（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网逆变器的研制.pdf

a b s l l t a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：i ti sk n o w nt h a tp h o t o v o l t a i c s y s t e mi s o n eo ft h ec l e a n e s t , m o s t p r a c t i c a b l e ，m o s tp r o m i s i n gr e s o u r c ei na l lk i n d so fr e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c e sn o w a d a y s t h er e s e a r c ho nt h eb a s a lt h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n t so ns o l a rp o w e rg e n e r a t i o ns h o u l db e c a r r i e do u t n ep h o t o v o l t a i cs y s t e mi sh i g h l i g h t e di nt h i sp a p e rt ot r a n s f o r ms o l a re n e r g yi n t o e l e c t r i c a le n e r g ym a x i m u m i nt h ep a p e r , b ya n a l y z i n gp h o t o x o l l a i ca r r a ym o d e la n di t so u t p u tc h a r a c t e r i s d c s ，t h e m e t h o df o rm a x i m u m p h o t o v o l t a i cp o w e rt r a c k i n gi sp r o p o s e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f p h o t o v o l t a i ca r r a ya n df u r t h e rr e s e a r c ho i lp h o t o v o l t a i cs y s t e ma n di t sc o n t r o ls t r a t e g y , a c o n t r o ls c h e m eb a s e do nd s pi sd e s i g n e d t h g f ea i - ct w os t a g e si nt h ec o n t r o ls y s t e mt h a tc a n r e a l i z em a x i m u mp h o t o v o l t a i cp o w e rt r a c k i n g ( m p p t ) a n dp r o d u c es i n ew a v ec u r r e n tt h a ti s i n - p h a s ew i t h 鲥d a tt h es a n l et i m e ，t h ei s l a n d i n gp r o t e c t i o nf o rp h o t o v o l t a i cs y s t e mi s a n a l y z e d ms o l v i n gs c h e m ef o ri s l a n d i n gf o rt h es c h e m ei sg i v e ni nt h e 粥 b yd e e pa n a l y s i sa n dr e s e a r c h , t h es y s t e mi sd e s i g n e d b a s e do nt h es c h e m eo ft h e c o n t r o ls y s t e m , t h ed e s i g nt h o u g h to ft h es y s t e m sm a i nc i r c u i ta n di t s p a r a m e t e r sa 托 i n t r o d u c e d t h i sp a p e ra l s oi n c l u d e st h ec o n t r o lc i r c u i t sw h o s ec o r ec e l l i s1 1 sd i g i 诅ls i g n a l p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t h ed e s i g no fd r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i ta n ds y s t e m se m ca r e i n t r o d u c e di nd e t a i l i na d d i t i o n , t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fi m p r o v e ds