（电力电子与电力传动专业论文）单相光伏电源及并联技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，o na c c o u n to ft h ep r o b l e m so fe n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na n d e x h a u s t i o no fe n e r g ys o u r c e sb e c o m i n gw o r s ea n dw o r s e ，d e v e l o p i n ga n du s i n gn e w e n e r g ys o u r c e sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，a n ds o l a re n e r g yh a sb e e ng r a d u a l l y u s e db e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sc l e a r n e s s ，e n r i c h m e n te t c p vg e n e r a t i o nh a s m a d eg r e a ts t r i d e si nw o r l d w i d e ，w h i c hi st h o u g h tt ob et h em o s td e v e l o p e dr e n e w a b l e s o u r c e p vs u p p l yi so n e i m p o r t a n tp a r tf o rp r e s e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，w h i c h w a sm a i ns u p p l yc o n v e r t e re q u i p m e n ti nt h eu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g y b a s e do na c t u a li t e m ，t h i sp a p e rd e t a i l e d l ya n a l y z e st h er e s e a r c hp r o c e s so fp v s u p p l y , a n dt h ed e s i g n i n gp r o c e s so falk v as i n g l e p h a s ep v 鲥d - c o n n e c t e dp o w e r s u p p l yb a s e do nf o r m e rw o r ko fm e m b e r so fo u rl a b ，t h e ni n t r o d u c e sp a r a l l e l o p e r a t i o no fi n v e r t e r s t h em a j o rw o r k so ft h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h ef i r s t p a r t ：i nc h a p t e ro n e ，t h es i g n i f i c a n c eo fp vg e n e r a t o ra n dt h e f o r e g r o u n do fp vi n d u s t r ya r ew e l ls u m m a r i z e d ，a n dt h es o u r c eo ft h i si t e ma n di t s m a i nc o n t e n ta r ei n t r o d u c e d t h es e c o n dp a r t ：b a s e do nt h ea c t u a lg u i d e l i n e ，alk v a s i n g l e p h a s ep vp o w e r s u p p l yi n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo fd c d ca n dd c a ci sr e - d e s i g n e d i nc h a p t e rt w o ， t h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to fd c p a r ta r ed e s i g n e d ，a n dt h ed e s i g no fr c d s n u b b e rc i r c u i t ，t h ep a r a m e t e ro fl cf i l t e r , t h es e l e c t i o no f m a g n e t i cm a t e r i a l ，a