（控制理论与控制工程专业论文）独立式太阳能光伏逆变电源的研制.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 独立式太阳能光伏逆变电源的研制 控制理论与控制工程 黄浣( 签名) 盔。丛 高资( 签名) 壶望 摘要 近年来，光伏发电技术有了广泛的应用，随着我国新能源法的颁布，光伏发电系统 在我国拥将有更广阔的发展空间。为了将太阳能电池组件产生的直流电或者蓄电池释放 的直流电转化为负载需要的交流电，逆变电源成为光伏发电系统的重要组成部分，其性 能对光伏系统的应用产生较大影响。 本文采用“推挽电路+ 高频升压+ 全桥逆变”的逆变电源设计方案，有助于降低系统体 积并提高系统效率。整个设计分为硬件和软件两部分，其中硬件分为直流升压环节和逆 变环节。在直流升压环节，采用电压电流双反馈，可以避免高频变压器磁偏饱和问题， 同时增加了系统稳定性和动态响应速度，控制器使用电流型控制芯片u c 3 8 4 6 。文中还 详细讨论了高频变压器的设计，滤波元器件参数选择等。在逆变环节，本文采用i p m 集 成功率模块，简化了驱动电路设计。由于i p m 自带欠压保护、短路保护功能，增加了系 统抗干扰能力。控制芯片采用价格便宜、性能优越的5 1 系列单片机a t 8 9 c 5 l ，结合单 相s p w m 生成芯片s a 8 3 8 和，d 转换芯片a d c 0 8 0 9 生成s p w m 波并监控系统状态。 在软件设计中，采用p i 控制算法计算控制调制幅度值，控制调节开关管的导通和关断 时间发生变化，使输出电压稳定在2 2 0 v 。 最后，论文给出了调试与实验结果，验证了本文所采用的逆变思想的可实现性，且 控制电路简单，结构紧凑，在一定程度上降低了成本，提高了可靠性。 关键词：光伏发电；直流升压；逆变电路；s a 8 3 8 ；s p 、；p i 控制 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ni n v e r t e rf o ri n d e p e n d e n ts o l a re n e r g ys y s t e m s p e c i a i 锣 ：c o n t r o lt h e o 叫a n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e ： h u a n gh u a n i n s t r u c t 0 体：g a oy h n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) 4 咝芬坠 i nr e c e my e a r s ，p h o t o v o l t a i cp o w e rt e c h n o l o g yh a s 晰d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，a l o n gw 岫 o u rc o 硼雠yn e we n e 晒l a we n a c t e d p h o t o v o l 协i cp o w e rs y s t e m丽uh a v eb r o a d e r d e v e l o p m e ms p a c ei i lo u rc o l l r 】i t y t h ei i l v e r t e rs u p p l yi sl l i g l l l yc o n c e m e da so n eo fc m c i a l p a n s 劬c t i o n e di i lt h ep vs y s t e m t h e 劬d a 【i l l e n t a l 丘m c t i o no ft h ei n v e r t e rs u p p l yi s d e s i 印e dt o 缸蛐s f o n i ld cf 如ms o l a ro rb a t t e 巧m o d u l ei n t oa cf o rt h er e q u i s i t i o n so fl o a d s t l l e r e f o r e ，a 1 1i n v e r t e rb yu s i n gt h e “p u s h p u uc i r c u i t + h i 曲骶q u e n c yt r r l a s f o m e 什s i n g l e p h a s e 如l lb r i d g ei n v e r t e r ，d e s i g np r o p o s mi sd e v e l o p e d ，w m c hh e l pt or e d u c es y s t e mv o l 啪e a 1 1 di n c r e a s es y s t c 釉e 伍c i e n c y t h ee n t i r es y s t e mc o n s i s t so fl l a r d w a r ea n ds o f w a r ed e s i 印e d ， l 洲w a r ed i v i d e si n t od c d cp 越a l l dd c - a c p a r t i l ld c d cd e s i 弘p a n ，t h i sa r i c l eu