2KW正弦波光伏逆变器.doc

本文由yxb1320贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 扬州大学能源与动力工程学院 本科生课程设计 题 课 专 班 姓 目： 程： 业： 级： 名： 2kw 独立发电正弦波逆变器 现代电力电子技术 电气工程及其自动化 电气 0703 严小波 史旺旺 2011 年 3 月 1 日 指导教师： 完成日期： 1 目录 第一章 绪论. 绪论 1.1 太阳能应用的背景4 1.2 光伏发电应用现状及研究的意义4 1.2.1 国内光伏发电应用现状5 第二章 光伏电池的输出特性及 MPPT 控制 2.1 光伏电池的输出特性7 2.2 最大功率点跟踪控制技术8 2.3 常用 MPPT 控制技术8 第三章 光伏发电系统基本构成及其工作模式 3.1 光伏发电系统的基本构成.11 3.2 光伏发电系统的运行模式12 第四章 光伏发电逆变器控制技术 4.1 SPWM 调制技术15 4.2 逆变器反馈控制技术.16 第五章 光伏并网发电系统的构成及电路参数 光伏并网发电系统的构成及电路参数 5.1 系统的构成.19 5.2 电路主要技术参数19 5.3 主电路拓扑.20 5.4 主功率管的选择.20 5.5 基于 DSP 的控制系统设计20 5.6 驱动电路的设计.22 2 5.7 IGBT 过流保护电路设计22 5.8 电量信号检侧单元23 5.9 主电路仿真.26 3 第一章 1.1 太阳能应用的背景 绪论 能源是人类不断发展和进步的动力， 人类不断地从自然界探索和 获取能源以满足以其生存和发展的种种需要， 能源的利用水平映射出 人类文明发展程度。但在传统的能源结构中，人类主要利用的一次能 源是石油、煤炭和天然气等化石能源。这些化石能源经过人类数千年 的消耗，能源危机己经展现在人类的面前。在 21 世纪初进行的关于 世界能源数据的调查显示，石油的可开采量为 39.9 年，天然气可采 量为 61 年，煤炭的可采量为 227 年。可见能源问题的紧迫性。同时， 从环境的角度看，大量化石能源的开发和利用，已经对人类的生态环 境带来严重和后果。C02 是大气中最主要的温室气体，而化石能源的 燃烧是 C02 的主要排放源，全世界每天约产生 1 亿吨温室效应气体， 如果不对温室气体采取减排措施，人们预计，全球平均气温每 10 年 将升高 0.2，到 2100 年全球平均气温将升高 13.50C，这将对人类 生存空间带来极大的威胁。鉴于以上原因，开发新能源和可再生能源 势在必行。太阳能因其分布广泛、可以再生、不污染环境自然成为国 际社会公认的理想替代能源，根据国际权威机构预测，到 21 世纪 50 年代，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的 13%15%，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于 50%。太 阳能将成为 21 世纪最重要的能源之一。 1.2 光伏发电应用现状及研究的意义 太阳能的转换利用方式有光一热转换、 光一电转换和光一化学转 4 换等三种形式。接收或聚集太阳能使之转换为热能，是光一热转换的 基本形式;光一化学转换尚牌研究试验阶段，这种转换技术包括光伏 电池电极化水制成氢、利用氢氧化钙和金属氢化物热分解储能;光一 电转换是利用光生伏打效应原理制成光伏电池， 将光能直接转换成电 能加以利用。 “光伏发电”是将太阳光的光能直接转换为电能的一种 发电形式。 1.2.1 国内光伏发电应用现状 我国于 1958 年开始对光伏电池的生产和应用进行研究， 1971 年 成功将其应用到东方红二号卫星上。在 1981 年一 1990 年间，我国的 光伏工业得到一定的巩固与发展，并在一些应用领域建立了示范工 程。同时，国家也加大了对光伏发电系统研究及生产的投入，先后从 国外引进了多条太阳能电池生产线，除了一条 1 姗。的非晶硅电池生 产线外，其余全部是单晶硅电池生产线，使我国太阳难电池的生产能 力由每年的 IOKW 发展到 4.SMWP，售价也由 80 元/WP 下降到 40 元/WP 左右。随着国家对光伏产业的不断重视，我国光伏电池的总装 机容量和生产能力有较大的提高，到 2005 年全国光伏组件装机量已 达 70 聪，光伏电池的制造能力也已超过 200 姗 P，生产企业有十多 家。尽管如此与世界光伏产业发达国家相比还有很大的差距，目前光 伏应用比较广泛的国家光伏总装机容量已接近或达到 500Mw 的规 模。