太阳能并网发电的研究

- 1 -摘 要本文旨在研制一单相低功率太阳光电能能量转换系统，将太阳能板所产生的直流电力转换成交流电力输出。转换器的功率电路由推挽式转换器与全桥式变流器两级电路串接而成，可使太阳能电池模组的组装更具弹性。本系统可操作在市电并联模式或独立运转模式，在市电并联运转模式下并可随着不同的日照强度，调 整变流器的输出电 流控制讯号，使太阳能板能够运转在最大功率点。最后实际制作一套 150W 之 转换系统雏形，并且由模拟与实测结果互相比较，以 验证本文所提系统之可行性。关键词：太阳能转换器，市电并联，独立运 转- 2 -The Resarch Of Solar GridAbstractThe design and implementation of a small-scale solar energyconversion system is presented in this thesis. The power circuit of the PV inverter is composed of a push-pull converter and a full-bridge inverter.The inverter converts DC power generated by photovoltaic cells into AC power. This design allows flexible arrangements of various solar cellsmodules. The systems can supply loads and feed excess power to the gridwith unit power factor when operated undergrid-connected mode,orsupplyloadsexclusivelyby operating in the stand-alone mode.Ingrid-connected mode, it is controlled to follow the variations of solarpanel insolation for achieving maximum power point tracking. A 150W prototype of the conversion system is implemented, simulation and experimental results are provided to verify the performance.Keywords：photovoltaic conversion system, grid-connected, stand-alone- 3 -目录1 绪论12 总体设计方案12.1 设计思路12.2 设计原理分析12.2.1 设计简介12.3 总体设计方框图43 逆变系统电路43.1 直流升压器43.2 驱动电路和逆变器53.3 电流回路控制63.3.1 最大功率追踪电路73.4 PWM 产生电路 73.5 市电电压反馈电路83.6 太阳能板电压反馈电路83.7 电流反馈电路93.8 检测电路103.9 电压回路控制电路104 并网系统11结论11致谢12参考文献13附录15- 4 -1 绪论在现今各种能源逐渐枯竭的情况下，人类必须找寻新的替代能源，并且这个新能源必须要是能取之不尽，用之不竭的。目前有可能 实用化的再生能源主要有太阳能、风力、燃料电池、地 热发电等，其中最有可能来发展的替代能量为太阳能。自 1992 年起欧、美、日等国各地之电力公司，由政府制定政策配合大力推动下，已向太阳能发电系统购买多余电力，以减少尖峰用电时供电不足之困境，至今成效卓著。日本政府在 1994 年已订定了完善的太阳能供电系统安装及补助计划。 1998 年，美国总统克林顿公布了百万太阳能屋计划，企 图增加太阳光电能及太阳能热水器的使用。而欧联的能源委员会也提出一项计划在欧洲补助建造 500000 栋的太阳能房屋，并在开发中国家另外建造 500000 栋的太阳能房屋。