（电力电子与电力传动专业论文）风光柴互补发电系统并网逆变器的研究.pdf

a b s t r a c t a st h er a p i de x p a n s i o no ft h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i n gs y s t e ms u c ha sw i n dp o w e r g e n e r a t i o na n ds o l a re n e r g yp o w e rg e n e r a t i o n ，t h ew i n d - s o l a r - d i e s e lh y b r i dg e n e r a t i o n s y s t e mi sm o r ea n dm o r ep o p u l a r t h e r e a r et h r e et y p e sm o d em e t h o df o rg r i d c o n n e c t e do fw i n d s o l a r d i e s e lh y b r i dg e n e r a t i o ns y s t e m ：d cb u s ，p a r a l l e la n da c b u s a st h ep o p u l a ro ft h eg r i dg e n e r a t i o n ，t h ed e f e c t so ft h ed cb u sm o d ea n d p a r a l l e lm o d ea r em o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g ，a n dt h em e r i to ft h ea c b u sm o d ei s m o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n gt o o t h ea cb u sm o d eh a sb e e nu s e di nt h ef o r e i g n ，b u t i t ss t i l li nt h ep r i m a r ys t a g ei no u rc o u n t r y t h ec o n n e c t e dc o n v e r t e ri st h em o s t i m p o r t a n tp a r to ft h ea cb u sm o d e ，a n dt h ep e r f o r m a n c e o ft h ec o n n e c t e di n v e r t e r i n f l u e n c et h es t a b i l i t yo ft h eg e n e r a t i o ns y s t e m t h et h r e et y p e sm o d ef o rg r i dc o n n e c t e do ft h ew i n d s o l a r - d i e s e lh y b r i dg e n e r a t i o n s y s t e mh a sb e e nb r o u g h tu p ，a n dt h ed e t a i l e dw o r k i n gp r o c e s so ft h e w i n d - s o l a r - d i e s e l h a sb e e ng i v e n a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n n e c t e di n v e r t e ru s i n gi n t h e w i n d s o l a r d i e s e lg e n e r a t i o ns y s t e mh a sb e e ng i v e n ，t h ev o l t a g ec o n t r o lm o d ea n dt h e c u r r e n tc o n t r o lm o d ew h i c hu s et oi m p l e m e n tg r i dc o n n e c t e dh a sb e e nt h o r o u g h l y d i s c u s s e d ，t h ei m p r o v eo ft h ec o n v e n t i o n a ls p w mc o n t r o lm o d eh a sb e e nt h o r o u g h l y d i s c u s s e dt o o f o rt h ec o n n e c t e di n v e r t e ru s i n gi nw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h r e e t y p e so fu n l o a d e dc i r c u i th a sb e e ng i v e na n dt h ec o