（电力电子与电力传动专业论文）100kw太阳能并网变流器的研制.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t hw o r l d w i d el a c ko fe n e r g ys o u r c e s a n dw o r s e n i n go fe c o s y s t e m e n v i r o n m e n t ，m a n yc o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l da r ea c t i v e l ys e a r c h i n gf o rn e we n e r g y s o u r c e st h a ta r ei n e x h a u s t i b l ea n dt a i n t l e s s s o l a rs o u r c ei sm u c ha c c o u n t e do ff o ri t s p a r t i c u l a r a m o n gt h ea p p l i c a t i o no fs o l a rs o u r c e , t h eg r i d c o n n e c t e ds o l a re n e r g y g e n e r a t e se l e c t r i c i t ys y s t e ma r et u r n i n gt ot h em a i nf o r mo ft h es o l a re n e r g ya p p l i c a t i o n t h e 酊d c o n n e c t e ds o l a re n e r g yg e n e r a t ee l e c t r i c i t ys y s t e mc a nt r a n s f o r ms o l a r e n e r g yi n t oe l e c t r i c i t ye n e r g yt h r o u g ht h es o l a rc e l lb o a r d ，a n dc a nc h a n g et h ed i r e c t c u r r e n t ( d c ) i n t oa l t e r n a t i n gc u r r e n t ( a c ) w h i c hh a st h es a m ef r e q u e n c ya n dp h a s ew i t h t h e 庐d ，a n df e e db a c kt ot h e 面d w h e nt h es u n l i g h ti ss u f f i c i e n t ，t h el o a dc a nb e p o w e r e db ys o l a re n e r g y , w i t h o u td r a w i n ga n ye n e r g yf r o mt h eg r i d a tt h et i m et h a t s u n l i g h ti sn o ts u f f i c i e n tt og e n e r a t ee n o u g hp o w e rf o rt h el o a d ，t h ec o n t r o ls y s t e mw i l l a u t o m a t i c a l l yt a k ea c t i o nt od r a we n e r g yf r o mt h e 鲥dt oo v e r c o m et h es h o r t a g e t h ec o r et e c h n o l o g yo fg r i d - c o n n e c t e ds o l a re l e c t r i cs y s t e me x i s t si nt h ed e s i g no f t h e 鲥d c o n n e c t e dc o n v e r t e r , w h o s ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yw i l li n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m s o ，a l le f f i c i e n tc o n v e r t e rs u i t i n gf o rg r i d - c o n n e c t e d s o l a r e n e r g ys t a t i o ni sp r o p o s e di nt h et h e s i s t h i s p a p e rf i r s tp r o p o s e d as y s t e m d e s i g n o ft h e10 0 k ws l o a r e n e r g y g r i d c o n n e c t e dc o n v e r t e r ，a n dt h e nc o