s e s t h ev o l t a g ef e e d b a c ka n dc u r r e n tf e e d b a c k ，a v o i d st ：h em g h - f b q u e n c yt r i m s f o m e rm a g n e t i c b i a ss a 胁t e dq u e s t i o n ，a tt h es 锄et i m ei n c r e a s e st l l es y s t e m 蹦b i l i 够a n dt l l ed y l l a m i cs p e e d o fr e s p o n s e 1 kc o m r o l l e ri su c 38 4 6c l u t e n tm o d ec o l l t r o lc h i p 1 1 1 i sp a p e ra l s od i s c u s s e s t l l el l i 曲一行e q u e n c yn 觚s f o m e rd e s i g n ，m ef i l t e rc o m p o n e n t sp 舭吼e t e r sc h o i c e sh ld e t a i l i i l d c a cd e s i 印p a nt l l ei n t e 鲫e dp o w e rm o d u l ei su s e d ，w h i c hc a l ls i m p l i 匆t h e 拍v ec 沁证t d e s i 朗t h es y s t e ma 1 1 t i j m 锄i n ga b i l i t y i si n c r e a s e db e c a u s ei p mh a su 1 1 d e r - v o l t g p r o t e c t i o na n ds h o r tc i r c u i tp r o t e c t i o nb u i l t i 1 1 t h ec o n t r o lc h i pi si n e x p e n s i v e ，s u p e r i o r p e o m n m a c e51 驼d e sc o n 仃o l l e ra t 8 9 c 51 ，c o m b i i l i n g 谢t l ls i n g l e p h a s es p w mp r o d u c e r a n da ，dc o n v e n o ra d c 0 8 0 9 p r o d u c e st h e s p w m w a v ea n dm o 血o r ss y s t e mc o n d “i o n i n 妣 硒p e c to fs o f h v a r ed e s i g n ，廿l ec a l c u l a t i o no fc o n t m l l i r 培锄p “t u d em o d u l a t i o nv a l u ei s 如l 舢e d 谢t l lt h ep ic o n 仃o la l g o r i t h m s p e c i f i c a l l y ，t l l eo 舶岳蛳衔n gt i r n eo fr e g u l a t i n g 州t c hi sm a i l i p u la t l e da s s o c i a t e dw i 也t h er e q u i r e m e n to f0 l l t l ) u tv o l t a g es ta _ b i l i z a t i o na t2 2 0 v f i n a l l y ，也ed e b u gp r o c e s s 砒l dr e s e a r c m n gr e s u l t sa r es y s t e m a t i c a l l yp r e s e n t e da i l dt 1 1 e f e a l s i b i l i 哆o fi n v e r ts n a t e 科i ss u c c e s s 如l l yv e r i f i e d 弱、e 1 1 h e n c e ，i ti sp r o v e dm a tt 1 1 ec o s to f p h o t o v o l t a j cp o 、e rg e n e r a t i o n i sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y ；如r t t l c 咖o r e ，t l l e r e l i a b i l i t ) r i s r e i n f l o r c e db y l es c i e n t i f i c a l l yd e s i 鲈e dc i r c u i t sa i l ds 仃u c t u 】瞎s k e yw o r d s ：p h o t o v 0 m cp o w e rs y s t e m i n v e n e rs a 8 38s i n u s o i 叫p u l s ew i d t h m o d u l a t i o np ic o n 仃o l t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西姿料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：谬，鼬日期：口只g j 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：瑶，泻u 指删懒：$ 鬯 。