【电气工程及其自动化】光伏发电并网逆变器的设计与仿真

本科生毕业论文（设计）光伏发电并网逆变器的设计与仿真二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111光伏发电的背景112课题的研究意义113户用型光伏并网在国内外的发展现状2131国外发展现状2132国内发展现状214本论文的主要工作32光伏并网逆变器工作原理及其电路设计421逆变器主电路设计422前级BOOST电路的工作原理523BOOST电路设计7231电感设计7232支撑电容的设计9233开关管的选择10234二极管的选择1024后级全桥逆变的工作原理1125后级DCAC逆变电路的设计12251滤波电感设计12252开关管的选择1426控制电路的芯片143建模与仿真1531前级BOOST电路建模与仿真1532后级全桥逆变建模与仿真164总结与展望1941总结1942展望19参考文献20光伏发电并网逆变器的设计与仿真摘要本文设计了一个小功率的具有两级变换结构的单相光伏并网逆变器，该光伏并网逆变器的主电路由BOOST结构的DCDC变换电路和全桥结构的DCAC逆变电路组成，文中对BOOST升压电路以及全桥逆变电路进行工作原理分析，并对电感、电容、二极管的功耗等参数进行计算。最后采用SIMULINK对BOOST升压电路和全桥逆变电路进行了建模仿真。关键词BOOST升压电路；光伏发电；逆变器DESIGNANDSIMULATIONOFPHOTOVOLTAICGRIDCONNECTEDINVERTERABSTRACTTHEPASSAGEISAPHOTOVOLTAICGRIDCONNECTEDINVERTERWITHATWOSTAGETRANSFORMATIONALSTRUCTUREANDLOWPOWERTHEMAINPOWERCIRCUITSOFTHEPHOTOVOLTAICGRIDCONNECTEDINVERTERARECOMPOSEDOFDCDCCONVERTORWITHBOOSTSTRUCTUREANDDCACINVERTERWITHFULLBRIDGESTRUCTURETHEREAREANANALYSISONOPERATINGPRINCIPLEOFBOOSTBOOSTEDCIRCUITANDFULLBRIDGEINVERSIONCIRCUITANDPARAMETRICCALCULATION,SUCHASINDUCTANCE,CAPACITANCE,ANDPOWERCONSUMPTIONOFDIODESFINALLY,THEREISAMODELINGANDSTIMULATINGFORBOOSTBOOSTEDCIRCUITANDTHELATTERFULLBRIDGEINVERSIONCIRCUITACCORDINGTOSIMULINKKEYWORDSTHEBOOSTCONVERTERPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONINVERTER1绪论11光伏发电的背景随着人口的增加及社会的发展，能源的消耗日益增大。此外，常规能源的消耗过程中也产生了大量的温室气体二氧化碳、二氧化硫，对温室效应和大气污染产生恶劣的影响。为了使日益严重的能源危机与环境恶化的矛盾得到解决，各国都对新能源的高度重视并大力投资，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的干净能源，便成了研究热点。现代生活中，太阳能发电主要有太阳能热发电技术和光伏发电技术。太阳能热发电技术利用光热电转换；太阳能光伏发电技术利用光生伏打效应；相对于太阳能热发电技术，光伏发电具有诸多优点如结构简单，体积小，重量轻；易安装，易运输；清洁、安全；可靠性高、寿命长；故障率低等。12课题的研究意义根据是否与电网存在连接，光伏发电技术可分为离网系统和并网系统。在并网系统中，由于电网的存在，我们可以将太阳电池板产生的能源不经过蓄电池而直接由并网逆变器将能量存储于电网中，再由电网来分配使用。相比离网系统少了储能环节，这样由于有电网存在，电池板可以一直工作在最大功率状态，提高了电池板的利用率；此外，由于电网的存在可以吸收逆变器发出的全部能量，这样不再需要蓄电池等储能环节，少了充放电过程，使得逆变器拓扑简单，同时减小了能量损耗，提高了效率。正是由于并网发电具有诸多优点，逐渐成为了太阳能主要的发展方向，成为了新能源的研究热点。太阳能并网发电技术分为两个方向，一方面以集中型的光伏发电站为主导的并网技术，这种并网技术一般采用三相并网，且配置的太阳能电池板容量很大；另一方向就是以家庭用户为主的户用型并网发电，户用型并网发电通常对电池板的容量配置较低，一般为35KW。户用型光伏发电技术能够克服日照的能量不集中缺点。将电池板安装在现有的屋顶之上，避免占用大量的空地面积；户用型并网逆变器在电网终端并网，所发出电能被负载就地消耗，减小了电能在传输过程中造成的损失。