单相5kW光伏并网逆变器硬件电路设计（可编辑）

单相5kW光伏并网逆变器硬件电路（可编辑） 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得笺铭锄喝或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签字日期:。? 年石月后日 学位论文作者签名:云官苇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解氅亏啪有关保留、使用学位论文的规定,有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借 阅。本人授毯泠得以将学位论文的全部或部分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、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 锄鲐鬣鸽竹 学位论文作者鲐豸争茹 日 年 签字日期: 签字日期:乙年月日 ., ‖’。 学位论文作者毕业去向: 工作单位: 电话: 通讯地址: 邮编:摘要 删堋『『『『『『『『『『『『『』『删肼『摘要 随着人类社会发展,人类对能源的渴求不断增加,能源短缺问题成为制约 人类社会发展的关键因素。在化石能源的枯竭、环境污染日益严重的今天,寻找 新能源已经成为世界各国优先发展的重点,而光伏发电以其建设周期短、无污染、 无噪声等优点成为世界各国新能源开发的热点,光伏并网发电已经成为能源利用 的新趋势。 基于光伏发电的诸多优点,在总结吸收前人光伏并网逆变器的设 计经验基础 上,采用了基于平均功率的变步长最大功率点算法,增加逆变器电能转换效率、采用 调制方式,最大减小功率管导通 和关闭产生的谐波,在此基础上对基于电流环比例调节控制方式和 调节控制方式的仿真和分析,采用基于直流侧电压控制电 流的控制方式增加逆变器系统的稳定性。 根据逆变器系统采用的控制算法,逆变器硬件电路设计可分为控制板、采 样板和功率板三个部分。其中功率板电路设计是重点和难点,功率板给出了详细 的直流滤波器电路、交流滤波器电路和各种采样电路详细设计;控制板中 选择公司的芯片为核心及其构成外围电路,实现对系统 稳定性和精确性的控制;采样板给出辅助电源设计电路。 开发了单相光伏并网逆变器的实验样机。在这个实验样机上进行一系 列的实验。在调试中,不断通过改进系统的控制方式和功率板中滤波器电路,最 。 终达到理想结果。 . 关键词:光伏并网;最大功率点算法;逆变器单相光伏并嘲逆变器 电路设计 ’ . ., .. , ,.,鲥 ?. , ., .,, , , .. ’ ’ . . . , , . : ?; ;单相光伏并网逆变器电路’鼓计 目录 摘 要.............................?.........................?. .....................??..................... ...?................................................... .................?....................... ; 录..............................................?.......... ..........?.........?......................?, 论第一章 绪 .光伏发电的背景和意义? .光伏发电产业发展现状? ..国外发展现状??. ..国内发展现状??.. .光伏并网发电趋势 .光伏发电系统形式. .本文研究内容??.. 第二章光伏发电系统的控制策略及孤岛效应.太阳电池原理和工 作的特性曲线 ..太阳电池的工作原理??. ..太阳能电池板输出特性?.. ..光伏电池板的输出.和.特性曲线一 ..太阳能电池输出功率的影响冈素. .太阳电池的最大功率点跟踪常片方法。 .孤岛效应.. .孤岛效应检测的方法.本章小结.. 第三章光伏并网系统控制策略. .单极调制逆变器? ..单相输出波形分析 ..单极性正弦波脉宽调制方式 .光伏并网逆变器控制策略??.. ..电压型控制方式? ..基于电流瞬时值环控制? ..直流侧电压控制? .本章小结。 第四章光伏并网逆变器电路设计.功率板电路设计.. ..直流侧滤波器电路 ..中间直流支撑电容设计? 目录 ..四个管组成逆变模块..中间电压的二次脉动..交流侧滤波器 模块 ..功率板其他电路设计.控制板电路设计.. .. 控制器的选择 ..控制板其他电路设计.采样板电路设计.. .实验结果.. .本章小结? 第五章总结与展望 参考文献. 墅 【谢....?.。。..。..。.。............。.。。...。...。。..。.。。。.?...........。......。。.....。.。..。 第一章绪论 论 第一章 绪 .光伏发电的背景和意义 人类经济文化的发展历史,实际就是人类社会发展和利用能源的历史。在世 界文明史发展过程中,人类在自然界中不断拓展自己的生存环境,不断认识开发 各种新的能源。作为人类重要能源的化石燃料逐步成为人类社会主要能量来源。 随着人类社会的发展和进步,人类对化石燃料的需求增加。