n dt h e s m p si sd e t a i l e d l yi n t r o d u c e d ；i nc h a p t e rt h r e e ，t h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to f a cp a r ta r ed e s i g n e d ，a n dt h ep a r a m e t e ro fl c lf i l t e ri sc a l c u l a t e d t h e nt h e d o u b l e l o o pc o n t r o ls t r a t e g yo fi n v e r t e r si se l a b o r a t e l ya n a l y z e d ，a n dt h ec o n t r o l s t r a t e g yi ng r i d - c o n n e c t e da r es u m m a r i z e d ；i nc h a p t e rf o u r , t h ee m ci n c l u d i n gb e i n g c o n t a c t e do ri n v o l v e di nt h es y s t e mi ss u m m a r i z e da n dt h ee f f i c i e n c yi sa n a l y z e d ；i n c h a p t e rf i v e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yi sf a t h e ra n a l y z e d ，i n c l u d i n gc o n t r o lf l o wc h a r ta n d p r o c e d u r e sf l o wc h a r t a tl a s t ，t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ed e s i g n o ft h eh a r d w a r ea n dc o n t r o ls t r a t e g yi sf e a s i b l e t h et h i r dp a r t ：i nc h a p t e rf i v e ，t h ep r o b l e mo fr e d u n d a n c yd e s i g no fi n v e r t e r si s r e s e a r c h e db r i e f l y t or e a l i z et h ep a r a l l e lo p e r a t i o no fw i r e l e s si n v e r t e r s ，t h ep a p e r a d o p t st h ec o n t r o la r i t h m e t i cb a s e do nd r o o pc o n t r 0 1 a tl a s t ，t h ep r e p a r a t o r y s i m u l a t i o nu s i n gm a t l a bs h o w e dt h a tt h ed e s i g nw a sf e a s i b l e k e y w o r d s ：p vg e n e r a t i o n ；r c ds n u b b e r ；m a g n e t i cm a t e r i a l ；d o u b l el o o p ；e m c ； d r o o p i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：堰趣芄 日期：丝塑! ，边 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：谥童画复导师签名：! 垄塑蠊期：习碑，。乃 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 当前，新能源中诸如风能、太阳能、水能、潮汐能均已经达到可大规模利用 的程度，而太阳能以其独具的优势，诸如：储量的“无限性”、存在的普遍性、 利用的清洁性和经济性，其开发利用必将得到长足的发展，并终将在世界能源结 构转移中担纲重任。近3 0 年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市 场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 目前太阳能利用的方式主要有：太阳能光伏发电、太阳能热、太阳能动力利 用等。其中，太阳能电池发电独具许多优点，如安全可靠，无噪声，无污染，不 受地域限制，无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人 值守，建设周期短，规模大小随意，无需架设输电线路，这些优点都是常规发电 和其它发电方式所不及的。