（电力电子与电力传动专业论文）高性能独立光伏系统逆变器的研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s 。o na c c o u n to ft h ep r o b l e m so fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d e x h 【a u s t i o no fe n e r g ys o u r c e sb e c o m ew o r s e ，t h ep h o t o v o l t a i ca p p l i c a t i o n h a sb e e nah o ts p o tt h a tm o s tc o u n t r i e sc o m p e t ea g a i n s te a c ho t h e rt o d e v e l o p a st h em a i nd e v e l o p m e n tt r e n d o fp h o t o v o l t a i c a p p l i c a t i o n s ， d i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i es y s t e mw i l lc e r t a i n l yb ep r o m o t e dr a p i d l y 功er e s e a r c ho fd i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o nw i l lg i v et h e l a r g eh e l pt oc h a n g et h ed a m a g eo fi n a d e q u a t ee n e r g ys o u r c e s t h i sp a p e r f u c u s e so nd i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h es o l a rc e l l r e c h a r g i n gt h eb a t t e r y ，t o p o l o g yo ft h ei n v e r t e ra n dc o n t r o ls t r a t e g yo f d i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e da n ds t u d i e d t h em e t h o d so fb a t t e r yo fr e c h a r g ea r ee x p o u n d e do nt h i sb a s i st h r o u g h a n a l y z i n gc a t e g o r i z e d c h a r a c t e r i s t i co ft h es o l a rc e l lp a n e la n dt h e c h a r a c t e r i s t i co f t h eb a t t e r y t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tm a i nc i r c u i tt o p o l o g i e s o fd i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m sa r es t u d i e di nt h i s p a p e r an o v e lh i g h p e r f o r m a n c es i n g l e s t a g ef u l l b r i d g e b u c k - b o o s t t o p o l o g y , w h i c hi sl o wv o l u m e ，h i g he f f i c i e n c y , h a sb e e nt ob r i n gu po nt h i s b a s i s t h ep a r a m e t e rs e l e c t i o no fm a i nc i r c u i ta r ei na c c o r d a n c ew i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fm a i nc i r c u i t 1 1 1 ed e s i g n i n gi d e a sa n dp r o c e s s e so ft h e f i l t e r so i la cs i d e sa r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r n l em a t h e m a t i c sm o d e li s e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e ra n dt h ef o r m u l a so ft h ek e yp a r a m e t e r so ft h em a i n c i r c u