根据美国石油协会估 计,未开发的石油储量在地球上虽然不少于两万亿桶,但是按照目前的开采速度, 可供人类开采量绝对不会超过年;全球每年增加%的煤炭开采量,按照目 前煤炭的消耗速度估计,世界煤炭能源将全部消耗完也不会超过年?。化石 能源即将枯竭,这是摆在我们这一代人面前的最现实的问题。我 们在保证自身发 展的同时,也要保证子孙后代的发展,保持资源的可持续性发展。人类既要满足 当代人的发展,也要保证后代子孙的能源需求。各种不可再生能源在我们这一代 人的手中被全部消耗殆尽,不给子孙后代留下珍贵的化石能源,他们谈何生存与 发展。此外,化石燃料大量使用给人类带来诸多灾难性的后果。世界各国和地区 每天因化石能源的大量消耗产生大约亿吨的二氧化碳和二氧化硫,如果不加控 制,温室效应会导致两极冰川融化,这可能使海平面上升八米左右,对于生活在 沿海的四分之一的人类将是一个巨大的威胁;此外,酸雨面积不断扩大,已经给 农业生产带来巨大损失乜。目前,人类社会对经济社会高度发展的不懈追求与人 类赖以生存环境的急剧恶化之间的矛盾不断加深,人类如何在保护环境、实现经 济的可持续发展中使用有限的资源已成为世界各国政府面临的巨大挑战,也成为 全球热点问题。为了解决能源短缺带来一系列的社会问题和环境 问题,实现社会 和经济的可持续发展,只能依靠科学技术发展,积极开发和利用高效率清洁型新 可再生能源。 太阳能具有能量的无限性、对环境的清洁性、利用的方便性瞄。据计算,太 阳能的寿命大概是亿年,目前它的年龄才亿年;利用的广泛性,在地球上 到处可以开发利用,尤其在一些荒?和不发达地区更具有优势;利用的清洁性, 在不发利用太阳能同时,不会产生工业的上“三废”,更不会对环境产生污染。单相光伏并网逆变器电路设计 正是太阳能具有这些优点,能有效解决能源短缺问题,替代传统能源,实现社会 经济的可持续发展。 可再生能源的发展,在这个产业链中,太阳能发电是目前世界上发展速度最 快的嘀,从~年,在过去的十年平均以%的年增长率;从过去五年 的年,平均每年%的速度增长,全世界范围内生产太阳能 光伏电池的总量为,发电量将近达到大约。在新的千年里,太阳 能发电已经得到巨大发展,在世界范围内新型能源消费比例中占据主导地位,并 逐渐取代传统化石能源哺。 年欧盟推出的“年能源发展路线图”中,预计到年,新能源 的消费比例将是目前总能源的%,太阳能发电占新能源利用很大一部分。到 年,欧洲的太阳能发电量将达到、美国太阳能发电总量也将达到 ,全球的太阳能发电总量也将达到。 太阳能主要有三种利用方式:热利用、化学利用和太阳能发电。热利用主要 是太阳能热水器、太阳能灶等等。化学利用最要利用太阳能分解水产生氢气和氧 气,目前这种利用方式成本太高,不易大范围的推广使用。太阳能最主要要的利 用方式就是光伏发电,它利用方式方便,成本低。光伏发电可分为并网发电和离 网发电两种。在一些偏远山区或者不发达落后地区,由于电网造价太高,为了节 省成本,只能采用离网发电系统。随着近代控制理论和现代电子自动化技术的发 展,在一些相对发达地区越来越多采用并网发电系统。 .光伏发电产业发展现状 ..国外发展现状 年,法国科学家贝雷尔首次发现了“光伏效应”,年, 美国科学家恰宾及其同事一起在贝尔实验室,首次用单晶硅合成可以 实际能应用的太阳能电池,这种新型的光伏电池,使太阳能的光能转变成为电能 成为可能。 世纪年代后,随着全球工业化的发展,全世界的能源危机和空气污染 等问题日益严重,目前化石燃料能源可探明储量正在大晤减少,目前全世界大概第一章绪论 有三分之一的人得不到正常的能源供应,此外化石燃料的大量使用,造成环境污 染日益加剧。因此,世界各国都在渴望的寻找新能源,来代替传统化石燃料,只 有广泛使用新型能源以改变目前能源消费比例,从而实现经济和社会的可持续发 展。太阳能发电以其无污染、使用方便等优势,“取之不尽,取之不竭”,是一种 重要的能源,并且人类可以自由使用的可再生能源哺。 世纪年代后,随着太阳能光伏发电技术的快速发展。到世界上 已修建了超过兆瓦的光伏发电厂。美国是世界上最早实现光伏发电计划国家 之一,“百万屋顶’’计划实施在年初顺利实施。年日本开始实行 新的 阳光计划。在年生产太阳能电池的世界十大制造商中,其中有四大生产厂 家在日本。新的可再生能源法在德国实施,在法律上规定了太阳能发电并网的价 格,大大促进了光伏发电产业在德国的发展,使德国继日本以后,也成为世界光 伏发电发展最快的国家之一。西班牙、法国、芬兰、意大利等国家已制定和实施 光伏产业计划,并投入巨资进行光伏技术开发和光伏发电组件产业化进程研发。 太阳能光伏发电系统应用在十九世纪年代初期开始在世界范围内得到广 泛的应用,德国、日本、美国、意大利、以色列和其他国家的努力建造了大型的 太阳能并网发电站,其中光伏并网电站装机容量从千瓦到兆瓦不等。世界 各国政府都在投巨资投资建设实验性光伏并网发电站。就目前来说,推广的结果 并不是很理想,主要原因目前昂贵的太阳能电池,一般的电力公司难以承受。 年,德国开始实施屋顶计划,进而扩展建设更多的屋顶计划,在实 际建设 的光伏发电系统应该超过套。年,德国开始实施新的万套太阳能 屋顶计划。 : 同本太阳能光伏发电与建筑结合的技术经过十多年的努力发展,更迅速的发 展是在年后,每年新建设数万套的新屋顶太阳能光伏发电并网系统。