因此，光伏发电在全世界范围内得到快速发展，被认 为是当前世界上最具有发展前景的新能源技术【l 】。 1 1 课题背景的介绍 本课题是以当前光伏发电产业为背景，依据现有的电源行业的关键技术设计 了适用于光伏系统的光伏电源，本节主要介绍当前光伏产业在国内外的发展现状 以及以后的发展趋势。 1 1 1 国内外光伏产业发展概况及发展方向 1 1 1 1 国内外光伏产业发展概况 世界观察研究所在其最近一期研究报告中指出，利用太阳能获取电力已成为 全球发展最快的能量补给方式，报告说，1 9 9 0 年以来，全球太阳能光伏发电装 置的市场销售量以年平均1 6 的幅度递增，目前总发电能力已达8 0 0 m w ，相当 于2 0 万个美国家庭的年耗电量太阳能【2 。 近几年国际上光伏产业发展快速，美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发展 计划，1 9 9 7 年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划 ，日本1 9 9 7 年补贴“屋 顶光伏计划”的经费为9 2 0 0 万美元。美国计划到2 0 1 0 年安装1 0 0 0 3 0 0 0 m w 太阳电池，日本的目标是7 6 0 0 m w 。印度计划1 9 9 8 - 2 0 0 2 年太阳电池总产量为 1 5 0 m w ，其中2 0 0 2 年为5 0 m w 。最近1 0 年，太阳电池产量由1 9 9 7 年的1 2 5 8 m w p 增加到2 0 0 7 年的4 0 0 0 m w p ，年平均增长率为4 1 3 。特别是自2 0 0 4 年 山东大学硕士学位论文 德国实施了经过修订的“上网电价法 以来，市场需求急剧扩大，光伏产品供不 应求。 近些年，我国的光伏产业取得了更为迅猛地发展，2 0 0 2 - 2 0 0 7 年，我国光伏 产业的年平均增长率高达1 9 1 3 。2 0 0 7 年我国的太阳能电池产量已达1 0 8 8 m w ， 成为了世界太阳能电池的第一大生产国。不仅如此，更为重要的是我国已初步形 成了一个从多晶硅一硅锭硅片一电池组件的产业群体。无论从解决就业、增加税 收，还是从带动相关产业发展、拉动内需等各方面来看，光伏产业在我国国民经 济中正发挥出越来越重要的作用且前景无可限量。图卜l 为我国光伏产业的发展 路线图 累 计 光 伏 系 统 安 装 容 量 主 时间年 图1 - 1 我国光伏产业发展路线 1 1 1 - 2 光伏发电产业发展方向 目前，国际上光伏发电己进入加速发展阶段，近两年太阳电池组件的年增长 率高达3 0 左右，世界上1 9 9 8 年宣布的扩产计划有2 6 3 5 m w 年，发展势头强 劲。另外，发达国家先后宣布的太阳能屋顶计划强有力地支持了光伏产业的发展， 预计今后1 0 年内太阳电池将以平均2 0 的年增长率增长。2 1 世纪世界光伏发电 产业将朝着以下几方面长足发展1 4 j ： 1 太阳电池组件成本将大幅度降低； 2 光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术水平发展； 3 薄膜电池技术将获得突破； 4 太阳能光伏建筑集成及并网发电的快速发展。 1 1 2 我国光伏产业发展中存在的问题 2 山东大学硕士学位论文 虽然我国光伏产业发展迅速，但同时我们也必须清醒地认识到其中存在的问 题。目前，在我国光伏产业发展中存在的主要问题是： 1 光伏阵列发电效率低 光伏阵列主要为单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。市场主流产品晶体 硅光伏电池效率为1 0 1 5 左右，由于光电转换效率太低以及光伏发电的特殊 性，研制光电转换效率高的新型材料是摆在科学家面前的重要难题。 2 光伏产品及光伏发电成本还处于高位 生产规模小，产业链不完整，同时专用材料的国产化程度不高，大量封装材 料依赖于进口，这就造成了光伏发电成本的高价位，出电成本目前依然为煤电的 十倍。 3 国家尚未出台鼓励光伏产业的具体政策 中国目前的光伏发电系统均为非联网光伏发电系统，而国家在并网方面政策 一直处于不明朗状态，这也进一步减缓了国内光伏产业的规模化。 正是以上原因导致我国的光伏产业一直处于上游“硅料生产”及下游“光伏 产品应用或光伏发电 两头在( 国) 外的尴尬状态。长此以往，将势必严重影响 我国光伏产业的长期可持续发展p j 。 1 1 3 当前的新机遇 今年爆发的全球性金融危机，虽然使全球的光伏产业受到了很大的影响，但 其中也蕴含着新的发展机遇。 首先，加快了我国光伏产业整合、优化的速度，那些不具备核心竞争力的企 业将被淘汰，而那些在技术、经营管理等方面具备优势的优质企业将会以更快的 速度发展。 其次，加快了光伏产品及光伏发电成本降低的步伐，之前人们预期的2 0 1 5 年才能达到的光伏发电1 元人民币千瓦时的成本水平有可能会提前两三年实 现。这样将加快光伏产品应用的速度和规模，最终将使光伏产业进入良性、健康、 快速发展的轨道。 最为重要的是，随着我国光伏产业整合、优化的速度以及光伏产品和光伏发 电成本降低步伐的加快，为国家出台和实施鼓励光伏产业的具体政策提供了前所 山东大学硕士学位论文 未有的大好时机。