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1、毕业设计(论文)光伏发电逆变系统中电力逆变系统及控制二一三年五月二十四日摘要 世界经济的发展以及对能源的需求增加，导致能源短缺成为社会发展必须面临的问题。太阳能资源丰富，潜力巨大，无污染，是未来主要开发的新能源之一，而光伏并网发电技术是解决能源短缺的一个重要途径。其中，光伏并网逆变器是光伏发电技术的主要研究内容之一。数字信号处理芯片DSP的快速发展，使得光伏并网逆变器的控制算法得以实现。本文以TMS320F2812型DSP作为控制芯片，对10kW光伏并网逆变器进行了深入研究。首先本文分析了光伏并网逆变器的研究背景及意义和国内外的发展现状，并且对逆变器的构成、类别、拓扑结构进行了相关论述。其次对
2、光伏并网逆变器的工作原理进行了介绍，详细分析了光伏逆变器的输出电流的控制方式，即滞环电流瞬时比较方式、定时电流瞬时比较方式和SPWM电流跟踪方式。随后对10kW光伏并网逆变器进行了设计，本设计包括主电路参数设计和控制电路设计。主电路选用DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路的两级电路结构。主电路的设计主要指元器件的选择，包括电感、电容和功率开关等的选择。控制电路设计主要包括信号采样电路、驱动电路和系统保护电路等。最后采用了MATLAB仿真软件对10kW三相光伏并网逆变器进行了仿真。仿真结果表明：逆变器中输出的电流和电网中的电压，频率和相位一致，功率因数为1，且跟踪速度快，谐波含量少。关键词：太
3、阳能 光伏并网逆变器 DSP MATLABAbstractEvelopment of world conomy and the increasing demand for energy, resulting in a shortage of energy and social development must be faced. Abundant solar energy resources, has great potential, no pollution, is the future of one of the main development of new energy sources
4、, and photovoltaic power generation technology to solve energy shortage is an important way. Among them, the volt grid-connected inverter for photovoltaic technology,one of the main research contents. SP igital ignal rocessing hip apid development, making PV grid-connected inverter control algorithm
5、s can be chieved. First，this aper analyzes the PV grid-connected inverter research background and significance of the current development at home and abroad, and the composition of the inverter, type, topology related exposition.Secondly，photovoltaic inverter working principle were introduced, a det
6、ailed analysis of the PV inverter output current control mode, ie hysteresis current instantaneous comparisons, regular comparisons and SPWM current instantaneous current tracking mode.Then，On 10kW photovoltaic inverter design, the design includes a main circuit parameters and control circuit design
7、. The main circuit is designed mainly refers to the choice of components, including inductors, capacitors and power switch options. Finally，use the MATLAB simulation software 10kW three-phase photovoltaic inverter simulation. Simulation results show that: The inverter output current and grid voltage