上世 纪年代早期,美国已开始努力投入的太阳能光伏并网发电,制定的 计划,主要是建设千瓦以上大型太阳能光伏并网发电系统,计划建设光伏发 电总装机容量达到兆瓦。 ..国内发展现状 我国的太阳能资源与同纬度的其他国家相比,太阳能资源十分丰富,全国有单相光伏并网逆变器电路设计 三分之二以上的地区,年日照时数在以上,因而有巨大的开发潜能。 关于我国太阳能电池的发展,早在世纪年代中、后期,我国引进国外 太阳能电池生产线或者关键设备,使得我们国家太阳能电池生产规模初步形成达 到.。 中国光伏产业发展经历两个井喷似的的发展时期阿。第一个快速发展时期是 年后几年,随着中国的改革开放深入和社会的发展,引进了多条国际太阳 能电池生产线,使中国太阳能电池生产能力的从.增加到.。另一个 快速发展时期是在年后,特别是在年,国家实施了“光明工程”和“送 电到村”两大工程,在国家两大政策鼓励下,我国的太阳能发电产业飞速增长。 到年,中国的太阳能发电量已经超过;与此同时太阳能电池的 生产量实现,超过了日本和欧洲总和,居世界第一位。是中国太 阳能光伏产业快速增长的一年,根据中央颁布了再生能源中长期发展规划》, 到年,中国在太阳能发电装机容量将达到.。根据《可再生能源中长 期发展规划》,估计到年,中国的新型能源发电量将占总发电装机容量的 %, 其中太阳能发电量超过%。 .光伏并网发电趋势 根据同本新能源计划和欧盟白皮书提到的可再生能源发展计划,年, 美国的太阳能发电项目,全世界光伏并网发电总量将超过万千瓦 时,不到全球发并网发电能力的%,在世界太阳能发电装机容量将为 当整个产业价值可能超过亿美元左右,年太阳能发电量将 达到%%的全球发电总量。按照这种计划预测,至年的光伏产 业的复合增长率将达到%。 记者最近获悉, “十二五”期间太阳能产业的发展目标已经达成共识:到 年,太阳能发电装机容量将达到万千瓦以上。据了解,目前我国在建 万千瓦,要实现上述目标,就意味着未来年,每年将以万万千 瓦的速度增加装机,到“十二五”末,太阳能发电装机容量将扩大十倍。到 年,这一目标将达到万千瓦以上。 中国工程院院士、清华大学教授金涌目前表示,我国光电产能每年翻一番, 第一章绪论 成本在下降。原来千瓦光电发电成本约为万元人民币,目前已降到万元以 下。 如果中国光伏发电其电价将以每年%的速度下降,到年,光伏电价 可以降到元/千瓦时,到年则可以达到..元/千瓦时,分析人士 指出,若按照当前每千瓦万元的造价来看,未来年,投资在太阳能上的资金 将达到亿元,随着光伏发电系统成本下降和光伏发电价格的下降,光伏并 网发电已成为趋势。 .光伏发电系统形式 光伏发电系统可分为一下两种形式:离网系统和并网系统。 离网系统,根据电能利用方式分为两种:一种是发电就是直接利用,另外一 种发电直接存储在蓄电池。对于这两种电能利用方式都有缺点,对于直接利用方 式白天发出的电不能充分利用,白白浪费;对于储能系统,蓄电池存在大量的浓 硫酸,稍微不慎,就会造成环境污染。 光伏并网发电系统,太阳能产生的电能不仅可以直接利用,还可以把多余的 电能进行并网发电,把电网作为一个巨大的蓄电池,既不污染环境,又节省能源。 .本文研究内容 对于一般普通家庭的用电,功率太大,功率又太小,综合考虑,一 般足够用。结合在华耀电子实习,一起和同事开发一款单干光伏并网逆 ‘ 变器。 . 在整个光伏并网逆变器系统中,我的主要工作是负责逆变器整体硬件电路设 计。在设计电路过程中通过比较扰动观察法、增导电量法和基于平均功率变步长 算法优缺点,我们采用了基于平均功率变步长最大功率点算法。通过对数学 分析,在此基础上对基于电流环比例调节控制方式 调节控制方式的仿真和分析。 然后进行光伏逆变器电路设计,主要包括三个部分:控制板、功率板和采样 板。在电路设计过程中得到霍老师、王学飞工程师和公司同事的帮助,光伏并网 逆变器系统终于设计完成,虽然实验结果不是很理想,我们还在努力改进控制算 法和电路参数,达到预期的波形图。单相光伏并网逆变器电路设计 第二章光伏发电系统的控制策略及其 孤岛效应 为了弄清太阳能电池工作原理,选择合适的控制算法,从而在软件方 面提高逆变器电能转换效率。 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应,是直接把光能转化成电能一种 装置,光伏电池发出的是直流电。太阳能电池俗称光伏电池,单个光伏电池的功 率非常小,一般不作为单独电源使用,实际应用中,大量光伏电池经过串联或者 并联组成庞大的光伏阵列,设计光伏并网逆变器系统,首先必须了解光伏电池工 作原理。 .太阳电池原理和工作的特性曲线 ..太阳电池的工作原理 二电 太阳光线 下电极 型硅 型硅 结 图.光伏电池发电示意图太阳能电池,从根本上来说,它就是半导体材料组成的,其发电原理和晶体 第二章光伏发电系统的控制策略及其孤岛效应 二极管工作原理是一样的。就是半导体材料中原子核外的电子吸收太阳能能量, 吸收能量的电子就会发生“跃迁的现象,随着电子的“跃迁就会向半导体另 一边移动,由于原子核失去电子而带正电,随着电子的移动半导体一边呈现负电 性,这样半导体两边产生电势差的现象。如图.可以用结说明。当太阳光照 射光伏电池表面,光伏电池原子核外电子就会吸收太阳能光子能量,就会发生转 移,由于原子核外的电子吸收能量发生跃迁,就会形成电子,原子核失去最外层 电子形成空穴,电子和空穴的移动,就会形成结,电子向型移动,空穴向 型扩散,随着电子和空穴聚集,型和型之间就会形成电势差,用导线连接半 导体两面,就会用电荷移动,形成电流。 ..太阳能电池板输出特性图太阿能电池等效电路图 由太阳能电池等效电路得出太阳能电池的.方程为: .?,, ,,唧笺笋】.卜半 式?中:是光伏电池产生的电流;厶是光伏电池的反向饱和电流; 是电子电荷,.。;是光伏电池两端输出电压;是.结的理想因 子,当温度时,取值.;是波耳兹曼常数,为. 。/;是绝 对摄氏温度;是串联电阻非常小,大概 级别;曲是并联电阻高阻值, 数量级为。理想情况下,可近似为零,如近似为无穷大,可简化为: 嚣?】单相光伏并网逆变器电路设计 由式子.可以得到光伏电池输出功率的数学表达式为: ? 尸?丽一 从式子.可以看出太阳能电池板输出功率是一个非线性函数。 ..光伏电池板的输出和特性曲线 为了更能直观看到太阳能电池特性,根据式子和?绘制太阳能电池 板?、.特性曲线,如下图: 图?太阳能电池阵列的.、.特性曲线图如?图,.特征曲线清楚的看出:太阳能电池既不是恒定电压源,也非 恒定电流源,它不能向负载提供任意功率的电能,电压输出非线性。当光伏电池 输出电流相对稳定时,光伏电池输出电压相对增大,当达到一定的电压值后,电 流迅速下降到零。对于太阳能电池阵列特性曲线,图中标出了太阳能电池几个重 要参数定义如下睁: .短路电流。:在给定照和温度下的最大输出电流。 .开路电压%:在给定日照和温度下的最大输出电压。 .最大功率点电流:在给定照和温度下相应于最大功率点的电流。第二章光伏发电系统的控制策略及其孤岛敛应 .最大功率点电压‰:在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 .最大功率点功率己:在给定日照和温度下阵列输出的最大功率。 ? 乞×以 ..太阳能电池输出功率的影响因素 对于实际应用系统中,为了方便计算出太阳能影响因素,我们把太阳能电池 和负载等效成一个电路,日照强度和电池温度是两个影响太阳能电池输出功率的 重要因素。其中,日照强度能直接影响太阳能电池表面温度大小,如下图.所 示: 温度 ? / / / / / / / / 图.太研怕邑电池温度和日照强度之间关系 单相光伏并嘲逆变器电路设计图不同结温下的.关系曲线图 图不同结温的.特性曲线? 随着光伏电池表面温度的上升,光伏电池最大输出电压反而会下 降,输 出电流反而会上升,如图.所示,但是光伏电池的输出的最大功率 反而会下降, 如图.所示。 第二章光伏发电系统的控制策略及其孤岛效应 ? /棚卜 ./?十 ~??~一??一 ?/ ’ 卜?. 、 卜一 ../ ,. ’ 如郴 / / ,/, 、\ ????』.一 、、、, 旷一 一 一 一 一 一 一 一,,/产乏. ?墨 嫩;:一? 吣邶。 ?叼 图不同日照强度下.和.特性曲线日照强度直接影响太阳能电池 输出短路电流,如图表明:不同日照强度 下.和.特性曲线。 .太阳电池的最大功率点跟踪常用方法 由图.中看出光伏阵列是一种非线性电源,功率曲线上任意一点 不 仅与电压和电流有关,还与当天照强度、温度等有关。~般情况下, 光伏 电池的功率,是光伏电池厂家规定光伏电池工作温度和光照强度情况下,光 伏电池输出功率。但是在实际情况下,电池工作在不同地的区差异和外界环境变 化,光伏电池达到输出标准功率的时间少之又少,这就需要一个最大功率算法 ,提高光伏电池输出电能的转换效率? .。 一般最常用的算法有:观察法、基于平均功率的变步长算法、神经 网络训练法和模糊控制法。采用比较多的是扰动观察法、电导增量法和改进型扰 动观察法,另外也有采用神经网络法。 扰动观察法 观察法也称扰动观察法,它的原理就是在第一时间控制电压为给定值. 的基础上进行干扰,.随着时’日的输出电压为给定的值,然后检测输出 电流值,计算出当前输出功率,这时候的瞬时功率同上时刻瞬间的功率 值.相比较,如果功率值增加,这意味着干扰沿着正确的方向,可以继续在单相光伏并网逆变器电路设计 同一方向干扰;如果功率值下降,意味沿着错误的扰动方向,要改 变以前的扰动 方向。 / 图扰动观察法示意图 ? 通过检测太阳能电池的输出电流、电压值,得到当前电池输出功率,然后它 是相对于存储的先前时间功率相比较,以确定一个电压调整方向。如果?, 指示方向的参考电压调整方向正确,可以继续进行调整按原方向;如果?, 就表明参考电压调整方向错的,则需要改变电压方向的调整,如图.所示。 这种方法的优点:控制方法简单方便,硬件电路实现方便;能更好实现最大 功率点的跟踪控制,提高光伏逆变器太阳能电池发电的利用效率?。但是它也有 一定的缺点:跟踪稳定时,只能在最大功率点附近振荡运行。扰动观察法导致 控制误差的原因有两种:?造成的误差,由于功率变化过程中非单调。扰动观察 法跟踪值的功率时间曲线是使用功率和时间的函数,’但在实际 应用系统中,功率 曲线随时间的其他因素不只是单一的极限值曲线,所以扰动观测法控制其极限点 的功率时间曲线会有一个跟踪失败,导致系统的输出功率损耗。?由于扰动观测 法算法上的不严谨性造成的 。由于一天之中光照强度是时刻变化的,因此太阳 能电池组件的.曲线也在时刻变化。假设系统一直工作在附近的最大功率点, 此时系统电压是为,,输出功率为,当电压扰动的方向移动到,如果阳光 强度持续下降,那么相应的输出功率可能是:,这时造成系统判断错误扰动方向, 从而控制工作电压的左移回到点。