若此时出台鼓励政策，国家将可以相对较小的投入刺激整个光 伏产业的健康、快速发展。 1 2 光伏发电系统介绍 光伏发电产业发展初期，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1 2 v 、2 4 v 、4 8 v 等) ，很 难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，因此交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。 1 - 2 1 光伏发电系统的构成 采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、蓄电池、充放电控制器和 逆变电源四部分组成( 并网发电系统可省去蓄电池) ，而逆变电源是关键部件。 光伏阵列由众多的太阳电池串、并联构成，其作用是直接把太阳能转换为直 流形式的电能。目前用于光伏水泵系统的太阳电池多为硅太阳电池，其中包括单 晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。 蓄电池，它可以存贮太阳能电池方阵受光照时所发出电能并可随时向负载供 电。这一功能可以弥补太阳能由于昼夜差异，以及受到天气影响所带来的发电间 歇性缺陷。 充放电控制器，是用来控制蓄电池的充放电，针对独立供电系统而言，当太 阳能电池所提供电能充足，多余的电能通过控制器对蓄电池进行充电；丽当天气 影响或者突加负载需要电能较多时，则由控制器控制蓄电池进行放电。 光伏蓄电池阵列所发出的电能为直流电，但大多数用电设备采用的是交流供 电方式，所以系统中需要有逆变器将直流电变换为交流电，实现负载需求的交流 指标。 从光伏发电系统的构成上讲，它涉及了材料学、电力电子学、控制理论、计 算机等多个领域，带动了多门学科的发展，加强了学科之间的融合，有着强大的 生命力和现实意义。 4 山东大学硕士学位论文 1 2 2 光伏电站用主电路的介绍 蓄电池一般是电压源，因此逆变器的主电路采用电压型。在与外电网相联时， 为电压型电流控制方式。在外电网停电时，独立运行为电压型电压控制方式。太 阳能电站用逆变器主电路【6 】主要有三种形式： 1 典型的工频变压器形式主电路：采用工频变压器使输入与输出绝缘，主电路 和控制电路简单。为了追求效率、减少空载损耗，工频变压器的工作磁通密度选 的比较低，因此质量大，约占逆变器的总质量的5 0 左右，逆变器外形尺寸大， 这是最早的一种主电路形式。 2 近年来广泛采用的高频变压器形式主电路：采用高频变压器使输入与输出 绝缘，体积小、质量轻。主电路分为高频逆变和工频逆变两部分，系统比较复杂， 是2 0 世纪9 0 年代比较流行的主电路方式。 3 无变压器形式主电路：如图1 2 所示，不采用变压器进行输入与输出的绝缘， 只要采取适当措施，同样可保证主电路和控制电路运行的安全性，体积最小、 重量最轻，而且效率最高，成本也最低。主电路包括升压部分和采用高频s p w m 的逆变部分，比工频变压器形式主电路要复杂一些，但是适应输入直流电压范 围宽，有利于与太阳能电池进行匹配，这将有可能成为今后主要的主电路流行 方式。 图1 - 2 无变压器形式主电路结构 1 2 3 光伏电站用逆变器性能要求 由于光伏发电系统的特殊性，对逆变电源的性能要求较高，不管是独立运行 还是并网运行都要达到国家相关的硬性指标【7 1 ： 5 山东大学硕士学位论文 1 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； 2 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； 3 由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，要求对直流输入电压有较 宽的适应范围； 4 在中、大容量的光伏发电系统中，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设 备，这些设备对用电品质有较高的特殊要求，尤其要求逆变电源输出校正的 正弦波。 1 2 4 电流源型光伏电源的介绍 一直以来，在光伏发电系统中逆变器常采用电压源型逆变器，而其中涉及到 直流母线侧的功率电容问题，功率电容是一个高能量密度器件并且能量交换比较 快，这大大降低了功率电容的可靠性，通常设定寿命为3 5 年，国际上一些优质 电容如黑金刚、r i f a 电容设定寿命通常为7 年，这也导致欧美一些成熟光伏产 品的售后服务最多增至7 年，而目前光伏发电系统设定寿命通常为1 5 2 0 年，这 期间，光伏电源中功率电容的使用一直是各生产厂家高度重视的问题，相信随着 电容技术的发展，适用于光伏系统的电压源型逆变电源性能上会有较大发展。 最近，一些研究机构如卡塞尔新能源工作室加大了研究电流源型光伏电源的 力度，电流源型光伏电源的最大特点为电源性能不受功率电容寿命的制约，同时 电流源型更适合并网型光伏电源技术的需要，目前正处于试验研究中，相信将来 会有成熟产品的问世。 