n d u c t e da ni n d e p t ha n a l y s i st ot h ec o n v e r t e r s w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g y , a n dl a s td e t a i l e di n f o r m a t i o no nt h ed e s i g no f m a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n ds y s t e ms o f t w a r ea b o u tc o n v e r t e r t h ea r t i c l ea l s o e l a b o r a t e dt h em a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g ( m p p t ) t e c h n o l o g yw h i c ha r e c o m m o n l yu s e d ，a n dp r o p o s e dt h er e a l i z a t i o no ft h i sd e s i g nm e t h o d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es y s t e mc a ni m p l e m e n tt h ec o n t r o l s c h e m ep r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o np e r f e c t l ya n do b t a i nt h er e q u i r e dp e r f o r m a n c eo f s u p p l y i n gp o w e r t og r i dp e r f e c t l y t h ec o n t r o ls c h e m ei ss i m p l ea n dd o a b l e t h es y s t e m w o r k ss t a b l i z a t i o na n dh a sg o o dp e r f o r m a n c e s k e y w o r d s ：s o l a re n e r g y ；鲥d c o n n e c t e d ；c o n v e r t e r ；m p p t ；d s p c l a s s n o ：t k 5 1 1 ；t m 4 6 4 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：土夕易9 虱 签字日期：1 年- 月；日 导师签名：嗜i9 亥 签字日期：z 。p j 年7 月c 日 致谢 本论文是在我的导师曾国宏副教授的悉心指导下完成的，曾国宏副教授严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来曾 国宏老师对我的关心和指导。 童亦斌副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向童亦斌副教授表示衷心的谢意。 金新民教授，刘金斗老师对于我的科研工作和论文都给了很大的帮助，在此 表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，周飞、唐芬、张宇星、黄杏、王天亮等同学 对我论文和研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学业。 引言 1 1研究背景及意义 1 引言 能源是人类赖以生存和发展的主要物质基础，是世界经济的血液，也是影响 国家安全的重要因素。随着人类社会的不断发展，人们的经济及文化活动需要大 量的能源。目前，人类利用的电能主要有三种，即火电、水电、核电。但是由于 化石燃料的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足， 不能满足经济、社会发展的需要，并且由于储存量有限，矿物能源正面临着枯竭 的危险。另外，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排 向天空，使大气环境遭到严重污染，同时由于大量排放c 0 2 等气体而使地球产生 明显的温室效应，引起全球气候变化；水力发电受到水力资源的限制和季节的影 响，并且有时会破坏当地的生态平衡；核电在正常情况下固然是干净的，但万一 发生核泄露，后果同样是十分严重，并且核废料的处理直至今日仍然是一个全球 性待解决的问题。因此，随着社会的进步，经济的发展，人们对能源提出了越来 越高的要求，寻找新能源已经是当前人类面临的迫切课题【l 】。 新一代能源应当同时符合两个条件：一是储藏丰富，甚至是可再生的：二是 安全、洁净。符合这两个条件的主要是可再生能源，包括太阳能、风能、生物能 等。其中，最理想的新能源是太阳能。