i ta r ed e r i v e d s e v e r a lc o n t r o ls t r a t e g i e sa r es t u d i e d ，c h o o s i n gt h ev o l t a g e - c u r r e n t d u a lc l o s e d l o o pc o n t r o la n dz e r oo fc u r r e n tt r a c k i n gt o g e t h e rt oc o n t r o lt h e s y s t e m s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v i c eo f t h ed i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o ni sc o n t r o l l e db yt h em i c r o c h i pm s p 4 3 0i nt h ec o n c e p t u a ld e s i g n ， a n dd e s i g ni sm a n a g e d t h em e t h o dc o m b i n e di ns i m u l a t i o na n dd i g i t i z a t i o n i sa d o p t e dt or e d u c es o m ee x e c u t i o nc o u r s ed o n eb ys o f t w a r es y s t e ma n dt o a c c e l e r a t et h es y s t e m a t i cs p e e do fe x e c u t i o n t h es i m u l a t i o nm o d e lo f s y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e ra n dt h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t t h e d e p e n d a b i l i t yd e s i g nf o rt h es y s t e mh a sb e e nc a r r i e do n t h i sp a p e rh a s 黑龙江科技学院硕士学位论文 p r o p o s e dp r o t e c t i o nm e t h o da n dt h er e l i a b l ea u x i l i a r yc i r c u i ts y s t e m a t i c a l l y a l s oh a sb e e nd e s i g n k e y w o r d ：d i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m i n v e r t e r 。 c o n t r o lm e t h o dm s p 4 3 0 b 1 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 得黑龙江科技学院或其它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。 研究生签名：奄趟日期：鎏2 ：! ：坚 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研 究生处办理。 研究生签名癯监导师签 期。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景的目的及意义 能源是人类社会生存和发展的动力源泉。从原始社会的钻木取火到 近现代的化石能源以及核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等各种新 能源的应用无不闪现着人类的智慧之光 然而，随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯 竭。自1 9 7 3 年世界石油危机以来，常规能源频频告急【l 】。在中国，这一 情况也不容乐观，据官方统计，仅2 0 0 5 一年，中国就进口原油约1 5 亿 吨，按目前的消耗速度，中国的现有能源储量至多可以使用5 0 年。根 据专家预测，到2 0 2 0 年，中国石油消费量将突破4 亿吨，其中一半以 上将依赖进口，天然气的需求更将达到2 千亿立方米。同时，化石能源 在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的污 染。根据相关资料显示，目前，人类使用化石燃料已经为人类生存环境 带来了严重的后果，由于大量使用化石能源，全世界每年产生约l 亿吨 温室效应气体，已经造成极为严重的大气污染，同时使得地球表面气温 逐年升高，近若干年来全球c 0 2 排放量迅速增长，如果不加控制，温室 效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使海平面上升几米，四分之 一的人类生活空间将由此受到极大威胁【鲫。此外，由于环境恶化造成的 。黑洞”己经使人类即将面临太阳紫外线的直接照射。 