《光伏发电逆变器的硬件分析》3500字

光伏发电逆变器的硬件分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u18058光伏发电逆变器的硬件分析综述 113234第1.1节系统整体结构的设计 18336第1.2节主电路的设计 27392第1.2.1节前级Boost电路设计 232610第1.2.2节后级单相全桥逆变电路设计 412536第1.3节控制电路的设计 612946第1.1.1节MPPT技术的原理说明 617831第1.1.2节单相逆变器SPWM技术分析 729681第1.4节驱动电路的设计 10第1.1节系统整体结构的设计在系统的整体结构中，本课题选用直流稳压电源和电阻模拟光伏电池，而逆变器部分采用无变压器隔离方式，其主电路包括DC-DC、DC-AC电路两部分。前级、后级分别使用了直流升压变换器和工频逆变器，其中工频逆变器的结构是电压型单相全桥逆变结构。当前在DC-DC变换器内使用最多的是Boost、Buck电路，本次研究中采用了前者，它可以使输入电压升高到一个合适值并实现最大功率点的跟踪。另外还需要选择合适的控制单元，在本次设计中采用了单片机，具体选择的是STC89C51。整个系统的基本结构如下图所示。图15系统的整体结构从运行流程上来看，第一步是通过光伏电池阵列获取电能；第二步是升压的过程，以此达到后级全桥逆变器的工作电压；第三步是实现直流到交流的转换过程，实现并网。第1.2节主电路的设计第1.2.1节前级Boost电路设计Boost电路可划分为多个组成部分，主要有二极管、开关管、电感和电容等。具体电路形式如图16所示。图16Boost电路的基本结构该电路的工作过程由充电和放电两部分构成。充电时，三极管导通，等效电路如图17所示。图17充电时的等效电路二极管主要用于防止电容对地放电，输入直流电之后，电感电流呈现出线性增加的趋势，在电感电流增大的情况下，会存储一定的电能。放电时，三极管关断。放电过程中的等效电路如图18所示。图18放电时的等效电路经过电感的电流会花费一定的时间逐步变为零，在这种情况下电感只是通过新电路进行放电，在向电容充电的过程中，电容两侧的电压会持续增大，在超过输入电压的情况下意味着完成了升压。结合上述分析可知，放电时电感将会把存储的电能进行释放而在充电时则可以进行储存，所以实际上Boost电路的升压就是通过电感实现能量传递的过程。在电容量很大，并且开关截止以及导通持续进行的过程中，输出端放电的电流是连续的，同时电容两侧的电压会超过输入电压，由此达到了升压的要求。在三极管导通的情况下，电感电流和电感两端电压的关系式为： (1)三极管截止时电感电流和电感两端电压满足： (2)假设开关导通时间为Ton，开关截止时间为Toff，那么有： (3)上式左边就是占空比D。电感的设计：设计电感过程中需要先明确流过电感的最大电流均值。结合相关资料可知，电感电流的关系式为： (4)其中Io是输出电流，D是开关管最大占空比。知道该关系式后，可以建立这样一个基准：ΔI=(0.3~0.5)IL。设f为开关频率，导通时电感电流上升的斜率为： (5)则 (6)所以电感 (7)电容的设计：电容的选择不需要经过计算，可以先考虑2倍耐压，然后根据体积要求选择尽量大的电容即可。开关管与二极管的选取：开关管选取开关速度快的MOSFET场效应管，且要保证其耐压值足够大并且导通电阻尽可能的小。二极管选取时要注意流过的最大电流限制和反向承受电压限制，在满足这些要求的基础上选用的二极管反向恢复速度越快越好。第1.2.2节后级单相全桥逆变电路设计单相全桥逆变电路(也称“H桥”)可以看成两个半桥电路，工作过程如图19所示。图19全桥逆变电路的基本结构与工作原理当开关T1和T4闭合，T2和T3断开时，电流方向如图中步骤1所示。当开关T2和T3闭合，T1和T4断开时，开关T2和T3不能立即闭合，在此过程中电感电流方向无法突变，所以电流通过T2、T3反并联的二极管续流，电流方向如图中步骤2所示。电感电流过零后开关T2和T3闭合，电感电流反向流过开关T2和T3，电流方向如图中步骤3所示。当开关T2和T3断开T1和T4再次闭合时，同理开关T1和T4不能立即闭合，那么同理可得电流将会通过T1、T4反并联的二极管续流，电流方向如图中步骤4所示，并循环执行上述步骤1-4。步骤2、4均为能量反馈的过程，二极管在其中发挥了重要作用——提供反馈能量通道，所以将其称为反馈二极管。把幅值为Vd的矩形波v V0=n=1所以基波的幅值 Vo1,max=4Vdπ=1.27Vd 基波的有效值 Vo1,rms=4Vd2π输出滤波电路中电感的设计：经过全桥逆变电路之后的输出电压，其交流纹波很大，无法直接接入电网，为了有效地解决上述问题，需要通过输出端的低通滤波电路进行处理，滤波电路主要有电容器C和电感器L两部分。