1 2 5 逆变器并联系统介绍 在电力电子系统中，单个电源组件的容量是有限的，为了增加电源的容量， 提高供电可靠性，尤其是当前新能源发电系统中，地域分布性较大，常采用电源 并联技术，基于逆变器并联对供电系统可以带来众多的好处，因此对逆变器并联 技术的研究也早已成为一个热点。世界上许多国家( 如日本、美国、德国等国家) 的电源开发公司在逆变器的并联冗余控制技术方面已经做了大量的工作，并有一 6 山东大学硕士学位论文 系列的产品投入了使用。 而采用通常的同步信号通信方式或者电力载波方式进行并联，大大降低了系 统的可靠性。出于可靠性要求考虑，基于无互联线的下垂特性控制算法的逆变器 并联技术浮出水面，本论文对该控制算法进行初步研究，并进行了系统设计，可 行性已经通过m a t l a b 仿真进行了初步验证，同时考虑到s m a 公司已经将利 用该技术的并联逆变器产品化，本论文将进一步对该系统进行试验。 1 3 课题的目标以及论文的主要研究内容 本课题来源于济南市青年科技明星计划项目。项目名称：可调度正弦波p w m 高效光伏逆变器。 1 3 1 光伏电源的性能指标 1 额定输出容量：1 k v a ； 2 输入电压范围：4 0 一- , 6 0 v ( d c ) ； 3 满载效率( 阻性负载) ：大于9 0 ： 4 工作温度：0 , - 一5 0 ； 5 独立运行时输出频率：5 0 h z - - l 1 ( 可根据用户要求设置) ； 6 独立运行时输出电压：2 2 0 v 士3 ( a c ) ； 7 独立运行时电压总谐波畸变率( t h d ) ：小于3 ； 8 并网运行时允许电源频率：5 0 h z - 土1 ； 9 并网运行时功率因数：大于0 9 0 ； l o 并网允许电压波动：2 2 0 v + 1 5 ； 1 3 2 本文采用的主电路 图卜3 混合型光伏发电系统 本文设计的系统采用d c h f a c d c a c 的功率变换拓扑，由光伏电池板直 7 山东大学硕士学位论文 接供电，中间直流恒压环节可以单独为直流负载供电，逆变输出可以离网或者并 网工作。本系统在以后的工作中将进一步完善，设计成具有蓄电池供电部分的可 调度的完整高效光伏电源。 1 3 3 本论文的主要工作 本人在实验室成员前期工作的基础之上，对系统进行基于硬件、软件的改进， 并进行了充分的系统调试工作，最后并对基于下垂特性控制算法的逆变器并联技 术进行了一定的研究。 本论文的工作主要包括： 第二章进一步分析了正激推挽d c d c 变换器的工作过程，着重对d c 系统 进行硬件改进以及对吸收电路做了充分的研究和试验； 第三章介绍了光伏逆变器系统中逆变器的主要设计问题，着重对a c 控制算 法进行了一定的研究和设计并对系统硬件进行了较大的改进； 第四章主要对系统中的电磁兼容进行一定的总结，并对系统效率进行了分 析，按照功耗设计了散热器； 第五章全面介绍了系统控制方案的实现以及实验结果； 第六章主要是对基于下垂特性控制算法的逆变器并联进行了原理分析、系统 仿真和初步的工程设计。 8 山东大学硕士学位论文 第二章光伏升压d c d c 系统的硬件设计 随着高频技术的发展，光伏逆变器主电路d c d c 升压结构中有多种拓扑结 构，例如：b o o s t 变换、b u c k b o o s t 变换、推挽变换等。 带中心插头变压器原边两组线圈轮流工作的线路一般称推挽线路，它不太适 合离线变换器的应用。因为功率开关集电极电压应力两倍于直流电压v s ，而且 主变压器原边利用率也不如半桥、全桥那样高，输出电压随输入电压和负载变化 而变化。然而，在低输入电压( 如4 8 v ) 时，推挽线路比板桥或者全桥优越。因 为任何时候最多只有一个开关元件工作，对于输出相同的功率，开关损耗比较小。 所以在低压输入的大功率变换器( 1 0 0 0 w 以上) 多采用推挽技术。为了使输出 电压稳定，系统中采用高速d s p 实现，采用占空比p i 控制【引。 基于推挽电路在直流低压变换器中的诸多优点，本文采用的是一种改进型的 正激推挽电路，它具有：抑制变压器的磁芯偏磁；变压器磁芯双向磁化； 抑制开关管两端的关断电压尖峰等优点，是低压大电流应用场合极具优势的电路 拓扑。 本章将主要介绍正激推挽结构的工作原理以及对前期设计的硬件上的系统 改进，并设计了适用于本系统的单端反激开关电源。 2 1 改进型正激推挽电路介绍 2 1 1d c d c 主电路结构 p 。弓n 吐 昂- j s 一奎d 5 2 2d - z戏7 d 声 ，o 川 c 厂叫= 刁广 ： 差 ) - 叫卜一 m t 咕2 c f = = c s s - ih 本d 虬3 p 5 p 2 i d t2s d 3 一卜一 7 p 2 i v d c 时，关闭输出脉冲，使开关管关断。这实际上 是一个过流保护电路。 6 欠压锁定电路u v l o ：开通阈值1 6 v d c ，关闭阈值1 0 v d c 。具有滞回特性。 7 p w m 锁存电路：保证每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期，即所谓逐 脉冲控制。 