太阳照射在地球上的能量非常巨大，据估 算，陆地表面每年接收的太阳辐射能约为5 x 1 0 2 2 焦耳，约相当于1 7 0 0 0 亿吨标准 煤，特别是太阳能洁净、取之不尽、用之不竭，所以太阳能和其它形式的太阳能 一起被誉为“人类的理想能源 。 据欧洲j r c 预测，到未来的2 1 0 0 年时，太阳能在整个能源结构中将占6 8 的 份额。世界观察研究所的一项报告指出：太阳能发电作为新兴的产业正在迅速崛 起，“太阳经济将成为未来全球能源的主流，实现以“太阳经济 为主的能源转 移将创造新的产业，新的就业机会，就象石油帮助人类形成了今天的社会一样， 这种新的能源经济也将创造人类的未烈羽。 太阳能的利用主要包括热利用、化学利用和太阳能利用。热利用的主要形式 是太阳能热水器、太阳能建筑以及太阳能热发电。太阳能热水器是太阳能热利用 中商业化程度最高、应用最普遍的技术产品。太阳能热发电随着技术的发展，成 本逐渐降低，变得越来越可行。光化学利用主要指：太阳能光合作用、太阳能化 学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术。太阳能 北京交通大学硕士学位论文 利用的主要形式是太阳能发电，有独立供电和并网两种工作方式。过去太阳能发 电大多采用独立供电方式，用于偏远无电地区，而且用于户用和中小系统偏多。 易受到诸如时间和季节的影响。随着电力电子技术的进步和控制理论的发展，太 阳能产业发生了巨大变化，已经开始向并网发电转变。并网发电已经成为太阳能 发电的发展趋势。 并网发电开始于8 0 年代初，但由于当时成本过高，且环境效益还不是很明显， 使得电力公司难以接受。直到9 0 年代，国外发达国家才掀起了太阳能并网系统研 发的高潮，美国、欧洲、日本等国家已实施了太阳能屋顶计划并取得了一定的成 果。同时许多发达国家成功启动并实现了兆瓦级的大型太阳能并网电站计划。专 家预测太阳能电池及相应的系统将通过大规模并网发电迅速发展为全球重要产 业。我国在“九五 期问，将太阳能并网系统列为国家科技攻关项目【3 】，但目前国 内太阳能并网系统的研究和开发仍处于攻坚阶段。太阳能并网发电的关键技术尚 不成熟，主要设备仍主要来自进口，面对如此巨大的国内需要，发展具有自我知 识产权的相关高新技术，从而实现产业化是刻不容缓的事情。基于这种背景，本 文对太阳能并网发电的核心部分并网变流器进行了深入的研究，在此基础上成功 研制出一台1 0 0 k w 太阳能并网变流器。 1 2太阳能发电系统分类 太阳能发电系统按与电力系统的关系分类，通常分为太阳能独立发电系统和 太阳能并网发电系统。太阳能独立发电系统是不与常规电力系统相连而独立运行 的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。太阳 能并网发电系统是与电力系统连接在一起的太阳能发电系统，像其他类型发电站 一样，可为电力系统提供有功和无功电能。 1 2 1太阳能独立发电系统 太阳能独立发电系统是相对于并网发电系统而言的，属于独立的发电系统， 主要由太阳能电池阵列、储能装置、直流一交流逆变装置、控制装置与连接装置等 组成。 2 引言 图1 - 1 太阳能独立型发电系统 f i g 1 - 1i n d e p e n d e n ts o l a re l e c t r i c a le n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m 如图1 1 所示，太阳能电池阵列接收太阳能并转换为电能，发出的电能经变换 器变换成用电负载所需要的正弦波电压，经配电设备向负载供电，并将剩余的电 能通过充电器向蓄电池充电。 按其用途和设备场所环境的不同，太阳能独立发电系统还有以下分类【4 1 ： 1 ) 带专用负载的太阳能发电系统 带专用负载的太阳能发电系统可能是仅仅按照其负载的要求来构成和设计 的。因此，输出功率为恒定的，输出电压可以是任意频率的交流，例如太阳能照 明系统、太阳能水泵系统等。 2 ) 带一般负载的太阳能发电系统 带一般负载的太阳能发电系统是以某个范围内不特定的负载作为对象的供电 系统。作为负载的通常是电器产品，以工频运行比较方便。如果是直流负载，可 以省掉变流器。当然，实际情况可能是交流、直流负载都有。一般要配有蓄电池 储能装置，以便把太阳能电池板白天发的电储存在蓄电池里，供夜间或阴雨天使 用。如果负载仅为农用机械也可以不用设置蓄电池。一般负载的太阳能发电系统， 还可以分为就地负载系统和分散负载系统。前者作为边远地区的家庭或某些设备 的电源，是一种在使用场所就地发电和用电的系统。而后者则需要设置小规模的 配电线路，以便对太阳能电站所在地以外的负载也能供电。 1 2 2太阳能并网发电系统 1 太阳能并网发电系统的组成 太阳能并网发电系统主要由太阳能电池阵列、并网变流器、控制器组成，如 图1 2 所示。太阳能电池阵列是太阳能并网系统的主要部件，由其将接收到的太阳 光能直接转换为电能，目前工程上应用的太阳能电池阵列多为由一定数量的晶体 硅太阳能电池组件按照并网变流器输入电压的要求串、并联后固定在支架上组成。 并网变流器将太阳能电池所发的电能逆变成正弦电流并入电网中，电压型变 3 北京交通人学硕士学位论文 流器主要由电力电子开关器件连接电感构成，以脉宽调制的形式向电网送电。 