7 年j 月，日 ， 1 绪论 1 绪论 本章从分析能源形势开始，总结了太阳能光伏发电的优点，阐述了光伏发电的应用 现状及前景和逆变器的发展趋势， 1 1 能源形势【1 2 】 能源是人类赖以生存和发展的主要物质基础，是世界经济的血液，也是影响国家安 全的重要因素。随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，世界范围内对能源的需求 日益增张，目前世界能源的利用仍以煤炭、石油、天然气和水与核能等一次能源为主， 然而这些有限的能源储量正在日趋枯竭。在人类社会进入了2 1 世纪后的今天，物质文 明已经达到了空前繁荣，要使人类社会不断地可持续发展，能源问题是最重要的制约因 素之一。 此外，大量使用化石燃料已经给人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使 用矿物能源，全世界每天产生约l 亿吨温室效应气体，已经造成极为严重的大气污染。 面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，人类文明的高度发展与地球生存环境的快 速恶化已经形成一对十分突出的矛盾，因此，在有限资源和环保严格要求的双重制约下， 人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生 洁净能源。 我国经济正处在一个飞速发展的时期，能源需求量在未来几十年仍将快速增加。在 今后1 5 年左右和更长的一段时间里，能源的发展状况对我国全面实现建设小康社会的 宏伟目标将起到决定性的作用。而目前，我国的能源工业面临着经济增长、环境保护和 社会发展的重大压力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的 7 6 ，已成为我国大气污染的主要来源。因此可以说，我国大气污染的主要原因是由于 能源结构不合理和能源利用技术水平低造成的。开发利用可再生能源和太阳能技术，改 变能源结构是我国能源战线上十分艰巨而紧迫的任务。 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有储量的无限性、存在的普遍性、 开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，它的开发利用是最终解决常规能源 特别是化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类理想 的替代能源。太阳能开发利用必将在2 1 世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构 转移中担当重任，成为2 1 世纪后期的主导能源。 1 2 太阳能光伏发电的优点 太阳光辐射能经太阳能电池转换为电能，再经过能量存储、能量变换控制等环节， 西安科技大学硕士学位论文 向负载提供合适的直流或者交流电能。与常规发电和其他绿色能源发电技术相比，太阳 能光伏发电技术有以下不可比拟的优势【3 卅： ( 1 ) 真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源； ( 2 ) 能量具有广泛性，随处可得，不受地域的限制： ( 3 ) 由于无机械转动部件而运行可靠，故障率低； ( 4 ) 维护简单，可以无人值守； ( 5 ) 应用场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并网运行； ( 6 ) 建站周期短，规模大小随意，发电效率不随发电规模的大小而变。 太阳能光伏发电系统由于安全可靠、无噪声、无污染、维护简单、使用寿命长、规 模灵活，既可一家一户地分散供电，也可大规模集中供电或并网运行，应用几乎不受地 域条件的限制，资源量又非常丰富，因而始终受到青睐，被誉为2 1 世纪的主要发展能 源。 1 3 光伏发电应用现状及前景 ( 1 ) 世界光伏发电应用现状及前景 由于太阳能发电技术在能源、环境和人类社会未来发展中的重要地位，各发达国家 纷纷投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进其产业化进程。8 0 年代以来，光伏产业一 直保持1 0 1 5 的增长速度。从1 9 9 7 到2 0 0 1 年，世界光伏产业年平均增长率达3 5 5 ， 2 0 0 4 年光伏电池组件的生产量达到1 1 9 4 m w ，比2 0 0 3 年的7 4 4 2 6 m w 增长了6 0 6 4 ， 2 0 0 6 年底达到4 9 6 1 6 9 m w 【川。 目前，光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电量的 8 0 【7 1 。1 9 9 7 年，美国提出了“百万太阳能屋顶计划”，即准备到2 0 1 0 年美国将为1 0 0 万个家庭安装太阳能屋顶，总容量在1 0 0 0 m w 二3 0 0 0 m w 之间，该计划加速和促进了美国 光伏产业的快速发展，并计划把发电成本降到6 美分k w h 。