m p a r eh a sb e e ng i v e nt o o ，t h em o s t m e r i tm e t h o dh a sb e e na c c e p t e da n de x p e r i m e n t i z e d ，a n dt h eb o o s tc i r c u i th a sb e e n u s e dt oo p t i m i z et h ec o n n e c t e dc o n v e r t e rs y s t e m f o rt h es o l a rp o w e rc o n n e c t e d i n v e r t e r , t h eb o o s tc i r c u i th a sb e e nu s e dt or e a l i z et h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) ，t h ec o m p a r eo ft h em e t h o dt or e a l i z em p p t h a sb e e ng i v e n ，a n dt h em e t h o d o ft h r e ep o i n tc o m p a r eh a sb e e ne x p e r i m e n t e da n dd i s c u s s e d k e yw o r d s ：a cb u s ，w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ，s o l a rp o w e rg e n e r a t i o n ，c o n n e c t e d i n v e r t e r h 硕十学位论文 曼曼曼曼曼舅曼舅曼曼曼曼曼舅曼皇曼曼曼蔓曼量曼皇蔓曼鼍曼量i i ；i i i ii i i 。鼍曼曼蔓皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼孽 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 撇 7 日期：弘卜年6 月；e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：弘侔 日期：乙红 | 易月多日 6 只3 e l 硕士学位论文 一ii i i i 一i i 曼皇曼皇曼 1 1 概述 第1 章绪论 随着不可再生能源的枯竭，能源危机日益严重，寻求不可再生能源的替代品 已经成为当今世界各国所研究的重要课题；同时，由于环境的污染，各国也在积 极地寻求清洁环保的新能源。太阳能为可再生能源，一年内到达地球表面的太阳 能总量折合成标准煤约有1 8 9 2 1 0 1 3 千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一 万倍，相对于常规能源的有限性，太阳能可谓取之不尽用之不竭。另外，太阳能 分布广泛，其存在具有普遍性，基本上不受地域的限制，对于常规能源缺乏的国 家尤为珍贵；并且太阳能清洁、环保乜儿3 1 。风能也一样为可再生能源，每年全球 可利用的风能约为2 1 0 7 m w ，是地球上可开发利用的水能的l o 倍h 司阳1 。在可再 生能源已成为世界各国可持续发展的战略措施的今天，光能和风能的利用尤为重 要。同时，光伏发电和风力发电既可并入普通电网，还可以满足偏远无电网地区 的用电需求。由于昼夜及气候的影响，单一的光伏发电或风能发电的稳定性和容 量等都受到限制。相比单一的太阳能、风能发电而言，采用风光柴互补发电系统 可以提高供电的稳定性，在边远无电网地区，该发电系统的优点尤为突出。 风光柴互补发电系统的模型主要分为纯直流母线型、交直流混合母线型和纯 交流母线型。纯直流母线型存在直流部件安装造价高，不容易进行系统容量扩充， 光伏发电和风力发电所发出能量的利用受制于逆变器容量等缺点。交直流混合母 线型也具有纯直流母线型的缺点。而纯交流母线型则没有这些缺点，并且它还具 有兼容常规电网、各发电设备功率可叠加、系统扩充容易、系统造价降低，以及 同时充分考虑多种能源互补的使用，具有可靠运行、模块式结构、根据用户用电 量的增加而进行系统容量扩充的众多优点h 】【8 】一1 。正是由于它的优点突出，本文的 系统采用纯交流母线型。基于纯交流母线的风光柴互补发电系统在国外的应用已 经相当广泛，但是在国内对该类型发电系统的相关研究依然少见n 训。并网逆变 器是风光柴互补发电系统中的关键部分，并网逆变器的效率和稳定性直接影响到 整个系统，然而我国在并网逆变器的研究上仍与世界水平差距很大，存在的主要 问题是技术性能不够高，可靠性低，品种规格少，功能不多等h 1 1 劓。因此，研 究出效率高，运行稳定可靠的高性能多功能的并网逆变器对我国的新能源战略以 及解决边远地区的用电问题有着非常重要的意义，同时也有着非常广阔的市场空 间。 风光柴互补发电系统并网逆变器的研究 1 2 并网逆变器的发展过程 逆变器是一种直接把直流电( d c ) 转换成交流电( a c ) 的装置。根据用途的 不同，逆变器可分为独立逆变器和并网逆变器。