目前国内对于太阳能的应用主要还是在太阳能热水器的产品上，并且民众接受程度也高。因此，在缺乏新能源的今天，如何发展太阳能发电系统是一重要课题。太阳能的发电成本虽 然比其他发电方法的成本来的高，但由于最近这几年来太阳能电池制造技术的提升，使得太阳能电池的价格比起前几年来说已有明显的降低，未来太阳能电池模 组的价格可望降到 US$1/瓦以下，也因此使太阳能发电系统越来越有竞争力。太阳能发电系统之成本与效率，除了取决于电池模组外，系统 所需之电能转换器亦扮演重要角色。目前对 太阳能电能转换器的要求为：(1)转换 器成本低。(2) 转换器可模组化。(3)可针对不同的需要，提供各种规格的输出。2 总体设计方案2.1 设计思路本设计是输出功率为 150W，频率为 50HZ 的交流光 电转换设备，基本的太阳能的发电系统由太阳能电池板、蓄电池、逆 变器组 成。但是要和市 电并联，并实现供电， 实现自动控制，所需的外围电路更多，如市电的相位检测，如何使逆变器输出的电压电流信号和市电同步，以及在太阳能系统或是市电电网出现故障的时候检测。首先要解决的是光电转换原件太阳能电池板的选取，这里我们选取西门子公司生产的 Solarmodule SP75 电池板，其参数如表 12.2 设计原理分析2.2.1 设计简介（1）系统分类一般而言太阳光电能系统可区分为在偏远地区或离岛地区市电无法到达的- 5 -地方所使用的独立发电系统，以及有电力线所连接的并联系统。独立系统：指其太阳光电能只直接供给某些负载，利用太阳能板在白天产生电力，并 对蓄电池组充电，而在夜晚在由蓄电池组经 由电力转换器提供电源给负载，而电 力转换器输出为可定电压、定 频率控制的电压源。表1 太阳能电池板的单板电气参数(1kW/m 2，25 C)电气特性 规格额定最大输出功率（WP） 75额定电流IMPP (A) 4.4额定电压VMPP(V) 17.0短路电流IC (A) 4.8开路电压VOC (V) 21.7NOCT()(NORMALOPERATING CELL TEMPERATURE) 452短路电流温度系数KI（mA/） 2.06图1 独立型太阳能供电系统示意图市电连接型系统：能和市电并联向电网供电，优点是(1)节省配线费用，因为系统使用住宅原有配线、(2)除去蓄电池的需求，因市电可提供不足电力、(3)能卖多余电力给市电、(4)有时系统的尖峰发电期正吻合市电之尖峰用电需求，具有抑低尖峰负载的效果。市电连接方式选择，市电连接方式有多极系统和单级系统，由于多极系统设计复杂且不易控制，且效率低下，我们选用单级系统 ，好 处是其构成只有逆变器一级，效率提升了，而且逆变器基本上是一个单相全 桥整流电路加一个LC 滤波器构成，为了减少这种逆变 器输出电流的涟波，在逆变器电路上再加路，再采用- 6 -合成的PWM控制便可大量消除输出电流的涟波大小。单级系统主要的缺点为太阳能板的直流电压一定要高于市电电压的峰值系统才能运作，而市电电压一般多为交流110v/ 220v 系统，所以太阳能板的串 联数量一定非常多，并且由于太阳能板受环境温度、日照强度影响很大，若天气变化剧烈，其 输出电压变化的范围会太大一个而影响太阳能发电系统的正常输出。图2 市电连接型太阳能供电系统示意图最大功率点追踪控制及达成系统与市电并联供电是此类转换器所要达成的基本功能。除了以上功能，更具备了虚功谐波失真的 补偿的功能及不断电系统的功能，利用逆变器之反相操作，使之兼具整流功能，并利用离峰电力来对电池充电，达成 电池储能的功能，而且更可以操作在独立运转模式，独立供 给负载电力。市电连结型的太阳能供电系统除了其性能与功用之外，另外其安全性也是另一个注意的重点。为了保持电 力系统的电力品质及安全性，除了要求系统输出电流的功因、谐波成分及市电电压 的过高和过低电压和过高频低频检测之外，孤岛情况的问题更是倍受重视。其中孤岛情况的防止主要是在保护电力系统维修人员的安全。图3 单级架构图- 7 -（2）最大功率点追踪由查询到的资料，我们可以知道，太阳能电池板的电压与电流是呈现非线性的关系，并且在不同的工作环境下，由于 环境温度及日照强度不同，其具有不同的工作曲线。