近几十年来，太阳能能源以其特殊的优势开始广泛的应用于世界各 地，具体太阳能有以下突出的优势： ( 1 ) 太阳能取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类消 耗的能量大6 0 0 0 倍。 ( 2 ) 太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离的输送，因而避免了 输电线路等电能损耗。 ( 3 ) 太阳能不用燃料，运营成本很小。 ( 4 ) 太阳能没有运动部件，不易损坏，维护简单，建设周期短，通过 模块化安装，方便灵活，避免浪费。 ( 5 ) 独立光伏系统适合作为家庭使用的太阳能装置，能够将太阳能储 黑龙江科技学院硕士学位论文 存的能量转化为家庭使用的电能，家用屋顶的光伏系统能够基本满足现 阶段家庭用电p j 。 最近几十年，太阳能的能量剩用通过以上几种形式得到了迅猛的发 展。9 0 年代以来，发达国家重新掀起了发展光伏系统的高潮，特别是发 展“屋顶光伏系统”。屋顶光伏系统不单独占地，将太阳能电池安装在 现成的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和 经济性都优于大型并网光伏电站，有利于普及、战备和能源安全，受到 了各国的普遍重视。专家估计，太阳能电池及相应的系统将通过并网发 电和独立供电迅速发展为全球重要产业m 。 1 2 光伏发电在国内外的发展 1 2 1 国外光伏发电的现状和趋势 目前国际上对太阳能资源已经十分重视。光伏发电发展的初期主要 是依靠各国政府在政策及资金方面的大力支持，现在己逐步商业化，进 入了一个新的发展阶段。光伏发电的市场前景吸引了一批国际知名企业 或企业财团介入光伏电池制造业，这些大公司的介入，使产业化进程大 大加快。2 0 世纪7 0 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力， 世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。利用太阳 能发电的光伏发电技术被用于许多需要电源的场合，上至航天器下至儿 童玩具，光伏电源无处不在。 2 0 世纪8 0 年代，美国建成抛物面槽太阳能发电站，俄罗斯、澳大 利亚、瑞士也相继建立了太阳能发电厂，1 9 9 2 年日本太阳能发电系统和 电力公司电网联网，2 0 0 0 年有7 万家庭安装了太阳能家庭发电设备【5 1 。 1 9 9 8 年德国提出了1 0 万套屋顶太阳能发电系统的计划，并与2 0 0 3 年完 成，预计到2 0 5 0 年德国消耗的能量半数将来自太阳斛6 1 ，日本政府1 9 9 4 年开始实施“朝日七年计划”，总容量1 8 5 m w h ，意大利1 9 9 8 年实行“全 国太阳能屋顶计划”，总容量5 0 m w h 7 1 。 国际光伏产业在过去l o 年中的平均年增长率为2 0 ，1 9 9 8 年世界 太阳能电池组件生产量为1 5 5 m w ，2 0 0 0 年增长到2 8 8 m w ，2 0 0 2 年达 到5 4 0 m w 。目前全球太阳能光伏电池产业的销售收入超过2 0 亿美元， 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 0 0 4 年世界太阳能电池的生产能力已经达到了1 2 5 0 m w ，在发展中国家 也有很大的进步，印度现在已经有5 0 多家从事光伏发电技术的生产企 业【8 1 。世界光伏系统得总的装机容量在2 0 0 3 年有一个小幅的下降，但到 2 0 0 5 年总装机容量已经超过了2 5 0 0 m w 如图1 1 所示。 彰燃 装机容量 、： 蕴# 军釜 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 年份 图1 - 1 世界光伏组件产量及装机容量增长趋势 f i g 1 - i t h eg r o w t ht r e n d so fw o r l dp h o t o v o l t u i cm o d u l ep r o d u c t i o na n d c a p a c i t y 商品化晶体硅光伏电池组件的光电转换效率已经从1 3 提高到 1 7 ，产品售价也已经降到了3 美元峰- 瓦1 9 1 。预计今后l o 年光伏组件 的生产将以每年增长2 0 3 0 甚至更高的递增速度发展，到2 0 1 0 年将 可能达到4 6 0 0 m w 年的生产量，总装机容量将可能达到1 8 g w 1 0 1 。顶计 到2 0 5 0 年左右，太阳能光伏发电将达到世界总发电量1 0 2 0 ，成为 人类的基本能源之一同时，世界光伏市场发生了很大变化，开始由主 要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标等特殊应用领域解决供 电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电力向及商业化应用 方向发展。目前，世界光伏产业是全球增长率最高的产业，己成为当今 世界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一。 