这样在灵活性和经济性上，都比光伏电站具有更大优势。因此，本课题主要对户用型并网发电逆变器进行研究。13户用型光伏并网在国内外的发展现状131国外发展现状自90年代初期开始许多国家已经开始重视太阳能的开发，且取得非常大的进步。如基站、航天，还有与老百姓生活息息相关的在各国轰轰烈烈发展的太阳能屋顶，都一应用了太阳能光伏发电技术。如今美国作为一个发达国家，建筑用能已占全国总能耗的3090，对经济发展形成了一定的制约作用。因此，美国太阳能建筑的发展极为迅速。为了减少能耗，降低污染、调整能源结构，实现环境保护的可持续发展，美国对太阳能作了积极的探索，其中“百万太阳能屋顶计划”就是规模最大、涉及部分最多、正在逐步实现的项目计划。该计划是美国面向21世纪的一项由政府倡导、发展的中长期计划。这一计划的实施，到2010年将在100万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。这一计划的实现，太阳能技术的应用将进一步扩大，达到减少温室气体排放，扩展能源选择，创造新的高新技术工作岗位等目的，给美国带来相当可观的环境效益和经济效益。到2010年，百万屋顶计划将生产相当于23个燃煤发电厂的电力，不仅满足建筑物自身的电力需求，而且有的地方已经在出售由太阳能所产生的电力。作为世界第二大经济体，日本是世界上主要能源消耗大国，在太阳能利用领域，日本居民光伏屋顶系统到2003年底，总计安装887万千瓦，日本政府计划到2010年总计安装482万千瓦。132国内发展现状我国的第一幢被动式太阳房建成于1977年，地点在甘肃省民勤县，是一栋南窗直接受益结合实体集热蓄热墙的组合式太阳房。在20世纪80年代初，又通过国际合作项目，如中德新能源村、联合国开发署支持的甘肃太阳能采暖降温研究基地的建立使太阳房得到进一步发展。在“六五”、“七五”、“八五”，包括到“十一五”期间，国家科技攻关计划中都列入了太阳能建筑项目，取得了一系列成效。当前，我国被动式太阳房已进入规模普及阶段。由群体太阳能建筑向太阳能住宅小区、太阳村、太阳城发展。特别是常规能源相对缺乏、经济相对落后、环境污染比较严重的西部地区，发展速度更为迅速，有的地区年平均递增率达15。各地还制定了包括推广太阳能建筑的阳光计划，如投资额达428亿元的兰州市“阳光计划”，甘肃省临夏市建成了占地98公顷、建筑面积92万扩的太阳能小区，以及西藏计划投资900万元资助新建太阳房27万平方米等大型工程项目。另外，我国首座全太阳能建筑已在北京落成，其占地8000平方米。该全太阳能建筑，主体建筑室内的洗浴、供热、供电等所有能源都由太阳能来提供。太阳能新村建筑南墙、屋顶坡面等位置都安装着数个太阳能集热器。这些集热器在夏季可为空调设备提供驱动热源，在冬季可为采暖提供保障。此外，建筑内还安装了全国最大的太阳能发电系统，投入运营后可提供50千瓦的电力，满足日常用电所需。该工程是奥运场馆的试验性建筑，并且今年我国奥运场馆的部分项目也将使用太阳能技术。14本论文的主要工作本文主要对户用型700W非隔离型并网逆变器进行研究，通过MATLAB对主电路建立模型进行仿真，各章的主要研究内容如下第一章主要对传统能源危机以及光伏能源进行阐述，介绍了户用型光伏并网的研究意义及国内外的发展状况，最后对本文的工作内容进行大概说明；第二章主要介绍了光伏并网逆变器前级BOOST电路和后级逆变全桥工作原理及其电路设计；第三章主要是对BOOST升压电路和后级全桥逆变进行建模与仿真；第四章主要是对本文内容的总结与张望。2光伏并网逆变器工作原理及其电路设计太阳能光伏发电是指利用率太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能直接发电方式，是当今太阳能光伏发电的主流。通常在阳光的照射下，具有特殊电性能的半导体内可以产生自由电荷，从而在其两端形成电动势，当用导体将其两端闭合时便能够产生电流。这种现象被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。光伏发电系统由太阳能电池组件（PV）方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。光伏发电系统的核心部件是太阳能电池组件，它将太阳的光能直接转化为电能。太阳能电池产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用逆变器将其转换成为交流电，加以应用。从另一个角度来看，对于光伏系统产生的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存放起来，按照需要随时释放出来使用。