毕业论文光伏发电系统逆变技术应用研究.doc

摘 要 由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重，清洁的可再生的太阳能越来越受到人们是重视。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。我们主要研究光伏发电系统中的逆变电路而其中的电压型单相全桥逆变电路是我们所要详细研究的对象，.而其中本论文会涉及最大功率跟踪及PWM控制技术全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。几种逆变器的主电路均需要有控制电路来实现一般有方波和正弱波两种控制方式，方波输出的逆变电源电路简单，成本低，但效率低，谐波成份大。正弦波输出是逆变器的发展趋势，随着微电子技术的发展，有功能的微处理器也已问世，因此正弦波输出的逆变技术已经成熟。关键词：太阳能；光伏系统；逆变器技术；正弦波输出Solar Photovoltaic System Inverter ApplicationsLEE Zhi-shunAbstractDue to tight global energy and environmental pollution gradually growing, clean, renewable solar energy more and more people are seriously.Solar energy is the first time, but also renewable energy. It is rich in resources, can use free of charge, and without transportation, without any pollution to the environment. For mankind to create a new life, so that social and human energy into a era of reducing pollution.Is a component of photovoltaic panels in the sun exposure will generate direct current power generation devices, from virtually all semiconductor materials (eg silicon) are made of thin photovoltaic cells composed of solid. Because there is no part of activity, and would thus be a long time operation would not lead to any loss. Simple photovoltaic cells for watches and computers to provide energy, and more complex PV systems to provide lighting for the housing and power supply.we almost go deeply into the source inverter in PV systems，and the Voltage Single-Phase Full-Bridge Controlled Rectifier is the most important simple for us to research, as thus it will relate to MPPT and PWM controller technology,The bridge has push-pull inverter circuit to overcome the shortcoming, power transistor circuits of the output pulse width adjustment; the output voltage of the RMS is changed. Because of this circuit has free-wheeling loop, even to the perceptual load, the output voltage waveform nor distortion. This circuit faults is under the arm, bridge, no power transistor must therefore be adopted by isolating circuit or special driving power.These kinds of inverter circuit are needed to control circuit, general square wave and are weak wave two control mode, the output pulse inverter circuit is simple, low cost, low efficiency, harmonic components. Sine wave output is the development trend of the inverter, along with the development of microelectronics technology, PWM function of micro processor is also available, so the sinusoidal output inverter technology has matured.Key word：Solar