而且每条工作曲 线均有一个最大功率点，此最大功率点就是太阳能板的最佳工作点，因此为了有效提高太阳能板的工作效率，我们需要控制太阳能板的输出，是太阳能板随时 都能够在其最大功率点，文献给出了几种追踪的方法，在此我们只选用直线近似法，因为它比较容易实现而且电路设计简单，但其需要太阳能板的具体参数。（3）孤岛情况检测与保护孤岛情况是指当市电发生故障后，太阳能发电系统没有即时检知并切离配电系统，而与负载呈现独立供 电的现象。事 实上，不只太阳能发电系统会有这个问题的存在，只要是分散式的 发电系统，例如： 风力 发电、燃料 电池发电等，或是一般并联在市电的发电设备都会有此问题产生，当孤岛情况一但发生时，常会导致一些不良的问题产生。例如：(1)当市电故障后，电力系统维护人员必须在断电的情况下做市电的修复，但由于此时 太阳能发电 系统还在持续运作，将使得 电力系统维修人员的安全受到威胁；(2)在孤岛效应发生时，由于太阳能发电系统失去了市电作为参考讯号，所以 电力转换器的输出电压，电流及频率会发生不稳定的现象，若不及时切离其它 负载，在此情况下会使得一些较敏感性的负载受到损害。当有越来越多的分散式发电系统并联到市电时，发生孤岛情况的机率也会变得越来越大，使得孤岛情况的 检测与保护更显得重要。本论文中使用被动检测法检测市电的状态，以电压、频率作为判断市电是否故障的依据。2.3 系统方框图图4 总体方框图3 逆变系统电路- 8 -3.1 直流推挽式升压器在系统运作时，由于本系统所设计的太阳能板输出电压只有 24V左右，其大小不足以提供逆变器切换成交流 110V 电压输出，所以本论文利用一直流升压器将太阳能光电板输出的 24V 的直流电压升至约 200V 的直流电压以提供逆变器作输出。在本论文中使用推挽式切换式电源电路，来做此功能的运作， 为了使简化电路，使电路更为简单 ，我 们使用 KA3525 PWM调变IC来作此推挽式转换器的控制IC，此IC具有RC振荡器，利用改 变 R与C之值，就可用来设定PWM的切换频率；截止时间比较器可设定最大工作周期；通过两组PWM输出控制开关三极管，让 初级线圈左侧的电 容和电感形成谐振回路，由于谐振回路中L 、C的电压电流是变化的，在副线圈就形成了感应电压，通 过整流 电路变成了脉动直流电，在整流桥前端并联一个R.C电路是为了滤波，通 过整流 桥，使 输出电压波形为平直的，也就是高压直流电。而为了改进开关管在不断开关中的延迟， 导致波形不连贯，设 置了一个一个有极性的大电容，以避免在一侧开关管在PWM控制下截止而另一侧开关管还没有开启的情况下，储存电能，在空白时间返回能量，由于使用了KA3525，因此在电 路设计上可大幅降低硬体线路，较易掌握各电路间的情况，本论文在转换器的控制上采用固定周期的方法，使其升压比例为固定值。其完整电路，如附录所示。5 1078 626 11121415 113 9KA3525IRZF 44F IRZF44VIRZF 44VIRZF 44V22FC2122F222C3104PF221C3104FC2104FC1102F20K20K20K20KR1120KR1100R210K22M20K20K100 与与与10020K20K50TRANS5+-Vpv(+)+470uf 385v 与与与与PWM1PWM2图5 推挽式直流升压整流电路3.2 驱动电路与单相逆变器如图6所示为驱动电路和逆变器的电路图，驱动电路的目的是隔离并放大有PWM产 生电路所产生的正弦脉波快读调变信号，是功率原件能依照次信号作正确的动作。由于PWM产生 电路送出的小信号脉波，其功率及电压无法直接推动后继的全桥式逆变器，故需要有光耦合隔离器，耦合成 较高功率及较高电压之脉波来驱动后级的逆变器，本 论文使用TLP250光耦合器来作此 项工作。TLP250 具- 9 -有快速响应、大电流情况下高频切换所造成的干扰信号，并可以使控制电路与驱动电路作电器隔离，以保护控制电路的正常的操作，另外，我 们在功率原件的基极和源极并上一个约10K的电阻以降低杂散信号的干 扰，在光耦合器左 侧各有一个接口用来输入PWM调制波，通过驱动电路的放大来驱动后侧的大功率三极管电路，通过对大功率三极管的开关控制， 产生了一个频率一定的，幅 值不等的矩形波，也就是正弦波的频谱，由傅立叶 变换可知，矩形波可以转换成N个频率和幅值不等的正弦波的叠加，后路再加一个低通滤波器以滤去不需要的高频波，留下近似于市电的正弦波。