在实际应用中滤波的效果与调制频率有关，二者之间存在正相关性，然而如果调制频率过大，则降低了逆变器的调节能力。在电感值较小的情况下，可以提升动态调节能力，但是与此同时会产生较大的电感纹波电流，从而增加开关元件损耗，而滤波电感值越大，逆变器的动态响应会相应地降低。全桥逆变电路开关器件的选择：在本次研究中主要对小容量逆变电路进行分析，而MOSFET的的优势在于开关频率快、驱动功耗低、效率高等方面，所以本设计采用MOSFET。第1.3节控制电路的设计控制电路也属于硬件设计的关键部分之一，同样划分为两部分，分别是MPPT、PWM控制电路。由于本设计选用直流稳压电源和电阻模拟光伏电池，因此仅会对MPPT技术做一个原理说明，而PWM控制电路中，调制信号波为正弦波时，得到的便是SPWM波，且SPWM法是目前应用广泛的PWM法，所以本课题选择单相逆变器SPWM技术进行分析。第1.1.1节MPPT技术的原理说明MPPT控制器可以对光伏发电电压进行监测，并对最高电压电流值进行追踪，从而确保整个系统处于最大功率输出。整个系统的基本构成如图20所示。图20太阳能光伏系统通过最大功率跟踪装置可以对整个光伏阵列的运行情况进行有效地检测，可以获取电流电压的改变情况，继而调节PWM驱动信号的占空比[21]。通常情况下在瞬间可以认为光伏电池、DC-DC电路均为线性的，所以通过对DC-DC电路等效电阻的调节，使其与光伏电池内阻保持一致，即可实现光伏电池的MPPT。第1.1.2节单相逆变器SPWM技术分析SPWM的脉冲宽度时间占空比符合正弦特性，基于滤波方法对输出波形进行一定的处理之后，可以得到正弦波。SPWM技术利用的是面积等效的积分原理。以半波为例，可将正弦波分为交替上升又下降的等宽的方波。如果将这些方波的幅值变为一致而改变脉宽时间的话，效果如图21所示。图21PWM波代替正弦半波上述这三种波都是等效的(这里的等效是指输出响应波形基本相同)。SPWM技术主要通过单极性、双极性两种调制方式进行处理，单相全桥逆变器的SPWM调制如图22所示。图22单相全桥逆变器原理图对于单极性调制而言，载波uc、调制波ur分别是三角波、正弦波，所得的PWM波只是处于某个极性范围中变化。该调制方式的基本原理如图23所示。图23单极性调制的原理图具体的原理是：处于ur的正半周时，V1、V2分别处于通态、断态。在满足条件ur>uc的情况下，V4、V3分别处于连通、关断的状态，可以得到uo=Ud。在满足条件ur<uc的情况下，V4、V3分别处于连通、关断的状态，可以得到uo=0。处于ur的负半周时，V1、V2分别处于断态、通态。在满足条件ur<uc的情况下，V3、V4分别处于连通、关断的状态，可以得到uo=-Ud。在满足条件ur>uc的情况下，V3、V4分别处于关断、连通的状态，可以得到uo=0。双极性调制的原理如图24所示。图24双极性调制的原理图处于ur的半个周期时，三角载波一直呈现变化的状态，即在正负极间持续改变，所以对应的PWM波也在正负极间持续改变。如果将交叉对应的V1和V4，V2和V3分别记为一组，则两组互补导通。因此，在ur的正负半周中，双极性调制和半极性调制对各开关器件的控制方式是一致的。然而其相对于单极性调制也存在差异，即双极性调制处于ur的一个周期时，得到的PWM波的电平仅有两种，即为Ud。在开关频率一致的情况下，相对于双极性调制，单极性调制下输出量的谐波分量明显更低，所以单极性调制的性能相对更好。因此，本课题采用单极性调制法。第1.4节驱动电路的设计驱动电路负责将输出的PWM信号进行放大与隔离，从而实现安全驱动开关器件。本设计采用IR公司的驱动芯片IR2110，该芯片采用双通道、栅极驱动，是8引脚封装，其上管驱动采用外部自举电容上电方式[22]。由于本课题设计的是单相全桥逆变器，而1片IR2110可以驱动同一个桥臂的上下两个MOSFET，所以本课题利用2片IR2110以满足设计需要。IR2110的典型电路图如图25所示。图25IR2110的典型电路IR2110的内部结构如图26所示。图26IR2110的内部结构IR2110的引脚图如图27所示。图27IR2110的引脚各引脚功能如表3所示。表3IR2110的各引脚功能引脚功能LO(引脚1)低端输出COM(引脚2)公共端VCC(引脚3)低端固定电源电压NC(引脚4)空端US(引脚5)高端浮置电源偏移电压UB(引脚6)高端浮置电源电压HO(引脚7)高端输出NC(引脚8)空端VDD(引脚9)逻辑电