其系统组成如图1所示太阳能电池板并网储存控制器蓄电池直流负载逆变器太阳图1光伏系统的组成21逆变器主电路设计针对小功率的光伏并网的特点，本设计决定采用无变压器的两级结构，前级DCDC变换电路和后级的DCAC逆变电路，两级电路通过电容相连。DC其中前级的DCDC变换电路为BOOST升压结构，主要由电感、二极管和MOSFET开关管组成，后级的DCAC逆变电路分采用全桥式结构，由四个ICBT开关管和四个反并联的二极管构成。图2系统主电路的拓扑结构系统主电路的拓扑电路如图2所示，系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压设置为120170V之间，通过DCDC变换电路将电能转换为更高电压的直流电存储于电容。后级的DCAC逆变电路，采用单相逆变全桥结构，DC它的作用是将中直流电转换成电压220V频率50HZ正弦交流电，进而向电网输送功率。的作用除了连接DCDC变换电路和DCAC逆变电路，还实现D了功率的传递。控制电路的芯片是TI公司的TMS320LF2407A。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频同相。22前级BOOST电路的工作原理BOOST升压电路即开关直流升压电是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高。BOOST电路由开关管Q1，二极管D，电感L，电容组成，完成太阳能电池输出的直流电压升压到，其原理图如下图3所DCCPVVDC示,假定那个开关已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态，电容电压等于输入电压。下面要分充电和放电两个部分来说这个电路。图3BOOST电路原理图充电过程，当开关管Q1导通时，二极管反偏，于是将输出级隔离，并防止电容对地放电，由输入端输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。如下图4所示（A）表示Q1导通，D关断。放电过程，当开关管Q1断开时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。输出级吸收来自电感器和输入端的能量。如下图4所示（B）表示Q1关断，D导通。升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出量如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。（A）B图4BOOST电路的工作过程23BOOST电路设计231电感设计对于一般变换器来说，电源电压下降时，为了使输出电压稳定，控制线路总是尽量增大占空比，使电压增益变大来维持输出电压恒定。但在考虑变换器的寄生电阻时则占空比的值有一个限定，当占空比超过这个值时输出电压不仅不增加，反而会减小，这是不允许的。因而在实际应用中升压变换器的最大占空比都在088以内。由分析可知，BOOST电路应工作在连续导电模式下，稳态时电感上的电压在一个周期内对时间的积分必须为（20DCPVSPVDT1）其中是太阳能输出电压。PVV是直流侧的电压，也即BOOST电路的输出电压，是开关管的开关周DCST期；D是占空比，是开关管的导通时间，（1）是开关管的截止时间，SDTSD整理后可得（2VPVDC12）假设电路没有损耗（2RLPPV3）其中是太阳能的输出功率，PVPPVIVPPV是BOOST电路的输出功率，即后级和电网等效的负载RL消耗的功率RL（2DCIRL4）则有（2DIRL1PV5）其中是负载的平均电流，是太阳能的输入平均电流，是电感上RLIPVILI的平均电流，由于电感电流与输入电流是相同的，,则LPVI（2DILR16）由可得DTILV（2LTVISP7）其中是电感也即输入电流的纹波电流，定义，由（22）、（2LILII3）、（24）（26）、（27）可得（2RLSPTDV2DC18）可见，在其他条件不变的情况下，当D1/3时，L取最大值，（2RLSDCPTV274MAX9）为了保证额定情况下满足纹波电流的要求，因此（2MAXL10）本系统中太阳能板的最大功率点电压输入为，直流侧电压为V614PV，由（22）可得V40DC（264014MAXDCLINKPVD11）所以占空比D00646，电流的纹波取，。25WPRL70开关管工作频率的选择工作频率过高，则输出波形谐波含量少，有利于滤波，但工作频率过高则管子的损耗和发热就会增加，所以本系统中在前级DCDC取开关管的开关频率，则。KHZFS50ST20S则由（39）（310）可得（212）HLM790257146，因此取。HLM7092HM8232支撑电容的设计假设全桥逆变器可以完全等效成纯阻性负载，中间电压稳定在400V。