专业工程训练设计报告电压型太阳能并网的设计

1、中南大学专业工程训练报告设计题目： 电压型太阳能并网的设计 学 院： 信息科学与工程学院 班 级： 电气xxxx班 姓 名： xxx 学 号： xxxxxxxxxx 指导老师： xxx 日 期： 2011年9月 前 言随着我国经济的迅速发展，能源问题在当今社会中受到越来越多的关注。在减缓能源供求矛盾方面，能量回馈系统可以发挥重要作用，主要运用在功率电子负载、分布式发电和电机再生制动等场合。而电力电子的逆变技术是能量回馈系统的核心部分。随着人类生态环境的日益恶化，人们逐渐认识到必须走可持续发展的道路，太阳能必须完成从补充能源向替代能源的过渡，即太阳能的利用应该逐渐从无电地区向有电地区发展。光伏并

2、网是太阳能利用的发展趋势，光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。本次工程训练的题目就是电压型太阳能并网。具体内容是设计1千瓦光伏并网逆变器，需要根据设计要求并结合电力电子技术相关知识尽量将这一课题做好。此设计内容中主要包括电流谐波畸变率的改变；单位功率因数；空间矢量调制技术以及系统闭环控制等。在本次课程设计中，先后得到了老师的鼎力帮助，并与本课题同学多次进行商讨，在此表示诚挚的谢意！本次课程设计涉及面非常广，查阅了大量资料，由于很多方面的知识都是临时去学习，对所查阅的资料的正确性也没有一一考证，另外，这是本人第一次系统性进行电力电子方面课题的设计，限于在此方面知识的欠缺，设计当中不免存

3、在并非最优方案和不完善的地方，因此，错误与疏漏之处再所难免，望老师批评指正。目 录第一章 绪论- 1 -1.1 光伏并网发电系统简介- 1 -1.2 光伏并网发电系统对逆变器的要求- 1 -第二章 设计任务- 2 -2.1 设计题目- 2 -2.2 设计要求- 2 -第三章 并网逆变器系统分析- 2 -3.1 电压型单相并网逆变器的理想模型- 2 -3.2 三相电压型并网逆变电路的模型- 3 -第四章 光伏并网发电系统设计- 5 -4.1 系统结构- 5 -4.2 逆变器的总流程- 6 -4.3 功率电路的设计- 7 -4.4 控制电路- 8 -4.5 并网同步的实现- 8 -4.6 驱动电路

4、- 9 -4.7 系统控制方案- 9 -第五章 电压型并网谐波与功率因数分析- 10 -5.1 电压型并网谐波分析- 10 -5.2电压型并网功率因数分析- 11 -第六章 空间矢量调制策略- 12 -6.1 空间矢量直接电流控制策略- 12 -6.2 d,q坐标系下的数学模型- 13 -第七章 光伏并网逆变器的仿真建模- 14 -小 结- 16 -参考文献- 17 -第一章 绪论1.1 光伏并网发电系统简介光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。

5、光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、并联组成的。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成220v50hz的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。控制器一般由单片机或dsp芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。1.2 光伏并网发电系统对逆变器的要求作为光伏阵列和交流电网系统间进行能量交换的逆变

6、器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对光伏并网发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的作用。因此，光伏并网发电系统对并网逆变器有如下要求：1)实现高质量的电能转换。并网逆变器输出的电流频率和相位与电网的必须严格一致，以使输出功率因数尽可能的达到1。2)实现系统的安全保护要求。如输出过载保护、输出短路保护、输入反接保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护及装置自身保护等，从而确保系统的安全性和可靠性。3)具有较高的可靠性。目前光伏并网发电系统主要在一些自然条件恶劣的地区，所以逆变器应在长时间的工作条件下保证低故障率，并具有较强的自我诊断能力，因此所设计的逆变器应具有合理的电路结构

7、、严格的元器件筛选。4)最大功率的跟踪。最大限度的利用光伏阵列，提高逆变器的效率。第二章 设计任务2.1 设计题目电压型太阳能并网2.2 设计要求设计1千瓦光伏并网逆变器，具体要求如下：（1） 电流谐波畸变率小于5%；（2） 单位功率因数；（3） 熟悉空间矢量调制；（4） 掌握系统闭环控制； 第三章 并网逆变器系统分析3.1 电压型单相并网逆变器的理想模型作为并网用的逆变器，一般的理想状态为：1)网侧功率因数=1，即网侧电流in无畸变且与网侧电压un相位一致，这样回馈至电网的只有有功功率。2)能够实现回馈电流in的快速调节；3)具有能量双向流动的能力，除了向电网回馈能量外，在一定条件下，电路还