2 3 2 主电路参数设计 2 3 2 1 电源性能指标 1 开关频率：4 0 k h z ； 2 功率：5 0 w ； 3 输入电压：4 0 - - - - 6 0 v ： 4 六路输出：1 5 v 0 5 a ；- 1 5 v 0 5 a ；3 乖( 1 5 v 0 5 a ) ；5 v 2 a ； 5 占空比：1 - 5 0 ； 6 效率：8 5 ； 2 3 2 2 高频变压器的设计 1 变压器磁芯设计 变压器容量计算： = 刖+ 寺) = 4 7 ( 1 + 志) = 1 0 3 5 ( w ) ( 8 ) 力 u 5 ) 设计输出能力： 铲砸彘) 1 1 6 = ( 而蒜) _ 0 8 7 ( c 朋4 ) ( 9 ) 1 8 山东大学硕士学位论文 由于占空比的变化较大，为便于工作点的自动调节，b m 取得较小，为0 1 t ， k i 取3 9 5 ；k w 取0 2 是考虑到变压器的功率较大、耐压高。 考虑到对系统留有一定裕量，对照输出功率与磁芯型号的对照表，选择的磁 芯e 1 3 5 能够满足功率要求。e 1 3 5 的磁芯截面积为a e = 1 0 1 5 m m 2 。 参数验证： 变压器所承受最大功率： = 兰! 警= 5 6 w ( 1 0 ) 经验公式： s j = 0 1 5 扣i = o 1 5 幸以i = 1 1 2 c m 2 ，p m 为变压器的最大承受 功率，s j 为磁芯截面积，经过验证，公式中所选择参数符合经验标准。 2 变压器匝数设计 1 )初级绕组匝数： 印p t o n n l = 2 * b m * a c 幸1 0 。 ( 1 1 ) n l ：初级绕组匝数 既： 工作磁感应强度，这里取o 1 t ，：初级输入电压幅值( v ) 彳c ：磁芯截面积( c m 2 ) t o n 初级输入脉冲电压宽度( u s ) 计算变压器原边匝数，选择输入端电压的下极限，此时占空比最大，根据 3 8 4 2 的特点，并且该辅助电源并没有采取斜坡补偿，所以占空比最大取为o 5 ， 原边输入端忽略m o s 的管压降，输入电压全部叠加在变压器原边，频率f = 4 0 k ， 1。=五2篇0警1器10141 0 = 2 4 6 ，取整数为2 5 匝。 v l = _ = z q 0 ，耿拦，烈刿z ) 山o 1 一。 则原边绕组每匝伏数= 2 4 0 5 = 1 6 v 。 2 ) 根据参考5 v 的控制电路进行设计：整流二极管管压降为o 5 v ，绕组压降为 o 1 ，则副边绕组电压值为5 + 0 5 + 0 1 = 5 6 v 。 则副边5 v 绕组匝数：n 1 = 而5 6 = 3 5 ，取整数为4 。 校正每匝的反激电压= 5 4 6 = 1 4 v 。 1 9 山东大学硕士学位论文 3 ) 对于3 路1 5 v 数字驱动电压供电端：副边绕组电压值为1 5 + 0 5 + 0 1 = 1 5 6 v ； n 2 = 1 1 5 4 _ _ 6 6 = 1 1 2 ，取为1 1 匝。 4 ) 对于两路模拟参考电压：副边绕组电压值为1 8 + 0 5 + 0 1 = 1 8 6 v ， n 3 = 等= 1 3 3 匝，取整数为1 4 匝。 5 ) 辅助线圈设计： n 4 = 里掣= 9 7 匝，取整数为l o 匝，可以保证3 8 4 2 正常工作。 6 ) 根据系统工作电流，选择标称线径为0 5 6 m m ，外皮直径为d m 戤= 0 6 3 m m 。 截面积为0 2 4 6 3 m m 2 的高强度漆包铜线，单股绕就可以满足要求。 3 气隙计算过程 厂 ，厂 ：玩 伽k 一谚辞、暑专p 厍，：，： 、 图2 - 8 系统工作状态图 在单周期内： n = 7 7 木p 所o ，z = 西西4 7 i 5 丽= 1 4 a 取奶：3 木e j ，计算舨：丝- 2 蚣 可知p l = 1 4 5 a ，i p 2 = 4 3 5 a 。 而系统工作中占空比必须以同样的比率变化来维持变压器伏秒值平衡，得到 平衡方程组为： i t o n ：兰! ：! ：兰：1 17 m s 1 揣石 ( 1 2 ) id m a x ：坐：o 4 7 则原边电感值为： 印= 百v i n * a t = 4 0 等= o 1 6 聊h 那么气黼坛学= 塑等1 唑_ 0 4 9 删 l 刀u o 山东大学硕士学位论文 系统中采用l m m 绝缘胶带生成气隙。 2 3 2 3 系统参数设计 1 功率m o s f e t 选择i r f 6 4 0 ，副边整流二极管采用m u r l 0 6 0 ，并联1 0 2 电容 吸收二极管反向电压，吸收反向恢复电流； 1 2 采样电阻要求r s 孟嘉2 0 2 3 ，而o 2 3 q 为系统在最大输出功率条件下需要 满足的条件，本论文中，根据电阻等级标准选择采样电阻r s = 0 2 2 欧姆； 3 系统反馈部分采用p i 调节，考虑到系统频率为4 0 k ，选定p i 参数k p = l ，积 分时间常数f = 0 0 1 m s ，即r c = 1 0 一，选定1 1 5 = r 6 = i k ，c = i o n f ； 4 选用t l 4 3 1 作为输出5 v 的调整参考； 5 输入端与输出端通过线性度较好的光耦p c 8 1 7 进行隔离反馈； 6 系统输入端串联热敏电阻n p