energy; PV systems; the technology of inverter; Sine wave output目 录绪论.11.1光伏电池的历史及其工作原理1.2光伏发电系统的国外与国内发展1.3光伏发电系统形式1.4光伏发电系统中逆变器的架构及类型（单相）1.5所涉及的逆变器控制技术简介光伏系统的组成2.1光伏系统的中逆变器及控制电路的器件2.2光伏发电系统的模拟电路图光伏并网系统的工作原理3.1电压型单相全桥逆变电路分析3.2滤波器的设计3.3工频隔离变压器3.4控制电路-PWM逆变电路PWM型逆变电路4.1PWM控制算法4.2PWM控制方式4.3PWM调制方法4.4本设计的主要电路及其分析4.4.1交流采样电路4.4.2采样信号输入与控制信号的输出4.4.3TLC5615的信号控制4.4.4PWM波形信号处理4.4.5逆变电路的IGBT控制4.4.6反馈信号的处理软件部分及结论5.1MCS-51单片机内部结构5.2主程序流程图5.3SPWM波生成5.4电路中频率与相位的控制总结参考文献致谢附录光伏发电系统逆变技术应用研究姓名： 学号： 班别：据记载，人类利用太阳能已经有3000年的历史，但是将太阳能作为一种能源和动力加以利用只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。自从实用性的硅太阳能电池问世以来，世界上很快就开始太阳能光伏发电的应用。随着太阳能电池技术的提高和价格的下降，光伏发电逐渐在地面得到硬功，规模也日益矿大。本课题主要研究光伏发电系统中的逆变器，逆变器是一种将直流电能变换成交流电能的变流装置。我们将讨论光伏发电系统中各种类型的逆变器，并对其中某一至两种类型进行详解。1.绪论1.1光伏电池的历史及其工作原理自从 1954 年第一块实用光伏电池问世以来，太阳光伏发电取得了长足的进步。但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。其原因可能是人们对信息的追求特别强烈，而常规能源还能满足人类对能源的需求。1973 年的石油危机和90 年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。光伏电池的早期应用主要局限于科学研究及军事，航空等特殊领域。受20世纪70年代的石油危机和90年代的环境污染问题影响，人们对能源和环境问题的认识不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能功能电池组件就是将数十个太阳能电池单元进行耐候性封装。把太阳能电池组件内的太阳能电池单元以适当方式相连接能得到规定的电压和输出功率。太阳能电池组件的转换效率，单晶硅太阳能电池为12%-15%，多晶硅太阳能电池为10%-13%，非晶硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池是6%-9%，由于实验的限制，我们大多采用第三者。因为太阳能电池单元本身产生的电压约低于0.5V，所以使用时必须串联接作为电池组件使用。太阳能电池镇流是有太阳能电池组件集合体的太阳能电池组件串、防止逆流元件、旁路元件和接线箱等构成的。这里所谓太阳能电池组件串，是指由太阳能电池组件串联连接构成的太阳能电池阵列满足所需输出电压的电路。在电路中各太阳能电池组件串通过防止逆流元件相互并联连接。PV系统的容量是标准太能能电池阵列输出功率来表示的。PV系统的输出功率受辐射照度的强烈影响，也受太阳能电池组件内的太阳能电池单元的温度影响，因此用在日照强度为1kw/m2、单元温度为25摄氏度的标准条件下的最大输出功率表示标准太阳能电池阵列的输出功率。图1-1太阳能电池阵列结构图1.2光伏发电系统的国外与国内发展从上世纪 70 年代开始，各国政府都投入了很大的力量来支持太阳能电池的发展。美国于1973 年首先制定了政府光伏发电发展计划，明确了近、中、远期的发展战略目标；日本于1974 年开始执行“阳光计划”，投资5 亿美元，迅速发展成为世界太阳能电池的生产大国。自上世纪80 年代以来，其他发达国家，如德国、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等，也纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化进程。近年来世界太阳能光伏一直保持着快速发展，十世纪九十年代后期世界光伏市场更是出现了供不应求的局面，进一步促进了发展速度。综观进入新世纪后世界太阳电池的总产量，年增长率达到30-40%。充分开发利用包括太阳能在内的可再生能源、实现能源工业的可持续发展具有重大的战略意义。随着对太阳能和可再生能源的广泛的大规模的利用，全球的能源结构必将发生根本性的变化。我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，由于城市中大量使用化石能源，环境持续恶化。另一方面，我国具有丰富的太阳能资源，日照时数大于2000h，太阳能总辐射量高于5016MJ/（m2a）的地方约占全国总面积的三分之二以上，尤其是西部地区有很大的潜力。在这些地方发展并网发电计划，对于缓解当地的能源贫乏情况，提高当地人们生活水平有着极其重要的意义。我国在20世纪50年代开始研究太阳能电池，于1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星。此后，光伏发电就不断摸索中发展。在新世纪初，国家发改委在2002年启动了“送电到乡工程”，该工程光伏系统容量为20MW，极大地拉动了我国光伏市场的需求。尽管我国研制太阳能电池始于1958年，中国的光伏技术经过了50年的努力，已经具有一定的水平和基础，但是与世界先进国家相比仍有不小的差距。