早期出现的是用于空调、家庭影 院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、d v d 、v c d 、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、 冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明、汽车等的独立逆变器。独立逆变器的结构 比较简单，只是把直流电变成交流电，根据负载特性输出的波形可为方波或是正 弦波n 引。 随着新能源利用的推广，尤其是风力发电和光伏发电的普及，新能源发 电并网已是一种趋势，因而并网逆变器也伴随而生。根据发电源的不同，并网逆 变器可分为风力发电并网逆变器、光伏发电并网逆变器、生物发电并网逆变器以 及核能发电并网逆变器等。由于发电源特性的不同，以其分布式发电系统的发展， 单一的逆变结构已无法满足工作要求，为了更充分地发挥发电源的功效，人们提 出了在并网逆变器中增加不同的附加结构，亦即出现了新型的并网逆变器。比如 风电并网逆变器中带有整流及卸载功能，光伏并网逆变器中具有m p p t 功能等。 以上所说的并网逆变器的主要作用是用于把电能并入大电网；本文中的并网 逆变器用于风光柴发电系统，即小系统内的并网，国内该类型的并网逆变器的研 究尚处于初级阶段。并网逆变器在工作时，其自身也需要消耗一部分电能。而风 光柴发电系统多为小功率系统，为了提高系统电能的利用率，对于并网逆变器， 除了要求它能可靠运行之外，对其效率的要求非常高。 1 3 国内外并网逆变器的现状 1 目前我国并网逆变器的研究情况 我国在并网逆变器方面的研究起步较晚，还存在着各种缺陷，并且技术性能 不高、功能单一、可靠性低等。例如对于光伏并网逆变器的研究，1 9 9 6 年底立项， 由北京市计科能源新技术开发公司和合肥工业大学能源研究所共同研制，并于 1 9 9 8 年研制出3 k w 的可调度型并网逆变器，2 0 0 6 年合肥阳光能源公司研制出了6 k w 级的光伏并网逆变器，并已通过科技部评审，2 0 0 8 年研制出了单个输出功率达3 0 k w 的产品n 们n 引。在风力发电并网逆变器领域，我国的研究起步更晚，我国于2 0 0 5 年立项，于2 0 0 7 年研制出了1 5 k w 的产品。同时，我国基于交流母线型分布式发 电系统的并网逆变器的研究尚处于初级阶段，用于风光柴互补发电系统的并网逆 变器也尚处于研究的初级阶段，而现在在国外，交流母线型分布式发电系统的应 用已经是种趋势，用于风光柴互补发电系统的并网逆变器也已投入市场。因而， 研制基于纯交流母线型发电系统的并网逆变器具有非常重要的意义。 2 国外并网逆变器的研究情况 2 硕十学位论文 国外在分布式发电系统并网逆变器方面的研究较早，1 9 9 0 年已有相关报道， 目前在光伏并网逆变器领域处于领先地位的是德国的s m a 公司，他们已投入市场 的光伏并网逆变器单个最高输出功率已达4 9 6 k w 。在风力发电并网逆变器领域， s m a 公司的6 k w 产品已投入市场。由此可见，我国在分布式发电系统并网逆变器上 的研究与国外水平相比仍有很大的差距。 1 4 本文研究的意义与目的 传统的风光柴互补发电系统为直流母线型或是交直流混合母线型，纯直流母 线型存在直流部件安装造价高，不容易进行系统容量扩充，光伏发电和风力发电 所发出的能量的利用受制于逆变器容量等缺点。交直流混合母线型也具有纯直流 母线型的缺点。而纯交流母线型则没有这些缺点。基于纯交流母线型的分布式发 电系统，需要把各个独立发电单元发出的电输入交流母线，交流母线中的电为 2 2 0 v 5 0 h z 的交流电，为了减少并网逆变器对交流母线波动的影响，以及减少其对 电网( 除特别注明之外，本文中的电网指的是风光柴互补发电系统中的交流母线) 的谐波污染，实现并网功能，必须要求并网逆变器的性能达到相应的指标要求。 传统的并网逆变器中电流跟踪控制误差大，稳定性差；同时，其不适用于风光柴 互补发电系统。通过对传统并网逆变器控制策略的改进可提高并网逆变器的稳定 性，减小控制误差，同时通过电路结构的拓扑可使之适用于风光柴互补发电系统。 因为自然风速的不稳定性，从风力发电机发出的电电压幅值和频率波动较大。 输入到并网逆变器后会影响并网逆变器输出的稳定性。而若是通过控制使并网逆 变器中逆变桥输入电压稳定在一定范围内，将可以提高风电并网逆变器的电压稳 定性。 由于光伏电池阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境 温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不 同的输出电压，但是只有在某输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最 大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，即最大功率 点。在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整 光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，即最大功率点跟踪( m a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) n 引。