S3C12.2UF+20VS3R110K10K1 82 73 64 5TLP250S1C22.2UF+20VR210K10K1 82 73 64 5TLP250S4C32.2UF+20VR310K10K1 82 73 64 5TLP250S2C42.2UF+20VR410K10K1 82 73 64 5TLP250S2S1S4与与与与与与图6 驱动电路及逆变器3.3 电流回路控制电流回路控制电路方块图如图7所示，其中包括了最大功率点追踪电路、锁相电路及其它的运算电路。由 电压反馈电路将市电电压Vs反馈后送入锁相电路，以取得市电电压的相位做为逆变器输出电流的参考相位，再与由最大功率追踪电路中所计算得知的最大功率点时的电流 Imppt 相乘，就可得知再最大功率点操作时，逆 变器所应输出的 电流之大小及相位，将此电流当作参考电流讯号Iref ，再与逆变器实际的输出电流 Io相减，做 闭回路控制，最后再加入电流前馈讯号送入 PWM 产生电路，此 为整个控制电路的流程。- 10 -图7 电流回路控制电路框图3.3.1 最大功率追踪电路为了最大效率的使用太阳光的能量，同时也为了输出电压电流的稳定，必须有最大功率追踪电路，由查询 到的资料，我 们可以知道，太阳能电池板的电压与电流是呈现非线性的关系，并且在不同的工作环境下，由于环境温度及日照强度不同，其具有不同的工作曲线。而且每条工作曲 线均有一个最大功率点，此最大功率点就是太阳能板的最佳工作点，因此为了有效提高太阳能板的工作效率，我们需要控制太阳能板的输出，使太阳能板随时都能够在其最大功率点，也就是最大功率点追踪，我们使用直 线近似法来追踪，因 为它容易实现而且电路设计简单，但是需要太阳能板的具体参数。其电路原理图如图8所示，其功能为计算逆变器输出电流的大小，使太阳能板能操作在最大功率点。其 电路做法为将太阳能板的输出电压及电流取回相乘后，取得太阳能板的输出功率讯号，再乘上一比例值(K) ，就可以求得太阳能板理想输出电流 Imppt 的大小。图8 最大功率追踪电路3.4 PWM产生电路PWM 产生电路方块图如图9所示，本 论文采用单极性电压切换的方式来做逆变器的控制。首先，由三角波产生电路产生一11.4kHz的三角波信号，将此三角波反向之后，再分别与调制讯号做比较产生PWM 控制讯号。另外，考 虑开关元件之非理想因素，即其导通与截止过程均需要时间，因此同一臂上二开关切换时间必- 11 -须错开一小段时间，此段时间称之为空白时间，以避免二开关同时在非完全导通或截止状态下发生短路之情况。本论文使用IXDP630来产生空白时间，此空白时间之作法乃将每一开关由 OFF至ON之瞬间往后延迟一时间t 。一般来 说空白时间的大小必须配合开关之切换速度，我们利用IXDP630 只需经由调整外部 RC 值，就可以依不同功率晶体的需求来控制空白时间的大小，本论文中的空白时间大小为 6s。图10为电压反馈电路和锁相电路输送正弦波信号到PWM控制电路来控制驱动电路和控制电路的，通过控制开关的关闭实现调制频率和相位的目的。图9 PWM产生电路方块图UIATL074U2DLM339U2DLM339UIATL074LM339U2DLM339C40.005FC10.0022FC2022uC30.1FR3100k10K R810KR410kR610kR510KR101KR91KR1210KR1110K1 182 173 164 155 146 137 128 119 10IXDP6301234 5678SW1SW-DIP4D2D8D1D4D3VR150KR2100k1K LM33910K D51K LM33910K D71K LM33910K D61K VR1 1K+5+5与与与与与与与R1130k+5+510K10KS3 S4 S1 S2与与与与与与与与图10 PWM产生调制电路3.5市电电压反馈电路图11所示为市电电压反馈电路。由于市电电压为110V 的电压，所以我 们先藉由变压器来作隔离及降压的功能，再经由一级电压跟随器后，送入主控制电路- 12 -的锁相电路中。