光伏发电型EPS电源设计 开题报告

毕业设计（论文）

开题报告题目: 光伏发电型EPS电源设计 院系名称：电气工程 专业班级: 电气0702学生姓名： 学号： 指导教师： 教师职称： 2011年3月20日TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 2光伏发电系统 2\o"CurrentDocument"光伏发电系统对逆变电源的要求 2\o"CurrentDocument"逆变电源的原理与电路结构 3\o"CurrentDocument"EPS的构造与性能特点 4\o"CurrentDocument"（1） 充电器 4\o"CurrentDocument"（2） 蓄电池 5\o"CurrentDocument"（3） 逆变器与负载适应性 5\o"CurrentDocument"（4） 自动切换装置与切换时间 6\o"CurrentDocument"（5） 输入输出配电装置 7\o"CurrentDocument"（6） 电池检测装置 7（7） 控制系统 7\o"CurrentDocument"（8） 状态显示器和操作系统 8参考文献 9毕业设计（论文）开题报告结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000〜4000字左右的文献综述：文献综述引言随着电力电子技术突飞猛进；国民经济的进步和发展，社会对电力的需求及依赖程度越来越高，特别是对那些重要、关键的电力负荷，一旦中断供电，往往会导致非常严重的甚至灾难性的后果。同时，人们对突发事件的防范意识也越来越高，集中应急供电系统或应急电源越来越受到人们的重视和需求,并在更多的相关场合成为必备的集中应急供电系统。与原始的二路自切供电、油机等备用电源等应急供电方式相比，采用蓄电池储能、通过电力电子变流技术取得交流电源的静止逆变式应急电源系统，它具有许多独特的优势和极为广泛的实用性，是一种真真的有效的末端切换装置。近年来得到迅速的发展，以至于被公安部国家消防检测中心认可作为应急灯集中供电的专用应急电源“EPS（EmergencyPowerSupply）”。目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如12V、24V、48V、等），很维实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用成熟，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。光伏发电系统光伏发电系统对逆变电源的要求采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变电源四部分组成（并网发电系统一般可省去蓄电池），而逆变电源是关键部件。光伏发电系统对逆变电源要求较高：要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变电源的效率。要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热，过载保护等。要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V〜16V之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免铎公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。逆变电源的原理与电路结构逆变电源将直流电转化为交流，其电路原理如图3所示、功率晶体管T1、T3和T2、T4交替开通得到交流电力，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变电源，由人直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V，在中、小容量的逆变电源中，由于直流电压较低，^叮2V、24V,就必须设计升压电路。中、小容量逆变电源一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种其主电路分别如图3、图4和图5所示，图4所示的推挽电路，将升压变压器的中性抽头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。