造成这种差距的原因，除了一些历史因素外，主要原因应包括如 下几个方面: 光伏电池价格昂贵，国家相应的政策支持力度不够。 5 基础产业较为薄弱，光伏电池所必须的硅材料大量依靠进口， 从而使我国光伏成本居高不下; 国内生产厂家规模普遍较小，自动化程度低也是导致光伏电池 价格高的主要原因之一。 所以总体来说国内光伏电池的质量不如国外 产品，但其价格却高于国针对我国可再生能源的应用与研究现状， 2005 年 2 月 28 日可再生能源法在十届全国人大常委会第十四次 会议上获表决通过，并于 2006 年 1 月 1 日起正式实施 ， 。该法明 确了各类可再生能源开发利用主体的权利和义务， 确立可再生能源发 展目标和规划的法律地位， 规定了可再生能源并网发电审批和全额收 购制度、 可再生能源上网电价与费用分摊制度及可再生能源专项资金 和税收、信贷鼓励政策。同年 10 月，在上海召开的“第十五届国际 光伏科学与工程大会”上，国外专家基本达成共识”口:太阳能光 伏发电是目前已知发电方式中最清洁、最安全，潜力最大的新兴发电 方式，在未来 15 年左右的时间内，光伏发电成本将持续降低到可与 常规发电成本相竞争的水平。 这些政策的出台和共识的达成无疑确立 了可再生能源在国民发展中的重要地位， 明确了可再生能源的发展方 向，对可再生能源包括光伏发电的发展具有巨大的推进作用。但到目 前为止，我国光伏并网发电的关键技术及设备主要来自进口，面对巨 大的国内需求， 大力研发具有自主知识产权的相应高技术具有重要的 战略意义和市场价值。 对太阳能的转换技术和应用装置的研究无疑成 为光伏发电中最热门的课题。 6 第二章 光伏电池的输出特性及 MPPT 控制 2.1 光伏电池的输出特性 光伏电池输出的电能的大小与其周围环境条件有密切的关系， 其输 出功率随太阳光照的强度和电池模块所处的环境温度的变化而变化， 并存在最大功率输出问题。 为此必须对光伏电池的输出功率加以检测 与控制，以使其有最大的功率输出。本章主要分析光伏电池的工作机 理和输出特性;根据光伏电池物理机制的数学表达式建立单个电池的 电路仿真模型及任意功率级的光伏阵列的仿真模型;并在了解常用最 大功率点跟踪控制技术的基础上， 采用双模式最大功率点控制方法进 行专门的实验，取得了较好的跟踪控制效果。2.1 光伏电池的工作机 理在自然界中，物体根据其导电能力和电阻率的大小分为导体、绝缘 体和半导体三类，其中把电阻率在 IOe 一 310e+8Q.Cm 左右的称 为半导体。 半导体有许多的特性如掺杂特性、 热敏特性、 光敏特性等， 这些特性在现代电力、 电子技术中己得到极为广泛的应用。 除此之外， 半导体还具有很强的光伏效应。所谓光伏效应是指当物体吸收光能 后，其内部能传导电流的载流子的分布状态和浓度发生变化，由此产 生电流和电动势的效应。光伏电池是以半导体 PN 结上接受太阳光照 射产生光生伏特效应为基础，直接把光能转换成电能的能量转换器。 当光照射到表面时，部分光线被其表面反射，对发电不起作用;部分 被电池吸收，给电池加热，产生电池的温升:其它部分太阳光进入半 导体内部，冲击 N 区和 P 区的价电子，使其得到超过禁带宽度 Eg 的 能量，从而脱离共价键的束缚，形成非平衡状态的电子一空穴对。这 7 些被激发的电子一空穴对，部分复合后对外不显电性，属于光伏电池 能量损耗部分;剩下部分处于非平衡状态的电子一空穴对， 在原 PN 结 垫垒电场的作用下，把 P 区的光生非平衡少子电子拉入 N 区，同 样把 N 区的光生非平衡少子空穴拉入 P 区，从而形成一个与原垫垒 电场 Ei 方向相反的光生电场 Epv，如图 2 一 1(b)所示。当光伏电池 的外部与负载接通后，就会形成电流， 电流方向由电池的外部从 P 区 流向 N 区。这就是光伏发电的基本机理。PN 结的饱和电流越小，光 生电压 Up，就越大。 2.2 最大功率点跟踪控制技术 通过对光伏电池的输出特性分析和实验仿真，已经清楚地看到光 伏电池的输出与环境条件的关系。所以，为了使光伏电池有更大的功 率传输，必须实时检测电池的输出功率，以及时调整光伏阵列的工作 点 ， 使 之始 终工作 在 最 大工 作点附 近 ， 即进 行最大 功 率 点跟 踪 (MaximumPowerPointTraeking，MPPT)。目前最大功率点跟踪控制的 方法有很多，较为常用的 MPPT 控制技术有恒压法、扰动观察法、电 导增量法等。 2.3 常用 MPPT 控制技术 8 1 恒电压控制(Constantv。 