近几年来，我国的光伏发电技术己经具有了一定的市场潜力和市场吸引力，但光伏并网发电的关键技术和设备主要依靠进口，光伏并网发电的技术更是刚刚起步，因此，并网型光伏系统的造价高，依赖性强，制约了并网型光伏发电系统在国内的发展和推广。掌握并网型光伏系统的核心并网逆变技术对发展并网型光伏发电系统具有至关重要的作用。国内光伏系统主要采用单位功率因数并网，不具备电能质量控制功能。因此，研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统有重要意义，其研究主要放在并网逆变器的控制方法上，相同的拓扑电路，采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。对逆变器建立模型并进行分析，采用先进的控制策略对于光伏并网系统的性能是必不可少的。同时采用先进的控制算法是提高逆变器效率的方法之一。1.3 光伏发电系统形式典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成，而光伏发电系统按工作条件分为独立型，并网型和介于两者之间的可调度型。独立型：没有与电力公司的配电线并网的系统成为独立型系统。独立型光伏发电多用于边远山区，因为这些地方需要的电能容量小，建变电站成本昂贵，宜用独立型光伏发电。这种系统中要把使用的电量限制在PV系统的发电量以下，考虑到夜间和雨天PV系统不能发点，此时需要由蓄电池供给电力，西电池必须预先充电。此外，在通信基站等需要小量维持供电的情况下独立型光伏发电也有应用价值，在独立型光伏发电系统中储能部件是损耗最快，维护最频繁的组件。如下图1.3.1太阳能电池逆变器交流负载充电控制器直流负载蓄电池图1-2独立型光伏发电系统 并网型：并网型系统分为逆潮流系统和非逆潮流系统两种。我国现在多数是非逆潮流系统，并网光伏发电多见于城市供电系统，区域内的电力需求通常比PV系统的输出电力大，是城市电网的补充，可以实现用电时段的消峰填谷。与独立型光伏发电系统比较，并网型没用蓄电池，在没有太阳能光照条件下不能独立对用户供电，但极大的节约设备成本，简化了控制结构。如下图1-3太阳能电池逆变器计量电表交流负载电网图1-3并网型光伏发电系统 可调度型：可调度式光伏发电系统是带有储能部件且可以并网的光伏发电系统。当电网断电也没有太阳光照时，蓄电池等部件提供一定时间的能量供给，而在电网正常或有光照能量输入时，可对蓄电池补充能量。在蓄电池充满电且又有光照的情况下，则应由光伏电池直接给负载供电或是并入电网。可调度式光伏发电系统比并网型和独立型有更大的灵活性，但成本更高，系统控制也较复杂。如下图：太阳能电池充电控制器直流负载蓄电池交流负载逆变器S图1-4可调度式光伏发电系统本论文所主要研究的是独立型光伏发电系统与并网型光伏发电系统1.4光伏发电系统中逆变器的架构及类型（单相）将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或DCAC变换，实现逆变的主电路称为DCAC变换电路。通常将DCAC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DCAC逆变电源称为逆变器（Inverter）。 根据输入直流电源的性质、逆变器的直流输入波形和交流输出波形，可以把逆变器分成电压型逆变器（也可以称为电压源逆变器）和电流型逆变器（也可以称为电流源逆变器）。1.4.1电压型单相全桥逆变电路直流母线电容滤波，直流电压Ud经C1、C2分压，VT1、VT2交替导通/关断；负载上的电压幅值为Ud的一半，功率为全桥逆变器的四分之一；开关管VT1、VT2上承受的最大电压为Ud；控制方式主要是PWM脉宽调制控制，移相控制等图1-5电压型单相半桥逆变电路 半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值Um仅仅为Ud/2,且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥电路常常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。1.4.2电压型单相全桥逆变电路 图1-6电压型单相全桥逆变电路直流母线电容Cd滤波，VT1、VT4和 VT2、VT3交替导通/关断；加在负载上的电压幅值为Ud，输出功率为半桥逆变器的四倍；开关管VT1VT4上承受的最大电压为Ud；控制方式有单极、双极式PWM脉宽调制控制，移相控制，调频控制等方式。1.4.3电流型单相全桥逆变电路 直流母线电感Ld滤波，VT1、VT4和 VT2、VT3交替导通/关断；负载上的电流波形为方波，幅值为Id；开关管VT1VT4上承受的电压为负载上的电压。负载上的电压幅值和相位取决于负载阻抗大小和性质。 由于电流型不太常用，因此对其不作详细的讨论。图1-7电流型单相全桥逆变电路1.5所涉及的逆变器控制技术简介本论文主要讨论光伏发电系统中应用的电压型单相全桥逆变电路，其中会简单的涉及到保护电路中的器件简析，光伏并网中的并网逆变器(PWM控制技术)。2.光伏系统的组成2.1光伏系统的中逆变器及控制电路的器件在小容量、低压PVS 中，功率器件多使用金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）。因其在低压时，具有较低的通态压降和较高的开关频率，但随MOSFET 电压的升高，其通态电阻增大。因此，在大容量、高压PVS 中，一般使用绝缘栅晶体管（IGBT）作为功率器件；在100kVA 以上特大容量的PVS 中，一般采用门极可关断晶闸管（GTO）作为功率器件。PVS 中的逆变驱动电路主要针对功率开关管的门极驱动。要得到好的PWM脉冲波形，驱动电路的设计很重要。近年来，随着微电子及集成电路技术的发展，陆续推出了许多多功能专用集成芯片，如：HIP4801,TLP520,IR2130,EXB841 等，它们给应用电路的设计带来了极大的方便。