图3所示的全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管T1、T4和T2、T3反相，T1和T2相位互差180度。调节T1和T2的输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。四只功率晶体管的控制信号和输出波形如图6所示，由于该电路具有能使T2和T4共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，在Tl、T4及T2、T3之间必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于工频升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在20KHZ以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小/重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在300V以上）再通过工频逆变电路实现逆变。采用该电路结构，使逆变虬路功率密度大大提高，逆变电源的空载损耗也相应降低，效率得到提高，该电路的缺点是电路复杂，可靠性比上述两种电路低。EPS的构造与性能特点EPS—般由充电器、蓄电池组、逆变器、自动切换装置、输入输出部件、电池监测装置、控制系统、状态显示器、操作面板等部分组成。（1）充电器EPS中的充电器一般采用智能恒流恒压二阶段充电方式或恒压限流的充电方式。充电器的好坏对蓄电池的容量及使用寿命影响较大,应保证最大充电电流不超过所配用蓄电池的允许值，浮充电压满足配用蓄电池的推荐值，如具备温度补偿特性则更佳，避免快速充电。当然也有高端的采用其他充电方式，如定时自动进行循环充电方式、自动均充-浮充控制等，但在控制上略为复杂。市电正常时，EPS中的充电器通常还需要为控制系统供电。充电器应具备高可靠性和良好的自保护功能，应能适应较宽的输入交流电压范围，以保证在各种恶劣供电环境中正常充电并为EPS的控制系统供电。因充电器功率较小，且多数时间内工作于轻载状态，其交流输入功率因数和谐波含量等指标并不十分重要。EPS中的充电器通常采用高频开关电源技术实现，也有部分大功率的EPS采用了晶闸管相控整流型充电器。（2） 蓄电池蓄电池是EPS应急供电时的能量来源，是影响EPS可靠性的关键部件。目前EPS几乎均采用免维护阀控铅酸蓄电池，该电池技术成熟，价格较低，使用、维护简单，成为UPS和EPS的首选。（3） 逆变器与负载适应性逆变器是EPS中技术含量最高的核心部件，市电异常或火灾报警时，蓄电池存储的直流电能通过逆变器转换成与市电相同频率、电压的交流电，供给重要负载。因此，EPS的应急供电质量、逆变效率、负载适应能力等多项重要指标都决定于逆变器的品质。特别是正弦波逆变系统的技术在EPS中就更为重要。同时，逆变器的可靠性也是影响EPS整机可靠性的关键之一。EPS的逆变器几乎均采用了IGBT（或功率MOS管）SPWM逆变技术，但该技术与UPS、变频调速器等应用领域有较多的不同。它主要是围绕着过载能力、负荷的适应能力（混合负荷）供电的可靠性做系统设计的。可以这么说EPS逆变器的供电可靠性远远重要于逆变器的供电质量，这也是在设计思路及设计方案上不同于UPS。由于IGBT（已发展到第六代）在UPS、变频调速器、电焊机等已得到充分的应用和发展，是一个很成熟的电力电子功率元器件。目前经常会见到关于UPS与EPS负载适应能力差别的讨论，或用UPS替代EPS。其实它们的逆变控制系统的数学模型是完全不同的，一般UPS是以波形电压反馈的单闭环控制系统，因此其输出电压的正弦波波形及电压的动态调整精度特好；而EPS专用的动力逆变器控制系统是由电压反馈、电流反馈组成的多比环控制系统，主回路是完全电隔离的，因此其输出功率过载能力、三相的偏相运行能力、负载适应能力及适应强制工作能力特强，可靠性及高。在市电正常时，EPS会直接由市电提供负载，其负载能力仅决定于供电回路中的断路器、转换开关和导线的容量，一般无需讨论，但市电中断时，由EPS即刻切换由逆变器输出提供负载，此时应急供电必须保证其负载的重要负荷正常运行，因此UPS与EPS负载适应能力的差别本质上还是其逆变器负载能力的差别。