,太阳光照强度持续下降,控制系统就可以 不断发生误判,输出电压一直向左移动,系统输出功率也会一直下降,造成系统第二章光伏发电系统的控制策略及 孤岛效应 的最大功率点跟踪失败。 电导增量法 由太阳电池特性可知:阵列曲线在最大功率点‰处的斜率为零。 而 ? 只。串, 则有 鱼:,堕: 所以有 ~?, ? ??:一一 一一一以上那些式子都是电导增量法成立的必要条件,其中式子舌是电导,另是 电导变化率。电导增量法要求控制精确,反映响应速度非常快,特别适用于周围 环境变化比较快副。但是对硬件电路中的控制器处理要求处理速度快,并且要求 选择的电流电压传感器采样精度高、采样速度要快;对于采样过来的电流电压信 号的滤波、放大等构成硬件电路结构复杂,造成生产成本增加。 基于平均功率的变步长算法 太阳能电池的最大功率跟踪是光伏系统设计的一个重要组成部分,为了克服 。系统采用基于平均功率的 扰扰动观察法在最大功率点附件产生振荡的缺点。 变步长的最大功率点跟踪算法,在实际应用中取得比较好的效 果。光伏发电系统 首先计算出当前时刻光伏阵列输出功率,然后和上一个时刻的输出功率相比较, 如果当前功率大于上一时刻输出功率,则是沿着正确的方向爬坡。如果减小原来 给定的电压,则输出功率也会相应的减小;相反,如果增大原来给定电压,则输 出功率相应增大,保持原来电压的方向不变。如果当前光伏阵列输出功率小于上 时刻输出功率,表明爬坡的方向已经偏离最大功率点,应该按原来电压变化方向 沿着相反的方向进行爬坡,来改变给定电压的大小。若减小原来给定电压,这时 候相应的步长也会增加;相反,若增大原来给定电压,这时相应步长应该减小, 并且改变电压状态标志位。此外,由于外界存在电磁干扰和采样精度等问题,系 统对于直流侧的电流采样和电压采样存在一定误差,很容易对功率的大小造成错单相光伏并网逆变器电路设计 误的判断,造成搜索方向的错误。 图.基于平均功率的变步长算法流程图 根据这些问题,我们才采用平均功率代替瞬时功率,即使在一个 电网周期内, 采用一个电网周期内的平均功率,从而比较平均值确定搜索方向。在搜索过程中, 搜索电压的步长是变化的,根据光伏阵列的功率特性曲线,在越靠近最大功率点, 电压的变化非常大,若采用相同步长进行搜索,就会导致平均功率变化越小。所 以在搜索最大功率点的时候,在越靠近最大功率点位置,越要减小步长,才能避 免在搜索过程中造成死机,算法流程图如上图.。 .孤岛效应 孤岛效应就是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因导致供电系 第二章光伏发电系统的控制策略及其孤岛效应 统中断供电,光伏发电系统未能及时检测出停电状态而脱离电网,造成太阳能 。而 并网发电系统和周围的负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛 这种现象并非只有太阳能光伏并网发电系统才会有,其他并网发电系统也会存 在。 孤岛效应会对整个供电系统造成用户电器损坏,一般来说,孤岛效应造成的 危害分为以下几种: 会对电力公司线路维修与保障人员的安全造成危害;电力公司电路维 护人员在维修电网系统时,容易电力公司维护人员造成损伤,甚至危害电力公司 维护人员的生命危险。 会造成电力系统恢复时的瞬时电力相位不同步;造成电力公司再次供 电时电网电压电流与逆变器输出电压电流相位不一致,对用户用电设备造成损 坏。 正在由于孤岛效应的这些危害,并网逆变器系统有检测孤岛效应的功能。近 些年来随着光伏产业的迅速发展,越来越多的太阳能供电系统在并网发电和其他 新能源供电系统进行并网发电,产生孤岛效应的几率也越多 对于孤岛效应的检测主要就是对电网电压频率的检测。一般情况下,当电网 的开关断开时,如果光伏并网逆变器的供电量与电网负载电量不匹配,那么电网 中电压和频率就会发生巨大变化,这时候,可以利用电压的欠压/过压保护和电 网频率欠频/过频保护措施,从而判断电网是否断电,能有效检测孤岛效应的发 生;如果光伏逆变器的供电量和电网负载匹配相差不大或者基本相同时,则不能 有效的检测出电力系统中频率和电压的变化,就会发生孤岛效应。选择合适的孤 岛效应检测方法。 根据 .?和标准规定,所有并网逆变器必须有检测孤 岛效应的功能,表是 ..和给出的检测孤岛效应时间限 制的标准。 。 表 ..和对孤岛最大检测时间规定 .? % 单相光伏并网逆变器电路设计 %% % %% % %. .. 电网电压有效值,对于我们国家来说,市电的单相电压有效值。 电网电压额定频率值,我们国家规定市电频率。 .孤岛效应检测的方法 防护孤岛效应检测方法可分为被动检测方法和主动检测两种方 法。 被动检测方法: 电压、频率检测方法 光伏并网发电系统并网发电馈入电网操作过程中,除了防止孤岛效应发生, 也要保证了逆变器输出电压的频率和幅度与电网同步。对于连续检测馈入电网电 压和频率,还要防止过压、欠压和过频欠频现象的发生。当检测系统频率和电压 有变化时,就能检测出是否发生孤岛效应,这就是电压、频率检测方法。这种方 法简单,不需要增加检测电路,容易实现。空置率的负载功率平衡作用,检测不 出电网与逆变器输出电压和频率的变化,从而导致漏判孤岛检测。 ‘ ? 