（测试计量技术及仪器专业论文）高频隔离式光伏并网逆变器的研制.pdf

郑州人学2 0 0 6 年硕上研究生毕业论文 摘要 摘要 太阳能光伏并网发电是将来太阳能利用的重要形式。光伏并网逆变器是光伏并网发 电系统的核心部分，本文以t i 公司的d s p 为控制芯片，发计了一套3 k w 的高频隔离 式光伏并网逆变系统。 本文详细介绍了整个系统的硬件结构设计，如系统主要器件参数选定，检测保护电 路的工作原理，电磁抗干扰的处理，并制作了太阳能光伏并网发电逆变装置样机。通过 对一螳控制方法的分析比较，系统采用了s p w m 电流跟踪控制技术，给出了d s p 控制 主要程序的流程图。 本文还介绍了几种光伏并网的最大功率点追踪方法，在本系统中采用的是扰动观察 法，有效地提高了系统逆变效率，同时本文还对光伏并网系统中存在的孤岛效应进行了 分析，阐述了孤岛现象的危害，介绍了几种常见的检测方法。 关键词：光伏并网发电系统、高频逆变器、s p w m 、孤岛保护、最大功率点追踪 郑州人学2 0 0 6 年硕士研究生毕业论文a b s t r a c t a b s t r a c t l nm ef u t u r e ，g r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e mi st h ej m p o r t a n tf 0 no fp h o t o v o l t a i c a p p l i c a t i o n g r i d c o n n e c t e di n v e n e ri st h ec o r eo ft h es y s t e m ：d s pi su s e da st h ec o n t r d lc h j p i nt h ep vi n v e r t e la3 k w h i g hf r e q u e n c yg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ri sd e s 豇；n e da tt h ee n d h a r d w a r ed e s i g ni sp r e s e n t e di nd e t a j li nt h ep a p e r ，a sh o wt oc h o o s et h ei ca n dh o w t o d e a lw i t he m c s e v e r a lc u r r e n tc o n t m lm e t h o d sa r cd i s c u s s e di nt h ep a p e be a c hm e t h o dh a s i t sv j r t u ea n dd e f e c t ，a t t h ee n d ，t h es p w m t e c h n o l o g yi s 印p l i e di nt h es y s t e m a n dt h en o w c h a r to ft h em a i np m 伊a mi sa l s op r e s e n t e dj nt h ep a p e l s o m em p p tc o n t m lm e t h o d sa r ed i s c u s s e dj nt h i sp a p e w eg e tb e t t e rr e s u l tw i t ht h e p f o v e dp e r t u r b & o b s e n ，ea l g o r i t h mj nt h ee x p e r i m e n t i s l a n d i n gp h e n o m e n o ni sj n t r o d u c e d a n dt h eh a r mt ot h eg r i di sd i s c u s s e d af c wa n t i i s l a n dm e t h o d st h a tc a nd e t e c tt h ei s l a n d p h e n o m e n o na r ed j s c u s s e d a it h ee n do ft h ep a p e rt h ec o n c l u s i o ni sg i v e n ：i 【e y w o r d s ：g r j d c o n n e c t e dp vs y s t e m ，h i g h f e q u e n c yi n v e n e r ，a n t i j s l a n d i n gp r o t e c t j o n ， m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽 窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由 此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名)柬砖硅 0 1 年 目f i 日 第一章绪论 1 1 太阳能的和j 用 第一章绪论 1 11 太阳能是人类利用能源的必然趋势 能源与环境是2 1 世纪人类面临的两大基本问题。