EPS的负载具有多样性，但多数情况下是用于应急照明和动力负载。用于照明时，灯具有白炽灯、节能灯、日光灯和高压气体放电灯等等。用于动力负载时，又分为提供标准正弦波备用电源的普通型和直接变频驱动电机的变频型等等。EPS的逆变器一般需要具备冷启动能力（在无市电状态下依靠完全电池电力启动或不考虑自身设备的损坏），以满足“强制启动”功能要求，因此不但要在蓄电池与逆变器直流母线电容间需要加装缓冲装置，以完成母线电容的预充电，防止过大冲击电流导致器件损坏和直流输入断路器跳闸，还要求逆变器能适应较宽直流母线电压的变化。（4）自动切换装置与切换时间为实现市电供电与逆变器供电之间的自动切换，EPS按国家标准必须是后备式的。为此自动切换装置是EPS中必不可少的部件，也是影响EPS可靠性的关键部件之一。根据EPS的输出容量和负载要求不同，自动切换装置可采用功率继电器、交流接触器、互投开关、固态开关（晶闸管）等构成。对EPS的切换时间要求具有多样性，例如，一般消防应急照明要求切换时间小于5s,高危险区域使用的消防应急照明要求切换时间小于0.25s,为高压气体放电灯供电时，为保证不熄辉，则要求切换时间为数毫秒量级，为风机、泵类、卷帘门、电梯等负载供电时，根据应用要求不同，切换时间也会在数毫秒等。用固态开关（晶闸管）实现市电与逆变器输出之间的快速切换技术已在UPS中应用多年，但也有所不同，UPS用功率继电器（或接触器）与固态开关（晶闸管）组合成一个旁路（BYPASS）切换装置的，固态开关（晶闸管）主要是做瞬间过载旁路（BYPASS）切换，靠它瞬间使逆变器与电网有个短暂的并联运行，从而获得瞬间无切换时间的供电（弥补了功率继电器或接触器的渡越时间）。关键是要实现逆变器的锁相运行和对市电即时电压的快速检测与跟踪。它并不是真真的断电切换，因这种方式均为“在线式”UPS所用，真真的断电切换工作时固态开关（晶闸管）是不参于工作的。当其用于EPS时才是固态开关（晶闸管）真真的参与断电切换，EPS均为后备式是不设旁路接触器的。就是处于在市电正常、逆变器也正常运转的情况下，即使是进行不间断的切换，在技术上也是可以做到的，但实际情况是，切换需要在市电突然发生中断或故障时进行，因市电中断或故障的发生时刻是随机的和非预知的，检测确认市电故障需要时间，此时的切换时间不可能小于检测、确认市电故障需要的时间。为防止各种电源干扰导致误动作，检测时间不能太短。实践证明，当检测时间小于2ms时，其检测可靠性会明显下降。因此小于2ms的切换时间是不可取的。在EPS的各种负载中，对切换时间要求最苛刻的应当是高压气体放电灯。尽管这种灯具不允许用于消防应急照明，但由于其高强度、高效率，在许多大型场馆中都有应用。由于此种灯具一旦熄辉，需要冷却后方能重新启动，为保证照明不发生中断，为其供电的EPS必须具备快速切换能力。根据对多种高压气体放电灯产品的测试，如果不采取适当的续流措施，5ms的电力中断即可能导致熄辉，个别产品甚至3ms电力中断就会熄辉。而对于某些电梯类负载，毫秒级的切换显然不是必要的，但切换时的瞬间失电可能导致电梯控制系统进入保护状态。此种情况需要通过EPS控制系统的延时适当增加切换时间，方可保证电梯在应急供电后继续正常运行。在有些应用场合，为了取得零切换，要求将EPS设计成在线运行方式，此时的EPS实际已变成了一台专用的UPS，逆变器是长带负荷工作的。输入输出配电装置EPS的交流输入输部分一般不像UPS那样简单，而需要根据用户要求或设计图纸加装配电开关。例如市电输入端有时需要加装双路市电自动互投开关(ATS)，市电直供回路有时需要加装独立的断路器，输出回路一般需要多支路输出，每个支路都要装有独立的断路器，有时还需要加装受消防联动信号控制的消防联动输出支路等等。用户为了安装使用方便，一般均要求把EPS系统的输入输出配电开关装置等全部装于EPS产品内部，因此EPS在产品结构上需要为输入输出配电开关留有充分的拓展空间，有时甚至需要专门按用户要求进行结构设计。电池检测装置GB17945-2000标准要求用于消防应急照明的EPS能对其电池组中每个12V电池单元的电压进行监测，以此为参照，许多用于其他方面的EPS往往也要求提供对每个电池单元的监测功能。此时需要为EPS配置专门的电池监测装置。因每个电池单元的直流电位各不相同，检测装置需要能够对其进行隔离采样。