传统光伏并网逆变器m p p t 稳定性差，因而提高 其m p p t 的稳定性和可靠性具有重要的意义。 1 5 本文的研究内容 本文的研究目的是立足于本专业基本理论，结合其它相关学科方面的知识以 3 风光柴互补发电系统芹网逆变器的研究 及前人在这一领域内的研究成果，从高效、可靠以及实用性的角度出发，研究出 一套具有实际应用价值的基于纯交流母线型风光柴互补发电系统的并网逆变器。 本文从并网逆变器的特性出发，针对传统并网逆变器技术性能不够高，可靠性能 低，品种规格少，功能不多以及不适用于风光柴互补发电系统等问题，对其电路 结构进行拓扑，并对控制策略进行优化；针对传统风力发电并网逆变器中单相全 控桥输入电压波动大的缺点，对其主电路进行优化：针对传统光伏并网逆变器m p p t 稳定性差的缺点，对其算法进行优化；最后运用优化了的算法、电路和改进了的 控制策略设计适用于纯交流母线型风光柴互补发电系统的并网逆变器，以提高风 光柴互补发电系统的稳定性和效率。全文共分6 章，内容安排如下： 第l 章简要地介绍了并网逆变器的现状、发展趋势，以及本文研究的目的与 意义及论文的结构安排。 第2 章在分析传统风光柴互补发电系统的基础上阐述了纯交流母线型风光柴 发电系统的工作过程及并网逆变器在整个系统中的作用，进而介绍了风光柴互补 发电系统并网逆变器的基本组成、工作模式和特性。 第3 章研究了并网逆变器的控制方法。首先介绍传统的s p w m 控制法，然后针 对这两种控制方法的缺点提出了对传统s p w m 控制法引入前馈控制的方法，并阐述 了前馈控制的实现过程和作用。 第4 章具体介绍风电并网逆变器的硬件和软件设计。首先分析了风力发电机 的结构特性，进而给出了本文的风电并网逆变器系统结构，其次分析对比了常见 卸载电路以及本文采用的卸载电路的优点，同时对引入的起稳压控制作用的b o o s t 电路进行了分析，最后给出了风电并网逆变器的软件系统设计。 第5 章首先分析了太阳能电池的特性及m p p t 的控制方法，并给出了本文的光 伏并网逆变器系统整体结构，其次对传统m p p t 算法进行了分析对比并提出了优化 方法，进而设计了m p p t 的硬件实现电路，最后给出了光伏并网逆变器的软件系统 设计。 第6 章详细介绍了风力发电系统和光伏发电系统中各部分参数，并进行了实 验，最后对并网逆变器的实验结果进行了分析。 4 硕士学位论文 第2 章并网逆变器的组成和基本原理 2 1 风光柴互补发电系统的组成 根据系统结构中共用母线的不同，风光柴互补发电系统可分为纯直流母线型、 交直流混合型和纯交流母线型。纯直流母线型风光柴互补发电系统结构如图2 1 所示9 1 。 f u e lc e l l s s o l a rp vw i i l d a r r a yg e n e r a t o r 上 甲夺 t 甲蒜。甲嚣r d i e s e lg e n s e t a cl o a d 图2 1 纯直流母线型风光柴互补发电系统结构图 由图2 1 可知，纯直流母线型风光柴互补发电系统由蓄电池组、光伏陈列、 光伏控制器、风力发电机、风电控制器，柴油发电机组，逆变器等组成。显然， 纯直流母线型风光柴互补发电系统的发电容量受限于直流母线，欲扩大直流母线， 则系统造价将会很高。纯直流母线型风光柴互补发电系统只适合用于独立区域的 供电，且多为小型发电系统。 交直流混合母线型风光柴互补发电系统结构如果2 2 所示。由图2 2 可见， 交直流混合型风光柴互补发电系统的组成单元与纯直流母线型风光柴互补发电系 统基本相同，特点是直流母线和交流母线并存，直流母线和交流母线之间通过双 向逆变器连接。交直流母线混合型风光柴互补发电系统一样具有纯直流母线型的 缺点，即系统不易扩容，扩容造价高等，不利于作为分布式发电系统来推广。 5 风光柴互补发电系统并网逆变器的研究 f u e lc e l l s s o l a rp vw i n d a r r a yg e n e r a t o r 上 甲夺 1 - 固c 嚣固曲w 掣i n d il d i e s e lg e n s e ta cl o a d 图2 2 交直流混合型风光柴互补发电系统结构图 纯交流母线型风光柴互补发电系统结构如图2 3 所示。 d i e s e lg e n s c t a cl o a d 图2 3 纯交流母线型风光柴互补发电系统结构图 由图2 3 可知，纯交流母线型风光柴互补发电系统中风力发电机发出的电和 光伏阵列发出的电都将通过并网逆变器输送给交流母线。交流母线中的为 2 2 0 v 5 0 h z 的交流电，各用户单元可以直接使用。显然，纯交流母线型风光柴互补 发电系统扩容时只需增添各发电系统以及更换交流母线即可，而不变像纯直流母 线型和交直流混合母线型那样需更换容量更大的逆变器。因而纯交流母线型风光 柴互补发电系统的扩容容易，且系统造价低。 6 硕十学何论文 曼曼i i i i ii l l l i i l ! 曼曼曼曼寰! 曼曼曼曼! 曼曼皇皇! ! 曼曼曼曼! 曼曼曼! 皇曼皇! 曼曼曼曼蔓! 曼曼! 曼! 