随着人类对能源需求的不断增加， 传统化石能源面临着日趋枯竭的危险。我国已探明的煤炭将在8 1 年内采光，石油将在 1 5 年左右枯竭，天然气也将在3 0 年用尽。 表1 我国能源剩余资源探明储量和可开发年限【1 】 同时，由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1 亿吨温室效应气体，造成了极 为严重的大气污染。因此要实现可持续发展，就必须彻底改变能源结构，发展无污染、 可再生的新能源如太阳能、风能、地热、生物质能等。从能源分布的角度来看，太阳能 无疑是一种理想的绿色能源。太阳照在地球上的能量非常巨大，大约4 分钟照射在地球 上的太阳能，便能足以供全球人类一年能量的消费【2 】。太阳能具有无可比拟的优点：( 1 ) 充分的清洁性，( 2 ) 绝对的安全性，( 3 ) 相对的广泛性，( 4 ) 确实的长寿命和免维护性， ( 5 ) 初步的实用性，( 6 ) 资源的充足性及潜在的经济性等，因此被誉为“人类的理想 能源”。 全球能源专家们一致认定：太阳能将成为2 1 世纪最重要的能源之一1 3 j 。据欧洲j r c 预测，到未来的2 1 0 0 年时，太阳能在整个能源结构中将占6 8 的份额1 4 j 。 1 1 2 太阳能的利用形式 太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用和光化学利用等三种主要形式。 ( 1 ) 太阳能的热利用 第一章绪论 f 1 前太阳能热利用的主要形式包括太阳能热水器、太阳能建筑以及太阳能热发电 等。其中，太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术产：品， 此外，随着光热利用技术的不断进步，太阳能热发电在经济上将可能变得愈来愈可行， 因此它也是颇具潜力的太阳能热利用主要形式之一。 ( 2 ) 太阳能的光化学利用 太阳能的光化学利用主要是指：太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光 解水制氢、太阳能光电化学转换( 如染料敏化纳晶半导体薄膜太阳能电池等) 等方面的新 技术，其中太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之。 ( 3 ) 太阳能的光伏利用 太阳能的光伏利用是太阳能利用的主要形式，主要分为五类：( a ) 独立系统，( b ) 并网 发电，( c ) 光电光热结合系统，( d ) 风光互补，( e ) 专用系统。光伏利用以其无污染、可再 生、分布广泛等优点逐渐为人们所关注。 ( a ) 独立系统。独立系统是光伏发电系统中最早并且是较为普遍的应用形式，它是一 个自治系统，一般配有储能蓄电池组，然后直流输出或通过逆变后交流输出。独立系统 在边远地区已经得到了广泛的运用，它的经济性指标和柴油机发电具有强烈的可比性。 ( b ) 光伏并网。并网发电是光伏利用的发展趋势，是将光伏阵列的直流电能转化为交 流电能后输送给电力系统。世界上许多发达国家已经成功启动并实现了光伏屋顶并网计 划和兆瓦级的大型光伏并网电站计划。 ( c ) 光电光热结合系统。这一系统是将光伏发电和光热系统结合为一体，其中光伏发 电部分可以是独立系统或者并网发电系统。用户可以从该光电光热结合系统同时获得 电、热水和蒸汽。 ( d ) 风光互补系统。它是将光伏发电和风力发电相结合的复合系统。这种系统和单一 的光伏发电系统相比较，可以减少储能设施的容量并提高了系统的供电可靠性，这在一 些偏远地区已经得到了运用。 ( e 1 专用系统。它是针对某些专门用途设计的光伏系统。目前，成功和有效的专用光 伏系统的范例应该是光伏水泵系统，它已经得到很多研究人员和生产厂商的关注，得到 了越来越多的应用。其它如光伏海水淡化系统、光伏阴极保护系统、光伏通信电源系统、 太阳能游艇、太阳能电动车、太阳能照明等都属于太阳能光伏利用的“专用系统”。 2 第一章绪论 1 2 太阳能发电的现状及展望 过去，由于太阳电池的成本居高不下，光伏发电多用于偏远的无电地区，以户用及 村庄用的中小系统居多，在照明、制冷、灌溉等方面起到很大的作用。近年来，光伏产 业及市场获得了快速发展，开始由边远农村地区向城市并网发电、光伏建筑集成的方向 发展，太阳能已经由“补充能源”向“替代能源”的角色过渡。光伏的未来前景已经被 愈来愈多的国家政府和金融界( 如世界银行) 所认识。特别是1 9 9 7 年以来许多发达国家 和地区纷纷制定光伏发展规划，如美国到计划到2 0 1 0 年累计安装4 6 g w ( 美国能源部规 划，含百万屋顶计划) ；欧盟累计安装6 7 g w ( 可再生能源白皮书) ，其中3 7 g w 安装在欧 洲内部，3 g w 出口；同本累计安装5 g w ( n e d o 日本新阳光计划) ，预计其他发展中国 家1 8 g w ( 估计约1 0 ) ，世界累计安装1 8 g w 。是1 9 9 8 年的2 0 0 多倍，届时世界光伏 组件价格：1 1 5 美元w p ，安装成本在2 美元以下，发电成本6 - 8 美分k w h 【1 o 发展中国家也在积极发展利用太阳能。印度于1 9 9 7 年1 2 月宣布推广1 5 0 力套人阳 能屋顶系统；1 9 9 9 年菲律宾政府就批准实施了首个太阳能计划，这是在澳犬利亚政府 “海外援助计划”的援助下，在全国2 6 3 个社区安装1 0 0 0 个太阳能系统。