Tr 100KA100KATL074与与与与与Vs图11 电压反馈电路3.6 太阳能板输出电压反馈电路图12所示为太阳能板输出电压反馈电路。由本论文使用的太阳能板参数知道太阳能板的输出电压最高为21.72=43.4V，所以我们依太阳能板的变动特性，将太阳能板输出电压的感测范围设定在 15V45V 之间。我们将太阳能板输出电压分压后，再经由一级电压 跟随器，送入主控制 电 路的最大功率追踪电路中。R?ARESPACK2R?ARESPACK2 AR?OPAMP与与与与与与与与与Vpv图12 太阳能板输出电压反馈电路3.7电流反馈电路电流反馈电路中包括了逆变器输出电感电流(Io)及太阳能板输出电流(IPV)的反馈电路。本论文采用HY5-P 霍尔CT元件来检测电流信号，将电流信号输入霍尔 CT元件，经内部的霍尔 效应将电流信号转变为电压信号，经OP 放大器将信号放大，最后送至主控制电路中，其电路如图13所示。另外，由于霍尔CT 可能会产生直流偏移问题，故必须在加一直流准位来调整其直流偏移量。此种电流截取方式可将电力电路和控制电路完全隔离，而不会有共地的问题，亦可降低功率消耗，改善了传统的电流截取方式。图13 电流反馈电路3.8 孤岛检测电路- 13 -在本论文中，我们使用被动检测法来检测孤岛情况的存在与否，就是检测市电电压和频率的方式做孤岛情况发生时的保护。当市电电压大小或频率的高低超过我们所设定的范围后即送出一个触发讯号通知直流升压器及逆变器停止输出，并且通知继电器将系统 与市电网路切离。 为了能 够达到此功能所以我们分别设计了市电电压检测电路及市电频率检测电路。图14 市电电压检测电路方框图图15 市电电压频率检测电路方框图3.9 电压回路控制在独立运转模式下，其主要目的为控制逆变器的输出电压，所以我门所需的硬体电路，除了单相逆变器、升压器，逆变器的开关功率元件的 驱动电路、缓冲电路、PWM产生电路之外，我们还需要逆变器输出电压的电压反馈电路以及计算逆变器输出电压的电压回路控制电路。另外，由于逆 变器输出电压反馈电路与前面介绍的市电电压反馈电路是相同的，只是反馈的是逆变器的输出电压而已，其原理相同。以下就只对电压 回路控制电路作说明。电压回路控制方块图如图16所示，当系统在操作在独立运 转模式下时，由 锁相电 路产生一参考50HZ的正弦波给控制电路作参考Vref, 作为变流其输出电压的参考，再与逆变器实际的输出电压Vo相减，做闭回路控制，最后再加入电压前馈讯号送入PWM 电路，此 为整个电压控制电路的动作流程。图16 电压回路控制电路方框图- 14 -4 并网系统并网系统其实是由零点检测电路和锁相电路组成，其电路图如图17所示，其功能是取得市电电压的相位，及在独立运行是提供一参考正弦波给控制电路，在本论文中我门使用LM565这颗锁相IC，配合零点侦测电路及带通虑波器来作锁相电路，首先，我 门将市电电压利用电压反馈电路取回后经零点这策电路取得市电电压的相位，在送入LM565 作锁相，由于 LM56为 方波，所以必 须再有一级带通滤波器将方波滤波成正弦波输出。再送入PWM 控制器进行比较，然后由PWM控制产生4路控制信号，这4路控制信号通过驱动电路的放大然后驱动4个大功率三极管的开关关和闭，开关的 频率由PWM 产生电路通过和市电比较产生相同频率的4路信号，进而控制逆变 器产生相同频率和相位的正弦波信号。R51KU1ATL074U1DTL074 R310KR210KU1BTL074C10.22UC20.22U R510KR410KVSU1BTL074R710K U1BTL074R610KR910KR10100KR11100KR1210KR1310KU1BTL074R1110K PWMREF6 VOUT 4VIN 5IN2 IN3 TRES 8TCAP 9VDD10 VCON 7GND1LM565R715k0.1FR1815kC12181u10KC13.33F102U-5v+5vVc与与与与与与与与与与与与VR110K 10K1MVR210K0.1U图17 并网控制电路（零点检测及锁相电路）结论太阳能为目前最有可能实用化的能源，所以如何发展太阳能发电系统为一重要课题。