曼! 曼鼍 由以上分析比较可知纯交流母线型风光柴系统具有纯直流母线型和交直流混 合母线型所没有的众多优点，因而本文采用纯交流母线型。 对于纯交流母线型风光柴互补发电系统，其工作状态可分为单机独立运行和 多机并网运行两种情况。 当只有风能、太阳能、柴油发电机组或是蓄电池组中的一个发电单元供电时， 则系统处于单机独立运行状态。当处于多机并网运行状态时，首先启用风能发电， 并且风能发电并网逆变器运行于独立模式；如果风能发电不能满足用户需求，则 再启用光伏发电，光伏发电并网逆变器运行于并网模式；当风能发电和光伏发电 都不能满足需求时，启用蓄电池的电能，蓄电池通过双向逆变器实现并网放电。 如果风力发电、光伏发电和蓄电池电能都不能满足需求，则启用柴油发电机组。 在各个情况中，若有多余电能，则给蓄电池充电。 由风光柴互补发电系统的工作特性可知，此系统不仅可以解决边远无电网地 区的用电需求，而且可以保证电能供给的稳定性。 在风光柴互补发电系统的运行过程中，并网逆变器的主要作用是根据运行状 态的不同，把风力发电系统发出的不稳定的交流电处理成2 2 0 v 5 0 h z 的交流电后 输出给交流母线，或是把光伏发电系统发出的直流电处理成2 2 0 v 5 0 h z 的交流电 后输出给交流母线，使输出的电能达到用户的用电要求和并网的质量要求。因而 可见并网逆变器的效率和稳定性影响到整个风光柴发电系统的性能，高效率稳定 性好的并网逆变器可以提高整个风光柴发电系统的供电质量。 2 2 逆变电路与滤波电路的结构分析 1 三种逆变电路结构及工作原理 对于单相并网逆变器，其逆变电路主要有三种结构，即推挽式逆变电路、半 桥逆变电路和全桥逆变电路。以下将分别对三种逆变电路的结构和工作原理进行 分析比较。 ( 1 ) 推挽式逆变电路 推挽式逆变电路的结构如图2 4 所示n 引。 图2 4 推挽式逆变电路 7 风光柴互补发电系统并网逆变器的研究 推挽式逆变电路在输出端需要原边带有中心抽头的变压器。通过p w m 控制信 号来控制t 。和t ：时，既可使推挽式逆变电路的输出为交流电压。显然，推挽式逆 变电路所用的器件较少，但同时可以看出，推挽式逆变电路中开关器件承受的电 压为输入侧电压的两倍，即为2 “。，因而推挽式逆变电路适用于原边电压比较低的 场合。 推挽式逆变电路的主要优点是导通路径上的串联开关元件数在任何瞬间都只 有一个，当逆变器的直流输入来自较低的电压源时，其优点尤为突出。在这种场 合，导通回路上的开关元件数的增加会导致能量利用率的明显下降。推挽式逆变 电路的另一优点是两个开关元件的驱动电路具有公共地，这将简化驱动电路的设 计。推挽式逆变电路的主要缺点是很难防止输出变压器的直流饱和，开关元件的 耐压值必须是输入侧电压的两倍以上n 引。 由于推挽式逆变电路本身结构特点，其只能输出方波电压，而不能输出正弦 电压波形，因而该电路结构一般用于小功率方波逆变电源系统，逆变功率一般小 于1 k w 。而在本文中，风光柴互补发电系统中的交流母线电压必须为正弦波形，并 且风力发电机和光伏阵列的输出功率都为i o k w 级，显然，推挽式逆变电路不能满 足本文的要求。 ( 2 ) 半桥逆变电路 半桥逆变电路原理如图2 5 所示n 引。 图2 5 半桥逆变电路 半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组 成。在直流侧接有两个互相串联的足够大的电容，两个电容的联结点便为直流电 源的中点。当t ，或t 。为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量； 当v d 。或v d 。为通态时，负载电流和电压反向。 半桥逆变电路的优点是结构简单，控制也较为简单，使用的器件少，成本低。 其缺点是输出交流电压的幅值珑仅为输入侧电压的一半，即。2 ，且直流侧需要 两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡，另外开关器件t ，和t ：的 额定电流较大。半桥逆变电路常用于几k w 以下的小功率逆变电源h 引。 显然，由于半桥逆变电路的缺点，其亦不适用于本文的并网逆变器中。 ( 3 ) 全桥逆变电路 8 硕十学位论文 单相全桥逆变电路的原理图如图2 6 所示。 ， c l 每一妊d 3 | u n l 一 = 母l p 图2 6 单相全桥逆变电路 由图2 6 可知，全桥逆变电路有4 个桥臂，可以看成是由两个半桥逆变电路 组合而成。该逆变电路是单相逆变电路中应用最多的电路，主要用于大容量场合。 在相同的直流输入电压下，全桥逆变电路的最大输出电压是半桥逆变电路的两倍， 亦即当输出功率相同时，全桥逆变电路的输出电流和通过开关元件的电流均为半 桥逆变电路的一半。因而当应用于大功率场合时，全桥逆变电路可减少所需并联 的元件数1 8 m 9 1 。 同时，通过采用s p w m 控制法，并在全桥逆变电路输出侧引入滤波电路，可使 输出的电压为正弦波形。 对比了以上三种逆变电路，显然只有全桥逆变电路适用于本文，因而本文采 用全桥逆变电路。 2 两种滤波电路结构及工作原理 从逆变电路输出的电压为p w m 波形，而非正弦波形，因而必须把高次谐波滤 除才能得到所需的正弦电压波形。