目前菲律宾 政府正在推行另一个太阳能应用计划，整个计划将耗资4 8 0 0 万美元。我国近若干年来 的光伏应用也得到了较快的发展，2 0 0 2 年，国家启动了“西部省区无电乡通电计划”， 总计投资达到2 6 亿元，光伏组件安装量达到1 6 5 m w p ，极大地推动了中国光伏产业和 市场的发展。在大型光伏电站方面，中科院电工研究所于2 0 0 4 年在深圳世博园成功地 实施了1 m w 容量的大型光伏并网电站。 并网光伏发电技术是当今世界光伏发电的主要发展方向，是光伏技术步入大规模发 电阶段、成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。许多统计资料表明，近几年来世 界光伏并网发电市场发展迅速，光伏并网发电的装机容量从1 9 9 6 年的7 m w p 上升到 2 0 0 0 年的1 4 0 m w p ，光伏并网发电在光伏行业中的市场比例也从1 9 9 6 年的1 0 上升到 2 0 0 0 年的5 0 。光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，预计到2 0 1 0 年 中国的光伏发电累计装机容量将达到删w p ，2 0 2 0 年累计装机将达到3 0 g w p ，2 0 5 0 年将达到1 0 0 g w p 。根据电力科学院的预测，到2 0 5 0 年中国可再生能源发电将占到全 国总电力装机的2 5 ，其中光伏发电占到5 。 2 0 0 5 年2 月2 8 日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过了中华 人民共和国可再生能源法，该法自2 0 0 6 年1 月1 日起施行。可再生能源法明确规 第一章绪论 定：“国家鼓励和支持可再生能源并网发电”( 第十三条) 。 因此，开展并网逆变器及相关技术的研究，对提高我国相关领域技术水平、促进 光伏产业的发展、解决能源短缺和环境污染问题，都具有重大的现实意义。 1 3 光伏并网发电系统简介 光伏发电系统包括光伏阵列和能量转换系统。光伏阵列主要是指太阳能电池阵列， 能量转换系统主要包括蓄电池、充放电控制器、逆变器等设备。 光伏并网发电系统是将太阳电池发出的直流电转化为和电网电压同频、同相的交流 电，从而既向负载供电，又向电网发电的一个系统，它同时也应该具有光伏发电系统的 一些功能和特点。通常，市电系统可视为容量为无穷大的交流电压源，并网逆变器的输 出可以控制为电压源或者电流源。 光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类【5j ：一种是不含蓄电池储能环节的“不 可调度式光伏并网发电系统”，另一种是含有蓄电池组的“可调度式光伏并网发电系统”。 两者的相应的配置如图1 1 所示。 ( a ) ( b ) 4 第一章绪论 图1 1 不同功能光伏并网发电系统结构图 在不可调度式光伏并网发电系统中，并侧逆变器将光伏阵列产生的直流电能直接转 化为和电网电压同频、同相的交流电能，完全由日照和环境温度等因素来决定并网的时 问和并阿的功率大小。当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当电网故障或维修 时，出于安全考虑，逆变器应该立刻停止工作，而且必须使逆变器、电网和负载三者电 气断开，光伏并网系统不再向电网和负载提供电能。 可调度式光伏井网系统增加了储能环节( 目前主要为蓄电池，将来也可能逐步为燃料 电池或其它形式的新技术所替代) 。系统首先对蓄电池进行充电，然后根据需要将系统 用作并网或者经逆变后独立使用，系统工作时间和并网功率大小可以人为设定。当电网 断电或者故障时，逆变器自动切断和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行 独立逆变，用以对本地负载继续供电，这个选择过程一般由手动，也可以自动完成。 可调度式并网系统虽然在表面上看起来比不可调度式系统功能齐全，但由于增加了 储能环节，带来了很多严重的问题【6 】，这是因为： 1 山于采用蓄电池作为储能设备，系统必须增加蓄电池的充电装置，这就增加了成 本并且降低了系统的可靠性。 2 蓄电池组的寿命较短。目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计为5 年，而光伏阵列稳定工作的寿命则在2 5 3 0 年左右，这样就需要定期更换蓄电池组，又 增加了许多系统的投入。 3 蓄电池组较为笨重，需占用较大空间，同时要防止泄漏出腐蚀性液体。另外报废 的蓄电池要专门处理，否则会造成污染。 4 不可调度式光伏并网发电系统的集成度高，其安装和调试相对方便，可靠性也高。 因此，目前的光伏并网系统主要以不带蓄电池的不可调度式光伏并网系统为主。 光伏并网系统的核心是并网逆变器，它实质上是一个有源逆变系统。光伏并网系统 从结构上可以分为高频和工频两种【”。具体介绍详见第二章。工频并网逆变器由于带有 工频变压器而体积很大且笨重。它是先通过d 吼c 变换，将太阳电池直流电能转化为 交流电能，然后通过工频变压器和电网相连，完成升压以及和电网的隔离，实现并网发 电。工频并网逆变系统结构如图1 2 所示。 