控制器是太阳能并网发电系统的核心部件，一般由单片机或d s p 芯片作为核 心器件构成，控制器控制太阳能电池的最大功率点的跟踪、控制变流器并网电流 的波形和功率，使向电网传送的功率与太阳能电池阵列所发的最大功率电能相平 衡。 图l - 2 太阳能并网型发电系统 f i g 1 - 2g r i d - c o n n e c t e ds o l a re l e c t r i c a le n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m 2 太阳能并网发电系统的优缺点 太阳能并网发电系统实质上与其它类型的发电站一样，可为整个电力系统提 供电能，与独立运行的太阳能电站相比，并入大电网可以给太阳能发电带来诸多 好处： a ) 不必考虑负载供电的稳定性和供电质量的问题。 b ) 太阳能电池可以始终工作在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的 全部电能，提高了太阳能发电的效率。 c ) 因为直接将电能输入，可以充分利用太阳能电池阵列所发的电力。省略了 作为储能环节的蓄电池，降低了蓄电池充放电的能量损耗，免除了对蓄电 池的维护，以及由其带来的间接污染，降低了系统的成本。 d ) 太阳能并网系统可以对公用电网起到调峰作用。 但目前太阳能发电系统也存在三大问题：( 1 ) 太阳能电池阵列发电效率低。( 2 ) 系统的造价成本高。( 3 ) 发电运行受气候环境因素影响大。同时太阳能并网供电 系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响， 如谐波污染、孤岛效应等。 3 太阳能并网系统对变流器的要求 4 引言 由上可知，作为太阳能电池阵列和交流电网系统间进行能量变换的变流器， 其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对发电系统的整体投资和收益具 有举足轻重的地位。因此，太阳能发电系统对并网变流器有如下要求： a ) 实现高质量的电能转换，将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成 线电压3 8 0 v 、频率为5 0 h z 的三相、正弦波交流电，其电流和电压的畸变 率均小。 b ) 实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、输入反接保 护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、“孤岛一保护及装置自身保护， 从而确保系统的可靠性。 c ) 最大功率点的跟踪，最大限度地利用太阳能电池，以提高变流器的整体效 率。 1 3论文的主要研究工作 本文在对太阳能并网交流器工作原理及相关理论进行深入分析和研究的基础 上，研制出了一台1 0 0 k w 太阳能并网变流器；并搭建了实验平台，对并网变流器 各项设计指标进行了试验考核。主要工作如下： ( 1 ) 对并网变流器进行了深入分析和研究，提出了并网变流器系统总体设计 方案。 ( 2 ) 对并网变流器系统工作原理和控制策略进行了深入分析和研究，采用双 闭环的控制方式和s v p w m 的调制策略，使并网变流器输出的并网电能质量得到 了很好的控制。 ( 3 ) 对几种常用的最大功率跟踪方法进行了比较分析，并针对本文单级结构 太阳能并网变流器设计了m p p t 控制环节。 ( 4 ) 对并网变流器系统的主要部件进行了参数设计与选型。 ( 5 ) 设计出系统控制电路和驱动电路原理图，绘制了控制板与驱动板的p c b 图，并对控制板与驱动板进行了调试。 ( 6 ) 配合软件编程人员编写了系统软件控制程序。 ( 7 ) 设计并安装出了一台1 0 0 k w 并网变流器，之后与软件编程人员一起对 安装好的变流器进行了试验考核分析。 5 并网变流器系统设计 2 并网变流器系统设计 2 1变流器系统技术条件 1 额定功率( 足) ： 2 最大太阳能电池阵列功率( 兄) ： 3 最低运行直流电压： 4 m p p t 电压范围： 5 最大阵列开路电压( u o c ) ： 6 最大阵列输入电流( k ) ： 7 变流器交流侧输出额定电流( i o ) ： 8 变流器交流侧输出额定电压( u o ) ： 9 开关频率( 石) ： 1 0 过载能力： 1 1 输出功率因数( q ) ： 1 2 t h d ： 1 3 效率( 7 7 ) ： 1 4 冷却方式： 1 5 夜间工作模式自耗电： 1 6 环境温度： 2 2变流器的选择 2 2 1变流器能量变换结构的选择 1 0 0 k w 1 1 0 k w p 3 5 0 v 3 8 0 6 0 0 6 0 0 v 2 5 0 a 1 5 5 a 3 8 0 v l o ， 3 k h z 1 2 0 1 0 m i n ， 0 9 9 5 9 4 风冷 5 0 h z 0 5 h z 1 5 0 l o s 弋 4 0 w ( 控制部分耗电) 2 5 5 0 目前国内并网变流器的研究主要集中于d c d c 和d c - a c 两级能量变换的结 构( 如图2 1 ) ，而且研究主要围绕集中型展开。