（控制科学与工程专业论文）单相光伏并网逆变器的设计及研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t m 4 6 4 学科分类号 5 1 0 8 0 4 0 论文编号1 0 0 1 0 2 0 l1 0 7 6 7密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名董志意学号2 0 0 8 0 0 0 7 6 7 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码 0 8 l 1 0 1 课题来源 自选 研究方向 。光伏发电 论文题目 单相光伏并网逆变器的设计及研究 关键词光伏并网逆变器；死区时间；开关固有特性；正弦脉宽调制 论文答辩日期2 0 1 0 年月日事论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师崔玉龙副教授北京化工大学电力电子技术 评阅入1林伟国教授北京化工大学检测技术及自动化 评阅人2王颖副教授北京化工大学光电检测技术 评阅人3 评阅人4 评阅人5 撇员蝴王健林教授北京化工大学检测技术及自动化 答辩委员l赵众教授北京化工大学 先进控制过程监测 答辩委员2林伟国教授北京化工大学检测技术及自动化 答辩委员3王颖副教授北京化工大学光电检测技术 答辩委员4祝海江 副教授 北京化工大学 机器人视觉 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在c 中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) ( ( 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 舢48哪7 删77舢8 洲1脚y 摘要 单相光伏并网逆变器的设计及研究 摘要 随着太阳能光伏电池( p v ) 和电力电子技术的不断进步，光伏发电已经 成为新能源利用的主流之一。目前，太阳能光伏发电的主要形式是离网、 并网发电并且光伏发电的趋势向着低成本、高效率、大功率方向发展。在 光伏发电系统中，逆变器作用是把太阳能电池发出的直流电转换成与市电 电压同频同相的交流电。本文主要以小功率单相光伏并网系统为研究对 象，对光伏并网系统进行了比较全面、深入的研究，主要内容有： 1 分析了单相光伏并网逆变器的主电路拓扑结构和工作原理。对单相 光伏并网系统中直流侧电容、交流侧电感电容、主电路功率管和缓冲电路 元器件的参数进行了计算，从仿真和实验的波形来看，输出电压电流的波 形谐波较少，基本达到了逆变电流和电压同频同相的目的。 2 为了防止同一桥臂上的功率开关管直通，在正弦波过零点处设置死 区时间，通过电流闭环来对死区进行补偿，然后对整个系统进行仿真分析， 通过设置合适的死区时间来改善输出波形，以降低输出波形的失真度。 3 由于光伏电池输出特性具有强烈的非线性，且输出功率受日照强度 和环境温度等因素的影响，对此本论文分析了光伏电池最大功率点跟踪的 方法，利用变步长的算法跟踪光伏阵列的最大输出功率。 4 采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片设计了光伏逆变器的控制器，实验结 北京化工人学硕十学位论文 果表明：输出电压波形的失真度较小，输出功率因数接近1 ，从而提高了 系统的逆变效率，保证其安全可靠运行。 关键词：光伏并网逆变器，死区时间，开关固有特性，正弦脉宽调制， 最大功率点跟踪，d s p i i m o r e c o m p r e h e n s i v ea n dm u c hd 印t h t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 s i n g l ep h a s eg r i d c o i u l e c t e di n v e n e rm a i nc i r c u i t t o p 0 1 0 9 ya n d o p e r a t i n gp r i n c i p l ew e r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ed cc a p a c i t o r ，a cs i d e i n d u c t o r c a p a c i t o r ， m a i nc i r c u i ti g b ta n db u f r e rc i r c u i t c o m p o n e n t s p a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e de o mt h ew a v ef o n l ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l p o i n to fv i e wf o rt h es i n g l e - p h a s eg r i d - c o 皿e c t e d t h eo u t p u