c ，当系统启动对电容充电时，起到限制启动电 流的作用，而当系统正常工作，n p c 电阻随温度升高电阻迅速减小； 7 系统输入端串联接入防反接二极管； 8 输入电容参数设计： 由于该系统是为整套系统供电，则保证系统故障，辅助电源至少可以提供 c ：尘垒：l a v e * t ：1 4 * 2 0 m s ：1 4 0 0 的延迟时间，根据公式： u“20,uf20ms ， 本论文最后选用6 3 v 2 2 0 0 u f 电解电容； 9 变压器吸收电路： 变压器原边为防止m o s 管两端在关断时承受过大电压，原边采用r c d 吸收 电路吸收反激电压尖峰，同时采用6 0 v 的t v s 吸收较高电压尖峰，这种结 合的吸收方式可以避免m o s 管过高电压的同时可以提高系统的电磁兼容能 力，这一点在以后章节详细介绍； 1 0 系统正常工作，5 v 指示灯显示。 2 l 山东大学硕士学位论文 2 3 2 4 电源原理图 2 4 本章小结 图2 - 9 系统原理图 本章就直流部分的主电路硬件设计做了详细的介绍，并着重讲解了系统中直 流输出滤波部分的设计，以及详尽的设计了副边整流二极管r c d 吸收电路，较好 的吸收了电压尖峰，最后完整的介绍了系统辅助开关电源的设计方法，包括反激 变压器的设计。 山东大学硕士学位论文 第三章光伏逆变器的硬件设计及控制策略分析 本文采用全桥逆变拓扑结构，该结构在单相逆变器的实现中技术已经相对成 熟，当前，单相逆变器的研究方向主要集中在控制策略。传统对正弦波逆变器的 控制大多采用输出电压平均值环来维持输出电压的恒定。但是，这种控制方式不 能保证输出电压的波形质量，动态响应特性不好，特别是在非线性负载条件下输 出电压波形畸变严重，失真很大，在突加、减负载时输出电压动态性能难以满足 用户的要求。 近几年，为了克服传统控制方案的不足，许多改进的控制方案都成为研究热 点。应用较多的有：电压单环p i d 控制，电压电流双闭环控制，滞环控制，重复控 制，滑模变结构控制等。其中，采用瞬时值控制方案可以在运行过程中实时地调 控输出电压波形，提高逆变电源的供电质量。目前，电压外环电流内环的双环控 制方案是高性能逆变电源的发展方向之一。双闭环控制方案的电流内环加大了逆 变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减小，非 线性负载适应能力加强【1 9 】【2 0 1 。 在双环控制方案中，可以分为电容电流内环和电感电流内环两种，但是，在 实际应用中为了能对逆变电源实施限流保护，本文采用了电感电流内环控制方 案，实时限制电感电流的大小，瞬时调控输出电压波形，并有利于实现逆变电源 的并联运行【2 1 1 。 本章主要内容归纳如下： 1 系统主电路以及检测电路、驱动电路的硬件设计； 2 交流输出滤波器的设计； 3 双闭环控制系统的分析； 4 并网控制算法实现。 3 1 逆变主电路选择 在单相逆变器的设计中，大致的拓扑选择就是单相半桥和全桥逆变拓扑的选 择，图3 1 分别为半桥和全桥电路原理图。 半桥逆变电路可以广泛应用于数百瓦数千瓦的开关电源中。与全桥电路相 比，半桥逆变电路开关器件少( 但器件电压等级高，并且多用了一个大电解电容) ， 山东大学硕士学位论文 成本比较低，但是由于直流电容的限制，半桥逆变通常用于千瓦级以下的小功率 逆变电源，目前成本要求苛刻的场合应用依然较为广泛。 在逆变电路中，采用相同电压、电流容量的开关器件时，全桥电路可以达到 最大功率输出，因此该电路常用于中大功率电源中。并且，由于半桥逆变电路采 用大电解电容作为续流回路，续流时电流下降速度快，同等条件下输出波形较全 桥电路差。基于以上考虑，本文采用全桥逆变电路【z 2 。 图3 1 a 半桥逆变土电路 3 2 系统硬件设计 3 2 1 主电路介绍 a cl a cn 图3 1 b 全桥逆变电路 图3 2 系统主电路原理图 主电路原理如图3 2 所示：c o l 作为输入滤波电容：q 1 q 4 为主电路功率开关 管，采用i r g 4 p h 4 0 u d 2 e p ；c 1 c a ，r 5 r s ，d 1 d 4 为两组功率开关管吸收电路； l 1 l 3 为滤波电感，均采用铁硅铝磁芯；电流传感器采用高精度电流互感器；c 5 、 r 9 作为高频电流吸收电路；l l 和c 6 组成二阶低通滤波器；r l o 为滤波电容放电 电阻；l 3 为共模滤波电感。 山东大学硕士学位论文 3 2 2 采样电路设计 为了对逆变器进行安全有效的控制，必须对逆变器的输入输出电信号进行检 测，这就需要用到采样电路。逆变器的所需要的采样参数应包括：交流输出电压， 交流输出电流。 3 2 2 1 电压采样电路设计 在对高压电路进行采样时，电路的强电和弱电需要隔离，以保证控制系统的 安全性。本文采用霍尔传感器对电压进行隔离采样，采用的霍尔传感器型号为 c s b 2 1 0 m a 。 由于采用磁平衡式工作原理，其输出为电流信号抗干扰能力较电压型信号 强。霍尔传感器c s b 2 1 0 m a 的输入输出电流比为1 0 m a ：2 5 m a 。逆变器输出交 流电压为2 2 0 v 。