其中，d c d c 变换环节调整太阳能 电池阵列的工作点使其跟踪最大功率点；d c - a c 逆变环节主要使输出电流与电网 电压同相位，同时获得单位功率因数。由于d c d c 变换环节和d c a c 逆变环节 具有独立的控制目标和手段，两部分可以分开设计，系统前后级之间结合不紧密， 因此系统的控制环节比较容易设计和实现；由于单独具有一级最大功率跟踪环节， 系统中相当于设置了电压预调整单元，系统具有比较宽的电压输入范围；同时， 最大功率跟踪环节的设置可以使逆变环节的输入电压不但相对稳定而且较高，这 7 北京交通大学硕士学位论文 样都有利于提高逆变环节的转换效率。 图2 一l 两级能量变换结构框图 f i g 2 - 1t h es t n j c t u r ed i a g r a mo fd o u b l e - s t a g e e p g yc o n v a 橱 但由于上述系统具有两个独立的能量变换环节，因此整个系统的效率低、体 积大、结构笨重、成本高。基于以上原因本文设计的太阳能并网变流器系统采用 单级能量变换结构( 如图2 2 ) ，该装置可通过一级能量变换实现最大功率跟踪和并 网逆变两个功能，因此提高了系统的效率、减小了系统的体积和重量、降低了系 统的成本，从而减少了太阳能并网发电系统的总体造价，有利于太阳能并网发电 系统的推广。 图2 2 单级能量变换结构框图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fs i n g l e - s t a g ee n e r g yc o n v e r t e r 在图2 2 中，若忽略并网系统中滤波电路与并网变流器电路的损耗，假设太阳 能电池板仅向电网供电【5 】： p = 只= 3 l c o s o ( 2 - 1 ) 其中：p 为太阳能电池阵列的输出功率；只为向电网输出的功率：为电网 相电压1 i i 的幅值；l 为并网相电流的幅值；乡为电网相电压e 与并网相电流之 间的相位差。假设输入电网的功率和电网电压的幅值保持不变，从式( 2 1 ) 中可 知，并网电流可被调制成正弦波并且和电网电压同相，因此系统的功率因数近似 8 并网变流器系统设计 为一1 0 ；同时从式( 2 1 ) 中还可看出通过调制并网电流的幅值能够控制太阳能电 池阵列的输出功率，因此单级能量变换能够实现最大功率跟踪功能。 本文设计的太阳能并网变流器选用单级能量变换结构，通过变流器控制系统 控制使变流器输出的交流电流为稳定的、高品质的正弦波电流，且与电网电压同 频、同相；同时通过调节输出电流的幅值使太阳能电池板工作在最大功率点附近。 2 2 2变流器控制方式的选择 变流器按输入直流电源的性质，可分为：电流型变流器和电压型变流器，结 构如图2 3 所示。其中，电流型变流器是以电流源为输入的变流器，其直流侧需要 串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态 响应差，因此当前世界范围内大部分并网变流器均采用以电压源输入为主的方式。 电压型变流器按控制方式又可分为：电压源电压控制和电压源电流控制。 k 点h 。 d c 一 a c + 虬 ( a ) 电流型变流器 ( a ) c u r r e n t $ o u r c ec o n v e r t e r ( b ) 电压型交流器 ( b ) v o l t a g e $ o u r c 圮c o n v e r t e r 图2 3 按输入直流电源性质分类的并网变流器结构图 f i g 2 3t h eb l o c kd i a g r a mo fg r i d - c o n n e c t e dc o n v e r t e rg r a d e db yt h en a t u r eo fi n p u t $ o u r c a 市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果太阳能并网变流器的输 出采用电压控制，则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统，这种情况 下要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步，在稳定运 行的基础上，可通过调整变流器输出电压的大小及相移以控制系统的有功输出与 无功输出。但由于锁相回路的响应较慢、 出现环流等问题，如果不采取特殊措施， 变流器输出电压值不易精确控制、可能 一般来说同样功率等级的电压源并联运 9 北京交通大学硕士学位论文 行方式不易获得优异性能。如果变流器的输出采用电流控制，则只需控制变流器 的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简 单，因此使用比较广泛。 综上所述，本文设计的太阳能并网变流器采用电压源输入、电流源输出的控 制方式，即电压源电流控制方式。采用这种控制方式的变流器，同时还可以实现 有源滤波和无功补偿的控制，在实际中已经得到了广泛的研究和应用，可以有效 地进行太阳能发电、提高供电质量和减少功率损耗，而且可以节省相应设备的投 资。 2 2 3变流器交流侧滤波电路的选择 三相电压型变流器传统的网侧滤波器为l 滤波器，由电感三将高频电流谐波 限制在一定范围之内，减小对电网的谐波污染。