部分。2.2.3 逆变环节单相逆变电路常用的结构由半桥和全桥两种，半桥结构简单，但输出电压低，适用于中小容量场合；全桥电路相对复杂，但控制灵活，且输出电压时半桥电路的两倍，适用于较大容量场合。因此本文采用单相全桥电压型逆变电路。 图2-6 逆变环节主电路 图2-7全桥逆变电路 驱动电路采用EG8010+IR2110结合的方案驱动四个开关管完成逆变环节，EG8010 是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于DC-DC-AC两级功率变换架构或DC-AC单级工频变压器升压变换架构外接12MHz晶体振荡器能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波50Hz或60Hz逆变器专用芯片，该芯片采用CMOS工艺，内部集成SPWM正弦发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软动电路、保护电路、RS232串行通讯接口和12832串行液晶驱动模块等功能。而IR2110是大功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。故采用EG8010+IR2110能有效地实现逆变功能模块，和电源保护模块。2.3 进度安排序号论文各阶段内容起止日期1收集资料，熟悉工作，完成开题报告。3月9日-3月24日2根据系统要求，设计硬件及软件流程框图3月25日-4月15日3整理资料，进行软件编程，并通过调试4月16日-5月20日4准备设计说明书和答辩5月21日-6月 表2-1 进度安排表 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见： 指导教师： 年 月 日 参考文献1 严干贵，常青云，黄亚峰等.弱电网接入下多光伏逆变器并联运行特性分析J.电网技术，2014，04：2332452 金宇清,鞠平,潘学萍等.光伏逆变器控制参数的分步辨识方法J.电网技术，2015,03：5946003 贺明智，冯轲，Bruno Burger等.光伏逆变器-市场、技术、发展趋势J.电力电子，2008,03:6114 邹建章，陈乔夫，张长征.光伏逆变器综合性能测试平台研究J.电测与仪表,2010，08：36455 张光辉.一种实用户型用光伏逆变器的设计J.科技创新导报，2012,20:256 谭骞，徐永海，黄浩.不对称电压暂降情况下光伏逆变器输出电流峰值的控制策略J.电网技术，2015,03:6016087 苏婷，王金梅，张泽斌等.1KW单极式光伏并网发电系统的设计J.电源技术，2015,01:34558 艾欣，LEKim Anh，DANG Ngoc Huy.微电网电压稳定控制策略研究J.机电工程，2015,01:15249 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M.修订版.北京：电子工业出版社，200410 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术M.北京：科学出版社,2000.211 张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及逆变控制M.北京：机械工业出版社,2010.1212 周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例M.北京：电子工业出版社，201013 王水平，王聪等.MOSFET/IGBT驱动集成电路及应用M.北京：人民邮电出版社，2009.1014 张兴，曹仁贤.太阳能光