5 第一章绪论 丁d c r 竺a cb 图1 2 工频逆变系统的结构图 电网 高频并网逆变器首先通过d c d c 变换器将太阳电池的直流电升压或者降压转化为 满足并网要求的直流电压，然后通过桥式逆变后直接和电网相连。高频并网逆变器有隔 离和不隔离两种方式，高频并网逆变器结构如图1 3 所示。 ) c 广、? y 、 l 二上 d c d c i飞? 、 n d ca c 图1 3 高频逆变系统的结构图 网 为了降低光伏发电系统的成本，现在很多国家都在不遗余力的对高效逆变器进行研 究。国外在并网逆变器的研制上投入大量的人力和财力，该技术已日趋成熟。圈外的并 网逆变系统应用十分普遍，且并网逆变器在空间矢量p w m 技术、数字锁相控制技术、 全数字化d s p 控制技术、最大功率点跟踪( m p p t ) 和孤岛检出技术上具有新颖性及可 操作性。国外的有些并网逆变器还设计有同时独立运行和并网运行功能。 1 4 本文的主要内容 目前由于光伏发电系统成本较高，使其应用大受影响。人们不断努力，试图降低成 本。本文正是以此为背景，提出具有最大功率跟踪的光伏并网逆变器的研制方案，研制 实验室样机，以提高逆变器工作效率，从而达到降低成本的作用。 论文第二章主要介绍光伏并网系统硬件结构设计。第三章主要讲述逆变器的控制原 6 第一章绪论 理，提出逆变器控制系统的数学模型，给出程序的流程图。第四章通过列太阳能电池原 理及输出特性的分析，给出了太阳能电池最大功率点的概念，介绍了几种太阳能电池最 大输出功率跟踪的方法，并日介绍了本文所选用的控制方案。第五章介绍了孤岛的概念 以及检测孤岛状态的几种方法。最后总结了整个系统的研制过程中遇到的问题、实现的 程度和一些仍需解决的问题，提出了未来的研究方向。 7 第二章系统硬件结构设计 第二章系统硬件结构设计 2 1 系统主电路结构设计 按照交流用电负载与直流输入电源的电气隔离元件的工作频率，逆变技术町以分为 低频逆变和高频逆变【8 】而应用于光伏并网的逆变器拓扑结构又有很多种，其中最常用 的有： 1 直接耦合并网 工频逆变 ) c 广丫r 、厂、 电j 二j d c 上，j n i j弋a ct 图2 1 直接耦合式并网逆变器电路结构 由于这种电路结构直接耦合并网，省去了笨重的工频变压器，所以具有高效率( 9 6 左右) 、重量轻、结构简单、可靠性较高等优点。但是由于太阳电池板与电网之间没有 电气隔离，太阳电池板两极有电网电压，对人身安全不利。即人触摸单极时，会触电。 因此这在许多国家的电气安全标准中是不允许的。另外为了满足直流侧电压达到能够直 接逆变的电压等级的需要，则一般直流侧m p p t 电压需大于3 5 0 v ，即一般太阳电池阵 列的开路电压至少为4 4 0 v 。这对于太阳电池组件乃至整个系统的绝缘有较高要求，并 且容易出现漏电现象。 2 。工频隔离并网 ) c 厂吖y 卜 - d c i ；= rta c 、 7 l 图2 2 工频隔离式并网逆变器电路结构 8 第二章系统硬件结构设计 相埘于直接耦合并网方式，这种电路拓扑结构使用一【：频变压器进行电压变换和电气 隔离，因此系统整体比较笨重，系统效率相对较低，但是安全性能良好、可靠性高、抗 冲击性能好、结构简单、直流侧m p p t 电压等级一般在2 2 0 v - 6 0 0 v 。 3 高频隔离并网 d c厂7 1 0 划壕l 叫a cb a c d c d ca c 图2 3 高频隔离式并网逆变器电路结构 高频隔离逆变并网系统由于采用了高频变压器，同时具有电气隔离和重量轻的优点， 系统逆变效率在9 3 左右。但是由于隔离d c a c d c 的功率等级一般较小，所以这种 电路拓扑结构集中在3 k w 以下；同时由于高频d c a c d c 的工作频率较高，一般为几 卜k h z 或者更高，系统的e m c 比较难设计；并且系统的抗冲击性能差。 4 高频不隔离并网 ih 牛 d c a c 图2 4 高频不隔离式并网逆变器电路结构 与第一种直接耦合逆变并网电路拓扑类似，由于省去了笨重的工频变压器，所阻同 样具有优点高效率( 9 4 左右) 、重量轻等优点。同时在直流输入端加入了b 0 0 s t 电路， 用于d c ，d c 直流输入电压的提升，所以使得太阳电池阵列的直流输入电压范围可以很 宽( 典型输入电压范围为1 2 0 v _ 4 0 0 v ) 。同样，由于太阳电池板与电网没有电气隔离， 太阳电池板两极有电网电压。另外前端使用了高频d c d c 升压，因此e m c 设计难度加 大。并且可靠性较低。 9 第二章系统硬件结构设计 本文采用的是并联交错单管i f 激式拓扑结构f 8 】，属于高频变压器隔离方式并网技术， 主电路结构图如图2 5 所示，该电路结构由高频逆变器、高频变压器、整流器、极性翻 转逆变桥、以及输入、输出滤波器构成，具有高频电气隔离、电路结构简洁、单向功率 流动、三级功率变换、直流变换级工作在s p w m ( 正弦脉宽调制) 、极性翻转逆变桥功 率外关电压低等特点，因此特别适用于可再生能源的有源逆变场合。 此种方式通过两级变换实现逆变并网，前级通过双正激变换将太阳能电池阵列输出 的直流电压斩波为高频脉冲，然后通过高频变压器隔离升压然后整流成馒头波，最后通 过仝桥逆变电路翻转成和电网同频同相的正弦波电流，从而实现并网，由于斩波开关频 率可达到5 0 k h z ，可以很好的改善输出电流波形，并提高整机的效率。 