常用的滤波电路有l c 滤波及l c l 滤波，下面将 对这两种滤波电路进行对比分析。 ( 1 ) l c 滤波电路 l c 滤波电路结构如图2 7 所示，l c 滤波电路为二阶滤波，滤波效果较好，独 立工作运行的逆变器大部分都是使用l c 滤波电路，其优点是电容能够在空载时提 供一定的无功电流，有利于电压电流双环控制法的稳定工作。在并网逆变器中也 可使用l c 滤波电路，经过电容后的输出电流作为并网电流。当电网侧电压在正常 的范围内，丘较大时，l c 滤波电路输出电流与输入侧基本保持不变心们。 ( 2 ) l c l 滤波电路 图2 7l o 滤波电路 9 二 风光柴互补发电系统并网逆变器的研究 l c l 滤波电路的滤波效果好，其为三阶滤波电路，其电路结构如图2 8 所示。 l c l 滤波电路常用于并网逆变器中。但其不适用于独立工作模式，即l c l 滤波电路 不适用于具有独立运行和并网运行双模式的逆变器乜们。 l 1l 2 厂= c l 毛 i 图2 8l o l 滤波电路 根据以上分析对比可知，本文的并网逆变器具有独立运行和并网运行两种工 作模式，只能采用l c 滤波电路。 2 3 并网逆变器的组成及工作模式 由2 2 节可知，本文采用单相全桥电路作为逆变电路，对于普通的单相全桥并 网逆变器，其主电路组成结构如图2 9 所示2 1 m 2 m 3 m 2 引。由图2 9 可知，单相并 网逆变器主要由滤波电容、全桥逆变电路及l c 滤波电路等组成。 交 流 电 网 图2 9 普通单相并网逆变器主电路结构 并网逆变器具有不同的工作模式和工作特性，以下将分别进行分析。 1 并网逆变器的工作模式 本文中的并网逆变器具有两种工作模式：独立运行模式和并网运行模式。并 网逆变器处于单机独立运行模式还是并网运行模式主要由中控单元控制。以下将 分别阐述两种工作模式下的控制思想。 ( 1 ) 单机独立运行模式 当并网逆变器工作于单机独立运行模式时，其输出为2 2 0 v 5 0 h z 的正弦交流 电，并网逆变器输出的交流电的频率由控制芯片内部给定。 ( 2 ) 并网运行模式 当并网逆变器工作于多机并网运行模式时，运行于并网模式的逆变器输出的 交流电的频率由电网侧电压给定。 2 并网逆变器的并网特性 l o 硕七学位论文 欲使并网逆变器能够正常并网，其工作时必须满足一定的条件，首先是并网 逆变器的输出电压不能低于电网侧的电压，如果逆变器的输出电压低于电网侧的 电压，并网逆变器将不能把电能送入电网，并且会成为负载而消耗电网的电能。 另外，为了减小并网逆变器对电网带来的谐波污染，并网逆变器的输出电压 或是电流还必须满足一定的条件。即并网逆变器的输出电压与电网电压同频率同 相位同幅值或是并网逆变器的输出电流与电网电压同相位同频率。我们通常把满 足并网逆变器输出电压与电网电压同频率同相位同幅值的控制方法称为电压控制 法，而把满足并网逆变器输出电流与电网电压同频率同相位的控制方法称为电流 控制法。 电压控制法存在着锁相回路响应慢，逆变器输出电压值不易精确控制，且可 能出现换流等缺点，而电流控制只需控制其输出的正弦电流与电网电压同频率同 相位即可，其实现较为简单，所以本文采用电流控制方式。 2 4 并网逆变器主电路计算 本文中的并网逆变器引入了b o o s t 电路，其主电路结构如图2 1 0 所示。有关 b o o s t 部分的作用、控制设计将根据输入侧的特性来确定，具体将在第4 章和第5 章单独阐述，在此先不给予论述。 b o o s t 升压斩波电路逆变电路 。i r - - 、li f 畔 l l 辉斟 d l 丘； _ e c i+ = ji i 图2 1 0 本文采用的并网逆变器主电路结构 由图2 1 0 可知，本文设计的并网逆变器主电路部分主要由b o o s t 升压斩波电 路、逆变电路、l c 滤波电路、并网开关等组成。 并网逆变器中各部分器件的参数计算及选型如下： 1 b o o s t 部分的器件参数计算 由于本文的并网逆变器的耐压值为6 0 0 v ，最大电流值为5 0 a ，考虑一定余量， t 。选择1 2 0 0 v 9 0 a 的i g b t ，工作频率为五= 1 6 k h z 。b o o s t 电路中的输入输出电压 关系为1 8 3n 9 】： 。而u d c i q ( 2 1 ) d 为t 。的占空比，在实际应用中当输入电压为2 0 0 v 时，为保证能够并网，要 风光柴互补发电系统并网逆变器的研究 求。m 。不小于3 1 0 v ，此时的占空比最大，由公式 d 眦- - 1 一等堑 ( 2 2 ) u d a j n k 可算得最大占空比历。为0 3 5 。 同时l 。的选取要满足纹波的要求，因而l 。的计算公式为： 厶：v d c i n d m a x ( 2 3 ) 、。 式中珂为电流波纹，实际应用中珂4 0 1 5 厶。，亦即班6 a ，因而可算得厶 1 2 4 m h ，实际设计中取值为计算值的1 5 - 2 倍，故在此l 。选择为4 m h 。 2 电容c ，的计算 电容c 。主要起支撑和滤波作用。由于逆变桥输入侧直流电源的不稳定会影响 逆变器输出的不稳定，进而影响整个逆变器的输出及性能，因而电容c 。的作用是 非常重要的，其参数计算和选型也是非常关键的。电容c 。