tv o l t a g ea n d c u n - e n th a r m o n i c sw a v e f o m sw e r el e s s ， a tl a s t ，t h eb a s i cc u r r e n ta n d v o l t a g e h a v ei np h a s ew i t ht h ep u 印o s eo f 舶q u e n c y 2 i no r d e rt op r e v e n tt h es a m eb r i d g ea n i lt h r o u g ht h e p o w e rs w i t c h ，w e i l i 北京化工大学硕上学位论文 p r o p o s eam e t h o do fs e t t i n gt h ed e a d - t i m ed u r i n gt h ep h a s ec o n v e r s i o no f s i n u s o i d a l如n d a m e n t a lw a v e ，a n dt o c o m p e n s a t et h ed e a d t i m ew i t ht h e c u r r e n tl o o p t h e nw es e tt h ea p p r o p r i a t et h ed e a d t i m et or e d u c et h et h d o f t h eo u t p u tw a v e sb ys i m u l a t et h ew h o l ep v s y s t e m 3 s i n c et h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fp vc e l l sh a v es t i o n gn o n 1 i n e a r ，a n d i t so u t p u tp o w e rh a sb e e ni n f l u e n c e de a s i l yb yt h es u n l i g h ti n t e n s i t y 、 a m b i e n t t e m p e r a t u r ea n do t h e rf a c t o r s t h ep a p e rd e s c b e dt h em p p tm e t h o d sw i t ha v 撕a b l ea l g o r i t h mo fp vw r ea l s oa n a l y z e sm ec a u s e sa n dh a z a r d so ft h e n e 铆o r kw r h e nt h ep vs y s t e mo c c u m da n dt h ei s l a n de 酋睹c t e d ， a tl a s t ，i t i n t r o d u c eb o t ha c t i v e p a s s i v ed e t e c t i o nm e t h o d sa n d p r e v e n t i o ns 舰t e g i e s 4 p vi n v e r t e r b yt h ev o l t a g es o u r c ec o n t r 0 1 1 e do nt h eb a s e o f t m s 3 2 0 f 2 812 d s pw a sa n a l y z e df b mt h ee x p 嘶m e n tr e s u l t s ，w h i c hh a sl o w d i s t o r t i o no u t p u tw a v e f o n na n dt h eo u t p u tp fc l o s et o1 ，t h u si ti n c r e a s et h e e f j e i c i e n c yo fp vi n v e r t e rs y s t e m sa n dt oe n s u r ei t ss a f ea n dr e l i a b l e o p e r a t l o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec i r c l es t r u c t u r e dl i g h tc a l i b r a t i o n m e t h o dt h i st h e s i sr a i s e dc a nc o n l p l e t et h ec a l i b r a t i o nq u i c “ya n de 伍c i e n t l y t h ec a l i b r a t i o np r e c i s i o ni sh i g h ，a n dt h e e x p e c t e dg o a lh a sa c h i e v e d k e y w o i m s ：p v 鲥d c o i l l l e c t