几 竹i p 竹3 娼 ( d 5 孚 f _ h d l l l 逅2(壶 r i 图2 5 逆变系统主电路结构图 在主电路的前级我们采用单端正激变换实现高频逆变，正激( f 0 州a r d ) 变换器实际 上是在降压式b u c k 变换器中插入隔离变压器而成，下面简要介绍一下正激变换器的工 作原理。 开关管v i n l 按s p w m 方式工作，d 3 是输出整流二极管，d 5 是续流二极管，l 3 是 输出滤波电感，c 2 是输出滤波电容。变压器有三个绕组，原边绕组w 1 ，副边绕组w 2 ， 复位绕组w 3 ，图中绕组符号标有“+ ”号的一端，表示是该绕组的同名端。d 1 是复位 绕组w 3 的串联二极管。在开关管v m l 导通期间，电感l 3 储能，输入经变压器将能量 传递到负载并为电容c 2 充电。在开关管v i n l 截止期间，励磁电流耦合到续流绕组中经 d 1 泄放掉，副边电感l 3 经d 5 续流，输出能量到负载，同时电容c 2 放电为负载补充 能量。 1 0 第二章系统硬件结构设计 22 系统主电路参数设计 2 2 1 开关管选型 1 主开关管 我们设计的这个逆变器额定输出功率约为3 k w ，允许过载1 0 ，即p 。，= 3 3 0 0 w ， 直流输入电压范围设定在1 8 0 3 0 0 v ，输入电流约为1 0 1 6 7 a ；额定输出电压的有效值 为2 2 0 v ，额定输出电流的有效值为1 3 6 a 。 根据正激变换器的工作原理，在主开关管v m l 截止期间，丌关管承受的电压为最 高，一般来说，由于续流绕组和原边绕组匝数相等，所以丌关管最高工作电难为2 n ， ，j 二关频率为5 0 k h z 左右。另外再加上裕量，本系统选用的丌关管为a p t 公司型号为 a p t l 0 0 3 0 l 2 v f r 的n 沟道增强型高压功率m o s f e t ( 1 0 0 0 v 3 3 a ) 。 埘于正激变换器输入和输出电压之问有以下关系： 堡：生玉 y f nn t t 由于f 激变换器占空比最大为5 0 ，稳定工作时输出电压最大为3 1 1 v ( 2 2 0 2 ) 左右，另外在本系统中，开关管v m l 和v m 2 工作在交替互补状态，所以变压器的变 比选定为n 2 ：n 1 = 2 ：1 作为高频d c - d c 变换器输出整流用的功率二极管，应当具有正向压降小、反向漏 电流小、反向恢复时间短等特点。考虑到以上因素，本系统选用的是i r 公司的型号为 h f a 3 2 p a l 2 0 c 的快速恢复二极管，可承受反向电压最大为1 2 0 0 v ，正向导通压降为 2 3 v ，反向恢复时间t 玎的典型值是3 0 n s 。 原边复位绕组上的二极管我们选用的是m u r l 6 0 。 2 i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r 孤s i s t o r ，绝缘栅双极晶体管) 选型 l c 滤波电路后是由4 支i g b t ，v t l 、v 1 r 2 、v r 3 、v r 4 构成的一个全桥电路，这 4 支i g b tv t l 、v t 3 和v t 2 、v r 4 交替通断工作，在本系统中起到了一个电压翻转的 作用，将馒头波翻转成正弦波。 i g b t 是m o s 肿与g t r 的复合器件，即具有m o s 唧的响应速度快、输入阻抗 高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又具有g t r 的载流量大、阻断电压高、导通 压降低等多项优点，因此被广泛应用于各种逆变器中。 1 1 第二章系统硬件结构殴计 本系统中逆变器的满额输出功率约为3 k w ，输出电流的峰值约为1 9 a ，出于可靠性 的考虑，应限额使用，所以开关管的额定工作电流应在2 5 a 以上，由于4 支i g b t 只起 到翻转的作用，丌关电压应力低，每支i g b t 在关断期间所承受的直流电压最大为3 1 1 v 左右，工作频率为5 0 h z ，考虑到余量，所以选用m 公司型号为i r g 4 p c 4 0 f d ( 6 0 0 v2 7 a ) 的4 支i g b t 作为全桥逆变所需的四只开关管。 2 2 2 直流侧电容选型 因为并网逆变器馈入电网的电流和电网电压同频同相，则输出功率可表示为 p o ) = v o ) 。f ( f ) ；y s i n ( 们) s i n ( m ) = ，三( 1 一c o s ( 2 w r ) ) ( 2 - 1 ) 其中v ( r ) ，f ( f ) 为输出电压和电流的瞬时值，v ，i 表示输出电压和电流的最大值。 而光伏阵列发出的功率是一个比较稳定的直线功率，这两种功率要实现解耦，就需要较 大的储能装置，这种储能装置般采用电容，由于1 0 0 h z 的频率较低，为避免直流侧电 压的波动过大，所以电容的容量一般需要很大。 馈入电网功率 八八率 夕簪n 7 图2 - 6 直流侧功率和馈入电网的功率曲线 这些电容的存在使得电感上的电流i l 变化时，光伏方阵的电压能够保持相对的稳 定，这样光伏阵列输出的电流i p v 也能保持相对的稳定。电容的计算公式如下【9 ： 电容上的电压波动为： ：去融。