的计算公式为n 盯乜们 e l 墨x 议厂d c l i n k v u c ( 2 4 ) 式中阢c 为亘流支撑电容波动电压值，只，为输出平均功率，为角频率，表示 电容上电压的波动，。- m 为直流母线电压。而沲。可通过公式2 5 来计算得到。 v u c 。一1 岸h ，黑s i n ( 2 t o t ) ( 2 5 ) 。c 1 j c k i 吐2 议，d c f i n k c l 7 、。 式中i , p 为功率波动值。 在此逆变器中，瓦取额定功率值，即i o k w ，。m 。最小值为3 1 0 v ，地。取“。m 。 的1 0 ，即为3 1 v ，而= 2 五，易算得g93 3 11uf ，考虑一定的余量，本文中 选取值为4 4 0 0l jf 。 3 滤波环节中电感及电容的计算 本文中的逆变部分采用单极性s p w m 控制，电感电流纹波峰值的最大值取额定 输出电流的2 0 ，即一2 0 去，同时又有“8 v i ，_ u o - v d c i i n kg喜，i(uo-u眦)uooi,k ( 2 6 ) 三2 9 2 无2 l 2 u 。l 其中d ，斋l 为脉冲宽度，l 为开关频率。当瓯。旦学时，姐最大， o d c h n k - 一1 薏，故三z 2 砥v d c l i n k ，带入相关数可得1 5 m h , 实际取2 m h 。 电容的选择，根据电容无功功率选取c 。的参数值，一般取1 5 的额定功率来 设计。即有 硕十学位论文 c ：，0 1 5 = 兰：。= j 旦i 兰皇生坠。9 8 7 f ( 2 7 ) 扫f u ? 幼x 5 0 x 2 2 0 x 2 2 0 取余量最后选定的电容值为1 0 0pf 。 4 逆变电路开关器件的计算 流过逆变电路开关管的电流峰值与电感电流峰值一致，所以要求开关管的电 流额定值必须大于电感电流峰值的最大值。电流峰值计算公式如下乜们 i c 咖= 鼍一丽4 5 0 = 0 4 7 8 a ( 2 8 ) 故可知流过电感的电流峰值为i l 一- t o 。= 4 5 4 4 x 2 ；6 4 2 5 a ，考虑一定的余 量后，i g b t 的型号选定为1 2 0 0 v i o o a 。 2 5 并网逆变器控制电路设计 本文中的并网逆变器，其控制原理结构图如图2 1 1 所示。控制电路部分主要 由检测电路、数据处理芯片和驱动电路等组成。 图2 1 1 并网逆变器控制原理结构图 在该并网逆变器中，输入侧采集的是电压和电流的幅值，而逆变桥输出侧采 集的是输出电流的频率、相位和瞬时值，电网侧采集的是电网电压的频率、相位 和瞬时值。而输出为两路p w m 信号及4 路s p w m 信号，为了满足控制的性能，本文 采用m i c r o c h i p 公司的d s p i c 3 0 f 3 0 1 l 作为控制芯片，下面将对这款芯片进行简单 介绍，并对各采样电路和输出电路进行设计与分析。 1 对于d s p i c 3 0 f 3 0 1l 的简单介绍 本文中的控制部分以m i c r o c h i p 公司的d s p i c 3 0 f 3 0 11 作为控制芯片， d s p i c 3 0 f 3 0 11 是m i c r o c h i p 公司专门为电机控制而研发的一种1 6 位高速微处理 器。其主要功能特性是拥有高达3 0m i p s 的操作，带有p l l ( 4 、8 和1 6 ) 的4 m h z i o m h z 振荡器输入；2 4 k 片上闪存存储空间；3 个外部中断源，4 个处理 1 3 风光柴互补发电系统并网逆变器的研究 器陷阱源，每个中断源都有8 个用户可选择的优先级；2 4 位宽指令，1 6 位宽数 据路径； 9 路1 0 位a d 转换；5 个1 6 位定时器计数器，可选择将2 个1 6 位定 时器组合成一个3 2 位定时器；6 个p w m 输出通道，3 个占空比发生器，具有专用 时基，输出可手动改写；3 线s p i 模块： i2 c w 模块支持主从模式和7 位1 0 位 寻址；2 个带f i f o 缓冲器的u a r t 模块乜6 1 。 可以看出，d s p i c 3 0 f 3 0 1 l 具有较快的运算速度、较大的存储空间以及丰富的 通信方式，这为高精度控制和复杂算法的实施提供了物质载体；9 路1 0 位精度的 a d 转换、5 个1 6 位定时计数器；6 路p w m 输出通道，3 个占空比发生器，具有 专用时基，并且其输出可进行手动改写。因而这款芯片是很适合用来做逆变器控 制的。 2 直流电压采样电路的设计分析 对于直流电压采样，通常用的方法有两种：一是通过互感器进行检测，二是 利用分压电阻进行分压后再经隔离电路进行检测。电压互感器体积比较大而且比 较昂贵，所以本文采用分压电阻再经隔离电路进行检测。本文采用线性光耦 h c n r 2 0 0 作为隔离器件，直流电压采样电路如图2 1 2 所示。 图2 1 2 直流电压采样电路 输入h c n r 2 0 0 的电压为o 到3 6 v ，当运放调至运放倍数为1 时，对应输入给控 制芯片的模拟信号为0 到4 5 v 。 3 直流电流采样电路的设计 在本文中，采用霍尔互感器对电流进行采样。