相位检测方法 相位检测方法其原理适用于电压型逆变器输出电压相位检测方法,当并网失 败时,逆变器的光伏发电系统带来的负面影响,从而导致电网故障,通过对记录 之前和之后的逆变器输出电压和输出电流值,根据它们相位的变 化来确定电网是 否有孤岛效应的产生。这种检测方法适用于感性负载的较常见的网络,所以这种 检测方法比电压、频率检测方法先进。然而,当负载电阻负载阻抗特性不变,相 位检测方法失效【】。第二章光伏发电系统的控制策略及其孤岛效应 谐波检测方法 谐波检测方法是,当电网不能阻止这个平衡的工作效果,通过光伏发电系统 的输出电流变压器后会产生大量谐波,根据谐波变化可以判处状态。实验研究和 实际应用:这种方法是优良的由于存在大量的非线性设备电网,谐波变化给予一 个正式的谐波标准检测孤岛效应瞳?。 主动检测方法: 主动式孤岛检测方法是指通过控制逆变器,使其输出功率、频率或相位存在 一定的扰动。电网正常工作时,由于电网的平衡作用,检测不到这些扰动。一旦 电网出现故障,逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围,从而触发孤岛效 应检测电路。该方法检测精度高,非检测区域小,但是控制较复杂,降低了逆变 器输出电能质量。目前并网逆变器的检测孤岛效应策略都采用一种被动式检测方 法加上一种主动式检测方法相结合的眦。 频率偏移检测法 频率偏移检测法是目前一种常见的主动扰动检测方法。采用主动式频移方案 使其并网逆变器输出频率略微失真的电流,以形成一个连续改变频率的趋势,最 终导致输出电压和电流超过频率保护的界限值,从而达到检测孤岛效应的目的。 周期电流干扰检测法 周期电流干扰检测法是一种主动式孤岛检测方法。它控制逆变器的输出电 流,使其与公共点电压间存在一定的相位差,以期在电网失压后公共点的频率偏 离正常范围而判别孤岛。正常情况下,逆变器相位角响应曲线设计的系统频率在 附近的单位功率因数逆变蛊相位角度比负载快速增长。当逆变器和配电网并联运 行的网格提供了一个固定的参考相位角和频率,稳定的工作点, 逆变的频率。后 形成的岛屿,如果逆变器输出的电压和频率有轻微的波动的相位响应曲线使相位 误差增加,达到一个新的稳定状态点。频率的新国家将肯定超过行动 阈值,逆变频率误差和关闭。此测试方法的实际相移频移,主动频率偏移法方法 有点简单,不需要额外的硬件,孤岛检测可靠性高;也有类似的缺点,品质因子 随负荷增大,孤岛检测失败的可能性险引。单相光伏并网逆变器电路设计 .本章小结 本章通过分析光伏电池阵列发电原理、对影响太阳能电池输出功率因素特性 曲线图和分析太阳能输出功率影响因素,通过对比一下扰动观察法、电导增量法、 基于平均功率的变步长的最大功率点跟踪算法三种最大功率点跟踪算法的优缺 点,我们决定采用改进基于平均功率的变步长的最大功率点跟踪方法,分析了该 算法工作原理和给出了软件算法设计流程图。之后,通过对孤岛效应检测方法的 了解,孤岛效应检测在光伏并网逆变器设计中也是必须要考虑的。第三章光伏并网系统控制控制策略 第三章光伏并网系统控制策略 并网的要求:光伏并网逆变器输出交流电压馈入电网,输出的电压电流必须 保持与电网电压电流同频率、同相位,电压输出还必须同幅度。馈入电网的电能 量必须符合各国的电网的电能质量规定。当光伏并网逆变器进行并网发电,选用 合适的系统控制方式,便于对系统进行稳定的控制。 .单极釉调制逆变器 光伏并网控制目标是【:逆变器系统的输出稳定高质量的电流和电网电流具 有相同的频率、相同的幅度,输出电压必须与电网保持同频同相同幅正弦电压正 弦波波形,输出电流总谐波失真度应小于%,谐波失真率应小于%。所以选 择合适的调制方法,减小开关器件产生谐波对电网的污染,下面分别对和 两种调制方式产生的谐波进行数学分析,从而选择合适的调制方式。 ..单相输出波形分析 如.是全桥逆变器输出的方波或者矩形波。 。 , 不 ? 方波波形图 单相光伏并网逆变器电路设计 / . 一 ?一 矗 幽 矩形波波形图 图.方波波形图和矩形波波形图 ?图一方波波形进行傅立叶级数分解为:“:,? 厅万 ,,.. 式.中 ?一方波逆变器一次测单个绕组上的电压; ?一方波逆变器一次测两个绕组的匝数; ?一方波逆变器二次测绕组匝数。 可以看出,方波中除了有幅度值?基波分量外,还有大量低次谐 波,,,次分量。方波输出电压有效值: ? ?/ 对于脉宽为?.矩形波,如图.所示,矩形波输出电压傅立叶级数 展开式为: 九。羔鼍?州嘶硼 ? 、 、。 :艺型×一丁×塑删 /// 、 ”怠.. 第三章光伏并网系统控制摔制策略 矩形波只有含有各个其次谐波,基波和谐波的幅度随着脉宽变化 而变化,当 脉宽为时,次和倍以上的谐波等于。由图可知,脉宽与调制度 有关,有 , 其中一脉宽, ~调制度, 输出电压有效值为 , %肛藜而磊:肛? 由以上?、?个式子可知道,次谐波含量%。/??/?。 ..单极性正弦波脉宽调制方式 用幅度值?的参考正弦波与幅度值为虬、频率为的三角波%比较, 产功率开关动信号。单极性正弦波脉宽调制方式原理就是用双向 三角波 载波和两个极性相反正弦波相乘产生功率开关驱动信号【。直接 参考正弦波和三 角波载波单相电源开关驱动信号。 参考波频率,决定输出频率五,半个周期脉冲决定载波频率。 通过改变参考正弦波幅度值来改变调制度,输出,,电压的范围到 。 ??/川。如果第个脉冲,。