p w mc u r r e n t t r a c k i n gc o n t r o la n du n i t yp o w e rf a c t o rc o n t r o la l eg i v e n t h ee x p e r h n 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 釉i m p l e m e n tt h ec o n t r o ls c h e m e p r o p o s e di nt h i sp a p e rp 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 fs u p p l y i n gp o w e rt o 鲥dp e r f e c t l y k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cs y s t e m ，m r r p ，g r i d - c o n n e a e di n v e r t e r ，i s l a n d i n gp r o t e c t i o n ， s p w mc u r r e n tc o n t r o l c l a s s n o ： 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， 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： 签字日期：年月日 丸 蝴 铷巾 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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：才多导 签字日期： 矿口7 年，月z ；日 致谢 本论文的工作是在我的导师金新民教授的悉心指导下完成的，金教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 教授对我的关心和指导。 童办斌老师悉心指导我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，在此向童老师表示衷心的谢意。 刘京斗老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此向刘老 师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，马琳、彭智刚、梁京哲、李丹等同学对我论 文中的部分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和我的女友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 引言 第一章引言 进入2 1 世纪以后越来越多的人开始关心能源问题，原因很简单，就是不可再 生能源的枯竭造成的，如何解决能源问题，是每个国家都必须面临的，在人们继 续发掘新的矿物能源的同时，可再生能源的利用也就越来越显得重要，尤其是太 阳能，它己逐渐成为一种重要的矿物能源的替代形式，无声无息的进入了人类的 生活圈。 1 1太阳能的利用形式 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、 水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为 可再生能源，是指太阳能的直接转化和利用具有可持续性。通过转换装置把太阳 辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太 阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用 的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理 进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术嘲。 太阳能的利用主要有以下三种形式： 1 太阳能的热利用 9 0 ，1 0 i 【v a 以上的逆变器效率要 9 5 。 ( 2 ) 要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多 电站无人值守和维护，这就要求逆交器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选， 并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护， 过热，过载保护等。 ( 3 ) 要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载 和日照强度而变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正 常工作，并保证交流输出电压的稳定。 ( 4 ) 中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污 染，要求逆变电源输出正弦波电流。且能实现高的功率因数的正弦波形。 ( 5 ) 由于大多数并网型太阳光伏发电用于家庭，要求逆变器的电磁干扰小， 不影响人的生活环境，也不妨碍其他家用电器的正常工作。 