e di n v e r t e r d e a d t i m e ，i n h e r e n ts w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，s p 、7 | ，m ，m p p t ，d s p i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义l 1 2 国内外光伏并网逆变器的研究现状2 1 2 1 国外逆变器研究现状2 1 2 2 国内逆变器研究现状3 1 2 3 光伏并网逆变器的拓扑3 1 3 本课题的主要内容与创新点5 第二章单相光伏并网逆变器的设计7 2 1 单相并网逆变器工作原理与分析7 2 1 1 单相并网逆变器主电路拓扑结构分析7 2 1 2 单极控制的p v 并网逆变器工作分析8 2 2 单相光伏主电路及滤波电路参数的设计9 2 2 1 逆变变压器的设计9 2 2 2 主开关器件的选择1 0 2 2 3 主功率管缓冲电路的设计1 l 2 2 4 直流侧滤波器的设计1 2 2 2 5 逆变器交流滤波器的设计1 3 2 3d s p 主控电路的设计1 6 2 3 1 时钟系统电路16 2 3 2j t a g 仿真接口电路l7 2 3 3 驱动电路的设计1 7 2 3 4 钔) 采样电路19 2 4 本章小结2 3 第三章单相光伏并网逆变器的控制技术2 5 3 1 单相光伏并网逆变器的控制目标2 5 3 1 1 单相光伏并网系统的数学模型2 5 3 2 基于s p w m 的电流控制：2 7 v 北京化工大学硕： 学位论文 3 2 1 并网逆变器输出反馈控制2 7 3 2 2 逆变器电流环开环输出特性2 8 3 2 3 逆变器电流环闭环输出特性2 9 3 2 4 电网电压的前馈控制3l 3 3 直流侧电压的控制3 2 3 4 本章小结3 3 第四章基于d s p 控制逆变器死区产生的机理及影响分析3 5 4 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片概述及应用3 5 4 2d s p 的p w m 波形的产生方法3 5 4 3s p w m 技术及逆变器死区对输出波形的影响3 8 4 3 1 功率元器件i g b t 的基本特性3 8 4 3 2s p w m 控制的基本原理一4 0 4 3 3 正弦脉宽调制的实现4 0 4 3 4 单极性调制和双极性调制4 1 4 3 5 逆变器死区产生的原因及死区效应分析4 4 4 3 6 死区时间对输出波形的影响分析4 7 4 3 7 死区时间的补偿策略4 8 4 4 单相光伏并网系统的模型与仿真分析5 1 4 5 本章小结5 6 第五章太阳电池最大功率点跟踪方法研究5 7 5 1 太阳电池最大功率点跟踪5 7 5 1 1 光伏电池的工作原理和特性曲线5 7 5 1 2 太阳能光伏电池的最大功率点跟踪5 9 5 1 3 最大功率点跟踪方法的研究6 0 5 2 本章小结6 4 第六章实验与分析6 7 6 1 i g b t 的驱动波形6 8 6 2 光伏并网逆变器输出波形6 9 v i 第七章总结和展望7l 7 1 总结7 l 7 2 展望7 1 参考文献7 3 致谢7 7 发表的论文7 9 作者与导师简介81 v i i 北京化工大学硕上学位论文 v i i i c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 厶1 1 1b a c k 舯u n d ， p r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so f i n v e r t e r 1 1 2p h o t o v o l t a i ci n v e n e rr e s e a r c hs t a t u so f d o m e s t i ca n df o r e i 髓2 1 2 1p h o t o v o l t a i ci n v e n e rr e s e a r c hs t a t l l so f f o r e i 期一2 1 2 2p h o t o v o l t a i ci n v e r t e rr e s e a r c hs t a t u so f d o m e s t i c 3 1 2 3p v 鲥d - c o i l i l e c t e di n v e n e rt o p o l o g ) ，3 1 3 i 撕o fc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n so f t l l i sr e s e a r c h 5 c h a p t e r2d e s i g n t i o no fs i n 甜ep h a s ep h o t o v o l t a i ci i l v e r t e r 7 2 1t l l ew o d d n g 研n c i p l ea n da i l a l y s i so fs i n 酉e - p h a s e 鲥d - c o n n e c t e di n v e n c r 。