为了保证逆变器能够正常并网， 逆变器输入侧的电压最小值为3 1 0 v ，而本文的并网逆变器功率为i o k w ，所以通过 公式2 6 可计算出直流电流最大值为3 2 2 5 a ，考虑到1 5 2 倍的余量，在这里选 择了额定电流为5 0 a 的霍尔互感器。电流采样电路如图2 1 3 所示。 图2 1 3 直流电流采样电路 1 4 硕十学何论文 ! 曼曼曼鼍曼! 曼曼皇! 曼! 曼曼曼曼曼苎鼍! 鼍曼皇舅m i m ；i ；i i _iii 一一一i i 皇 由于当电流值为o - 5 0 a 时霍尔互感器对应的输出电流为o - 2 0 m a ，所以电阻的 阻值选为2 0 0q ，即当运放调至倍数为1 时，主电路中电流为o 一5 0 a 的话对应输入 到控制芯片的电压为o - 4 v 。 4 交流电流采样电路的设计 交流采样使用的也是额定电流为5 0 a 的霍尔互感器。经互感器得到的交流信 号再经拉升电路以及l m 3 2 4 运放器处理后得到o 到5 v 的信号输入给d s p i c 3 0 f 3 0 11 此部分电路结构如图2 1 4 所示。 图2 14 交流电流采样电路 5 交流电压采样电路 对于电网侧电压的采样，可通过同步变压器隔离降压后直接输入给电压检测 电路和相位频率检测电路。通过相位频率检测电路可得到电网侧的频率和过零点， 本文采用移相触发芯片t c a 7 8 5 作为相位频率检测部分，其优点是性能稳定，过零 点检测精确，无时滞现象。当使用此电路结构时，只需简单调节t c a 7 8 5 的输入控 制信号，使其在检测到电网过零点时刚好有触发脉冲产生。此部分电路如图2 1 5 所示。 不。 图2 1 5 电网侧交流电压检测电路 6 过压过流保护电路 本文利用比较器l m 3 3 9 作为过压或是过流检测芯片。其电路原理如图2 1 6 所 风光柴互补发电系统并网逆变器的研究 曼曼曼曼曼曼! ! 曼ii i l 一 一蔓曼曼! 曼一 i ! 曼篡鼍 图2 1 6 过压或过流检测电路 在正常情况下，l m 3 3 9 输出为低电平，当出现过压或是过流时，电压输入侧的 电压值大于设置值，l m 3 3 9 截止，由于有+ 5 v 上拉电源，其输出也将由低电平变成 高电平，即出现跳变，故可以使用这一跳变做为中断信号输送给控制芯片d s p 。 7 驱动电路 本文的系统采用2 s d l 0 6 a i - 1 7 做为驱动芯片，电路结构原理如图2 1 7 所示。 图2 17 驱动电路结构图 1 6 硕十学位论文 曼蔓! 皇曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼! 鼍i ii i , - i ii ii 2 s d l 0 6 a i - 1 7 是瑞士c o n c e p t 公司生产的s c a l e 系列驱动模块之一，是驱动大 功率i g b t 和m o s f e t 专用模块，内部集成了短路和过流保护电路、欠压监测电路。 该s c a l e 驱动板采用a s i c 设计，仅用1 5 v 电源驱动，开关频率可大于l o o k h z ，具 有高可靠性和使用寿命长等特性。它有两个驱动输出通道，可以选择两种不同的 工作模式，适合两个单管和半桥驱动，曾获得1 9 9 8 年度a b b 优秀电力电子项目称 号。在图2 1 7 中，u 8 主要用于驱动b o o s t 电路中的i g b t 以及风电并网逆变器中 卸载电路中的i g b t ，而u 9 和u i o 则用于驱动逆变电路。 2 6 本章小结 本章首先介绍了风光柴互补发电系统的组成、纯交流母线型风光柴互补发电 系统的特性、并网逆变器的组成、工作模式及特性、在此基础上详细分析了主电 路中各器件的计算，并对控制检测部分进行了设计和分析。 1 7 风光柴互补发电系统并网逆变器的研究 第3 章并网逆变器控制方法 3 1 普通p w m 和s p w m 控制原理及实现方法 p w m ( p u l ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的宽度进行调至的技术。即通 过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。下面将对普通p w m 控制和s p w m 控制原理及实现方法进行阐述。 1 。普通p w m 控制 逆变器中最简单的p w m 控制为方波控制，即输出频率和脉宽固定的方波，对 于图2 9 中的逆变电路，若需要输出5 0 h z 方波交流电，则可利用如图3 1 的p w m 驱动信号分别控制t 。、t 。和t 。、t 。即可。 卜一2 咖1 图3 1 方波p w m 驱动信号 虽然利用方波产生交流电其控制算法比较简单，但输出的交流电为方波，而 非标准的正弦波，谐波含量大，不适合并网，也不适合给电机类感性负载提供电 源，而仅能用于有限的电阻性负载领域。 2 s p w m 控制原理及实现方法 显然普通的p w m 控制方法不能用于本文。由于电网侧电压变化接近于标准正 弦变化，所以应该使逆变器的输出也要按正弦规律变化，即应该利用s i n u s o i d a l p u l ew i d t hm o d u l a t i o n ( 即s p w m ) 控制方法。采样控制理论中有一个重要结论：冲 量相等而