由BOOST升压斩波电路可以知道DVPDC1那么（2IPVDC113）又由电容电压和电流的基本关系可得DTVCI（2DCSRLDCDT14）由（24）、（211）可得DCSRLDCVCDTP令为电压纹波系数，则DCV（22DCVSRLDCVDTP15）要使中间直流侧电压满，由140DC则由（315）可得,60,4DVDCSTWPSRL20,7（2FCDC564016216）实际电路中，中间支撑电容除了给BOOST输出滤波外，还具有储能的作用，且全桥逆变器也不能完全看作是纯阻性负载，所以中间电容取2倍的裕量，用110UF的电容。电路中采用两个250V，220UF的电容串联，可以得到500V400V耐压值。电容串联要均压，采用每组电容上并联一个68K/2W的电阻，则每个电阻上消耗的功率为（2WRVPDCR17217）233开关管的选择本系统功率不是很大，由于MOSFET在低压、高频中的使用优势，因此选用IGBT管作为BOOST电路的开关管。开关管截止时承受电压为400V，考虑5的电压波动和留有一定的电压余量，所以选用IRFPC50，耐压600V，额定电流11A，内阻06，反向恢复时间550NS。234二极管的选择在BOOST电路中，二极管的方向恢复时间即是开关管瞬间短路的时间，因此可能的情况下应尽量选反向恢复时间短的二极管。二极管的正向压降，其正向电流的功耗VF251（2WDIPCLINKFF39025118）二极管反向电流的功耗从产品资料查到反向电压400V，时，二极管反向漏电流2UA，T10C所以（2MWDIVPRR67524619）这功耗很小，可以忽略。根据二极管的功耗从而可以确定散热器的大小。由资料可知PN结与散热器间的热电阻为50/W，PN结与散热器JFR间的温度T50039195，结温应控制在100。若电源内部二极管的JT环境温度为60，则需要散热器的热阻FA（2WCPTRAJJFA/5623901MAX20）综上所述，这里选择MUR1560，TO220AC封装，反向耐压600V，额定电流15A，反向恢复时间55NS。可以满足要求。24后级全桥逆变的工作原理如图5所示为绝缘栅双极性晶体管（IGBT）为主开关器件的单相全桥逆变器主电路图，其中为交流输出电感，为直流侧支撑电容，也即前级NLDCCBOOST电路的输出电容，为主开关管IGBT，是其反并联二极41T41D管，对四个开关管进行适当的PWM控制，就可以调节输出电流为正弦波，TIN并且与网压保持同相位，达到输出功率因数为1的目的。TUN图5单相全桥逆变的拓扑电路它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，而预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，电感电流不完全可控。逆变器的基本电路根据不同的技术方案的差异可分为单相桥式逆变电路、三相半桥式逆变电路、三相全桥式逆变电路等下面以最简单的逆变电路单相桥式逆变电路为列，具体说明逆变器的“逆变”过程。单相桥式逆变电路如图6所示。图6单相桥式逆变电路输入直流电压为E，R代表逆变器的纯电阻性负载。当开关K1、K3接通时，电流流过K1、R、K3时，负载上的电压极性是左正右负；当开关K2、K4接通时，电流流过K2、R和K4，负载上的电压极性反向。若两组开关K1K3、K2K4以频率F交替切换工作时，负载R上便可得到频率为F的交变电压UR，其波形如图6所示。改波形为一方波，其周期T1/F。图6电路中的开关K1、K2、K3和K4实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变器电路中常用的功率开关器件有功率晶体管（GTR）、功率场效应管（POWERMOSFET）、可关断晶闸管（GTO）及快速晶闸管（SCR）等。近来因为功耗低、开关速度更快的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）大量普及，当今大功率逆变器多采用IGBT作为功率开关器件。图6所示电路是逆变器的逆变过程示意图。实际上要构成一台实用型逆变器，尚需要增加许多重要的功能电路及辅助电路。输出为正弦波，并具有一定的保护功能的逆变器电路原理框图如图6所示。其工作过程简述如下有太阳电池方阵（或蓄电池）送来的直流电进入逆变器主回路，经逆变转换成正弦波脉冲，再经滤波器滤波成为50HZ的工频正弦波，最后由变压器升压送至用电负载。25后级DCAC逆变电路的设计251滤波电感设计滤波电感的值直接影响着纹波电流的大小。