根据输入电压的幅值，在测量交流电压时霍尔传感器的原边串 入2 0 k 1 0 w 的电阻，由于1 0 w 以上电阻市场上通常见到的为绕线电阻，而绕线 电阻本身的电感效应对检测电路来说影响比较大，所以本电路采用两支4 0 k 5 w 的金属膜电阻并联。对于交流信号的检测，由于d s p 的内部为单极性采样，因 此对传感器输出的交流小信号必须增加调理电路。交流电压和直流电压的采样电 路如图3 3 所示： r l 3 2 2 2 电流采样电路设计 图3 - 3 电压采样电路原理图 对于交流电流信号的检测，本文采用的高精度电流传感器进行隔离检测。本 系统需要检测电流为滤波电感l l 电流，输出电流，滤波电容电流。 1 电容电流采样电路设计 电容无功电流计算方程组为： 山东大学硕士学位论文 ( 1 3 ) 求解有：i c = c o s ( 0 9 t ) 根据电容无功电流，本系统选择t v a l 0 1 3 1 z 系列母线内置式微型精密交流 电流互感器。t v a l 0 1 3 1 z 输入线圈为内置式，印刷线路板直接焊接安装，精度 高，体积小，外型美观，工作频率可以达到：2 0 h z - 2 0 k h z 。 t v a l 0 1 3 1 z 性能指标：额定电流为2 a ，额定输出电流2 m a ，额定采样电 压1 2 倍的i c 电源电压，相移5 0 ，非线性度o 1 ，线性范围达到两倍额定 值。 根据采样电流幅值，采样电阻取为3 。q ，根据公式c 。= 五丽4 5 0 0 ，求解电 容取为c = 4 8 。 图3 - 4 电容电流采样电路原理图 由于电容电流其中包含大量高频谐波，同时试验中采用普通的r c 一阶吸收 电路效果并不理想，于是加入l c 低通滤波形式，滤波电感采用l m h ，电容采用 1 0 r l f ，通过试验，滤波效果良好。 2 电感电流检测电路设计 额定条件下，输出峰值电流为7 a ，采用t v a l 4 2 1 系列立式穿芯小型精密 交流电压电流通用互感器，根据屯= 如+ o u t ，屯峰值为8 a ，选择b i n g z i 号 n ，a 1 4 2 l 系列立式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器。 t v a l 4 2 1 0 1 性能指标：额定电流为9 a ，额定输出电流6 m a ，额定采样电 2 6 研n垒u 肛 = 一一 | | c q ” 山东大学硕士学位论文 压1 2 倍的i c 电源电压，相移5 。，非线性度0 1 ，线性范围达到两倍额定 值。 根据采样电流幅值，采样电阻取为3 9 。q ，根据公式c 0 = 五丽3 0 0 0 ，求解电 容取为c = 2 4 , u f 。 3 2 3 过流保护电路设计 图3 5 电感电流采样电路原理图 作为一个完整的系统，保护部分是不可或缺的。设计保护电路需要考虑多个 层面，而且要确保各保护电路本身的可靠性，这样才能提高系统的整体安全性。 在本文中涉及的硬件保护有：过流保护，过热保护。 过流保护需要对输出电流的瞬时值进行监控。由于输出为交流电流，所以过 流也有着正负极性，因此要对输入的电流信号进行精密整流，通过整流后的信号 与给定的参考值比较来确定是否过流。输出电流一旦超过设定值，逻辑信号 s h u td 将直接通过驱动逻辑关断i g b t ，当电流恢复正常，驱动芯片正常工作， 同时该过流逻辑信号将给d s p 发送外部中断信号，通过d s p 内部程序对系统过 流信号进行处理计数，当过流次数超过所设定n 时，认为系统存在故障，关掉 整个系统。硬件原理图如3 6 所示： 2 7 山东大学硕士学位论文 3 2 4 过热保护电路设计 图3 - 6 过流保护电路原理图 本文采用：k d s 9 7 0 0 ，2 5 0 v ，5 a ，7 5 型温度开关。k s d 系列双金属片温 度控制器在常规控制或安全保险等领域应用广泛，该产品具有电阻小、感温快、 动作迅速、安全可靠、体积小等优点。 工作时双金属元件处于自由状态，动触头与静触片闭合，电路导通。当使用 电器因故障发热而使温度上升至热保护器的动作温度时，双金属元件受热产生内 应力而迅速动作，推开动触头离开静触片而断开电路，从而切断故障电器电源起 到保护电器作用。当被保护电器温度下降到热保护器的额定复位温度值时，双金 属元件恢复到初始状态触点闭合，电器恢复正常工作。 + 1 气v 3 2 5 锁相电路设计 图3 7 过热保护原理图 锁相环在光伏逆变电源并网运行时是不可缺少的。倘若锁相过程不可靠， 容易产生逆变电源和电网之间或者并联运行逆变器之间的环流，对设备造成 严重的冲击【2 3 】。 山东大学硕士学位论文 图3 8 锁相电路原理图 本论文中，电网电压的过零点信号取自电压采样电路中的霍尔传感器 c s b 2 1 0 m m 的输出信号。该传感器的响应时间小于2 0 1 x s ，因此可以认为传感器 的输出电压与电网电压同相位，同理对于电网电压的锁相也可等效为对传感器的 输出电压锁相。该信号经过比较器l m 3 3 9 ，与零电压信号相比较，并且该基准 信号可以调节，也就是说可以手动调节基准信号以至于消除对采样电路的延迟所 造成的相位差异。在电路中再进一步将方波信号通过光耦进行电平转换，使得