1 2 2 我国光伏发电的现状和趋势 2 0 0 0 年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平仍然 落后于国际先进水平，参与国际竞争有一定的难度。2 0 0 1 年及以前，我 国光伏产品的年销售量均保持在3 4 m w ，其中单晶硅产品占8 0 ，非 黑龙江科技学院硕士学位论文 单晶硅产品约占2 0 。2 0 0 2 年，光明工程项目使市场年销售量猛增到 2 0 m w ，光伏系统保有量达到4 0 m w 左右。2 0 0 3 年国内光伏电池的生产 能力约2 0 m w ，但光伏组件的封装能力约5 0 m w ，远大于光伏电池的生 产能力。在2 0 0 2 2 0 0 3 年国家实施的总装机容量2 0 m w 的“光明工程” 项目i l u 中，国内生产的光伏电池的应用量不足1 0 ，错过了这一市场时 机。但到了2 0 0 5 年生产能力已经达到了1 5 0 m w ，跻身世晃五十强，其 组件效率达到了1 6 以上。到2 0 0 5 年底，我国已经建成了l o 多个一定 规模的光伏电池专业生产厂家，生产组件能力超过了2 0 0 m w 。近期内 我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但 也有局限性。从市场份额上看，光伏发电在2 0 0 4 年前的主要应用领域 是：通讯行业占4 0 5 0 ，农村电气化行业( 主要包括户用光伏系统和 乡村级光伏发电) 占4 0 左右，其它领域占1 0 左右。2 0 0 5 年当年农村 电气化领域的市场份额占到8 5 以上。目前，国内光电池硅片的生产能 力己达4 5 m w ，在西藏7 个无水无电县中已全部建成了光伏发电，其中 ，功率最大的i o o k w 。 综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，如果把我 国光伏产业的发展放到国际光伏发展的大环境中考虑，世界光伏产业每 年以3 l 的速度发展，丽我国的光伏产业每年只有1 5 的增长率，光伏 企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与 常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我 国光伏产业的商业化发展。然而，我国的光伏企业虽然弱小，但经过努 力已经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发展来说机遇和挑战并存。 另外，我国的太阳能资源非常丰富，据统计，太阳能年辐照总量大于5 0 2 万千焦平方米，年日照时数在2 2 0 0 小时以上的地区约战国土面积的2 3 以上，具体分布见表1 1 。 我国1 9 9 6 2 0 1 0 年新能源和可再生能源发展纲要中明确指出 1 3 1 ， 要按社会主义市场经济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产业 化的建设，并且将可再生能源的发展计划纳入了我国的“十五”能源规 划，要求采取措施调整能源结构，提高清洁能源在能源消耗中所占的比 重，要求通过技术进步来推动可再生能源事业的发展。鼓励发展利用太 阳能，鼓励改造传统能源利用技术，提高能源利用效率，降低污染排放， 并给予税收优惠等支持政策。综上可知，在我国，光伏发电产业的发展 前景是光明的，一方面，我国现在还有很多人生活在无电、缺电的西部 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 边远地区，解决这些地区的用电问题，很大程度上依赖于太阳能及其它 新能源的大规模应用：另一方面，在东部沿海经济比较发达的地区，利 用太阳能发电作为补充或替代能源又将会给我国光伏产业的发展提供 一个新的发展空间。 表卜1 太阳能年辐射量的地区分类f 1 2 j t a b l e1 - 1s o l a rr a d i a t i o ni nt h er e g i o n 1 3 光伏户用小型逆变电源的发展状况 如今国内的一些光伏生产还仅仅局限于直流发电，也就是通过光伏 黑龙江科技学院硕士学位论文 电池直接将能量储存到蓄电池中，利用直流给负载进行供电它携带方 便，结构紧凑，容易操作，维护方便也给无电的农牧区带来了一些方便， 但是由于系统较小，不能满足普通家庭的正常用电需要，所以不能广泛 的得到普及。 由于现在广大的用户所使用的负载都是交流负载，直流光伏系统就 不适合作为产品进行推广。所以采用交流供电的形式将大范围的得到推 广。 目前，国内的一些光伏逆变生产厂商已经能够把独立光伏逆变器做 到l k w ，如北京桑普，天津津能等公司。但目前来说成本较高，还不利 于进行大范围的推广。 综上所述，独立光伏系统有以下几个特点： ( 1 ) 光伏逆变器输出正弦波，一般来说输出的正弦波经过电感滤波输 出的波形都能够满足一般用户的需要，而对于谐波要求较高的用户来 说，就需要更高的去除谐波的手段。一般要求输出电压谐波3 ，并具 有良好的动态特性。 ， ( 2 ) 要有较高的转换效率，可靠性和较高的功率因数。 ( 3 ) 光伏逆变器应具有输入过压、欠压，输出过流等各项保护功能。 1 4 光伏逆变系统的介绍 1 4 1 光伏逆变系统的结构 光伏逆变系统可分为独立光伏系统和并网光伏系统，并网光伏系统 是指太阳能发出的直流电转化为和电网同频同相的交流电，既向负载供 电，也可以向电网发电。