美国能源部部长塞缪尔博 德曼2 0 0 7 年6 月2 0 日在纽约宣布，能源部将在今后几年内增加最多达60 0 0 万美元的投 资，用于推进太阳能技术的研究和应用。根据一项为期2 年的“阳光美国城市”计划，美国 能源部将投资2 5 0 万美元资助纽约、旧金山、盐湖城等1 3 个电力需求较高的大城市应 用太阳能技术，帮助这些城市将太阳能纳入城市能源规划、建造太阳能设施等，目的是促 进当地企业和居民采用太阳能技术，刺激市场对太阳能需求的增长。日本政府在1 9 9 7 年 4 月到1 9 9 8 年3 月的安装了9 4 0 0 套屋顶光伏系统总计3 7 k w ，并计划到2 0 1 0 年安装 7 6 0 0 m w 的光伏发电系统。欧盟的“可再生能源白皮书”规定到2 0 1 0 年生产3 7 0 0 m w 光 伏系统供欧盟地区使用，另有3 0 0 0 m w 出口i j 。 今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家 们预测到2 0 5 0 年，太阳能光伏发电在发电总量中将占1 3 1 5 ，到2 l o o 年将约占6 4 1 7 j 。 2 1 绪论 ( 2 ) 我国光伏发电应用的现状及前景 我国于1 9 5 8 年开始太阳能电池的研究，1 9 5 9 年第一块有实用价值的太阳能电池诞 生，1 9 7 1 年首次应用太阳能电池到我国发射的第二颗人造卫星上，并于1 9 7 3 年开始地 面应用，1 9 7 9 年开始生产单晶硅太阳能电池，使太阳能电池成本明显下降，打开了地面 应用的市场。8 0 年代，我国政府开始给光伏产业以支持，做了一些示范工程：如太阳能 无人值守微波中继站，部队通信系统，水闸和石油管道阴极保护系统，小型户用系统， 村庄供电系统等。8 0 年代中期，随着光伏电池生产线的引进，光伏电池价格的大幅下降， 市场大为开拓。9 0 年代以后，光伏电池应用领域已经扩展到通信、交通、石油、气象、 国防、农村电气化和民用等国民经济各个领域，光伏电池用量也以每年2 0 速度递增。 2 0 0 4 年我国太阳能电池产量首次超过印度，达到5 0 m w 【s 】。据s o l a r b u z z 分析报告，2 0 0 7 年全球太阳电池产量达4 0 0 0 0 5 m w ，其中中国大陆产量为1 0 8 8 0 m w ，占全球总产量的 2 7 2 ，超过日本( 占2 3 0 0 ) 和德国( 2 0 2 5 ) ，成为全球第一大太阳电池制造副列 2 0 0 2 年，在国家计委启动的西部省份“送电到乡”工程推动下，当年光伏发电组件安 装量比上一年翻4 5 倍。2 0 0 3 年底，我国光伏发电类装机容量约达5 5 m w 。但相比蓬勃 发展的世界光伏工业，我国光伏产业仍处于起步阶段。由于光伏发电价格高，大规模的 应用仍然受到限制，目前我国光伏发电应用以特殊领域和边远无电地区供电为主。预计 在今后的十几年中，太阳能电池的走向将发生很大的转变，到2 0 1 0 年以前中国太阳能 电池多用于独立光伏发电系统，从2 0 1 1 到2 0 2 0 年，中国光伏发电的市场主流将从独立 发电系统转向并网发电系统【9 】。 中国可再生能源开发战略规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ( 草案) 中指出，中国未来发电能 力的规划目标：到2 0 1 0 年可再生能源总装机容量达到6 0 1 0 6 k w ，其中太阳能光伏发 电装机总容量达到4 5 1 0 4 k w ，是2 0 0 3 年太阳能光伏发电装机总容量的8 1 8 倍；到2 0 2 0 年可再生能源总装机容量达到1 2 l 1 0 8 k w ，其中太阳能光伏发电装机总容量达到 1 0 1 0 5 k w ，是2 0 1 0 年太阳能光伏发电装机总容量的2 2 2 倍【6 j 。 总之，随着我国可再生能源法的颁布，各种减免税政策和补贴政策的出台，将为光 伏发电市场的发展提供良好的基础。光伏发电的应用领域将逐步由边远地区和农村的补 充能源向全社会的替代能源过渡。目前，我国第一个由国家部委亲自组织招标的大型太 阳能项目已获通过，并将在甘肃敦煌实施建设。 1 4 逆变器的发展趋势【5 】【1 0 - 1 l 】 在太阳能光伏系统中，由于用户或用电器的原因，大量的用户负载是交流负载，因 此需要使用逆变设备，将太阳能电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为 负载需要的交流电【1 2 1 。 逆变器也称逆变电源，通过半导体功率开关的开通和关断作用，将直流电能转变成 3 西安科技大学硕士学位论文 交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程，是太阳能光伏发电系统、风力发电系 统中的一个重要部件。 逆变技术的原理早在1 9 3 1 年就有人研究过。从1 9 4 8 年美国西屋电气公司研制出第 一台3 l ( h ：感应加热逆变器至今已有近6 0 年历史了，而晶闸管s c r 的诞生为正弦波逆 变器的发展创造了条件，到了2 0 世纪7 0 年代，可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶闸管( b j t ) 的问世使得逆变技术得到发展应用。