8、, frequency and phase coherent, the power factor is 1, and the tracking speed, low harmonic content.Keywords: solar photovoltaic grid-connected inverter DSP MATLAB目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1光伏发电逆变控制器研究的背景和意义11.2 逆变器技术的发展过程31.3 光伏并网逆变器发展现状31.3.1 国外逆变器的发展现状31.3.2 国内逆变器的发展现状41.4 光伏并网逆变器的发展趋势51.5 光伏逆变器存在的
9、技术问题61.6 本文的主要研究内容7第二章 光伏发电逆变系统及控制策略82.1 光伏发电系统82.2 光伏逆变器82.2.1 光伏逆变器的定义82.2.2 光伏逆变器的组成及结构92.2.3 光伏并网逆变器的标准102.2.4 光伏逆变器分类102.3 并网逆变器的工作原理132.4 逆变器输出电流的控制方式142.4.1 滞环电流瞬时比较方式142.4.2 定时电流瞬时比较方式142.4.3 SPWM电流跟踪方式15第三章 10kW光伏并网逆变器设计163.1 光伏并网逆变器的结构及原理图163.2 并网逆变器系统性能指标173.3 并网逆变器主电路参数设计173.3.1 前级 DC-DC
10、 升压电路参数设计173.3.2 后级 DC-AC 逆变电路参数设计213.4 并网逆变器控制电路的设计223.4.1 控制芯片的选择233.4.2 信号的采样电路233.4.3 驱动电路的设计253.4.4 系统保护电路26第四章 10kW三相并网逆变器仿真284.1 光伏并网逆变器的仿真软件284.2 光伏阵列仿真模型构建284.3 10kW三相并网逆变器的仿真30第五章 总结与展望345.1 总结345.2 展望34参考文献36致谢38第一章 绪论1.1光伏发电逆变控制器研究的背景和意义当前， 随着化石能源消耗的不断增长和地球生态环境的日益恶化，世界各国都在积极寻找一种可持续发展且对生态
11、环境无污染的新能源。太阳能作为一种高效无污染的新能源，已成为了当今能源结构中一个重要的组成部分。太阳能利用方式有三种：光热转换、光电转换及光化学转换。由于光热转换热能传送受限，光化学转换技术尚处于研制阶段，目前主要采用光伏发电技术。目前，随着光伏发电技术的提高，世界各国都在大力发展光伏产业。在美国，随着RPS制度（规定电力运营商必须采用一定比例的可再生能源所发电力的制度）的推行，预计太阳能电池板的装机容量会迅速增加。据欧洲光伏发电协会（EPIA）预测，在政策的推动下，2013年美国光伏发电装机容量将比上年增加31.4，达到4.6GW，之后也会稳步增长，截至目前，美国光伏装机总量达到5.14GW
12、，约占美国发电总量的0.44%，到2016年将超过中国成为世界第一大市场。日本从2012年7月开始实行可再生能源固定价格收购制度，太阳能电池板的设置数量随之猛增。日本的太阳能电池板出货量在2012年第四季度首次达到了1GW。其中，住宅用途约占一半，包括百万瓦级光伏电站在内的发电业务用途占2成多。2012年9月，我国公布了雄心勃勃的太阳能发电“十二五”规划目标，提出到2015年建成1000万千瓦分布式光伏发电装机。按照这一目标，“十二五”后三年，分布式光伏发电平均每年新增装机将在300万kW以上。紧接着，2012年10月份，国家电网公司宣布旗下电网向分布式光伏全面开放，提出如下支持分布式光伏发电
13、发展措施：减免并网服务费用，对于10千伏及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不超过6MW的光伏发电项目，接入系统工程以及接入引起的公共电网改造部分由电网企业投资建设。接入用户侧的分布式光伏发电项目，接入系统工程由项目业主投资建设，接入引起的公共电网改造部分由电网企业投资建设；完善并网服务管理，简化并网程序，规定工作时限，通过多种渠道提供并网咨询服务；简化接入技术要求，接入用户侧的分布式光伏项目可采用无线公网通信方式，送出线路继电保护不要求双重配置，接入380V电压等级的项目只需向电网调控中心上传发电量信息；加强配套电网建设，承担接入公共电网的分布式光伏项目送出工程投资，承担因此而引起
14、的公共电网改造工程投资，保障分布式光伏发电全额消纳。“十二五”时期我国新增太阳能光伏电站装机容量约1000万kW，太阳能光热发电装机容量100万kW，分布式光伏发电系统约1000万kW，光伏电站投资按平均每千瓦1万元测算，分布式光伏系统按每千瓦1.5万元测算，总投资需求约2500亿元。图1-1为2000-2010年全球太阳能光伏系统装机容量变化情况。图1-1 2000-2010年全球太阳能光伏系统装机容量变化情况据国家能源部门统计，太阳能发电占世界总能源的比例将逐步上升。据统计，在2010年这个比率仅为0.1%，预计到2030年提至10%，2050年提升至20%。我国太阳能发电发展“十二五规划
15、”中提到，太阳能发电装机容量的目标将由“十二五”前的21GW调整到35GW，上不封顶。截至2011年底，我国光伏发电装机总容量仅为3.6GW，这就意味着，在未来两年中，我国光伏发电装机总容量有望扩大10倍以上。由于光伏发电系统中，逆变器是非常关键的部分，而逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位，因此对光伏并网发电逆变控制器的研究具有重要的意义。1.2 逆变器技术的发展过程逆变器的原理最早在1931年就有人提到过，电力电子技术的发展是现代逆变技术的基础。从1956年第一个晶体管的诞生，到后来的可关断晶闸管 GTO、电力晶体管GTR及其模块实用化，再到20世纪80年代，功率场效应管MO