由电感的基本伏安关系可得DTLI/V（2ONTDTLVI021）其中，VT为电感两端电压，考虑到当输出电压处于峰值附近，即时，输出电流纹波最大，设此时开关管的开关周期为T，占空比为NMAXVTUD，则有下式222LDTVINMAX另外，根据电感的伏秒平衡原理，我们可以得到223TVNMAXDNMAX1于是求得224DNAXVD将式323代入321式可得225DNMAXNAXIVTL在本系统中，T1/5K，取电流纹波系数VNMAX3120AINMAX983VD40，则15IR226MHL7105410983）（因此，要保证实际电流纹波，则滤波电感应满足59NMAXIIR227L7从PWM整流器输入侧矢量三角形关系可知，SNVILJV于是，它们的基波幅值满足下式22822SNLIV由正弦脉宽调制理论可知229DDSA其中，为调制比，且，从而得A123022DNVLI于是，我们可以得到下式231NDWI2代入数值计算可得。MHL49综上，滤波电感的取值范围95MHL249MH。在实际设计过程中，由于电感的体积、成本等因素的影响，一般只需考虑电感的下限值，即取稍大于下限值即可。在此最终选取电感值L10MH。252开关管的选择用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（1000KVA以上）系统中，一般均采用GTO作为功率元件。随着针对于光伏系统的功率模块的发展，主电路元器件选择功率模块也是一个比较有前景的。因此针对本电路的特点，在此选用IGBT作为开关元件。在IGBT的选择中，需要注意在IGBT开关过程中，C、E两端电压尖峰不能超过器件的最高耐压值，否则，器件将被过压击穿，工作过程中，集电极峰值电流必须在IGBT开关安全区以内，并且在工作过程中会产生大量开关损耗而使器件发热，因此还必须考虑散热条件。在本系统中，IGBT的C、E两端承受的电压为直流400V，考虑到器件开关过程中电压尖峰的影响，选取一定的电压裕量，因而取耐压为600V；在电流方面，单相全桥的额定工作电流为95A，最大为11A，因而为了保证系统的工作安全，对开关管电流取了较大的裕量，取额定电流为20A，开关频率为15KHZ，反向恢复时间为42NS。26控制电路的芯片本系统中选用的是控制电路的芯片是TI公司的TMS320LF2407A，ATMS320LF2407A片上外设包括内置振荡电路和PLL电路，看门狗/实时中断模块；两个专用于电机控制的事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块包括2个通用定时器GP、全比较单元、脉宽调制电路空间矢量电路、死区产生电路和输出逻辑单元、正交编码脉冲电路以及捕获单元；具有16通道10位A/D转换器，最小转换时间为325NS；内置了一个SPI接口，一个SCI接口和一个CAN总线接口。以TI公司的TMS320LF2407A为核心，外围辅以模拟信号调理电路、CPLD逻辑电路、数码管及DA显示、通信以及串行E2PROM，完成对电压电流信号的采样、PWM脉冲的产生、与上位机的通信和故障保护等功能。3建模与仿真MATLAB是一种功能强大的仿真软件，SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，它可以进行各种各样的模拟电路和数字电路仿真，并给出波形输出和数据输出，无论对哪种器件和哪种电路进行仿真，均可以得到精确的仿真结果。采用SIMULINK仿真分析方法，可直观、详细的描述BOOST升压电路和全桥逆变电路由启动到达稳态的工作过程，并对其中各种现象进行细致深入的分析，便于我们真正掌握它们的工作特性。31前级BOOST电路建模与仿真首先对主电路前级BOOST升压电路进行建模如下图7所示，设直流输入电压为170V，载波频率为50HZ,电感L28MH，支撑电容,仿真时间为1S,开FC56关管耐压600V，额定电流11A，内阻06，反向恢复时间550NS，二极管反向耐压600V，额定电流15A，反向恢复时间55NS。升压输出线电压的仿真波形如下图8所示。图7前级BOOST仿真模型图图8前级BOOST升压波形图32后级全桥逆变建模与仿真首先运用SIMULINK对后级全桥逆变电路进行建模如图9所示，设直流输入电压为400V，载波频率为,滤波电感L10H，仿真时间为1S,全控器件为IGBT，耐压为600V，额定电流为20A，开关频率为15KHZ，反向恢复时间为42NS。其后级全桥逆变电路中逆变电路交流侧输出电压波形如图10所示；后级全桥逆变电路中输出电流波形如图11所示。图9后级全桥逆变仿真模型图图10后级全桥逆变仿真输出电流波形图图11后级全桥逆变仿真输出电流波形图4总结与展望41总结光伏并网系统实际上是一个有源逆变系统，但它和普通的逆变器又有很大的区别。本文介绍了太阳能光伏系统的应用现状，并提出了光伏能源的发展在未来将变得越来越重要，由于学识水平、实践经验的限制，本文仅对光伏并网逆变器系统进行了初步的探索。现对本文工作总结如下1详细分析了单相光伏并网发电系统的不同主电路拓扑结构的工作特性和工作原理。结合小功率光伏系统的特点，选择了两级式电路拓扑结构，前级DCDC采用BOOST升压电路，后级DCAC采用全桥结构；2分别对两级式并网逆变器的主电路