到了2 0 世纪8 0 年代，功率场效应管( m o s f e t ) 、 绝缘栅极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 以及静电感应功率器件的诞生为逆变器 向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化、大容量化 创造了条件。进入2 0 世纪8 0 年代后，逆变技术开始从应用低速器件、低开关频率逐渐 向采用高速器件、提高开关频率的方向发展，使逆变器体积进一步减小，效率进一步提 高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。 另一方面，微电子技术的发展为逆变技术的实用化建立了很好的平台，传统的逆变 器需要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成。随着逆变技术复杂程度的增加， 所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从8 位的带有p w m 口的微处理器到单片机，发展到今天的3 2 位d s p 器件，使先进的控制 技术如矢量控制技术、模糊控制等在逆变领域得到较好的应用。 总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而 发展，进入2 1 世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方 向发展。而逆变电源是光伏发电系统中的重要组成部分，逆变电源的性质决定了光伏发 电系统输出电能的质量。随着逆变电源的类型的增多和控制技术的不断发展，使得光伏 发电系统可以应用到与国民生产和日常生活相关的各个领域【l 3 。 1 5 本课题的意义与任务 太阳能作为绿色生态能源，以光伏技术与电力电子技术为依托，结合我国的实际利 用它为人类服务，是能源工作者的重要任务之一。建国以来，我国电力工业发展速度很 快，但仍跟不上经济发展的需要。在边远偏僻的山区、牧区、高原海岛，缺乏常规能源、 也少有技术、经济上可供开发利用的小水电资源，同时远离大电网。调查表明上述无电 地区大多太阳能资源丰富，充分利用这些无电地区的太阳能资源，有计划、有步骤地推 广光伏技术，解决缺电地区的用电问题，促进这些地区的经济文化发展，提高人口素质， 对于全国的平衡协调发展，缩小地区间差距，均具有战略与现实意义。 无电地区百姓急需生活用电，可以供应小型成套光伏系统，如l o w p 携便式照明灯、 2 0 w p 家庭照明系统、5 0 w p 黑白电视系统、1 0 0 w p 彩电系统、光伏户用逆变电源系统 等，市场潜力很大 市场上，户用光伏电源系统产品正在逐步走向成熟，并以其标准化与兼容性等优点 4 1 绪论 引起了越来越多人的注意，但这些产品仍存在着体积大、重量大、交流噪音大等不足之 处。 所以，本文围绕光伏发电系统的组件展开，重点研究了如何应用电力电子技术开发 一个高性能、纯正弦波输出的独立光伏发电系统逆变电源，以实现户用光伏逆变电源系 统体积与重量小、效率与性价比高、功率密度大、易于市场化。 1 6 论文结构 为条理清晰，本论文各章内容概述如下： 第1 章绪论，阐述了能源形势、光伏发电的优点、国内外应用现状及发展前景，介 绍了课题内容和论文的组织结构。 第2 章介绍独立光伏发电系统基本原理，包括直流升压原理、逆变技术和s p w m 控制技术等。 第3 章介绍了系统的软硬件设计，包括直流升压电路设计及参数选择计算，逆变电 路设计和单片机软件设计。其中重点介绍了控制电路的实现，电压隔离反馈电路的实现， 数字s p w m 控制的方法，以及各种保护措施的实现等。 第4 章调试与实验结果，通过软硬件调试，得出实验结果，验证了本文所采用的逆 变思想的可行性。 第5 章结论与展望，总结了本文完成的工作，并提出了值得进一步研究的问题。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 基本原理 本章从光伏发电的基本原理开始，在介绍独立光伏发电系统的组成和容量设计方法 的基础上，主要论述了逆变技术原理及s p w m 控制原理等，下面分别就这几个方面做 具体介绍。 2 1 光伏发电的基本原理和分类 光伏发电是建立在光生伏特效应基础上的，它由太阳能电池方阵、控制器、储能单 元和逆变器组成。 2 1 1 光伏发电基本原理 光伏发电的原理是半导体的光生伏特效应。适当波长的光照射到半导体系统上，系 统吸收光能后两端产生电动势，这种现象就称为光生伏特效应。 n 内建屯场方向 p + + 二) 步 + 光子入射旷 + ( 能量h v ) + q 一、 v = + 、f 一 ，：子州射 + (能量h v ) 图2 - 1 光生伏特效应原理图 如图2 1 所示，当光照射到由p 型和n 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成 的p n 结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，产生电子- 空穴对。由于p n 结势 垒区存在较强的内建静电场，在内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，各自向相 反方向作漂移运动，于是p n 结两端出现正负电荷的积累，形成“光生电压”，这就是p n 结的光生伏特效应。