但一般应用于与较大的系统中，作为家用的小 型系统，独立光伏系统有其独特的优势，它体积小，便于安装使用和维 护，成本较小，由于独立光伏系统中有并网系统所没有的蓄电池部分， 所以可以应用更长时间，基本能够满足普通用户的需要。独立光伏系统 一般将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，然后再通过逆变成为普通用 户所使用的交流电。 典型的独立光伏系统一般由屋顶的太阳能电池阵列，蓄电池及充电 系统，逆变器及控制系统组成，如图l 一2 所示【1 4 1 。太阳能将太阳光能量 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 收集之后由充电系统储存到蓄电池中，如果天气晴朗，蓄电池充满电的 情况下，也可由太阳能电池板直接发电。作为可调度式系统( 系统中含有 储能装置，现阶段一般来说是蓄电池。以后可能会被其它燃料电池所替 代) ，系统工作首先是对蓄电池充电，然后在蓄电池没有充满的情况下， 一般有蓄电池提供电能进行逆变供给用户，当蓄电池充满电的情况下， 也可以由太阳能电池板直接提供电能进行逆变，用户可以根据天气情况 和蓄电池剩余电量的多少来判断是由蓄电池进行逆变还是直接由太阳 能电池板进行逆交过程。 逆变器 图1 - 2 独立光伏系统示意图 f i g 1 - 2t h es y s t e mo f d i s t r i b u t e dp h o t o v o r a i cp o w e rg e n e r a t i o n 1 4 2 光伏逆变系统的结构分类 独立光伏系统从结构上一般可分为工频和高频两种，工频光伏系统 由于带有工频变压器，体积较大且比较笨重，效率较低。它将太阳能电 池的直流电经过变压后直接转化为交流电能，供用户使用。工频光伏系 统示意图如图1 3 所示。 图l - 3 工频光伏系统示意图 f i g i - 3p o w e rf i e q u e n c yo f p h o t o v o l t a i cs y s t e m s 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 随着电力电子元器件的逐步发展，对于功率较小的系统，高频逆交 器已经广泛的得到了使用，高频光伏系统一般是由d c d c 升压电路先 将电压升到3 1 0 v 再进行逆变，从而获锝用户所需要的正弦交流电。高 频光伏系统示意图如图1 - 4 所示。 国1 4 高频光伏系统示意图 f i g i - 4h i g hf r e q u e n c yo f p h o t o v o l t a i cs y s t e m s 1 5 本文所做的主要工作 本论文研究的目标是完成一种适合于独立光伏系统的逆变系统，针 对独立光伏系统进行较为深入的分析和研究，对于系统的工作原理、结 构、系统模型、控制方法、参数选择等方面进行论证，主要有以下几方 面内容： ( 1 ) 论文在介绍太阳能电池板的分类特点，蓄电池的特性的基础上对 太阳能电池板和蓄电池进行选型和设计，并对蓄电池的充放电的控制进 行研究。 ( 2 ) 对独立光伏系统的不同主电路结构和工作特性，原理进行详细的 分析。在此基础上提出能够适合独立光伏系统的高性能的逆变器拓扑。 针对主电路的特点对参数进行计算、选择、设计，可以提高独立光伏系 统的工作效率，减小占用体积。研究逆变电路的滤波器的设计思想和设 计方法，并建立数学模型，计算主电路的关键参数。 ( 3 ) 对系统的控制策略和控制方法进行介绍，并重点对电压有效值、 电流瞬时值双闭环反馈，结合零电流跟踪误差控制技术进行分析和设 计，建立系统的仿真模型，进行仿真实验研究。 ( 4 ) 对系统进行可靠性设计，提出对系统的保护方法和系统设计可靠 的辅助电源。 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章逆变器工作原理与脉宽调制控制技术 2 1 独立光伏系统逆变器主电路结构 2 1 1 独立光伏系统主电路拓扑介绍 单相逆变器是独立光伏系统的核心，可以把太阳能电池板看作是一 个电压源，就单相电压源光伏系统而言，逆变器的主电路结构形式多种 多样，有全桥型、半桥型、推挽型等。电压源独立光伏系统的逆变器， 多采用全桥逆变拓扑，下面介绍几种单相逆变器的拓扑f 1 5 1 ： a b 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 c 图2 - 1 光伏系统几种拓扑 f i g 2 - 1s e v e r a lt o p o l o g yo f p vs y s t e m 如图2 1 所示，图a 是比较经典的传统逆变器模式，除了这种常见 的逆变器模式之外，图中b ，c 给出了两种国外的常用于独立光伏系统 的新型逆变器拓扑，其中b 是四开关逆变拓扑，c 是六开关逆变拓扑。 2 1 2 独立光伏系统主电路拓扑结构 由于工频变压器体积较大，效率低，近年来，随着电力电子技术的 不断发展，采用高频开关技术和软开关技术实现逆变可实现高功率密度 逆交1 1 6 】。假设系统的滤波电感，滤波电容以及逆变电路的损耗不计，忽 略滤波电感的等效串联电阻，光伏太阳能电池板历吸收的能量就能够完 全转化为用户所使用的电能。过去的光伏系统逆变器多采用三级结构 ( d c a c d c a c ) ，现在已经开始广泛使用的是两级式拓扑( d c - d c - a c ) 结构。