7 2 1 11 1 1 em a i nc i r c u i tt o p 0 1 0 9 ) ，o f s i n 舀e - p h a s e 鲥d c o n n e c t e di n v e n e r 7 2 1 2w 6 r k i n ga 1 1 a l y s i so f u n i p o l a rc o 腑o lp v 舒d c o l l l l e c t e di n v e n e r 7 2 2s i n 西e p h a s ep vp a r a m e t e r sd e s i 班o f t h em a i nc i r c u i ta i l d6 1 t e rc i r c u i t 8 2 2 1i i l v e r t e rt r a n s f on 【l e rd e s i 印o d 9 2 2 2t h ec h o i c eo f m em a i ns w i t c h i n gd e v i c e 1 0 2 2 3t h ed e s i 印o f m a i np o w e rt r a n s i s t o rb u 行e rc i r c u i t l l 2 2 4t h ed e s i g no f d cs i d ef i l t e r 1 2 2 2 5t h ed e s i 朗o f a cs i d ef i l t e r 12 2 3d e s i 盟o f d s pc o m 0 1c i r c u i t 1 5 2 3 1c l o c ks y s t e mc i r c u i t 15 2 3 2j t a ge i i l u l a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t 1 6 2 3 3t i l ed e s i 印o fd d v ec i r c u i t 16 2 3 4a ds a m p l i n gc i r c u i t 17 2 4b r i e f s u n h n a r y 2 2 c h a p t e r3s i n g l ep h a s ep h o t o v o l t a i ci n v e r t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y 2 3 3 1s i n 酉ep h a s ep h o t o v o l t a i ci n v e r t e rc 0 n t r 0 1o b j e c t i v e s 2 3 3 1 1s i n 百e p h a s e 鲥d c o 加e c t e ds o l a rs y s t e i t lm o d e l 2 3 l x 北京化t 大学硕上学位论文 3 2t h eb a s i n gs p w mc u l 仃e n tc o n t m l 2 5 3 2 1 ( 谢d c o i l n e c t e di n v e r t e ro u t p u tf e e d b a c kc o n t r o l 2 5 3 2 2h l v e r t e rc u r r e n to p e nl o o po u t p u tc h a r a c t e 打s t i c s 2 6 3 2 3m v e r t e rc u r r e n tc l o s el o o po u t p u tc h a r a c t 甜s t i c s 2 7 3 2 4g r i dv o l t a g ef e e d f o r w a r dc o n t r o l 2 9 3 3d cv 0 1 t a g ec o n t r o l 3 0 3 4b r i e f s u m m a r v 2 2 c h a p t e r 4 d s p - b a s e dc o n t r o lo fi n v e r t e rd e a d t i m eg e n e r a t i i i gm e c h a n i s ma n d i m p a c ta n a l y s i s 3 3 r 4 1c 、幢：i e wa n da p p l i c a t i o no fd s pt m s 3 2 0 f 2 8123 3 4 2d s p p w mw a v e f o n l l 窖p n e r a t i o nm e t h o d 3 3 4 3s p w m t e c l l l l o l o g ya n di n v e n e rd e a d t i m ef o rm ei m p a c to f t h eo u t p u tw a v e f o 唧3 6 4 3 1t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fi g b tp o w