8、可处于整流模式，从电网吸收能量能够实现上述理想的逆变电路状态，并认为电路内部没有损耗，则得到理想模型如图1(a)所示。 3.2 三相电压型并网逆变电路的模型电压型三相桥式逆变电路的主电路如图2所示。由图2可以看出三相桥式电路是单相半桥电路的扩展，在拓扑结构上是完全相似的，其中各相输入电感相等，电网各相电压均为正弦波。 三相并网逆变电路的等效电路模型如图3(a)所示，0点为电网中点，0为直流侧滤波电容中点，rs为电感电阻，其他同单相电路。图3(b)为a相等效电路的相量图。 三相并网逆变器交流侧的方程为 逆变部分一般考虑spwm调制的三相电路，三相桥式电路的控制脉冲时序分布和单相的相似，调制信号为

9、三相正弦波uga、ugb和ugco分析得知逆变器输出线电压波形是一个单极性spwm波形，其输出幅值为uio假想直流电源中点o，则可推出三相spwm逆变电路相电压基波表达式为 对于逆变桥的输入电流id,由单相电路分析的结果，每个桥臂从直流侧吸取的电流存在二次谐波，三相电路中每个半桥单元从直流侧吸收的电流为 将三相电流叠加后即可得到直流侧电流id的表达式为 由式(4)可知，当电路在三相对称条件下，逆变器的输入电流为恒定的直流，而不存在二次电流分量，电路的直流侧输入不需要二次谐波吸收电路。三相逆变器的输人瞬时功率也随之恒定，而单相逆变器的输入电流存在二次电流分量，输入功率也不恒定，如图l所示。这点是

10、三相逆变器不同于单相逆变器之处，因此，单相逆变器的直流侧滤波电容需要滤除高频和低频的纹波，而三相逆变器的直流侧滤波电容仅需要滤除高频纹波即可，其容量可以比单相的小。第四章 光伏并网发电系统设计4.1 系统结构太阳能光伏并网逆变装置的主原理图如图1所示。本系统采用两级式设计，由于是应用于小功率光伏并网，太阳能电池板输出的电压较低，所以在太阳能电池板后接boost升压斩波器，将电压升到400v，这样设计有利于提高系统的效率，也便于后级全桥逆变器并网控制。图4 光伏并网系统结构图太阳能电池输出的最大功率随着光照强度和温度的变化而变化，本系统的最大功率跟踪由前级boost升压斩波器控制，为实现与电网电

11、压同频同相的并网电流，其由后级全桥逆变器控制。他们的控制都是由dsp芯片tms320f2812协调完成。4.2 逆变器的总流程太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分，其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电逆变成单相交流电，并送入电网。同时实现对中间电压的稳定，便于前级boost升压斩波器对最大功率点的跟踪。并且具有完善的并网保护功能，保证系统能够安全可靠地运行。图5是并网逆变器的原理图。图5 逆变器原理框图逆变器的控制用电从交流电网中取得，采用smd1o一220d15电源模块和lm257550，转换成控制芯片的供电电压正负15v和5v。当控制电路上电后，首先检测电网参数和光伏电池的电压，当网

12、压正常，闭合继电器，此时工作为不控整流，中间电压310v左右，延时之后启动全桥电路，此时，全桥逆变器工作在pwm整流器状态，中间电压为400v。当中间电压稳定之后启动前级boost电路，全桥电路开始逆变运行，开始给电网送电。逆变器工作过程中，由控制芯片检测中间电压、并网电流，如果中间电压过高或者并网电流超过最大电流时，由控制芯片封锁全桥逆变器和boost升压斩波器的开关管控制脉冲，同时断开继电器。延时一段后再尝试重新启动，若故障仍然存在，则断开逆变器，并且只有手动清除故障才能使逆变器重新投人工作。逆变器设计了两个按钮，一个是启停，一个是故障清除，dsp能快速响应命令。该光伏并网逆变器的额定输入

13、电压为直流400v，最高为450v，额定功率为2kw，交流输出并人220v交流电网。逆变器的硬件系统分为三个部分：功率电路、控制电路、驱动电路。4.3 功率电路的设计逆变器的主拓扑结构采用单相全桥逆变电路，功率器件使用igbt，开关频率为8khz；逆变器的输出端使用了lc滤波电路滤除了高频分量。fh电感的基本伏安关系可得式中：vl(t)为电感两端电压。当输出电压处于峰值附近时，即vo(t)=vmax时，输出电流纹波最大，设此时开关管的开关周期为t，占空比为d，则有另外，根据电感的伏秒平衡原理，我们可以得到于是求得从式(3)和式(4)可得在本系统中，vsmax=2 *220=311v，isn45