如果在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电 流”流过，只要光照不停止，就会不断有电流流过电路p 儿引。 2 1 2 光伏发电系统的分类 利用上述原理，可以将光能转化为电能储存起来，通过调节与控制技术，将电能转 6 2 基本原理 换为各种需要的标准，以满足不同的负载要求，这就是本文所讨论的太阳能光伏发电系 统。 从结构特征上看，太阳能光伏发电系统可分为三种基本类型：独立运行、并网型和 混合性光伏发电系统【4 】【9 】。 ( 1 ) 独立运行光伏发电系统 独立运行光伏发电系统的结构如图2 2 所示，在独立运行系统中，蓄电池作为储能单 元一般是不可少的，它将日照时发出的剩余的电能储存起来供同照不足或没有日照时使 用。为了延长蓄电池的寿命，直流控制中应具有一个调节和保护环节来控制蓄电池的充 放电过程的速率和深度。 图2 2 独立运行光伏发电系统 ( 2 ) 并网型光伏发电系统 在有公用电网的地区，光伏发电系统可以同电网连接，这个要求逆变器具有同电网 连接的功能，系统组成如图2 3 所示，并网型光伏发电系统的优点是系统可以省去蓄电 池而将电网作为自己的储能单元。当日照很强时，系统将所发的多余电能经并网逆变器 变为符合所接电网电能质量要求的交流电回馈入电网，而当需要用电时再从电网输出电 能，大幅度降低了光伏发电系统的造价。 图2 - 3 并网型光伏发电系统 ( 3 ) 混合型光伏发电系统 混合性光伏发电系统是在系统中增加一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄 电池容量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整 流后给蓄电池补充充电，如图2 - 4 所示。在混合系统中，还可以由两种可再生能源发电 技术构成混合系统，最常见的是风光互补系统。 7 西安科技大学硕士学位论文 图2 - 4 混合型光伏发电系统 2 2 独立光伏发电系统的组成和容量 了解了光伏发电系统的基本原理和分类，以下就本文所讨论的独立光伏发电系统做 详细说明。 2 2 1 独立光伏发电系统组成 独立运行太阳能光伏发电系统的典型结构框图如图2 2 所示，主要由太阳能电池方 阵，蓄电池组，控制器和逆变器四部分构成1 9 】。 ( 1 ) 太阳能电池方阵 光伏电池是组成太阳能光伏发电系统最基本的单位。但单体光伏电池发出的电能很 小，工作电压约o 4 0 4 v ，工作电流2 0 2 5 m a c m 2 ，而且是直流电，在大多数情况下很 难满足实际应用的需要。为满足负载要求的输出功率，一般都将电池组串并成太阳能电 池组件。按照国际电工委员会e i c ：1 2 1 5 ：1 9 9 3 标准，市场上的光伏电池组件一般采用 3 6 片或7 2 片多晶硅太阳能电池进行串联以形成1 2 v 和2 4 v 各种类型的组件。用户可以 根据需要选择电池组件组合连接成为太阳能电池方阵。 ( 2 ) 蓄电池组 太阳能发电系统只能在日间有阳光的时候才能发电，而多数情况人们主要在夜间大 量用电，所以需要存储太阳能电池方阵发出的电能并随时向负载供电。光伏系统对蓄电 池组的要求是：1 、自放电率低：2 、使用寿命长；3 、深放电能力强；4 、充电效率高； 5 、少维护或免维护；6 、工作温度范围宽；7 、价格低廉。配套2 0 0 a h 以上的铅酸蓄电 池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸电池； ( 3 ) 控制器 控制器是光伏发电系统的核心部件之一，主要用于实现整套系统地充、放电管理。 太阳能光伏阵列发出的直流电能，经过控制器对蓄电池充电，在蓄电池未充满时，控制 器的作用是最大限度地对蓄电池充电，当蓄电池被充满时，控制太阳能充电，使蓄电池 处于浮充状态。当蓄电池放电至接近蓄电池过放点电压时，控制器将发出蓄电池电量不 足报警并切断蓄电池的放电回路，以保护蓄电池。随着光伏产业的发展，控制器的功能 越来越强大，有将传统的控制器、逆变器以及监测系统集成的趋势，如a e s 公司的s p p 8 2 基本原理 和s m d 系列的控制器就集成了上述三种功能。 ( 4 ) 逆变器 光伏电池阵列所发出电能为直流电，而大多数用电设备需交流供电，所以系统中需 要逆变器将直流电转换为交流电。对逆变器的基本要求是： 1 、能输出一个电压稳定、频率稳定的交流电，无论是输入电压发生波动还是负载 发生变换，都要能达到一定的电压精度； 2 、具有一定的过载能力，一般能过载1 2 5 1 5 0 ； 3 、输出电压波形含的谐波成分应尽量少； 4 、具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能，且具有快速 的动态响应。 2 2 2 光伏发电系统容量 光伏系统容量设计的目的是要计算出系统在全年内能可靠工作所需要的太阳电池 组件和蓄电池的数量，同时在满足系统工作最大可靠性的基础上尽量减少系统成本【3 】。 ( 1 ) 蓄电池容量计算 设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。为了量 化评估太阳光连续低于平均值的情况，需要引进一个参数：自给参数，即系统在没有任 何外来能源的情况下负载仍然能正常工作的天数【3 】。