但随着功率等级的提高，特别是 在中高功率的应用场合，开关频率相对较低，因此要使网侧电流满足相应的谐波 标准所需的电感值太大。这不仅使网侧电流变化率下降，系统动态响应性能降低【4 】， 还会带来体积过大成本过高等一系列问题。同时，为使p w m 整流器矢量三角形成 立，在同等功率等级下，电感值越大则需要中间直流电压越高，导致开关管耐压 水平也要相应提高，从而进一步增加了成本。 目前，解决这一问题最有效的方法是采用l c l 滤波器取代传统的l 滤波器， 系统主电路如图2 4 所示， 图2 - 4 基于l c l 滤波器的三相变流器主电路图 f i g 2 - 4p o w e rc i r c u i to ft h r e e - p h a s ec o n v e r t e rb a s e do nl c l - f i l t e r 其中，q l q 6 为i g b t ，l g 为网侧电感，三为整流器侧电感，c f 为滤波电容， c 为直流支撑电容，魄为中间直流电压，e x 表示各相网压。在达到相同的滤波效 果的前提下，l c l 滤波器的总电感量要比l 滤波器小得多，因此有利于提高电流 动态性能，使中间直流电压的取值更为合理，同时能降低成本，减小装置的体积 重量。在中大功率应用场合，l c l 滤波器的优势更为明显。然而，需要注意的是 如果元件参数设计得不合理，则达不到预期的滤波效果，甚至会增加电流的畸变， 1 0 并网变流器系统设计 造成系统性能的恶化。 在本设计中，我们选择了l c l 滤波方式，其中网侧电感g 利用变压器漏感替 代，使得变流器系统结构更加简化，降低了变流器的制造成本。 2 3变流器总体设计方案 本文设计的变流器额定功率为1 0 0 k w ，能量变换结构采用单级结构，交流侧 滤波电路采用l c l 滤波方式，其中并网滤波器的网侧电感采用并网变压器漏感代 替。系统硬件电路总体上可分为三大部分：变流器直流侧电路、d c a c 变换电路、 变流器交流侧电路，电气原理图如图2 5 所示。其中d c a c 变换电路部分，我们 借鉴p e b b 设计思想，将中间支撑电容、传感器、i g b t 、功率驱动、复合母排、 散热装置和控制系统集成在一个柜体里面，在保证低杂散参数与系统散热要求的 同时，极大减小了变流器装置的体积，保证了装置的安全、高效与稳定运行。 变流器采用美国t i 公司3 2 位专用d s p 芯片f 2 8 1 2 控制，并采用双闭环控制 方式及s v p w m 调制策略，具有可靠性高，控制功能齐全，及电网侧高功率因数 正弦波电流、无谐波污染供电等特点。操作界面采用触摸屏、具有美观，操作功 能强大等有优点。该变流器具有输入过压、欠压、过流保护，输出欠压、过压、 过流保护，散热片和并网变压器超温保护，孤岛保护等完整的保护电路系统。 ( a ) 变流器直流侧电路电气原理图 ( a ) d cc i r c u i to fc o n v e r t e re l e c t r i c a ld i a g r a m 北京交通大学硕士学位论文 a b c ( b ) d c a c 变换电路电气原理图 ( b ) d c a cc i r c u i to fc o n v e r t e re l e c t r i c a ld i a g r a m 预充电接触器 ( c ) 变流器交流侧电路电气原理图 ( c ) a cc i r c u i to fc o n v e r t e re l e c t r i c a ld i a g r a m 图2 5 变流器总体设计电气原理图 f i g 2 - 5d e s i g no fc o n v e r t e re l e c t r i c a ld i a g r a m 1 2 太阳能并网变流器工作原理与控制策略 3 太阳能并网变流器工作原理与控制策略 3 1太阳能并网变流器的工作原理 太阳能并网变流器的设计需要同时满足三个要求：l 、能够完成d c a c 并网 逆变。2 、使并网电能质量满足电网要求，即相电流要接近正弦，相电流与相电压 反相，使功率因数等于1 ，输送到电网的谐波含量较少。满足有关电磁兼容的要求。 3 、能够进行最大功率点跟踪。 鉴于此，并网变流器采用i g b t 构成的p w m 整流器。p w m 整流器不同于传 统意义上的a c d c 整流器，具有网侧功率因数控制、能量双向传输的性能。当p w m 整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态，当p w m 整流器向电网传输电 能时，其运行于逆变工作状态。单位功率因数控制是指：当p w m 整流器运行于整 流状态时，网侧电压、电流同相，当p w m 整流器运行于逆变状态时，其网侧电压、 电流反相。在实际工业领域中，p w m 整流器主要应用于以下四方面：电力牵引、 通用变频器、有源电子负载以及可再生能源和储能系统与电网间的互联。随着电 力电子技术的发展，p w m 整流器的应用会越来越广泛。 