14、a，vdc=400v,f=8khz，t=1.25*10-4s，取电流纹波系数ri=015，则由式(5)计算可得，lf=128mh。则滤波电感应满足lf128mh。逆变器的前端是boost升压斩波电路(电压为400v)，c1、c2为支撑电容，稳定中间直流电压；r1、r2为均压电阻。图2中的c3、c4为吸收电容，在开关管igbt的开通关断过程中吸收尖峰电压，防止开关管被击穿。系统的散热为加散热片的强迫风冷。4.4 控制电路该电源逆变器控制电路的主控芯片是tms320f2812，该芯片具有处理性能更快，外设集成度更高，程序存储器更大，数模转换速度更快等特点。该芯片的采用可以更好地满足对igbt单相全

15、桥逆变器进行实时控制的要求。此外，控制并网电流需要实时采样电流信号，该方案中使用的是lem传感器，型号为la25一np，经过滤波整形，得到系统控制所需要的电流平均值和瞬时值。对中间电压和网压的检测，使用电阻分压，经滤波整形得到中间电压值和网侧电压得平均值、瞬时值。网压和并网电流的采样为交流信号，其滤波整形电路如图6所示。图6 整流滤波电路4.5 并网同步的实现并网的要求是使逆变器输出的电流与电网电压同频同相。因此，将电网电压经过滤波整形产生于电网电压同频同相的方波信号。此方波信号由dsp的外部中断口捕捉到其过零点和跳变沿，产生同步中断。在同步中断中，正弦指针复位到零。这样就得到与网压同步的正弦

16、指针和正弦表，由此就可以得到与网压同步的电流指令。4.6 驱动电路控制芯片tms320f2812发出的4路spwm信号，使用安捷伦公司的hcpl3150隔离放大，经ir21 13驱动全桥的igbt。4.7 系统控制方案由于电网可视作功率为无穷大的电压源，宜采用电流型的并网逆变器进行发电。由图4可知，流经电感 的电流不能突变，可采用反馈双闭环控制的方法。控制框图如图7所示。外环为电压环，稳定中间电压vdc；内环为电流环，控制并网电流。图7 逆变器控制框图逆变器的控制框图中参考电压vref与光伏电池实际输出电压vdc相比较后，误差经pi调节得到电流指令i*，再与正弦波形相乘得到正弦指令iref，i

17、ref与实际输出的电流相比较后，误差经p调节后得到的值(物理意义上就相当于逆变器输出侧电感上产生的电压)与网压vac(t)相加得到的波形与三角波比较，便产生了4路pwm波控制逆变器开关管的通断，这样就实现了光伏电池输出电压基本工作在vref附近，系统输出正弦电流波形幅值为i*。这种被称为改进的固定开关频率的控制策略与电流滞环控制相比，有开关频率固定、电流跟踪误差较小等优点，改善了并网逆变器的电流跟踪性能，保证了逆变器的输出电流与电网电压之间保持同频同相，使并网系统不对电网产生污染。方案中对并网电流的采用了固定开关频率的控制方法。固定开关频率控制是将电流误差p调节后作为调制波与三角载波比较产生p

18、wm波。其缺点是必须与实际电流存在偏差才能产生pwm波。因此在固定开关频率控制的基础上有所改进，加人了交流侧网压vac的计算，即电流误差信号iref经过pi调节后与vac相加，得到的值再与三角载波进行比较。i在物理意义上就相当于逆变器输出侧电感上产生的电压。i×p与vac之和，就相当于逆变器输出脉冲电压，这样构成的矢量图与逆变器输出向量图一致。改进的固定开关频率的控制策略在保持原有优点的同时，电流跟踪误差显著减小，改善了pwm整流器的电流跟踪性能。第五章 电压型并网谐波与功率因数分析随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactive

19、power)问题日益严重，引起了关注。5.1 电压型并网谐波分析各种电力电于装置的广泛应用以及大功率非线性负荷的只益增加，使注入电网中的谐波分量不断增多，引起了系统中电压、电流的波形畸变，导致电力设备的过热和损坏。电力系统中普遍装设了电容器组作为无功补偿的手段，当补偿电容器组的容抗值与系统参数匹配而构成谐波谐振或严重谐波放大时会对系统，特别是电容器形成很大的危害。电容器如果经常工作在这样的条件下，会严重影响其使用寿命。因此，研究受谐波污染时电容器参数的合理配置，既发挥对基波无功的最优补偿作用，叉避免困谐波放大或发生谐振出现过电压而破坏系统的安全运行，具有重要意义.（1）谐波的危害Ø

20、谐波的危害：Ø 降低设备的效率。Ø 影响用电设备的正常工作。Ø 引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。Ø 导致继电保护和自动装置的误动作。Ø 对通信系统造成干扰。（2）谐波分析正弦波电压可表示为：对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数： 基波（fundamental）频率与工频相同的分量谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量谐波次数谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流含有率以hrin（harmonic ratio for in）表示 电流谐波总畸变率thdi（total harmonic distortion）定义为 本次设