黑s i n 2 甜 ( 2 - 2 ) c j 矿 2 m e 7 第二章系统硬件结构设计 电容值为： c 上一 ( 2 3 ) p 硒矿 其中，c 为直流电容，6 矿为直流电压变化值，多为逆变器输出的瞬时功率与光伏 阵列输入的平均功率之差，p 为光伏阵列输出的平均功率，约为3 k w ，珊为角频率，从 公式( 2 3 ) 可以看出，电容的值越大，直流电压波动则越小。若d 矿取为1 0 v ，则可计 算得：c 3 8 1 9 uf ，在本设计中，由6 个4 5 0 v ，5 6 0 u f 的电容并联而成，同时还并联 了两个1uf 的无极性无感电容以增强吸收高频的能力。 2 2 3l c 滤波电路参数设计 设正激变换器高频变压器后电压为玑，由于变压器的变比为n 2 ：n 1 = 2 ：1 ，所以太阳 电池阵列输出电压u 。与的关系是玑= 2 u 。加在电感l 上的瞬时电压u 。为 ( 玑一u 。) ，那么u 上在电感两端产生的电流称为纹波电流，它是影响输出波形质量的 一个重要参数。因此在光伏并网系统中，要把输出的纹波电流控制在一定的范围之内【1 0 】。 下面我们对系统的动态过程进行分析： 叽= 讥一= 上等 ( 2 _ 4 ) 其中，u 。为馒头波电压瞬态量 u 。= 【，。i s i n “i 血为p w m 脉宽瞬时值，是按正弦规律变化的非线性量。根据冲量定理【1 1 l ，在单个载波 周期的窄脉冲时间内，直流电压与馒头波电压，在电感l 上产生的电流，其效果 基本相同，即在载波周期t 的短脉冲内，电网电压u 。包围的面积与玑包围的面积近 似相等，于是有 出。l s i n 埘| i r ( 2 5 ) 其中t 为载波周期。 第二章系统硬件结构设计 出；坠堕咀三 u d 将式( 2 6 ) 代入式( 2 4 ) 中，化简可得 蜘匹型：垫：盟： ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由于馒头波的频率是1 0 0 h z ，每个周期的波形和正弦波的前半周期( 即o p ) 的波形 是一致的，所以在o p 的范围内对式( 2 7 ) 两边求导，可得 丝上：= = ：丝= = 竺：尘 d 耐 l 显然当竺：o 时，f 取得最大值，通过解方程 d 肼 和 丝。睦! ：兰兰竺尘 d 研 可以得到两个根 c o s n 瞄；o ( 2 8 ) = 0 ( 2 9 ) s i 耐；盟 驸。 当c o s 耐= o 时，处于馒头波的波峰处，此时输出电压 州一。瓮孕 池 为最大，那么加在电感上的电压吼t 玑一吒，则为最小，出也为最小，所以说 c o s 耐= 0 是假根，应舍去。 当s i n 耐。是时，出取得最大值 我们设定纹波电流允许的最大值为电流有效值的1 5 ，由式( 2 7 ) 得 1 4 第二章系统硬件结构设计 如唑兰垫：盟：鲥，协m 假设电路处于稳态时电感上的压降为u 。，则有 【，s = j 越 ( 2 一1 2 ) 根据系统等效电路和矢量关系，可得 u 。互u 。2 + 2 2 0 2 ；压( ，- 础尸+ 2 2 0 2 ( 2 1 3 ) 当调制比m = 1 时，式( 2 1 3 ) 取等号。当输出电流与输出电压相位不一致时，可根 据余弦定理写出如下关系式： u 。z j ( ，越) 2 + 2 2 0 2 2 0 o 正) 2 2 0 c o s 口 ( 2 1 4 ) 由( 2 1 1 ) ，( 2 1 4 ) 可以得到 ，抽斗簪陋删巾 工：i 一 ! ! 1 5 ， ( 2 1 5 ) ；丝竺沼 l 一 由式子( 2 1 5 ) ，( 2 - 1 6 ) 我们就得到了l 的取值范围。当开关频率 确定以后，l 的选 择与虬之间存在着相互制约的关系，虬的值越高，那么滤波电感l 的值也就要越大， 否则纹波电流f 的值将会过大，超过系统的指标要求。所以在实际应用中需要进行综合 考虑。在本系统中太阳电池阵列开路电压取3 0 0 v ，则工作点电压约为2 5 0 v ，开关频率 取5 0 k h z ，当鲥n 鲥；是时，由式( 2 1 1 5 ) ，( 2 - 1 6 ) 可得。6 l ，埘s 三s6 4 棚。取l 为1 m h ，可以得到叽最小值约为4 0 9 v 。本系统中为了提高交叉调整性能，采用的是相 互耦合的输出滤波电感，即把两个输出滤波电感绕在同一个磁芯上，这样就大大改善了 输出端的交叉调整的性能，同时输出电压的纹波也比较小f 1 2 】。 输出滤波电容的设计可以简单地由所需要的输出纹波电压峰峰值决定。按照电路拓 扑，f 。= 如+ f c ，假定滤波后输出电流平滑，f 。；厶，则电感电流的脉动成分f 。全部 第二章系统硬件结构设计 流八电容，即叫。；，。，稳定运行时流经电容的电流的平均值应为零，因此半周期内电 容电量的变化为蛾2 专( 等。吾) ，由止匕引起的电容电压纹波峰峰值心c 为 峨= 等= 击蛳丁 所以我们选取的电容应该满足【1 3 】： c ：坐墨 8 u c 设电压波动为1 0 v 左右，那么可以得出c 2 血f 。 2 3 系统驱动、采样及保护电路设计 2 3 1m 0 s f e t 及i g b t 的驱动和保护 ( 2 1 7 ) 驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，作用是将输出信号隔离放大、 并驱动功率晶体管。