1 3 2 光伏并网逆变器的作用 在光伏并网发电系统中，逆变器起着如下的作用： ( 1 ) 实现高质量的电篚转换，将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成 2 2 0 v 、5 0 h z 的单相、正弦波交流电；其电流和电压的畸变率均小； ( 2 ) 实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、输入接反保 护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、“孤岛”保护及装置； ( 3 ) 最大功率点的跟踪。 4 引言 1 3 3 系统方案的比较 逆变器的主电路结构有电压型和电流型，或单相和三相，或单级和多级，按 照输出的绝缘形式，把太阳能光伏发电并网用逆变器的主电路分为工频变压器绝 缘方式、高频变压器绝缘方式，无变压器无绝缘方式“”。 工频变压器绝缘方式 采用工频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘，主电路结构如 图l 2 所示，分为电压型和电流型两种。工频变压器绝缘方式电路简单，变换只 有一级，效率较高，制造成本低。一般工频逆变不采用s p w m 控制，输出是矩波 形，要经过强有力的滤波措施，才能使输出正弦波形畸变 p i n ( k - 1 ) 贝l j a ( k ) 与口 一1 ) 同号处理，否则口( 七) 与a ( k 1 ) 异号处理，从而调 整v r e f ( k ) 的大小。在实际应用中，也可以通过调节占空比来调节太阳能电池输出 电压。 1 8 太阳能电池特性及其最大功率跟踪控制 图3 9 扰动观察法算法流程 f i 9 3 9 f l o wc h a r to f p & om p ta l g o r i t h m 这种方法适用于光强变化小的环境，在光强变化迅速的情况下，就不能迅速 图，一l o扰动观察法在光强变化迅速时偏离最大功率点 f i 9 3 1 0 d e v i a t i o no f t h ep & qa l g o r i t h mf i o mt h em p o p 在光强变化快速的情况下，假定系统一开始工作在s l 曲线上的点，并且 点为s 1 曲线上的最大功率点。由于扰动的作用，这时工作点向右移到了s 2 曲线 上的点，并且p 2 p 1 ，系统便认为此时最大功率点应在点的右边，仍向右调节 1 9 北京交通大学硕士学位论文 工作点。这样工作点移到了点。若此时p 3 p 2 ，则系统继续向右调节工作点。通 过这样的调节，工作点偏离了最大功率点。这种情况一直持续到光强变化缓慢或 停止变化，系统才能将工作点调回最大功率点。对于这种由于日照影响造成的系 统误判可以通过加大扰动的频率和减小扰动的步长来尽可能地消除。 在太阳能并网逆变系统中，通常采用电流源输出方式。由于电网电压比较稳 定，太阳能电池阵列最大功率点的跟踪方法一般可以采用不断扰动系统的并网输 出电流的方法：首先不断扰动系统的给定输出电流i r e f , 通过对实际并网输出电流 l o u t 的采样，计算出系统输出功率p o u t ，通过将p o u t 与上一周期的输出功率p o l d 比较，便可以确定下一周期l r e f 的扰动方向。通过这种相对简易的方法，可以使 太阳能并网系统的工作点在阵列最大功率点附近振荡”“。 3 2 3 导纳微分法 扰动观察法的弊端就在于它没有将太阳能电池输出功率的变化与光强的变化 联系起来。输出功率的变化被简单的认为是太阳能电池的输出电压变化造成的。 这种方法不能将太阳能电池的输出功率与实际的最大功率点电压做比较，从而偏 离了实际的最大功率点。 罩 皂 图3 1 l 太阳能电池p v 和d p d v - v 关系图 f i 9 3 1 l p - va n d d p d v - v c u r v e o f p h o t o v o l t a i c a r r a y 导纳微分法根据最大功率点的电压来调节太阳能电池的输出电压，从而避免 了这种现象的出现。从图3 1 1 中可以看出，d p d v 的值是与输出电压值一一对应 的。 当d p d v = o ，在最大功率点处； 当d p d v o ，在最大功率点左边； 当d p d v ，。 一d t s 铡一 l v o t i v d t s t s 陋葛 i 一1 、一 陋爿一 图4 - _ 3b o o s t 电路连续导电时的稳态波形 f i 9 4 3 t h es t e a d y - s t a t ew a v eo f b o o s t c i r c u i ti nc o n t i n u e d - c u r r e n tm o d e 由于稳态时电感上的电压在一个周期内对时间的积分必须为零( 伏秒平衡) ， 即 d + ( 一) 。( 1 - d 五) = o ( 4 一1 ) 其中：p 知是太阳能的输出电压，是直流侧的电压，也即b o o s t 电路的输出 电压。t s 是开关管的开关周期，d 是占空比，d t s 是开关管的导通时间，( 1 - d t s ) 是开关管的截止时间。 整理后可得： 堡：上 l d ( 4 q ) 假设电路没有损耗： 1 ，r 一1 “ ) 其中：嘞是太阳能的输出功率，b ，= + 啊。 