由式子 ~?罢磁?,?灼卅等??等 由.式得到电压有效值 ?鼍. 其中?一每买个周期脉冲数; 已~第个脉冲宽度。单相光伏并嗍逆变器电路设计 ? 黼一、脚一\参 ; 一辽 ? 砺 厂几 厂。 ’’ 盯晓 厂厂?厂厂一 图单级性调制示意图 ? 由式子 /? ? 以 刀万 了 。陬岍詈 ?川 / 统 陬咖争 胛万 丁 ?芦 可确定傅立叶级数系 喜学啦,圳】 吃喜掣叩剀 其中口厂第脉冲的起始角度; 第三章光伏并列系统控制控制策略 ~第脉冲宽度。 彻底消除了谐波小于或者等于,当等于时,最低谐波等于。 调制明显能降低产生的谐波对电网的干扰,能有效调高逆变器并网 电能的质量。所以本逆变器系统选择调制方式。 .光伏并网逆变器控制策略 按照逆变器的直流滤波器输出类型:电压型滤波器和电流型滤波器。电压型 滤波器就是逆变器直流侧滤波器电路采用一个大电容,能有效抑制光伏阵列输出 瞬时高电压值,可以把逆变器看成一个恒定电压源;电流型滤波器就是逆变器直 流侧滤波器采用一个大电感进行滤波,抑制光伏阵列产生瞬时电流尖峰,把逆变 器作为输出稳定的电流源。抑制直流纹波电流,把直流侧近似一个恒定的直流源, 但是大电感会影响系统动态响应。但是由于大电感存在导致系统的动态响应差 。 根据逆变器的控制方式:电流控制和电压控制【。当光伏并网逆变器就行并 网发电时,采用锁相环技术,使得电压型逆变器输出正弦波电压与电网保持一致, 防止电网电流回流逆变器系统,对逆变器系统造成损坏。 如果逆变器电流控制模式,只要控制并网逆变器输出电流的大小跟踪电网电 压规定值,并设置好多大输出电流,控制方式简单方便,实用性强,下面分别论 述一下两种控制方式。 ..电压型控制方式 电压型控制方式采用的控制方式是电网电压,在光伏并网逆变器进行并网工 作时,通过对逆变器输出电流的采样,来控制调节电流的大小来调节输出功率。 电压型控制方式通过对逆变器输出电流的大小,这就要求对电流电压传感器采样 精度高。单相光伏并网逆变器电路设计 ..基于电流瞬时值环控制 电流控制电压源的输出电流反馈电流源模式,振幅和相位控制的逆变器输出 电流。在.节分析,采用调制方式可以减小产生谐波对电网的干 扰,基于调制的电流环控制系统,使得系统有着固定的开关频率,将 载波频率保持不变,以电流的差值作为调制信号载波的控制方法心钊。开关 频率固定的电流控制具有算法编写简单、易于实现等优点。由于开关管 的频率固定,对于并网侧的滤波器设计和变压器的设计易于实现,开关管的损耗 也很容易得到控制。 我们可以把电网近似于功率非常大的电压源,因此我们易于采用电流型逆变 器系统并网发电跚。电网电流经过电感不会产生畸变,给定值所要并网电流的正 弦波信号与实际电网中的电流相比较,得到的差值信号送入控制器,再由控制器 处理后,产生相应的波控制功率管的导通和关闭,使得逆变器输出与电 网同频同相的正弦波电流。 基于的电流环跟踪控制,主要的是电流环的选取九,将要并网的电 流正弦波信号木和实际并网电流相比较,得到差值信号经过控制器处理,控制 产生信号,控制功率管开关,得到与电网同频率同相位的正弦波电流。 如图所示电流控制框图。 :一: ~一,二?一 ‘ 图电流环控制框图 图.中,是给定电流信号;是电流环控制;是逆变过程;。 是滤波过程。 对于。。是电流逆变过程,把它近似看成一个小的放大过程,它构成的传 ’第三章光伏并网系统控制控制策略 递函数可以用下式子表示: 丽/ 式子?中,如,是增益系数,是开关管的调制频率。 对于。交流侧滤波过程,我们对交流侧滤波器选择型滤波网络,它构 成的开环传递函数为: ,瓢 对于电流环控制,电流环的选择至关重要,对于电流环控制方式可分为电流 环比例调节控制和电流调节控制。分别对这两种控制方式进行分析和仿真。 电流环比例调节控制 电流环比例调节控制,那么 由图可知,系统的开环传递函数为: 吒,瓯,× : ????????二?????????一 垒兰竺: 图.电流环比例凋仿真图 单相光伏并嘲逆变器电路设计 如图电流环比例调节在仿真原理图,图.所示电流环比例调节 控制仿真结果,有结果可以看出比例调节系数。可以看出比例控制器只 改变信号的增益而不影响其相位,加大控制器的增益。,同时可以提高系统的 开环增益,减小系统的稳态误差,从而提高系统的控制精度?卜。由于改变了调 制功率管的开关频率,对于实际电路中的滤波器设计和变压器设计造成困难,增 加这些器件的噪声,滤波难度加大。从仿真结果可以看出,误差始终存在,幅度 和相位都存在误差。从图.仿真结果可以看出,系统控制输出电流在一. 失真比较严重,经过.后才能输出稳定电流,缺点是系统进入稳定 的时间比 较长。 \ \ ,В ? . ? 『 ? ?川? ? 。 怍 ? ? ? ? 图例凋。 仿结果图 统的传递函数 采用比例调制,积分调节,又称比例调节,对于控制,系 ,? 样知,系统开环的传递函数为: 节第三章光伏并网系统控制控制策略 ‰:.墅善鉴 ? 三 图 调节控制图调节仿真图如图.是调节控制方式在仿真图。 图. 调节控制图调节仿真结果图 ?从图.可以看出,输出电流『弦波在开始.的时候开始稳定,到 下一个周期后,系统进入稳定的时候.明显比电流比例调节进入稳定的时问 短。单相光伏并网逆变器电路设计 ..直流侧电压控制 光伏并网逆变系统中,对直流电压的控制系统中最重要的控制组成部分。