ltageTraeking，CVT) 根据 2.2 节分析，当光伏电池的结温不变的前提下，其输出功率 的变化随电压的变化情况如图 2 一 3(b)所示。 当光照强度发生变化时， 电池输出的开路电压变化不大， 最大输出功率会随光照强度的增强而 增加，但在最大功率点处对应的输出电压基本不变，为 um，见图中 虚线，该值近似为电池开路电压的 0.76 倍 ，。根据电池的这一特 性， 只要知道电池的开路电压， 即可得到最大功率点对应的工压 Um。 这就是 CVT 法的理论基础。实际控制时，只要以某一温度下最大功 率输出对应的工作电压呱作为控制目标， 实际电池输出电压叽与之比 较， P 工调节后与三角波比较得到的 P 枷波去驱动功率管， 经 从而改 变电池阵列的负载阻抗，最后使其工作在最大功率点上。 CVT 控制框图如图 2 一 20 所示。 这种控制方法控制简单，可靠性和稳定性较高，但受工作场合季节、 早晚时间、天气情况及环境温度变化的影响较大，实际使用时一般在 CVT 算法的基础上采取一定的措施以补偿这些影响。如手工调节给 定电压、软件根据测量的环境温度查表得到给定等。另外根据 2.2.1 节中光伏电池的 V 一工特性分析，同样也可以采用固定电流的方法 实现最大功率控制。 9 2. 扰动观察法(Perturb&Observe，服 O) 扰动观察法是目前最常用的 MPPT 方法之一。根据图 2 一 7(b) 可知，光伏电池的输出工作点在最大功率点的左侧，dP/dVO，而在 最大功率点的右侧，在最大功率点时，dP/dy=0。根据这个特点，P&o 法的控制过程为首先初设一个光伏电池工作电压， 然后通过调节功率 管的占空比给光伏阵列输出电压周期性的扰动，例如使其增加，然后 比 较 扰 动前 后光伏 的 输 出功 率，如 果 输 出功 率也因 此 增 加， 即 dP/dVO，说明光伏工作于最大功率点的左侧，则应在下一扰动周期 继续保持当前的扰动方向，增大光伏电池输出端电压;反之，若输出 功率减小，即 dP/dVO，而在 最大功率点的右侧，在最大功率点时，dP/dy=0。根据这个特点，P&o 法的控制过程为首先初设一个光伏电池工作电压， 然后通过调节功率 管的占空比给光伏阵列输出电压周期性的扰动，例如使其增加，然后 比 较 扰 动前 后光伏 的 输 出功 率，如 果 输 出功 率也因 此 增 加， 即 dP/dVO，说明光伏工作于最大功率点的左侧，则应在下一扰动周期 继续保持当前的扰动方向，增大光伏电池输出端电压;反之，若输出 功率减小，即 dP/dVO，则说明光伏工作于最大功率点的右侧，当前 扰动方向将使工作点远离最大功率点，所以应改变扰动方向，使光伏 电池输出端电压减小。经过反复的调整，最后使光伏电池的工作点逼 近最大功率点。这种控制算法控制简单、容易实现，对参数检测精度 要求不高， 控制效果在日照变化不是很剧烈的情况下能满足光伏系统 对最大功率点跟踪的要求。但这种算法存在以下缺点: 需要周期性的扰动，且当扰动方向确定后，只能在下一个扰动周期 去影响输出电压，这将导致光伏阵列的输出在最大功率点附近振荡， 从而减小系统的输出效率; 当环境条件变化剧烈时有可能导致跟踪失败。 10第 三章 光伏发电系统基本构成及其工作模式 3.1 光伏发电系统的基本构成 太阳能光伏发电系统的典型结构主要由光伏阵列、 直流变换与控 制系统、储能系统与逆变器四个部分组成。 (1)光伏电池阵列 光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电 池功率较小，最大输出功率不超过 5 佛8 ，为满足不同等级负载供 电需要，人们将光伏电池串、并联后统一封装构成光伏模块(Ph。t。 v。ltaiCM。dule，PV)，这是目前光伏器件的主要存在及应用方式， 用户可根据需要构建 10W 到 3OOW。的光伏模块。因大功率光伏模 块安装、维护方便，因此在光伏发电系统中 200W。以上的光伏模块 更受欢迎。如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，则需要 根据光伏发电系统的功率要求， 将同规格的光伏模块串联起来构成光 伏阵列 (PVArray)为系统提供更高的输出功率和输出电压。 (2)直流变换及控制系统 直流变换部分作用主要是把光伏阵列输出电压变换成能够满足 11 储能系统和逆变器要求的电压等级。 同时由于光伏阵列输出特性的特 殊性，其输出功率为日照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大 输出功率跟踪 (Max1InumPowerPointTracking，MPPT)问题。