e r 唧o n 饥t s 3 6 4 3 2t h eb a s i cp r i n c i p l eo fs p w mc o n t r 0 1 3 8 4 3 3i l l l p l e i l l e i l t a t i o no fs p w m 3 8 4 3 4u n i p o l a ra 1 1 db i p 0 1 a rm o d u l a t i o n 3 9 4 3 5t h er e a s o no f i n v e n c rd e a d t i m ea n dd e a d t i m ee 伍；c t 4 l 4 3 6d e a d - t i m ea 1 1 a l y s i so f t h ei m p a c to f m eo u t p u tw a v e f o m 4 4 4 3 7d e a dt i i i l ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g y 4 5 4 4s i n 舀e p h a s e 研d - c o 彻e c t e ds o l a rs y s t 锄m o d d sa n ds i m u l a t i o na 1 1 a l y s i s 4 8 4 5b r i e fs 1 】m m a i v 2 2 c h a p t e r5t h es t l i d yo fp vm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c l 【i n g m e t h o d 5 3 5 1p vm a x i n i 啪p o w e rp o i n tt r a c 虹n g 5 3 5 1 11 1 1 ew o r k i n g 砸n c i p l ea i l dt h ec h a r a c t 嘶s t i cc u eo f p h o t o v o l t a i cc e l l s 5 3 5 1 2p vm a x i m u mp o w e rp o i n t 妇c l 【i n gm e t h o d 5 5 5 1 3t h es t u d yo f m a x i m 啪p o w e rp o i n tt m c k i n gm e t h o d 5 6 5 2b r i e fs l l 瑚m a i y 2 2 c h a p t e r 6e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 6 1 6 1i g b td n v ew a v e f o n n 6 1 6 2p h o t o v o l t a i ci n v e r t e ro u t p u tw a v e f o n n 6 3 x c o n t e n t s c h a p t e r7c o n c l u s i o n 6 5 7 1f u l l 一t e x ts u m m a 巧6 7 7 2o u t l o o k 6 7 r e f e r e n c e 6 9 a c k n o w l e d g e m e n t 7 3 p u b l i s h e da c a d e i i l i cp a p e r s 7 5 b r i e fi n t i 。o d u c t i o no fa u t h o ra n d t u t o r 7 7 北京化工大学硕士学位论文 x i i 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 人类社会的进步，社会经济的发展都离不开能源。当前，人类所使用的电能来源 主要是：火电、水电、核科。然而，一次能源的有限性及分布的不均衡性，严重制 约了各国经济、社会的发展。按照目前人类能源的消耗速度和对一次能源的利用率来 看，如图1 1 所示化石燃料在未来会被人类消耗殆尽【2 ，3 1 。另外，由于化石燃料的燃烧， 每年有大量的有害气体和尘核排向空中，排放的c 0 2 会造成全球的温室效应，排放的 s 0 2 、n 0 2 等有害气体会导致酸雨，破坏地球环境。由于水力、地热、潮汐等发电受 到气候、地域的影响，有时还会破坏当地的生态平衡；对于核电来说，发展前景光明， 但是对核电发电的技术要求很高，一旦发生核泄漏，后果是非常严重的( 如前苏联的 切尔诺贝利核泄漏和2 0 1 1 年日本地震造成的核泄漏，给社会带来了非常大的危害， 在几十年甚至上百年都难以消除) ，并且核废料的处理也很难解决。综合上述情况， 人们寻找新能源来取代一次能源已迫在眉睫【4 1 。太阳能蕴藏着人类取之不尽的能量， 它不停地向宇宙空间发送巨大的能量，据有关计算，仅一秒钟发出的能量相当于1 3 亿亿吨标准煤完全燃烧所放出的热量，而到达地球表面的太阳能，大约相当于目前全 世界所发电能力总和的2 0 万倍。 2 2 年 2 枷年 2 i 5 0 年 2 i 年 盈舯年 加年 = _ 世界 一中i i 豳 i隧溺一 l缓豹勘 - 豳豳豳豳。 