一般来说，自给天数由两个因素决 定：负载对电源的要求程度和光伏系统安装处的最大连续阴雨天数。通常，负载对电源 要求不是很严格的应用场合，自给天数取3 5 天；负载要求很严格的应用场合取7 1 4 天。 蓄电池容量的设计由下面公式来确定【3 】： 蓄电池容量c 指定放电率，= 磊天爿蓦嘉磊凳裂丢焉 c 2 - ， 取八儿盯厥吧休，曼温，曼畛止j | 丁 a 最大允许放电深度：一般来说，浅循环蓄电池的最大允许放电深度为5 0 ，而 深循环蓄电池的最大循环放电深度为8 0 。如果在严寒地区，考虑到防冻问题，设计时 要适当减小这个值，扩大蓄电池容量，以延长蓄电池的使用寿命。如图2 5 为蓄电池最 低温度最大温度放电深度曲线图。 8 0 萋 聪 岳】4 0 稻 收 嚼2 0 0 ， 图2 5 蓄电池最低温度最大放电深度曲线图 9 西安科技大学硕士学位论文 b 温度修正因子：当温度降低时，蓄电池容量会减小。温度修正是为了保证蓄电 池容量大于按照2 5 标准情况算出来的容量，从而满足实际负载的用电需求。温度修正 因子要在指定放电率下根据供应商提供的数据来选择。 c 指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量。蓄电池容量随 着放电率改变而改变，放电率降低时容量会相应增加。一般取平均放电率，计算公式为 平均放电率= 旦丝雩差毫善学 c 2 2 ， 系统所在地平均最低温度1 0 ，则根据图2 1 铅酸蓄电池最大放电深度温度曲线， 选放电深度为7 0 ，。则由2 2 式可得：平均放电率= 5 d x l o h 0 7 0 = 7 1 4 小时率。 查文献 3 】中典型温度放电率容量变化图，与平均放电率接近的为5 0 小时率，1 0 时在该放电率下温度修正因子为0 8 ，由式2 1 得： 蓄电池容量= 里器= 2 0 6 6 7 9 彳h ( 5 0 小时放电率) 如果选用1 2 v ，2 0 0 a h 的蓄电池，则串联蓄电池数= 2 4 v 1 2 v - 2 ，并联蓄电池数 = 2 0 6 6 7 9 a h 2 0 0 a h = 10 3 ，取整数1 1 。 ( 2 ) 光伏组件方阵 太阳能电池组件设计的基本思想是满足年平均日负载的需求。由于太阳能电池的输 出受到一些外在因素的影响，经过修正的光伏组件计算公式如下【3 】： 并联的组件数量= 霹丽两再i 名；摹告象蓍 爰暑丽 ( 2 。) 串联的组件数量= 丢黜 ( 2 - 4 ) a 库伦效率：在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出， 所以太阳能电池组件产生的电流中将有一部分不能转换存储起来而是耗散掉。用蓄电池 的库伦效率来评价这种电流损失，不同的蓄电池库伦效率不同，通常认为有5 - 1 0 的 损失，设计中一般将负载增加1 0 以应付库伦效率。 b 衰减因子：由于太阳能电池实际工作中会受到外界环境的影响。泥土、灰尘的 覆盖和组件性能的衰变都会降低太阳能电池组件的输出。设计中一般将组件的输出降低 1 0 来确保设计的系统正常工作。 c 组件输出计算：用峰值小时数的方法来估算太阳能电池组件的输出。该方法是 将倾斜面上的太阳辐射转换成等同的利用标准太阳辐射1 0 0 0 w m 2 照射的小时数。而组 件的日输出= 峰值小时数组件的峰值电流。根据文献【1 4 】太阳能电池板技术参数，对于 一个典型的5 0 w 1 2 v 太阳能组件，峰值电流为2 9 a ，则组件的日输出为 5 o h 2 9 a = 1 4 5 a 天。 l o 2 基本原理 由此来设计上面所述的光伏发电系统，由2 3 ，2 4 式得 并联的组件数量= 石页子若= 1 9 7 串联的组件数量= 粼 由此选择5 0 w 1 2 v 太阳能电池并联的组件数量为2 0 块，串联的组件数量为2 块。 ( 3 ) 设计的校核 在设计好系统容量后，一般需要对光伏阵列和蓄电池的设计进行校核，以保证光伏 阵列和蓄电池的协调工作。主要校核蓄电池平均每天的放电深度，保证蓄电池不会过放； 校核光伏阵列对蓄电池的最大充电率，要求太阳辐射峰值时对蓄电池的最大充电率要小 于蓄电池的最大充电率，否则将损害蓄电池。计算公式分别如下： 蓄电池日放电深度= 设哥= 弄蘸著瓦瓦曼釜等丽 ( 2 - 5 ) 最大充电率= 诬两焉凳害誉票淼= 妄鼍蓦毳莲等翥毒芝翥器c 2 6 ， 如上所设计的系统，蓄电池日放电深度- 2 3 1 4 8 a ( 1 l 2 0 0 a h ) = 0 1 0 5 o 8 ，该系统 中蓄电池不会过放。最大充电率= ( 1 1 x 2 0 0 a h ) ( 2 0 2 9 a ) = 3 7 9 h 。 2 3 逆变电源技术及其原理 通常，把交流电变成直流电的过程叫做整流；完成整流功能的电路叫做整流电路。 与之相对应，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路则称为逆变电 路，而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。 逆变电源是光伏发电系统中的重要组成部分，逆变电源的性质决定了光伏发电系统 输出电能的质量。随着逆变电源的类型的增多和控制技术的不断发展，使得光伏发电系 统可以应用到与国民生产和日常生活相关的各个领域。 