但不论是三级式拓扑结构还是两级式，作为能量转换都要经过不 只一个环节，这样就会降低系统效率，同时增加系统的体积和成本。作 为中小功率的独立光伏系统，可以采用单级式拓扑结构，利用 b u c k b o o s t 结构实现升压。 本文所设计的独立光伏系统采用的是单相全桥b u c k b o o s t 逆变拓 扑，它是一种四开关管的逆变拓扑，与前面介绍的几种国外的逆变电路 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 拓扑相比有其特殊的创新，它采用l c 谐振回路产生合成准正弦波，较 其它电路省去了一级变换。如图2 2 所示，系统包括一个四个开关管 t i t 4 组成的全桥拓扑，两个与开关管反并联的二极管，谐振电感l 卜 l 2 ，谐振电容c 。分压电容c d t ，c d 2 。t i ，t 3 与t 2 ，t 4 分别导通，相 位相差1 8 0 。，在一个导通周期内t i 导通，t 3 的驱动信号为s p w m 信号， 因此该电路不能使同一桥臂的上下两个开关管同时导通( 由于上下开关 管同时导通时谐振电感充电，同一桥臂不会上下两端导通) ，要设计不共 地的驱动信号。假设所有的元器件均有理想的特性，谐振电路无内耗， 谐振电感远小于负载端电感，逆变桥采用恒频单极性s p w m 控制方式。 图2 2 系统主电路图 f i g 2 - 2s y s t e mc i r c u i t 采用单级式b u c k - b o o s t 准谐振逆变电路，可以解决了三级变换电路 和两级变换电路所存在能量利用效率低的问题，同时不论是两级逆变还 是三级逆变，都需要一个d c d c 升压电路，而这个升压电路要把直流 电压升到一个很高的值( 单相逆变中一般是3 1 0 v ) ，这就需要在直流侧有 一个大的滤波电容进行滤波，不但增加了体积而且大大降低了电能的利 用率l i ”。利用b u c k b o o s t 准谐振逆交电路，不但能够生成合成正弦波， 达到用户的需要，而且能够很好的解决电能利用率低的问题。 2 1 3 主电路拓扑的工作状态分析 在一个工作周期内，t 1 ( t 2 ) 保持导通，t 3 ( t 4 ) 以s p w m 信号作为驱 动信号进行开关动作，每个周期有三个工作模式，图2 3 分别给出了正 黑龙江科技学院硕士学位论文 弦波正半周期不同开关模式下功率器件的工作状态，负半周的分析亦 同。 ( 1 ) 电路初态( 图2 3a ) 电路初态t l ，t 3 导通，开关管t 3 实现了零电压开通，谐振电感l l 开始储能，而电容c ，对负载放电，其它器件处于断态模式，输出电压 u 尹u c , 谐振电感电流屯尸k ，这种状态一直到t l 。由于电路处于d c m ( 断 续电流工作模式) 状态，屯“) = o ，其瞬时值表达式： 渺鲁 = v o ( f o ) 一等( f 一气) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 图2 - 3a 工作模式1t 1 。t 3 导通 ( 2 ) 谐振期( 图2 3b ) 当t = t l + 时，t 3 关断，忽略t 3 电流下降时间，而瞬时突降为零，续 流二极管d 2 导通，电路进入谐振状态，能量从电感l 1 转移到谐振电容 c r ，这个过程一直持续到f 2 ( 如图2 4 ) 。谐振期间c r 充电使得( 负载 电压) 上升，模式2 的屯，v c ，表达式如下： 屯( f ) = - + l t t “) 一l 掣e o s a j , ( t 一 l 一虿v c rs i n 哆( f - - i t ) v 口= v 。( ) c o s 埘，( f 一) + 纠屯，“) 一o i s i n q o f i ) ( 2 。3 ) ( 2 4 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 房审斡蛩 羔马马 厶，又使得= 等山垒i o 。 由此可见，在太阳较弱时，光伏电池的开路电压随光的强度呈近似 线性的变化，丽在太阳光较强时，则随光的强度呈对数关系变化。 理想情况下等效电路的方程为： il = i 一i d 一! 2 l m l do 3 1 2 光伏电池的伏安特性曲线 根据式( 3 1 ) 一( 3 3 ) ，可以得到光伏电池的电压电流关系曲线，简称 伏安( i - v ) 特性衄线( 见图3 2 ) 它包括太阳能电池的绝大多数特性，是系统 分析的重要方面 数： 糌 雷 丑 舞 输出电压 输出电压屹 a b 图3 - 2 光伏电池的输出特性 f i g 3 - 2o u t p u tc h a r a c t e r i s t i co fs o l a rc e l l 对太阳能电池的特性曲线，图中标出了太阳能电池的几个重要参 黑龙江科技学院硕士学位论文 ( 1 ) 短路电流)给定温度下所能输出的最大电流； ( 2 ) 开路电压( )给定温度下所能输出的最大电压； ( 3 ) 最大功率点电流( 厶) 给定温度下最大功率点对应的电流： ( 4 ) 最大功率点电压( ) 给定温度下最大功率点对应的电压： ( 5 ) 最大功率点功率( ) 给定温度下所能输出的最大功率。 在图3 - 2 1 2 5 1 中，给出了太阳能光伏电池的p v 特性曲线和i v 特性 曲线，可以直观的确定出 ，厶值。