本系统驱动电路共分两个部分，一个是用来驱动前级的m o s f e t ， 一个是用来驱动后级的i g b t 。 m o s f e t 驱动电路 前级驱动电路隔离芯片采用的是f a i r c h i l d 公司的高速光耦h c p l 2 6 1 1 ，输出为 集电极丌路，传输速度可达1 0 m b i 帕，隔离电压为2 5 0 0 v ，传输延迟时间t p h l 和p h l 的 典型值为5 0 n s ，最大功耗仅为1 0 0 m w 。内部结构如图2 7 所示： 3 g n d 图2 7 h c p l 2 6 1 1 内部电路逻辑 功率m o s f i 狐的驱动采用的是m i c r o c h i p 公司的3 a 双通道高速功率m o s f e t 驱动 芯片t c 4 4 2 3 ，输出电流峰值可达到3 a ，传输延迟时间小于4 0 1 1 s ，e s d ( e l c c t r 0 s t a t i c 1 6 第二章系统硬件结构设计 d j s c h a r g e ) 保护达4 k v ，具体实现电路如图2 8 所示： 图2 8 前级m o s f e t 驱动电路 在本电路中i g b t 主要是构成一个全桥电路，它的主要特点： ( 1 ) i g b t 在开通过程中，大部分时间作为m o s f e t 来运行。 ( 2 ) 在i g b t 导通的大部分电流范围内，i c 和v g e 成线性关系，v g e 越大则i c 越大。 ( 3 ) f 于i g b t 体内存在一个寄生晶闸管，它会在某种情况下发生擎住效应导致器件 损坏。 ( 4 ) 由于l g b t 内部存在电导调制效应，所以i g b t 的通态压降很小，6 0 0 v 的i g b t 的通 态压降约为2 7 v 。 根据i g b t 的以上几个主要特点，我们要特别注意i g b t 的开通关断特性、负载短路 承受能力和i g b t 的误导通及动态擎住问题。 ( 1 ) i g b t 与m o s f e t 都是电压驱动，它具有一个2 5 v 5 v 的阀值电压，有一定容性 输入阻抗，【司此i g b t 对栅极电荷集聚很敏感，故驱动电路必须很可靠。 ( 2 ) 用小内阻的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前沿使 i g b t 的开关损耗尽量小。另外，在i g b t 开通后，栅极驱动源应提供足够的功率，使i g b t 不致退出饱和而损坏。 ( 3 ) 驱动电平v g e 必须综合考虑。+ v g e 当过大时，i g b t 通态压降和丌通损耗均增 加，负载短路时的i c 增大，i g b t 能承受的过电流时间减少，对其安全不利，因此+ v g e 应选小些，一般取5 v 1 5 v 。而在关断过程中，为尽快抽取p n p 管结电容存贮的电荷， 须旌加一负偏压一v g e ，但受i g b t 的g ，e 问最大反向耐压的限制，一般负偏压取一2 v 一i o v 。综上所述，驱动电平v g e 。一般应在一5 v 1 5 v 间。 1 7 第一章系统硬件结构设计 f 4 1 人电感负载下，i g b t 的开关时间不能过分短，以限制d i d t 所形成的失峰电压， 保证i g b t 的安全。 f 5 1 由于i g b t 在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在 电位上严格隔离。 全桥翻转电路所用4 支i g b t 管子的驱动芯片采用的是美国i r 公司的三相桥式驱动 集成电路i i 己2 1 3 0 ，主要用来驱动母线电压不高于6 0 0 v 的电路中的功率器件，其可输出的 最大正向峰值驱动电流为2 5 0 m a ，而反向峰值驱动电流为5 0 0 m a 。它内部设计有过流、 过压及欠压保护、封锁等功能，可以方便的用来保护被驱动的功率管，内部带有自举电 路以用于高压系统，还可以对同一桥臂上下两个2 个功率器件的门极驱动信号产生跏s 的 互锁延迟时问。在本系统中i r 2 1 3 0 输入级和输出级采用不同的电源，从而保证了输入与 c m o s 或t t l 电平兼容，输出具有较宽的驱动电压范围。驱动电路如图2 9 所示： 图2 9 后级i g b t 全桥驱动电路 m o s h h 及i g b t 的保护 电力电子器件的过载能力较弱，必须采取有效措施对其进行保护。由于电力电子器 件开关速度较快，以及分布电容、电感的影响，会使电力电子器件在开通和关断时产生 过压和过流，因此需要采用缓冲电路( s n u b b e rc i r c u i t ) 对其进行抑制。为降低主丌关 管m o s f e t 与输出二极管两端产生的浪涌电压，需设置浪涌电压吸收电路。 第二章系统硬件结构设计 2 3 ，2 电网电压信号采样电路设计 在进行并网电流和电网电压同步的过程中，d s p 需要采集电网电压信号的频率和相 位以实现逆变系统输出的电流与电网电压同频、同相。 v c c a ，s s a 图2 1 0 电网电压信号采样电路 图2 - 1 0 为电网电压信号采样电路。在系统中与电压传感器相串联电阻起到一个分 压的作用，电压传感器将电网电压按比例数的比例再输出为、，a c ，然后通过比较器将正 弦波转换成方波，再对方波进行限幅，然后连到d s p 的c a p 2 管脚。