3 1 1p w m 整流器的基本原理 p w m 整流器是在脉宽调制技术的基础上发展来的一种新型电源变流器，若认 为调制频率远大于交流电网的基波频率，即在每一个调制周期内将交流电压认为 是不变的，由此可以认为每一个变换周期内的变换为直流斩波等值电路，将这样 的p w m 整流器输出看作为按正弦规律控制的直直变换器。 ( f f ( f ) ( n ， 、 r 一 1 图3 - 1 理想p w m 整流器的输入与输出 f i g 3 - 1i n p u ta n do u t p u to f i d e a lp u l s er e c t i f i e r p w m 整流器引入的目的是为了克服相控整流器电网的污染和改善系统功率 因数，图3 1 所示为理想的p w m 整流器，理想情况下，认为所有元件为理想开关， 则输入功率b ( f ) 等于输出功率只，考虑到p w m 整流器从交流电网吸取跟网压同 1 3 北京交通大学硕士学位论文 相位的正弦电流，即输入端为 ” ，( f ) = 4 2 u s i n ( a t 如( f ) = 4 2 z j ，s i n m t 即 r ( f ) = 如( f ) u n ( f ) = 如( 1 一c o s 2 c o t ) = 只( f ) = i d ( t ) u d ( f ) 由此看出，电网的输入功率最( f ) 是以2 倍于电网频率脉动的。 b v 垒 i 石 i写 一a 士 _ - 屹一一 b i互ic 1r ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 图3 - 2 单相p w m 整流器的电路原理图 f i g 3 - 2c i r c u i to fs i n g l e - p h a s ep w m r e c t i f i e rd i g r a m 图3 2 所示为单相p w m 整流器的电路原理图，其中的电子开关t l t 4 在实 际应用中可由m o s f e t 、b j t 、i g b t 、g t o 、m c t 或i g c t 等全控器件和与之相 反并联的快恢复二极管构成。图中的虚线部分为一个单相无源逆变电路，直流侧 电压为仉，无源逆变电路的输出电压为五。，电网电压为厅。对于直流侧恒定的直 流电压，采用正弦脉冲宽度调制技术，可以在交流输出端得到频率、幅值和相 位都任意可控的正弦电压矢量五。，于是得到如图3 3 所示的等值电路。通过控制 电压矢量五。的频率与电网电压矢量厅完全一致则可以得到如图3 4 所示的矢量 图，五。为电压矢量应。的基波分量，j 。为输入电流矢量j 的基波分量。由矢量图 可知只要通过控制变流器输出电压矢量五。的端点在与电网电压矢量矗垂直的且 与其端点相交的直线上( 图中虚线所示) ，则可获得p w m 整流器工作在整流工况 和逆变工况时的1 o 和1 o 的功率因数。图3 3 中的电抗器l 为滤波和储能之用。 u n 图3 - 3 单相p w m 整流器等值电路 f i g 3 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i to fs i n g l e - p h a s ep u l s er e c t i f i e r 1 4 太阳能并网变流器工作原理与控制策略 b ( a ) 整流工况( b ) 逆变工况 ( a ) r e c t i f i e ro p e r a t i n gm o d e ( ”i n v e r t e ro p e r a t i n gm o d e 图3 _ 4 基波矢量图 f i g 3 - 4v e c t o r o fo r i g i n a lw a v ed i g r a m p w m 整流器按直流侧的电压和电流情况可以分为电压型与电流型两类。 直流侧电压恒定的p w m 整流器为电压型，即u a ( t ) = ，且2 ，称 电压型p w m 整流器，此时其输出电流为 渺学= 警”c o s 2 m t ) ( 3 - 4 ) 可见，输出电流i d ( t ) 与电网输入功率一样，也是以2 倍于网频脉动的。 直流侧电流恒定的p w m 整流器为电流型，i a ( t ) = l ，且l 2 凡，称电流 型p w m 整流器，其输出电压为 姒垆警= 半”c o s 2 c o t ) ( 3 - 5 ) u d ( f ) 也是以2 倍于网频脉动的输出电压。 对于理想p w m 整流器，为使在整流和逆变工况下p w m 整流器从电网吸收的 电流或注入电网的电流具有较少的谐波含量，交流侧与电网之间也需接入相应的 滤波器。 3 1 2 单相p w m 整流器的主电路结构及工作原理 用i g b t 代替图3 2 中的电子开关，则构成了用i g b t 实现的单相电压型p w m 整流器。在图3 5 中，”( f ) 是正弦波电网电压；以是p w m 整流器直流侧电压； u 。( f ) 是无源变流器的交流侧电压，为p w m 控制方式下的脉冲波，其基波与电网 电压同频率，幅值和相位可控；i x ( t ) 是p w m 整流器从电网吸收的电流。t l r 4 是全控器件i g b t ，d i d 4 是续流二极管。对t 1 t 4 进行合适的p w m 控制，使 其得到图3 4 所示的域矢量方向，一方面保证恒定，另一方面根据不同运行工 1 5 北京交通大学硕士学位论文 况要求，使网流k ( f ) 与网压( f ) 的相位同相或反相。