如果 不加以控制直接用于给负载提供能量， 则很难有较好地发挥光伏模块 转换效率。为此，控制系统除了完成对 DC 一 DC 变换和 DC 一 AC 变换所需的基本控制外， 还需在 DC 一 DC 变换环节中增加 MPPT 控 制，以实现光伏阵列的最大功率输出。 (3)逆变器 光伏电池发出的只能是直流电， 而包括电网然内的许多用电场合 需要交流电，因此 DC 一 AC 逆变器是光伏发电系统中的一个关键环 节。它的功能是受控制系统控制，将直流转变为与交流电网或本地交 流负载相匹配的交流电。该环节的要求是变换的高可靠性和高转换 率。目前我国在小功率逆变器上与国外处于同一水平，但在大功率逆 变器上差距较大。 3.2 光伏发电系统的运行模式 光伏并网发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、 输出容量的大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况，分别可 工作于独立运行模式、并网发电运行模式和混合运模式三种。 1.独立运行模式 所谓光伏发电系统的 “独立运行模式” 是指远离电网的光伏发电系统。 它通常用作便携式设备的电源， 向远离现有电网的地区和设备供电或 者用于任何不想与电网发生联系的供电场合。该系统中，蓄电池作为 12 储能单元一般是不可缺少的， 它将日照时发出的剩余电能存储起来供 日照不足或没有日照时使用，所以它属于可调度光伏发电系统。 虽然独立系统的构成分类有许多， 但其基本原理都是太阳光辐射能通 过光伏器件转换成电能，再经过能量储存、控制、保护和能量变换等 环节，最终提供给负载直流或交流形式的电能，满足用户不同负载的 要求。 2.并网运行模式 在公用电网的场合，光伏发电系统可直接与电网连接，在系统容 量足够大而日照强度较大时，可将多余的电能回送给电网。所以该系 统对应的逆变器所输出的交流电要求满足并网的条件。 其结构框图如 图 3.混合型光伏发电系统 所谓混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系 13 统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的阵列发电不足， 或电池容量不足等因素带来的供电不连续。 较为常见的混合系统是风 一光互补系统，系统结构框图如图所示。 在通常情形下，白天日照强，夜间风多;夏季日照强、风小;冬春季日 照弱风大。显然风能发电与太阳能发电具有很好的互补性，其优点显 见:利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出，提高系统供 电的稳定性和可靠性;在保证供电情况下，可以大大减少储能蓄电池 的容量;对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风/光 系统供电，无须启动备用电源和备用发电机，以此获得较好的经济效 益。当然，风/光互补联合发电系统存在一次性投资较大，并需定期 更换蓄电池等缺点。 14 第四章 4.1 SPWM 调制技术 光伏发电逆变器控制技术 SPWM 调制技术是指是输出脉冲的宽度按正弦规律变化且和正 弦波等效的脉宽调制电路。这种技术在你变电路中的应用十分广泛， 目前中小功率的逆变电路几乎都采用了 SPWM 技术。逆变电路是 PWM 控制技术最重要的应用场合。 逆变控制中引入 SPWM 技术所起 的重要作用是它较好地抑制了谐波。根据理论分析，载波频率越高， SPWM 波形中谐波频率就越高，所需滤波器的体积就越小。但载波 频率升高使功率器件的开关频率上升，从而导致开关损耗的增大。因 此，实际控制中常采用倍频式 SPWM 技术，即输出电压的载波频率 fc 是逆变桥功率器件开关频率 fs 的 2 倍。倍频技术的应用较好地缓 和了谐波抑制与效率提高 图 4- 1 倍频式 spwm 产生机理 之间的矛盾，其实现仅需适当安排逆变器件的控制脉冲时序。从图上 可以看出倍频式 PWM 信号的产生比传统方式更加复杂， 但本文所设 15 计的系统是基于 DSP 来实现的，故并没对硬件电路设计有额外的要 求。 需要注意的是产生的 PWM 门极驱动信号与桥式逆变器中四个功 率管必须是对应的，否则会导致逆变的失败 4.2 逆变器反馈控制技术 逆变器控制的分类中，按其输入电源的性质可分为电压源型和 电流源型;按控制对象或者反馈量的性质又可分为电压型和电流型。 因此逆变器的控制方式可分