由式( 3 3 ) 可以看出，太阳能电 池的电流输出特性除了一些基本的条件之外，还与其受到太阳光照射强 度，电池的温度等一些外在条件的影响。 妻 霎 爨 输出电压一 不同光照下的特性曲线 f s o l a rc e l li nd i f i e r e n ti l l u m i n a t i o n 5 妻： 薹。 t m l o 2o 3o 4o 1 仉2n 3o 4 输出电艇胛袖也电 图3 - 4 光伏电池在不同温度下的特性 f i g 3 - 4o u t p u tc h a r a c t e r i s t i co fs o l a rc e l li nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 图3 - 3 2 5 1 为太阳能电池在不同光照的情况下的输出特性，上文讲过 v一杂营i擘 黑龙江科技学院硕士学位论文 当光线较强时，光伏电池的开路电压随着光线变化成对数关系，而短路 电流则随着光强成正比关系变化，在一定的范围内，太阳光线照射的越 弱，太阳能电池板输出的功率也越小。 由图3 4 【2 5 】可以看出：在其他条件一定的情况下，温度上升会使太 阳能电池的开路电压下降，短路电流略微增加。总的来说，太阳能电池 的结温增加会造成太阳能电池输出功率的减小。 。， 3 1 3 光伏阵列的设计 广 光伏阵列的设计要根据用户的要求、材料的变更、试验的数据和新 技术的不断的涌现来不断地修改设计方案，功率输出是固有指标，功率 输出的条件有外界条件、运行环境、自身性能和接口设计等。 光伏阵列尺寸的估算是根据功率输出的实际需要和光伏电池的物 理、电气特性来计算出光伏阵列的总面积和单片电池数。 根据总功率求电池的总面积山 只= s x c o s o x r x f x 也( 3 4 ) 式中 s 一太阳光强，单位为w m 2 ； n 一系统要求光伏电池输出的总功率； 目一太阳光在光伏电池板上的入射角； 。 露一光伏阵列的效率； ，一所有光伏阵列的衰减系数的总和。 将太阳光强取每年的平均值，太阳光入射角取每年日照时间最长正 午的太阳入射角，太阳能电池板的效率取单晶硅的市场使用效率，取 0 8 5 ，就可以近似估算太阳能电池扳的总面积，l k w 的系统大约需要8 m 2 左右的太阳能电池板，需要约1 0 0 块单片电池板。 3 2 光伏系统的储能装置 3 2 i 蓄电池的充放电原理及选择 储能是光伏系统中的重要部分，作为独立光伏系统，储能环节更是 黑龙江科技学院硕士学位论文 必不可缺的组成部分。 常用的蓄电池一般分为酸性蓄电池和碱性电池两大类，具体有分为 铅酸电池，镉镍蓄电池，镍氢蓄电池等几种。随着技术的发展，超导储 能，燃料电池也已经开始出现，因为考虑到造价的问题，一般现在的光 伏系统中采用的多为铅酸蓄电池。 蓄电池在其充电过程中受到三个基本定律支配并影响着 2 6 1 。 第一定律：对于任何的给定放电电流，需电池电流接受比口与放电 容量c 的平方根成反比 a ：_ 产k( 3 5 )a = 产( ) ，) f 第二定律：对任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比a 与放电 电流的对数成正比 口= k x l g ( k x l ，)( 3 6 ) 式中 一放电电流； k 、k 一常数。 第三定律：蓄电池以不同的放电率放电后，可接受的充电电流是各 个放电率的可接受充电电流之总和 l = i i + l + l + ( 3 7 ) 针对系统要求的功率和放电电流，选用美国c d 阎控式密封铅酸 蓄电池，c d 系列产品有1 0 0 0 系列和2 0 0 0 系列。屯池容量在3 5 0 4 3 8 0 a h ，电池组件电压可以达到2 4 v ( 如表3 1 所示) 。经过比较，选择 6 - f 8 0 型标准电池进行串联能够达到要求。 表3 - 1f m 型蓄电池输出电流( a ) 性能参数 t a b l e3 - 1o u t p u tc u r r e n t ( a ) p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f f m b a t t e r y 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 2 2 蓄电池的充电控制方法 在实际的独立光伏系统中，必须对蓄电池的充放电进行控制，主要 包括充电程度的判断，从放电状态到充电状态的自动转换，充电各阶段 模式的转换和停充控制等方面。充电过程一般分为主充、均充、浮充三 个阶段，有时在充电末期还有一微小电流长时间充电的涓流充电。判断 充电程度的主要方法有： ( 1 ) 检测蓄电池去极后的端电压变化，充电的初始阶段，蓄电池端电 压的变化率很小；在充电的中间阶段，蓄电池的端电压的变化率很大； 在充电末期，需电池端电压的电压变化率极小。 ( 2 ) 检测蓄电池的实际容量值，并与额定值比较。 ( 3 ) 检测蓄电池的端电压。当蓄电池端电压与其额定值相差较大时， 说明处于充电初期，反之说明充电即将结束。 蓄电池充放电控制器一般采用的技术有：集成运放构成的充放电控 制器，采用微控制系统构成的控制器，理论上还有智能控制构成的控制 器。