当方波信号出现上 升沿时，即为电网电压过零点，d s p 就会产生中断，中断子程序就会复位正弦表，从零 重新开始执行。 2 3 3 电量信号采样 由于参与运算的主要是直流侧电压、直流侧电流、电感电流与输出电压，所以我们 主要采集这四个参数。 直流侧电压检测 对于光伏阵列输出的直流电压的检测，我们采用电阻分压的方法进行取样，然后 用光耦进行隔离以保障控制部分的安全。 1 9 第二章系统硬件结构设计 如图所示 图2 1 1 电池电压采样电路 采样输出v d 接d s p 的a d c i n 0 管脚。 直流电流检测 对于直流电流的取样，我们在直流输入端串入了一个莱姆公司电流传感器来进行 直流电流的测量，具体检测电路如图所示： 图2 1 2 电池电流采样电路 v c c j v s s a 实际和采样输出的比例为1 0 0 0 ：1 ，r 4 4 为取样电阻，将输出电流信号转化为电压 信号。输出接d s p 的a d c i n 3 管脚。 交流电压检测 c 、 一 !_ 卜 p 一蛰 堕一 ， 些一 昌 第二章系统硬件结构设计 交流电压的采样和电网电压同步信号的采样取自同一电压传感器，电路如图2 1 0 所 示，加了提高采集信号的精度，首先进行r c 滤波，去除高频干扰，然后又通过一电压 跟随器进一步增强抗干扰的能力，上拉电阻将电平提升为零电压之上，最后将其嵌位在 在0 3 3 v 之间。输出接d s p 的a d c 矾2 管脚。 电感电流检测 电感电流的采样也是通过莱姆公司电流传感器获取电流信号，同样由于d s p 的a d 采样电平只能为正，所以我们也进行了滤波和电压提升以及嵌位的处理。电路如图2 一1 3 所示： 图2 1 3 电感电流采样电路 假设输入端电压为y ，输出端电压为，则，：兰婪旦。 2 4 电磁兼容设计 由于本系统是基于正激变换原理的高频逆变系统，m o s n 汀的开关频率达到几l k h z ，快速开通与关断所引起的电压电流突变导致高频变压器对整个系统及周围环境产 生强烈的电磁干扰。因此，为保障整个系统的正常工作，电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a 曲l e ，简称e m c ) 的设计同样不容忽视。 形成电磁干扰需要3 个要素【1 4 ：干扰源、敏感元件和干扰途径。缺少任意一个都不 能形成干扰。因此，在系统中电磁兼容性的设计就是围绕着降低干扰源的强度、阻塞干 扰途径和降低敏感元件敏感度来进行的。 由于逆变系统本身既是发射体，也是接收体，因此我们在硬件设计中主要采取以下 措施来减少电磁干扰： 第二幸系统硬件结构设计 1 降低传导干扰：在系统的直流输入端加上差模滤波电路和共模滤波电路，在交流 输出端接e m i 滤波器，从而有效抑制干扰信号的传导。直流输入端滤波电路如图2 1 4 所 示： i n + r 2 1 一 斗+ 3 ：m |1】 一 功k 廖 ： l 图2 1 4 直流输入侧滤波电路 2 降低辐射干扰：主要是采用磁屏蔽的方法阻止干扰信号的传播，这些主要通过结 构设计来实现，即把干扰源( 高频开关和高频变压器) 与控制板采用铁磁材料加以隔离。 3 降低电磁敏感性：对本系统来说，主要是降低控制电路的电磁敏感性，如降低电 路阻抗、合理布局和接地等。事实证明合理设计逆变系统的结构、布局和布线，能够有 效的提高系统的抗干扰能力。 在实际的研发中，我们具体采用了以下方法来处理电磁干扰的问题：如控制系统与 高频逆变主电路以及辅助开关电源分为不同的区间，通过隔离来减弱干扰；在控制系统 里数字电路部分与模拟电路部分分开布局，模拟地与数字地之间用小电感隔开，避免高 频干扰；在采集信号后加上阻容滤波电路及采用电压跟随的方法增强抗二f 二扰性能；将控 制板做成多层板，增大电源和地的面积，将主电路板的空白区间尽量以敷铜的方式填满， 加粗地线和电源线从而有效捕获射频干扰吸收。 第三章控制系统软设计 第三章控制系统软件设计 光伏并网发电系统的功能是将太阳能电池阵列产生的直流电能输送到商业电俐。由 于光伏并网发电系统功能和性能要求不同，能量的传输与变换有多种方式，系统相应的 配置、逆变器的拓扑结构以及系统的控制方法也不同。 光伏并网系统逆变器按控制方式分类，可以分为电压源电压控制、电压源电流控制、 电流源电压控制和电流源电流控制四种方式【6 】。电压源型逆变器是采用电容作为储能元 件，在直流输入侧并联大电容用作无功功率缓冲环节，构成逆变器低阻抗的电源内阻特 性，即电压源特性。以电流源为输入方式的逆变器，其直流侧需串联一个大电感作为无 功元件储存无功功率，构成逆变器高阻抗的电流源特性，提供稳定的直流电流输入，但 是串入大电感往往会导致系统动态响应差，因此目前世界范围内火部分并网逆变器均采 用以电压源输入为主的方式。 逆变器的并网输出控制可分为电压控制和电流控制。由于电网可视为容量无穷大的 定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上就是一个电压源 与电压源的并联运行的系统，这种情况下要保证系统的稳定运行，就必须采用锁相控制 技术以实现与电网同步，在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小及相 移以控制系统的有功输出与无功输出。但是由于锁相回路的