2 3 1 逆变电源技术分类 现代的逆变技术种类很多，可以按照不同的形式进行分类，主要有如下几种【1 5 】【1 6 】： 1 按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变( 5 0 6 0 h z ) 、中频逆变( 4 0 0 h z 到十几 l ( i z ) 、高频逆变( 十几l 时，使q 1 4 导通，负载 电压“d = 删；当z 侄时，使t 4 关断，由于电感负载中电流不能突变，负载电流将通过 d 3 续流，负载电压圪= 0 。 在蜥的负半周，保持q 1 2 导通，使q 1 3 交替通断。当蜥 时，使晶体管q 1 1 、q 1 4 导通，q 1 2 、q 1 3 关断，此时，圪= 阮；当蜥 时，使晶体管q 1 2 、q 1 3 导通，q 1 1 、q 1 4 关断，此时， 圪= 一。 在双极性控制方式中，三角载波是正负两个方向变化，所得到的s p w m 波形也是 在正负两个方向变化。在蜥的一个周期内，s p w m 输出只有士阮两种电平。逆变电路同 一相上下两臂的驱动信号是互补的。在实际应用时，为了防止上下两个桥臂同时导通而 造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟f 时间，然后给另一个臂施加导通信号。 延迟时间的长短取决于功率开关器件的关断时间。需要指出的是，这个延迟时间将会给 输出的s p w m 波形带来不利的影响，使其偏离正弦波。 2 5 本章小结 本章主要介绍了组件独立光伏系统的基本原理，首先对独立光伏发电的基本原理和 分类作了介绍，并讨论了独立光伏系统容量设计方法，重点阐述了独立光伏系统逆变电 源的工作原理，最后介绍了s p w m 控制技术和原理。 3 逆变电源的软硬件设计 3 逆变电源的软硬件设计 本文的设计目的是研制一种高性能、纯正弦波输出的单相独立式光伏逆变电源。根 据上一章的介绍本文采用高频变压器形式的主电路方案实现逆变，设计中分为升压环节 和逆变环节。由于系统输入端电压为低压，升压环节选择推挽变换方式；而系统的逆变 器是经过三级变换的，工频逆变之前已经对输入电压进行了稳压控制，输出电压的变化 主要由负载引起，故逆变环节采用8 9 c 5 1 单片机控制实现。 3 1 光伏发电逆变电源的系统结构 图3 1 为逆变电源系统结构图。输入的直流信号经过直流升压后滤波，得到高压直 流，再经过逆变电路输出交流。直流升压采用推挽电路，工作频率在5 0 l ( h z ；高频逆变 后经过高频变压器变成高频交流电，再经过高频整流滤波电路得到3 5 0 v 高压直流电。 后级采用单相全桥逆变电路，采用s p w m 控制，再通过滤波电路得到2 2 0 v 5 0 h 泣交流 输出。 直流输入 直流升压电路卜刊滤波卜广刊逆变电路 过流检fi 直流电压检js p 删i+ 测反馈il 测反馈 ii 驱动i i 过流检 _ r 一t _ 一彳l 测反馈 推挽控制芯片 电压调理 逆变控制芯片 输出f 交流输出 滤波广厂 交流电压 检测反馈 显示和报警 图3 1 逆变电源系统结构图 逆变电源系统电路各部分的工作状态及工作参量，经不同功能的传感器及信号调理 电路变换为可识别的电信号后，通过检测回路将信息送入系统控制芯片进行分析与处 理。根据判断结果，各控制芯片对逆变电源各回路的工作情况进行调整。例如：通过输 入直流电压检测电路实现对蓄电池充放电保护和系统过欠压保护；通过高压直流母线上 检测回路调节直流母线上电压幅值保持稳定；通过交流输出电压调节回路调节逆变器的 输出电压波形；通过过流检测电路实现保护，当检测到故障信号时，立即关断逆变器的 功率管，从而起到保护逆变电源的作用。同时逆变器工作的主要状态信息及故障情况， 通过系统控制单元可以送至显示与报警电路。 2 1 西安科技大学硕士学位论文 3 2 直流升压电路设计 直流升压电路的功能是将低压2 4 v 直流转变成稳定的高压3 5 0 v 直流，以供后级逆 变电路转换，包括主电路设计、控制电路设计和反馈保护环节设计。根据第二章分析， 本系统采用推挽式升压的主电路。 3 2 1 升压环节主电路 升压环节主电路如图3 2 所示。由推挽逆变电路、输出整流滤波电路、控制电路以 及保护电路构成。 t 1 6 r r n n p l 。拈j 彳一r x l l r4 o f 州5 。7 n p = l l 、一 二 c 2 i公( ) 锄( 、 1 = 陟7 图3 8 线性隔离反馈电路图 在一定范围内，检测电路的输出电压与输入电压成正比变化。输出与输入的比例系 数几乎保持不变。这种方法实现了输入与输出之间的隔离，精度较高，线性度较好。 3 2 5 直流升压电路参数选择 推挽电路中主要的元件包括：高频变压器、功率m o s f e t 、整流二极管、输出滤波 电容、输出滤波电感。 1 变压器设计 变压器设计的步骤是根据总的输出功率初步选定磁芯。本文根据文献【1 8 】查表先初 步选定特定的磁芯、峰值磁通密度和工作频率，然后来计算输出功率。如果输出功率不 足，则增大磁芯，然后重新计算直到得到所需的输出功率。选定磁芯后，计算原副边匝 数，确定绕线规格。 要求：输入 d c 2 2 v - 2 8 v 工作频率 5 0 l 沮z 输出功率 1 0 0 0 w 输出电压 3 5 0 v 额定负载时变换频率 9 0 输出电压纹波q 0 0 n 1 v 过载过载1 1 0 能工作 ( 1 ) 磁芯和最大磁通密度变化量选择 开关电源变压器磁芯多采用铁氧体磁芯。它有较高磁导率、高饱和磁通密度、低的 矫顽力、高的电阻率，从而可