逆变电源中常用的控制电路主要是为驱动电路提供要求的逻辑和波形，如PWM，SPWM控制信号等。目前，较常用的芯片有国外生产的8XC196，MP16，PIC16C73 和国内生产的TMS320F206，MS320F240 ，SG3525 等。2.1.1 IGBT其中逆变电路的重要器件绝缘栅双极型晶体管IGBT的基本特性：静态特性与P-MOSFET类似；UGE=0时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）；UGE足够大（一般为515V），IGBT进入导通状态（通态），当UCE大于一定值（一般2V左右）时IC0。 优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高 2.1.2单片机STC89C51本论文会涉及PWM控制技术，但不会太深入，控制系统以单片机STC89C51为核心，可以实现反馈信号的处理和A/D转换、DC/DC变换器和PWM逆变器控制脉冲的产生、系统运行状态的监视和控制、故障保护和存储、485通讯等功能。 实际电路中的中间电压VDC、网压、并网电流和太阳能电池的电压电流信号采样后送至控制板上。2.2光伏发电系统的模拟电路图图2-1 并网发电模拟装置框图图中太阳能电池Us，电池内阻Rs，逆变器电路采用了电压型单相全桥逆变电路，滤波器采用电感与电容混联的方式构成，工频变压器T。系统的控制部分由以STC89C51为核心的控制单元完成，另外系统设计了辅助电源为控制电路提供电源，辅助电源采用HV9120芯片。3.光伏并网系统的工作原理3.1电压型单相全桥逆变电路分析用直流稳压电源Us和电阻Rs模拟光伏电池，而逆变器部分我们将使用电压型单相全桥逆变电路。我们先来分析一下下面的电路如下图3-1电压型的逆变电路有以下要特点：1.直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2.由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3.当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容器缓冲武功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各手臂都并联上反馈二极管。全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180。uo波形同图5-6b。半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。 uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和V4导通时，uo等于Ud，V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0，负载电流为负区间，io为负，实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud，V4断，V3通后，io从V3和VD1续流，uo=0，uo总可得到Ud和零两种电平。图3-1电压型单相全桥逆变电路 基波幅值 Uo1m=4Ud/3.14=1.27Ud 3-1-1 基波有效值 Uo1=0.9 3-1-2uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。单相半桥和全桥PWM整流电路，半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。全桥电路直流侧电容只要一个就可以。交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。移相调压方式。可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q ( 0q uc时使V4通，V3断，uo=Ud，当uruc时使V4断，V3通，uo=0。ur负半周，V1保持断，V2保持通，当uruc时使V3断，V4通，uo=0，虚线uof表示uo的基波分量。2双极性PWM控制方式在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM波只有Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud，当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。图4-2单极性PWM控制方式波形图4-3双极性PWM控制方式波形4.3 PWM调制方法采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率. PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有8类方法.本论文选用SPWM法。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。SPWM波是用正弦波与三角载波相互比较而产生的脉冲宽度与正弦波幅值成正比的方波信号，通常的硬件方法是通过由运放所构成的比较器电路将正弦与三角这两种波输入进行比较而实现的。用软件方法产生SPWM波的原理与传统的硬件方法不同，主要通过通用定时器的周期寄存器和相关比较寄存器的匹配来实现的。周期寄存器载着给定三角波周期相应的计数值，比较寄存器装载着正弦波离散化后的各个比较点的幅值。设定定时器为连续增/减计数模式，当定时器的计数值与比较寄存器中的值相等时发生比较匹配时，相应引脚的输出电平发生翻转，从而得到宽度不等的PWM波。如果需改变三角波载波频率和比较值，只需改变