这里提出一种基于m s p 4 3 0 单片机的控制系统，m s p 4 3 0 单片机在 本论文中作为主要的控制芯片，控制蓄电池的充放电，m s p 4 3 0 系列单 片机有如下几个特点： 超低功耗，单独的时钟系统设计，采用矢量中断，支持多个中断源 可任意嵌套；是一款十六位的单片机，有强大的数据处理能力；高性能 模拟技术及丰富的外围扩展模块，可组成不同的模块看门狗，定时 器，乘法器，液晶驱动器，高精度的a d 、d a 转换器等；系统工作稳 定；可支持c ，汇编等多种语言编写【2 。7 1 。 图3 - 5 蓄电池充放电原理圈 f i g 3 - 5c h a r g ea n dd i s c h a r g eo fb a t t e r yd i a g r a m 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 系统硬件电路介绍 如图3 5 是蓄电池充放电系统的原理图，两组m o s f e t 分别控制蓄 电池的充放电，m o s f e t 由单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 控制，对蓄电池的测量 包括在线电压，电流，对蓄电池温度的测量，将测量数据作为单片机的 输入，单片机的输出对m o s f e t 进行控制。 ( 1 ) 对蓄电池电压测量：本文针对电压测量采用的是电阻分压法测 量，并结合线性度较好的光耦将单片机与蓄电池进行隔离，通过a d 转 换将数字信号传给单片机进行控制。设定蓄电池在线电压高于砺时切 断充电电路，经过2 分钟再次进行测量。若低于砜再次进行充电( 这里 的砺是经过温度补偿后的值) 。 ( 2 ) 对蓄电池电流测量：针对电流的测量采用的是霍尔电流互感器， 它不仅精度高，速度快，而且可以较好的起到隔离作用。有传感器得到 的电压信号经过电阻分压，经过全波整流后( 蓄电池充放电是双向的，电 流转换的电压信号有正负，而a d 只能接受正信号) 送给a d 转换器。 ( 3 ) 对蓄电池温度测量：前面提到，温度是影响蓄电池容量的一个重 要因素，需电池在出厂时也都给出了温度补偿表，可以参考进行参数的 设定，对温度的测量就是主要了解它对于蓄电池容量的影响，可以通过 测量蓄电池电极上的温度来确定。温度检测一般采用温度传感器( 这里使 用a d 5 9 0 ) 实现，将测量的数据传给单片机进行控制。 3 27 6 8 k 蹦 图3 - 6 系统硬件框图 f i g3 - 6h a r d w a r eb l o c ko ft h es y s t e m 2 系统软件的实现 黑龙江科技学院硕士学位论文 主程序主要完成对系统的初始化、键盘数据的输入、数据显示以及 根据条件实现的功能模块。 图3 7 系统主程序 f i g 3 - 7m a i np r o g r a mo ft h es y s t e m ， 当蓄电池组的荷电状态低于6 5 或大于9 5 时，系统根据蓄电池 组的要求，对应给出p w m 充电形式，由硬件进行充电控制。 图3 - 3 系统充电子程序 f i g 3 - 8c h a r g es u b p r o g r a mo fs y s t e m 黑龙江科技学院硕士学位论文 第四章系统逆变电路的设计 逆变部分是整个独立光伏系统的重要组成部分，逆变部分包括：主 电路和功率器件的吸收电路，控制电路、驱动电路以及滤波电路四个部 分组成。这就需要设计一个独立光伏系统的逆变器，使其能够很好的应 用于独立光伏系统，本系统设计的逆变器功率为1 k w ，蓄电池通过串联 达到的输入电压为1 4 4 v ，逆变器输出电压为2 2 0 v ，逆变环节开关管频 率3 0 k h z 。如图4 1 是逆变系统的框图( 在以下的章节中，将对各部分进 行逐一的分析与设计) ，作为在独立光伏系统中使用的逆变器，有很多特 殊的设计和使用上的要求：输出功率能够满足用户的需要，逆变器的转 换效率要尽量高( 8 5 9 上) ，输出的波形为准正弦，输入直流电压要与 蓄电池的输出电压相匹配。应当具有输出短路保护，输出过电流保护， 输入过电压保护等保护功能。能够实现主电路开关元器件的软开关，减 少损耗，本文采用的是单相全桥准谐振b u c k b o o s t 逆变拓扑，它与常用 的谐振式逆变电路不同，常用的谐振式逆变电路是在硬开关逆变电路中 附加谐振环节不是为了提高装置的功率因数，也不构成负载的一部分， 其目的就是为了改善逆变桥的开关环境。 图4 - 1 逆变系统框图 f i g 4 1s y s t e mb l o c kd i a g r a mo f t h ei n v e r t e r 4 1 系统主电路器件的选择 黑龙江科技学院硕士学位论文 4 1 1i g b t 的选择 本课题所提出的新型的逆变器拓扑实际上仍然采用了全桥拓扑，在 这里进行主电路器件选择的时候应该注意以下几点： ( 1 ) 耐压要求：主要考虑i g b t 上的浪涌电压不应超过i g b t 漏极和 源极的额定电压；由于系统采用的是谐振式，谐振电感会短时间的积聚 大量电能，使得开关管所要承受的电压要比普通的全桥逆变电路高，约 为x u n ，其中为直流测电压。 ( 2 ) 电流要求：漏源极峰值电流必须处在i g b t 开关安全工作区以 内，即通常选择小于两倍的额定电流而。 基于以上两点要求，并考虑足够的余量，这里选择快捷公司的 g 4 0 n 1 2 0 ( 4 0 a 1 2 0 0 v