电 压环的快速性和稳定性能保证太阳电池的最大功率点跟踪,同时也是系统稳定工 作的一个必要条件。由于大电容滤波器网络对低频信号不产生衰减作用,可以近 似忽略直流侧电感对系统的影响。对于直流电压通常采用比例积分控制。 图.直流侧电压控制框图由上文可知,电流环的闭环传递函数表示为: 』忑甄由于电压频率低,可以经过降阶处理后为: ,,、 』鬲 电压环开环传递函数: 、 。 烹等×鼾×妄’? 、 、 电压环闭环传递函数: 两虿而萌丽 为了方便控制器的设计,当幅频特性满足一定的条件时,可以把上式进行降 阶处理。即有:第三章光伏并网系统控制控制策略 鬲面丽面 这样系统近似为一个二阶系统。对于~个典型的二阶系统而言,根据最佳整 定原则,当闭环系统幅频特性的模?时,系统跟随性最好,动态误差为 零。对于典型二阶系统,有: 参.:?? 。、一一 %?严 ? 根据上式有: 参./ / 只需要设计根据设计要求可以确定阻尼比善和自然谐振频率.,从而就可以 确定电压环调节器的系数和,直流电压控制系统跟随性能最好,动态范 围误差基本为,最大化减小并网的谐波干扰,本系统采用直流电压控制。 .本章小结 本章主要分析了单极性调制方式的原理,证明可以减小对电 网谐波的干扰。通过对基于电流坏的比例调节控制和调节控制方式的 仿真,通过比较仿真结果,采用比例积分方法设计了直流电压跟踪控制,给出了 相关参数的设计思路。 , .。.单相光伏并网逆变器电路设计 第四章光伏并网逆变器电路设计 单相光伏并网逆变器硬件电路设计主要分为两个部分,原理框图如图 .,逆变器实物图.。一部分是主逆变电路,它负责把光伏阵列的直流电经过 共模电感滤波、逆变器电路交流滤波等电路转换成符合国家电网要求进行并网发 电,这是系统设计关键部分。另一部分是控制电路,系统中各种所需要的控制信 号,都需要经过控制板为中心发出去,这是系统主要设计内容。 图.光伏并网逆变器硬件电路原理框图 图光伏并网逆变器实物图 ? 在实际绘制电路中分为三块板:功率板、控制板和采样板。功率 板是把直流转变交流电进行并网发电;控制板是以处理器为控制中心,处第四章光伏并网逆变器电路设计 理采样板采样得到各种的信号,控制功率板把直流电转换成高质量的交流电,再 由控制板根据需要选择进行并网发电或者离网发电;采样板,主要采样直流侧和 交流侧电流电压信号进行方法和滤波,送给控制板,采样板辅助电源设计,不仅 给采样板自身供电,还分别给功率板和控制供电。图.逆变器系统三块 板之间的关系。 信号 图. 板之间的关系框图 .功率板电路设计 功率板电路又称主逆变电路,是电路设计的重点和难点。 功率板的原理框 图.。 交 并网 “ ‘ 一 驾爹波 ’丁键宇压一?? 肌譬弘一赢訾’波一中 器 器 支电~ 一 挎容一 一 一??一.. 交流电压 直流电流 电流采样 采样 一刚次~ 一鼢~ .一..~ 图.功率板电路框图单相光伏并网逆变器电路设计 主逆变电路拓扑结构下图.,由直流滤波器模块、四个管组成主逆 变 模块和交流滤波器模块三个主要模块组成。 图.主逆变电路拓扑结构 电能从太阳能电池板母线电压范围~,在实验中用直流调压 器模拟光伏阵列输出功率。逆变主电路接调压器,经过直流侧型 滤波网络, 在电流传感器.直流电压电流采样,中间四个管组成桥式结构实现 直流转交流,再由、和组成的型滤波器滤除管在导通和截止时 产生谐波。通过直流侧和交流侧电流电压的采样,经过采样板放大滤波送给控制 板处理,实现基于的直流侧电压电流控制方式,通过控制/部分的 波占空比来达到输出电压的稳定九。 本人在华耀电子公司实习期间,做了一台光伏并网逆变器实验样机, 通过实际电路设计和调试电路过程中,直流滤波器和交流滤波器设计是电路设计 重点和难点。在绘制板时,为了调试的方便,节省成本,在实验中不断改 进滤波器电路,从而在功率板中预留滤波器电路接口。 光伏阵列母线输出电压比较大,在~之间,电流电压非常大。当 逆变器系统满负荷工作时,容易发生直流母线瞬时电压过大,烧坏功率管 模块,由于模块价格昂贵,为了节约成本。所以在电路前端加一个快速恢 复二极管,瞬时耐压值,瞬时电流,能有效的保护 模块。第四章光伏并网逆变器电路设计 功率板中主要电路参数的选择,不仅可以调高系统响应稳定性和快速反应 性,还可以提高并网电能品质和提高系统运行的稳定性。以几节分别对功率板中 直流滤波器电路、四个管组成逆变电路和交流滤波器电路详细参数设计。 ..直流侧滤波器电路 一般的直流侧滤波器都采用一个大电容进行滤波,功率器件的开关频率与大 电容值成反比,与功率器件的占空比成正比。以用下式表示: ‰赢八啪 式子?中:功率器件开关频率,直流侧滤波电容,喀功率器件的 占空比。 光伏并网发电系统,直流侧电压控制方式,通常一个大电容滤波,滤波器的 一个作用就是稳定直流侧光伏阵列输出电压大小;另一个作用就是抑制高频直流 侧电压纹波。大电容滤波器对的低频呈低阻抗,对基波基本不产生 衰减,而对高频分量呈高阻抗,对高频谐波电流起到极大的衰减作用口引。 系统的开关频率,占空女取中间值.,直流侧电压‰, 令由式可以理论得到直流侧电容,实际采用电容值 耐压值电容器。 针对直流侧滤波电路采用大电容滤波,滤波电路对的基波也不会 产生衰减, 但是滤波器由于电阻分压效果,造成逆变器输出功率下降。根 据第三章分析,采用调制方式,的频率非常高,调制率低于, 脉宽调制谐波成分主要分布在不关频率附近及其整数倍频率。