一 与其他新能源( 氢氧燃料电池、风能) 相比，太阳能光伏电池发电技术比较成熟，并 且不会产生有毒、有害气体和废料，因而不污染环境，同时太阳光不受地域的限制， 可随处可以得到，使用方便、安全，成本低廉，是可再生能源。现在太阳能的利用主 要包括热利用和光伏利用。首先热利用主要是：太阳能热水器和太阳能热发电等；其 次是太阳能的光伏利用，主要分为：( 1 ) 太阳能独立光伏发电系统5 1 ，( 2 ) 太阳能并网光 公司的并网逆变器，其输入电压范围1 5 0 2 5 0 v ，最大输入电流7 a ，额定功率为7 0 0 w ， t h d 3 ( t h d ，总谐波畸变) ，逆变效率9 3 ，白天逆变器损耗小于4 w ，晚上小于 0 1 w ，并具有孤岛效应，过电压电流保护等。而多支路光伏逆变器是s m a 公司的新 产品，其具有最大功率点跟踪功能和直流交流两种能级结构，多个并联支路共用一个 逆变电路。西门子公司生产的光伏并网逆变器与s m 公司的逆变器不同的是它采用 了主从式结构，这种逆变器是多个逆变器通过串并联来到达用户要求容量光 图l - 2s u n n y b o y 7 0 0 逆变器 f i g 1 2i n v e r t e ro fs u 彻yb o y7 0 0 2 第一章绪论 伏发电系统。除了上述两家公司以外，美国的s a t c o n 公司所生产的光伏逆变器类型和 西门子的产品基本相同，为了满足客户的需要也将多台逆变器并联构成系统，而且在 逆变器中集成了m p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n t1 h c k i n g ：最大功率点跟踪) 环节【9 l 0 1 。 1 2 2 国内逆变器研究现状 与国外发达国家相比，我国的光伏逆变器技术还有很大的差距。就国内而言，合 肥阳光电源有限公司、中国科学院电工研究所等科研单位对光伏逆变器进行了研究， 并研制成功了小中大功率的逆变器，其逆变效率接近国际水平。主要类型为组串型、 电站型光伏逆变器，如图1 3 所示合肥阳光电源公司的含变压器型小功率逆变器，其 主要参数为：最大直流电压4 5 0 v ，满载m p p ( m a x i m u mp o w e rp o i n t ：最大功率点) 电 压范围为2 0 0 3 8 0 v ，额定功率为3 k w ，最大交流输出电流1 5 a ，频率5 0 h z 6 0 h z ， 失真度t h d o 9 9 。现在国内对光伏并网逆变器的研究还是采用 m p p t 和逆变器分离的结构，并且产品型号也比较单一，最为重要的是光伏并网逆变 器的生产和我国的光伏产业政策还没有达到一致。但是随着电力电子及控制技术的发 展，我国在光伏发电产业方面，面临如此巨大 图1 3 阳光电源的逆变器 f i g 1 - 3i n v e n e r0 f gg 嘲q gp 0 w e r 的国内市场需求和广阔的发展前景，要实现国内光伏发电的商业化，就必须全面提升 我国的光伏并网技术，特别是核心技术即光伏逆变器，这样光伏发电在我国才会得到 更加全面的发展，因此要发展我国的光伏发电系统必须真正掌握光伏发电的核心即逆 变器技术【l l 1 2 ，1 3 1 。 1 2 3 光伏并网逆变器的拓扑 光伏并网发电系统的核心是逆变器，它分为两类：电流型光伏并网逆变器和电压 型光伏并网逆变器【1 4 ，1 5 1 。电流型的光伏并网逆变器的特征是在逆变过程中，经过电感 滤波，直流电流基本恒定，逆变器直流侧相当于电流源。那么整个逆变器的直流侧则 北京化工大学硕十学位论文 为高阻抗特性，而电压型光伏并网逆变器的的特征是在逆变过程中，经过电容滤波， 直流电流基本恒定，逆变器直流侧相当于电压源。图1 4 ( a ) ( b ) 为两种类型的拓扑结构。 在当前，从结构上把光伏发电系统分为工频和高频两种【1 6 1 7 】。所谓工频太阳能光 伏并网逆变器就是在逆变器后带有工频变压器，其原理把太阳能光伏电池发出的直流 电先通过d c a c 转化为高频的正弦脉宽幅度调制( s p w m ：s i n u s o i d a lp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ：) 波，再经滤波电路，最后通过工频变压器和电 a 电压型逆变器；b 电流型逆变器 图l - 4 单相光伏并网逆变器拓扑 a - 、，o l t a g eh l v e r t e r 如- c m 代n ti i l v e 他r f i g 1 - 4p 血c i p l ed i a g r a mo fs i n g l ep h a s ep v 鲥d c o i l i l e c t e di n v e n e rt o p o l o g y 网连接，实现并网发电。工频并网系统结构如图1 5 所示。 i 专f 盯 针 f _ = 一一 卜、 l 图l - 5 上频逆变的结构图 f i g 1 5t h ei n v e r t e r ss 仇l c t u r eo f f r e q u e n c y 虬f 蛭 “ 宁。