目前常见的隔离采样方式有继电器、线性光耦、先进行A/D转换后再用光耦合器隔离传输数字信号等等。不同方式各有所长，但如果对每一电池单元分别隔离采样，系统将过于繁杂。若先将电池单元适当分组，采用分组A/D转换、数字信号光耦隔离、通过串行数据总线上传的监测方式具有硬件结构简单，安全性、可靠性高，可自动实时巡检，监测精度较高等较大优势。控制系统在此仅讨论EPS中的控制系统。EPS的逆变器一般是一独立的模块结构、驱动电路,与UPS、变频电源等十分类似，主要是与IGBT所配套的典型用法，在此不作讨论。EPS的控制系统多由以单片机为核心的控制电路构成，但也有部分产品采用了模拟控制和简单逻辑控制或PLC控制器。EPS的控制系统需要对市电电压、电池电压、负载电流、充电器状态、逆变器状态、转换开关状态、设置参量、控制指令等多项参量实时监控，并按照正确的控制逻辑向各功能单元发出控制指令，同时还要有一个较为友好的、简单易懂的用户操作界面，需要具备较为复杂和灵活的监测、测逻辑判断和控制能力。因此选择功能适当的单片机为核心器件，构成数字化控制器，可以简化系统硬件，并利用控制软件的灵活性完成各种需要的监测控制功能，是最为合理的设计方案。采用PLC完成系统控制也是一种不错的方案，但成本很大，一般仅适用于大系统及智能化成度极高的高档楼宇配置，对于较小系统，在成本上往往无法接受。模拟控制和简单逻辑控制方式硬件复杂，在可靠性、灵活性、智能化程度等方面均处于劣势，但也有一定的实用性。EPS的控制系统除完成必须的监测、控制功能外，系统自检、显示信息提供、历史事件记录、数字通讯、计算机远程监控等能力也是相当重要的，随着楼宇消防智能化的发展，已将成为EPS必不可少的功能。这些功能只有采用数字化控制，方可实现。状态显示器和操作系统EPS的应用状态显示器和操作系统提供了EPS的人机界面，是EPS不可缺少的部分。EPS的状态显示一般由仪表与指令开关式；LED指示、数字显示与轻触按键式；LED指示、菜单式LCD显示屏构成。指示灯的设置、颜色和功能需要符合执行标准(GB17945-2000)的要求，LCD的显示内容除标准要求的主要参数外，还有各自的人机对话界面。整机还必须设置强制启动开关，但它必须受钥匙干预才能操作。参考文献贾雪艳，曹金良.太阳能光伏发电技术的发展与应用[J].内蒙古石油化工，2010(4):84—85.吴瑜之.太阳能光伏发电及其发展[J].江西蓝天学院学报,2007,2(3):27-32.尚华，王惠荣.太阳能光伏发电效率的影响因素[J].宁夏电,2010(5):48-57.庾晋.太阳能光伏发电存在的问题及促进措施[J].新能源技术专题,2010.06:44-48.傅仲文，吴丽萍，韩媛媛.我国光伏产业的发展现状及前景J].中国能源，2006,28(6)：9-10.伍春生，刘四洋，彭燕昌，等.光伏发电自动跟踪系统的研制[C].第九届中国太阳能光伏会议，成都，中国，2006：536-540.Crossley,P.A.,Elson,S.F.,Rose,S.J.,andWilliams,A.Thedesignofasuperimposedcomponentdirectionalcomparisonprotection.Int.Conf.DevelopmentsinPowerSystemProtection,IEEConf.Publ.2008,302:151-155.Rose,S.J.,Crossley,P.A.,Walker,E.P.,Johns,A.T.,Martin,M.A.,andPeck.D.Disturbancemonitoring/faulttestevaluationofadirectionalcomparisonprotectionontheUKtransmissionsystem,IEEETrans.PowerDeliv.,200&3(4):1410-1418.Su,B.,Dong,X.Z.,Sun,Y.Z.,Bo,Z.Q.,andHeJ.,L.Newprincipleofhigh-speeddirectionalrelay.IEEEPES2007SummerMeeting:387-392.Jennings,A.A.,Hise,S.,Kiedrowski,B.,andKrouse,K. 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