21、计要求电流畸变率小于5% ，即thdi<5% 5.2电压型并网功率因数分析（1）无功的危害Ø 导致设备容量增加。Ø 使设备和线路的损耗增加。Ø 线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。（2）功率因数分析单位功率因数下无功与有功平衡，负载成阻性负荷，功率因数为1.正弦电路中的情况电路的有功功率就是其平均功率：视在功率为电压、电流有效值的乘积，即s=ui 无功功率定义为： q=uisin 功率因数l 定义为有功功率p和视在功率s的比值：此时无功功率q与有功功率p、视在功率s之间有如下关系：非正弦电路中的情况 有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功

22、率因数仍由式 定义。不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正弦波的情况有很大的实际意义。 非正弦电路的有功功率 ：p=ui1cosj1 功率因数为： 基波因数n=i1/i，即基波电流有效值和总电流有效值之比位移因数（基波功率因数）cosj1 功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的。非正弦电路的无功功率定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。一种简单的定义是仿照式给出的：无功功率q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受。也可仿照式定义无功功率，为和式区别，采用符号qf，忽略电压中的谐波时有：qf =ui1sinj1 在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率d，使得：q

23、f为由基波电流所产生的无功功率，d是谐波电流产生的无功功率。第六章 空间矢量调制策略6.1 空间矢量直接电流控制策略三相并网逆变器的输出电流控制技术主要分为间接电流控制和直接电流控制两大类。间接电流控制主要以相幅控制为代表，其优点在于控制简单，一般无需电流反馈控制，但其主要问题在于电流的动态响应不够快，系统对参数波动较敏感；直接电流控制包括滞环电流控制闭、固定开关频率电流控制、空间矢量电流控制等。相对于间接电流控制，该方法能直接控制网侧电流跟踪电网电压，因此具有动态响应快，稳态性能好，自身具有限流保护能力等优点，因此应用非常广泛。而基于d，q坐标系的空间矢量电流控制除了具备一般直接电流控制的优

24、点外。还能消除电流稳态跟踪误差、实现并网电流有功分量和无功分量的独立控制。采用空间矢量直接电流控制策略，在d，q旋转坐标系下建立三相并网逆变器系统的模型。给出了d，q坐标系下跟踪电网电压空间矢量的方法和输出电流环的设计。仿真和实验均证明了控制策略的可行性，电流能够很好地跟踪电网电压的相位，实现单位功率因数并网。6.2 d,q坐标系下的数学模型图6.1示出三相并网逆变器拓扑。系统直流侧电压ud由再生能源发电设备提供，拓扑采用三相全桥拓扑，逆变桥输出经过滤波电感l连接到电网上。图8 三相并网逆变拓扑逆变器正常工作在单位功率因数并网模式，并网输出电流是与电网电压同频同相的正弦波。忽略高频分量的影响，

25、三相电感电流的回路方程为：在该数学模型中。需要控制的网侧电流均为时变交流量，因而不利于控制系统设计。为此，可以通过坐标变换将三相对称a,b，c静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的d，q坐标系,将d轴定向于a轴旋转角度后的矢量方向上，q轴与之垂直。定义d轴与电网电动势矢量ug同相，则d轴方向的电流分量id为有功电流，d轴落后q轴90度，故q轴方向的电流分量iq为无功电流，初始条件下，令d轴与a轴重合。则三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系变换矩阵为：当电网电压三相对称时，得：整理后得到三相并网逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型为：因此，只要控制好d，q轴的电流就可以实现对并网有功和无功分量

26、的控制。第七章 光伏并网逆变器的仿真建模经分析，本文确定了光伏并网发电系统的逆变器控制采用固定开关频率的pwm控制方法，电压反馈信号与给定的电压参考信号比较产生误差信号，经过pi调节后作为给定电流参考信号，电流反馈信号与给定的电流参考信号比较产生误差信号，经pi调节后与固定频率的三角波比较产生spwm控制脉冲后，经隔离、放大后作为开关管的门极脉冲。光伏并网发电系统采用的双闭环方式，外环为电压环，内环为电流环，由电压环和电流环组成的双闭环控制系统有效的保证了对输出电压、电流波形和幅值的要求，具有控制的物理意义明确，易于软件实现，动态响应快等优点。为了防止桥臂发生直通，在电路中设置了相应的死区。三角波的载波频率是10khz，而逆变器本身的输出频率比较低，因此在忽略开关延迟时间的前提下，逆变器本身可等效为一个比例环节。输出滤波器采用lc型滤波器，可以得到电路的等效模型，由此可推导出逆变控制系统的示意图如图所示，作者根据系统的控制精度设计了控制参数。图9 逆变器输出matl