气是b o o s t 电路的输出功率，即后级和电网等效的负载墨消耗的功率， 吃=k吃(4_4) 系统设计与实现 则有：之巴=ld(45) ” 其中：k 是负载的平均电流 ，是太阳能的输入平均电流，t 是电感上的平均电流，由于电感电流与输入 电流是相同的，i v r = 五，则孚= i - d ( 卜6 ) 由鲋l 妄礁越= 华( 其中：t 是电感也即输入电流的纹波电流，定义，7 = 等，由( 4 - - 2 ) 、( 4 - - 3 ) 、 ( 4 4 ) 、( 4 - - 6 ) 、( 4 - - 7 ) ，可得： l ：( 1 - d ) z d v d c 2 t s ( 4 8 )，= ，一 叩吃 、 可见，在其他条件不变的，当d = 妄，l 取得最大值： k ：等( ，4 一- _ 9 ) 一而瓦 w 为了保证额定情况下满足纹波电流的要求，因此 k(卜lo) 当电感电流处于连续和不连续导通的边界时，即电感电流在经过一个周期后 下降为零，用匕表示电感上的临界电流值，有如下关系： k=等(4一11) 结合( 4 2 ) 、( 4 5 ) 、( 4 - - 6 ) 可得 k = 掣 ( 4 _ 1 2 ) 可见，在其他条件不变的，当d = 妄，取得最大值，如果负载平均电流下降到 低于临界电流值时，电流的导电模式降有连续变为断续，因此选择参数应使实际 的k 一，可见由( 4 - - 1 0 ) 所推导的电感值满足上述要求。 太阳能板的电压输入范围为v p v = 1 2 5 v - 4 0 0 v ，中间直流电压为v d c - - - - 4 0 0 v ， 由( 4 - - 2 ) 式可得占空比d - - o - - o 6 8 7 5 ，电流的纹波2 5 ，吃= 2 2 0 0 w ，取开关 管的开关频率为五= 2 0 k h z ，则五= 5 0 a s ，由( 4 - - 9 ) 、( 4 - - 1 0 ) 0 7 得：l - 2 1 5 5 m h 。 因此所需的电感参数为：l = 1 l ，三- - - 2 2 m h 。 4 2 1 2 中阃支撑电容的设计 对于连续导电模式，假定流经二极管电流的所有纹波电流成分都流经电容器， 而平均值流经负载电阻。则流经电容上的电流和电压如图所示： 北京交通大学硕士学位论文 i d l + +fb+ t 。鼍 一x 一j ：。 ， r 一羔s y d i s 叫t t s 叫 】 珏 、一 图4 4 电容两端的电压和电流波形 f i 9 4 4 t h ev o l t a g ea n dc u r r e n tw a v eo i lc a p a c i t a n c e 由，：c 譬可得：玉字墨 ( 4 1 3 ) “ o 出 由( 4 - - 5 ) 、( 4 1 3 ) 可得：a v = 三嵝生( 4 - - 1 4 ) l 矗 设巩= 等删镗( 4 - - 1 5 ) 由于电感和电容的寄生参数的影响，导致当输入电压一定时，占空比d 超过 一定值时，使得输出电压值不是随着d 的增大而增大，而是减小，这是不允许的。 因此在设计中选择滤波元件总是选取尽量小的寄生电阻的元件，同时，在实际的 应用中，使占空比的调节在d 0 8 8 以内 报据逆变器设计的条件：圪= 4 0 0 f ，d = 0 0 6 8 7 5 。靠= l ，瑶= 2 2 0 0 w ， 互= 5 0 u 则由( 4 - 1 5 ) 可得：q 4 7 b f 因其作中间直流侧的储能电容，取2 0 倍的裕量，用1 0 0 0 u f 8 0 0 v 电容，实际 中采用两个4 0 0 v 1 0 0 0 u f 的并联再串联。由于电容的串联涉及到均压的闯题，采 用并联均压电阻的措施采用每组并联的电容上并联一个i o o k 的电阻，f a - - 个 3 3 列l w 电阻串联的组成。 4 2 1 3 开关管的选取 由于m o s f e t 在低压、高频中的使用优势，因此选用m o s 管作为b o o s t 电 路的开关管。在电路中m o s 管承受的最大电压为4 0 0 v ，电流为i l a ，因此决定 选用2 个i x f h 2 0 n 6 0 并联。i x f h 2 0 n 6 0 的主要参数为：耐压6 0 0 v ，额定电流2 0 a 续流二极管应选用具有较低的通态压降和快反恢复时间。在主电路中它所承 受的最大电压为4 0 0 v ，电流为最大l l a ，因此本设计选用d s e l 3 0 - - 0 6 ，其主要参 数为电压6 0 0 v ，电流3 0 a 。 1 i + ：k i + 系统设计与实现 基于主电路开关器件对功率的要求，b o o s t 电路中的开关管都采用两管并联的 方式且加散热片。 4 2 2d c a c 部分主电路设计 如系统原理图4 2 所示，其中l 2 为交流输出电感，c 为直流侧支撑电容， 也即前级b o o s t 电路的输出电容，k t k 4 是主开关管，d i d 4 是其反并联二极 管。它是由两个桥臂并联组成，因此这种桥式拓扑仍属于升压式结构。其启动的 先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流能 按照给定的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于电 网电压的峰值，否则续流二极管将以传统的整流方式运行，电感l 2 电流不完全可 控。 4 2 2 1 交流侧滤波电感的设计 在单极性调制方案中，交流侧滤波电感的大小一方面对输入电流的开关纹波 有影响，另一方面也影响实际电流的跟踪速度，所以此系数的选择直接影响系统 的工作性能。直流侧电压选定后，交流侧电感设计，对电源电流波形