( q 图l _ 6 高频无变压器的逆变结构图 f i g 1 - 61 1 1 eh i 曲- 舶q u 朋c ys 仇l c n 聪谢t l l o u t 缸a n s f o n i l e r 高频并网逆变器的工作原理是：把太阳能光伏电池发出的直流电经过高频d c d c 变换技术，将低压直流电逆变为高频低压交流电，然后经过高频变压器升压后，再经 过高频整流滤波电路整流成3 0 0 v 以上的高压直流电，最后通过工频逆变电路得到 2 2 0 v 工频交流电供负载使用，高频逆变器的优点：高频逆变器采用的是体积小，重 4 耳群墨_ 竺寸辨。 第一章绪论 量轻的高频磁芯材料，从而大大提高了电路的功率密度，使得逆变电源的空载损耗很 小，逆变效率得到了提高。通常高频逆变器峰值转换效率达到9 0 以上。但是其也有 显著缺点，高频逆变器不能接满负荷的感性负载，并且过载能力差。高频并网逆变器 结构如图1 6 所示。 目前，除了上述两种逆变器，还可以根据逆变器功率开关器件的数量分为四开关 拓扑和六开关拓扑两类【体】。图1 7 给出了国外研究的四种单相光伏并网逆变系统的拓 扑结构。其中图( a ) 【1 9 1 ( b ) 【2 0 】为四开关的拓扑电路；图( c ) 【2 1 】( d ) 【2 2 】为六开关的拓扑电路。 函托丫，f 圪丫 艇 l q ； 5 “； | ，j 融i 如 ，lf ，it “ 一叫恸一 ：瘪 美是督守靠一主主一参中一女 一? ； ；箩l 了 丁；一 a b 一四开关拓扑结构：c d 一六开头拓扑结构 图l - 7 单相光伏并网系统的拓扑电路 a b f o u r - s w i t c ht o p o l o g y ；c d s i x - s 谢t c ht o p o l o g y f i g 1 - 7s i i l g l e - p h a s e 鲥d c o 册e c t e ds o l a rs y s t 啪c i r c u i tt 叩o l o g ) ， 当前，一些新的逆变器的拓扑已经用在了光伏并网逆变器中，如三电平并网拓扑 和多电平拓扑2 3 斟1 ，在使用中将功率开关管串联使用，其优点是它们可以增加功率开 关管的耐压能力，减少光伏并网系统输出的高次谐波，缺点是对它们的控制复杂，基 于这个条件当前使用的还是电压型的桥式拓扑结构【2 5 3 0 1 。 1 3 本课题的主要内容与创新点 本文对光伏发电系统的核心问题：光伏并网逆变器进行较为深入的分析和研究， 从理论上对单相光伏逆变器的拓扑进行分析，并在此基础上研究了l k w 可并网的光 伏逆变器。本文主要研究工作和创新点如下： ( 1 ) 对单极控制的逆变器主回路的拓扑进行了研究，同时对单相光伏并网发电系统 中主电路的设计和参数进行了推导和计算。 ( 2 ) 针对死区时间对单极调制的正弦脉宽幅度调制( s p w m ) 光伏逆变器输出波形 的影响，根据功率开关管的开关特性，提出了在正弦基波换相处设置死区时间的方法， 5 、j q 岭 z ， ti r j ；殳 北京化工大学硕f ：学位论文 并对死区时间的计算给出理论推导。最后通过m a t l a b s i m u l i i l k 仿真验证，该方法可以 获得良好的输出电压波形，有效地降低输出电压波形失真度。 ( 3 ) 由于太阳电池输出功率受到环境温度、日照强度等周围环境因素的影响，本文 在理论上研究了太阳能光伏电池最大功率点跟踪的五种方法，并对其中两种最常用的 方法：扰动观测法和电导增量法进行了分析和研究，从而得出用这两种方法可以快速、 稳定地跟踪太阳电池阵列的输出的最大功率。 ( 4 ) 完成了基于芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p ( 数字信号处理：d i 舀t a ls i 朗a lp r o c e s s i n g ) 为核心的单相光伏并网系统的控制电路及控制程序的设计，并进行相应的软硬件调 试。 6 网，主要对电压型s p w m 全桥逆变器的主电路结构及参数进行选择，并对驱动电路和 检测电路进行了设计。 2 1 单相并网逆变器工作原理与分析 2 1 1 单相并网逆变器主电路拓扑结构分析 单相光伏并网系统采用全桥式逆变的主电路拓扑结构，如图2 1 所示，c 5 为直 流侧的滤波电容，v l v 4 是构成主电路逆变桥，d l d 4 是反并联二极管，a c 4 及 尺l 皿是对应的缓冲电路的电容和电阻，r 为交流侧等效电阻，工i 、g ，组成了交流 侧的三c 交流滤波电路，用来滤除逆变器输出波形的高次谐波，从而保证并网输出波 形的品质。 图2 1 单相光伏并网逆变器原理图 f i g 2 - lp r i n c i p l ed i a g m mo fs i i l g l ep h a s ep v 鲥d - c o 衄e c t e di n v e r t e r 单相单极控制的光伏并网逆变器是将太阳电池发出的直流电逆变成工频交流电， 经过交流滤波器和逆变变压器后与电网连接。单相光伏并网逆变器的输入采用电压型 输入，输出采用对逆变电流进行控制的全桥逆变电路。通过控制逆变器的输出电流的 频率和相位，使电流环的输出响应时间比