脉冲频率越高，脉冲波 ( f ) 的基波幅值越大，而谐波含量越低，网流( f ) 波形就越接近正弦波6 1 。 图3 5 单相电压型p w m 整流器的主电路图 f i g 3 - 5m a i n c i r c u i to fs i n g l e - p h a s ep w mv s rd i g r a m 由图3 5 可看出，通过构成桥式整流的整流二极管d i - d 4 可将电网交流电能 变为直流供给中间储能回路或负载；也可经主开关管t l 1 阱将中间储能回路或负 载方面的直流能量逆变为交流，反馈给电网，所以p w m 整流器的能量变换或传递 是可逆的，而能量传递的总趋势，或说p w m 整流器工作在整流还是逆变工况，与 t 1 1 r 4 的脉宽调制( p w m ) 方式有关。 图3 6 是单相电压型p w m 整流器的简化主电路原理图。 从图3 - 6 可知，“( f ) 是正弦波电网电压；u s ( f ) 是无源逆变器的交流侧电压， 为p w m 控制方式下的脉冲波，其基波频率，幅值和相位均可控；i n ( f ) 是p w m 整流器从电网吸收的电流。 。 l 1 l “s 1 l 一 卡“ 图3 - 6 主电路简化原理图 f i g 3 - 6s i m p l i f i e do f m a i nc i r c u i td i a g r a m 取“胡( f ) 为交流侧电压( f ) 的基波分量，k ，( f ) 为电流f ( f ) 的基波分量，在忽 略电网电阻的条件下，则对于基波分量，有下面的相量方程成立： = u s l + j c o i v “如l ( 3 6 ) 其相量图如图3 7 所示。 其中图3 - 7 ( a ) 为整流( 牵引) 工况，图3 7 ( b ) 为逆变( 再生) 工况，从相量图可 知，j ，既不与d 同相，也不反相。若p w m 整流器工作在这种状态下，势必会造 成对电网的电气污染。 1 6 太阳能并网变流器工作原理与控制策略 ( a ) 整流工况( b ) 逆变工况 ( a ) r e c t i f i e ro p e r a t i n gm o d e ( ”i n v e r t e ro p e r a t i n gm o d e 图3 _ 7 低功率因数相量图 f i g 3 7p h a s o r o fl o wp o w e r f a c t o rd i a g r a m imr n ( a ) 整流工况逆变工况( c ) 考虑电网电阻尺 ( a ) r e c t i f i e ro p e r a t i n gm o d e ( b ) i n v e r t e ro p e r a t i n gm o d e( c ) c o n s i d e rt h eg r i dr e s i s t a n c e 图3 8 基波相量图 f i g 3 - 8p h a s o r o fo r i g i n a lw a v ed i g r a m 采用p w m 整流器的目的是使它对电网的污染降至最低程度，即它应从电网吸 取尽可能与网压同相位的正弦电流，因此必须采用合适p w m 方式，使其产生与网 压d 同频率的调制电压o s ，同时，调制电压畎应使得网流的基波分量j 与网压 d 相位一致。此时，对应的相量图已表示在图3 8 中，其中图3 - 8 ( a ) 为整流( 牵 引) 工况时，l ，与吼同相位；图3 - 8 c o ) 是逆变( 再生) 工况，j 。与吼相位相反， 考虑电网电阻尺时的整流工况如图3 - 8 ( e ) n 示e 6 1 1 7 1 。 为保持网流j 。与网压痧相位一致，功率因数为1 o ，在图3 - 8 ( a ) 中通过脉宽 调制的控制，在不同的负载电流下使得吠相量端点轨迹沿直线a b 运动。 要保持网流j 。与网压d 相位相反，功率因数为1 o ，在图3 - 8 ( b ) 中通过脉宽 调制的控制，在不同的负载电流下使得d 。相量端点轨迹沿直线c d 运动。 p w m 整流器的能量变换或传递是可逆的。p w m 整流器在进行脉宽调制 ( p w m ) 工作时，若其中能量传递的总趋势是由电网向直流中间环节( 或负载) 传 1 7 北京交通人学硕士学位论文 递，属整流工况( 或牵引) ，若后者向前者反馈，属逆变工况( 或再生) 。而能量 传递的总趋势，即p w m 整流器工作在整流还是逆变工况，由功率开关器件t l t 4 的脉宽调制( p w m ) 方式所决定，其中主要由参照电压咏( f ) 和网压( f ) 之间的 相位所决定。 3 1 3电压型三相p w m 整流器主电路结构及工作原理 图3 - 9 是电压型三相桥式p w m 整流电路( 忽略电网电阻) ，这是最基本的p w m 整流电路之，其应用很广泛。对电路进行正弦波p w m 控制，在桥的交流输入端 a 、b 、c 可得正弦p w m 脉冲波电压，对各相电压按照图3 - 8 ( a ) 所示相量图进行控 制，就可以使各相电流为正弦波且与电压相位相同，实现功率因数近似为l 。同样， 电路也可以工作在图3 8