太阳能发电系统 中除了太阳电池模组外，其所需的 电能转换器亦扮演重要角色，转换器除了能将太阳 电池所发出能量转换成一般负载所使用电力之规格外，一般还必须搭配其它能源系 统，使其在夜晚或低日照的情况下也能供给负载使用。本论文分析与设计 一150W 之太阳光电 能转换器，电路架构的设计主要由推挽式直流升压器及单相逆变器所组成，此方式可降低 转换器的输入工作电压，使得太阳能电池模组 的组装方式更有弹性，以提供不同地方的需求。在逆变器的控制上分别由逆变器之电压源型电流控制及电压控制，使系统能达到系统与市电并联供电或独立供电之目的，以提高其适用范 围。并加入系统过欠电压及过欠频率侦测，以防止孤 岛情况的发生。本 论文所安装之太阳能 电池模组在一般的天气状况下，其输出电压约 在直流 20-35V 之 间，因此本论文利用推挽式直流-直流升 压器将电压提升到直流160V-280V之间，再利用逆变器作输出。由模拟与实作结果中可验证，本文所制作之太阳光 电能转换器确实可以操作在并联市- 15 -电运转模式，配合最大功率追踪的方式将太阳能电池模组所产生之能量利用本系统转换与市电并联，将能量传送回市电或一起供给负载使用，并加入了简单的保护装置，以提高安全性；而操作在独立运转模式下，可以将太阳能电池模组所产生之能量直接转换成交流 50Hz、220V 之电力，提供一般小型的负载使用。由前面之实验结果可验证本文所提之电路架构及控制策略的可行性。致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成 这 个设计是难以想象的。在论文写作过程中，得到了指导老师的亲切关怀和耐心的指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作 风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜，老师不仅在学业 上给我以精心指导，同 时还在思想、生活上 给我以无微不至的关怀，除了敬佩指 导老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!最后我还要感谢机电学院和我的母校河南科技学院四年来对我的栽培。- 16 -参考文献1欧宏麟.太阳电池供电系统控制器之研制J. 电力电子技 术， 1995(4 ): 35-602黄庆连，白富升，蔡明村，黄世杰.电流控制逆变器之光伏系统孤岛行为之研究J. 第十九届电力工程研讨会论文集，1998 年。3吴财福，何佩怡.太阳能与市电并联之单独运转现象探讨J.电力电子技术，1999 年。4何信龙，关侃胜，蔡庆龙，吴黎明.太阳能电力转换器与最大功率追踪J.第十七届电力工程研讨会论文集， 1996 年。5黄庆连、蔡明村、林清一、蔡文荫.光伏系统併入电力线之应用研究J. 第十七届电力工程研讨会论文集，1996 年。6黄庆连、林清一、蔡明村、袁成明、蔡文荫.一种小型光伏能量转换系统之研究J.第十六届电力工程研讨会论文集，1995 年。7林琼辉.国内太阳电池产业发展契机与系统应用机能J.电力电子技术， 1999年8月。8何信龙，关侃胜，蔡庆龙，吴黎明.太阳能电力转换器与最大功率追踪J.第十七届电力工程研讨会论文集，1996年。9 M. 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Palanichamy.PC Based Controller for UtilityInterconnected Photovoltaic Power Conversion SystemsJ.Proceedings of International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth, Jan. 199附录图A 市电并联 电流控制电路4.8VZ1U4AHA17458R120KU1A TL074U3CTL074U1DTL074R2110KR1710KR2010KR1810K1235 46 7 8 9 10