16、SFET、绝缘门极晶体管IGBT等的相继问世，逆变器的发展大约经历了三个阶段：（1）19561980年为传统发展阶段。该阶段开关器件以低速器件为主，逆变器开关频率较低，输出波形改善以多重叠加法为主，逆变效率低。（2）19812000年为高频化新技术阶段。该阶段以高速器件为主，逆变器开关频率较高，波形改善以PWM波形为主，逆变效率高。（3）2000年至今为高效低污染阶段。该阶段以逆变器的综合性能为主，低速与高速开关并用，多重叠加法与PWM法并用，高效环保的逆变技术开始出现。1.3 光伏并网逆变器发展现状 1.3.1 国外逆变器的发展现状 国外，并网型逆变器已经可以作为比较的成熟的产品推向市场，像
17、德国著名电气企业西门子就推出了很多具有市场化的产品，而且除欧洲的科技强国外，像美国，日本等国家已经实现了并网逆变器的产品化。现在逆变器的最大功率跟踪以及逆变环集成的单级量变换上，以及成为了研究的热点问题。类似于小功率的逆变器开发已经越来越受到人们的重视，而在这些小功率逆变器中，其控制电路主要采用数字控制，系统的安全性，可靠性以及扩展性，同时将各个完善的保护电路考虑其中。近日，全球领先的第三方检验、检测和认证提供商德国莱茵TUV宣布其大中华区光伏并网逆变器检测认证实验室于近期零偏差通过了德国国家认可委员会（简称DAkkS）评审，标志着德国莱茵TUV大中华区光伏并网逆变器检测认证实验室成为中国唯一
18、通过CNAS、DAkkS、CGC、CBTL、NRTL、TAF所有资质审核的检测认证实验室。德国莱茵TUV大中华区能为中国光伏逆变器企业提供更为专业、可靠、便捷的一站式本地化服务，特别是CEI 0-21、 CEI 0-16、BDEW等并网标准的本地化检测认证服务，全面提升光伏并网逆变器检测认证效率及产品品质，轻松实现全球市场准入。有着20多年光伏行业经验的瑞士逆变器制造商斯巴尼克公司也于近日宣布了其逆变器品牌SolarMax正式进军美国市场，并庆祝其在佐治亚州亚特兰大分公司的成立。此次SolarMax的运营扩张将把其瑞士品质的光伏并网逆变器带入美国，以响应快速增长的美国光伏市场需求。公司还壮大了
19、其销售、研发、认证和产品开发业务团队以支持此次在美国市场的扩张。1.3.2 国内逆变器的发展现状国内光伏逆变器厂商与国际一流光伏逆变器厂商之间的差距，主要是在技术创新能力方面。但在目前的市场环境下，国产逆变器在成本方面可能更有竞争优势。国际一流品牌企业对于技术研发都非常重视，国内企业由于成本竞争的压力，在这方面相对就弱了很多。这不仅会影响个体企业的竞争力，对整个国内光伏逆变器行业的竞争力也是一个巨大的挑战。比如专利，国内品牌企业与国际品牌企业之间在质量方面相差很大，国外的专利既有数量也有质量，创新性很强，特别是体现在逆变器核心技术如电路拓扑创新方面，国内基本上没有这方面的专利。国内很多企业，有
20、时候是为了专利而专利，致使很多专利甚至是垃圾专利。国内生产逆变器的厂商众多，但专门从事光伏发电系统逆变器的生产厂商并不多，不少厂商以原来的车载逆变器、通讯逆变器、电力逆变器、UPS等电源技术为基础，开始从事光伏逆变器的生产和研发，由于不少国内企业在逆变器行业拥有多年经验，已经具备一定的规模和竞争力。国内生产光伏逆变器的厂商主要包括：阳光电源、科诺伟业、特变电工、正泰电源、兆伏爱索等。相比国外，国内逆变器行业发展较晚，尚需积累的时间。光伏逆变器是对长期运行稳定性要求较高的产品，所以需要较深厚的技术积累。国外的逆变器企业有些从1992年开始就已经着手产品研发了，并且到现在已经更新了好几代产品，而中
21、国的老牌企业却是少之又少，国内领军企业阳光电源也是从98年开始着手研发，而六年时间对于逆变器这种电力电子产品来说足以改头换面数次了。大面积普及光伏发电的时代远未到来。中国光伏巨大的产能造就了繁荣的假象，这种假象主要体现在竞争力和市场前景两个方面。就竞争力而言，中国光伏原材料、核心技术、终端市场“三头在外”的格局没有改变，海外市场从头到尾掐断哪个环节，行业都将面临毁灭性打击。原材料多晶硅80%以上依赖进口，虽然也能实现自给自足，但生产成本和质量不敌海外厂家，采用国产多晶硅，行业生产成本将上涨约15%；尖端光伏设备，甚至部分尖端电池组件技术也在外，所以中国组件产能虽巨大，但真正能够进入日本市场的组
22、件厂家屈指可数。就市场前景来看，中国光伏行业对未来过于乐观，不管是2015年光伏装机21GW，还是2020年光伏装机50GW，这些都是国家层面的规划，必须建立在少补贴甚至无补贴的基础之上，是由行业创新能力和成本下降幅度决定的。最近几年，光伏发电装机成本下滑较快，装机成本约为10元/瓦，这种低成本更多的来源于规模化优势、投资商偷工减料和制造商亏本甩卖，技术进步并未给发电成本带来革命性的改革。而且，光伏行业规模化优势已经发挥到极限，成本下降空间和幅度收窄，政策驱动在未来数年依然是光伏行业发展的主要动力。光伏发电成本远高于火力发电，与新能源其他发电形式相比，光伏发电的竞争力不如风电、水电，大面积的普
23、及应用时机远未成熟。另外，从可靠性方面来讲，国际一流品牌企业在产品设计上会比较讲究，首先考虑的是产品性能。比如针对最影响逆变器寿命的散热设计，国外品牌企业基本上都会选择效果最好的方案，成本问题会放在其后考虑。而国内企业由于成本压力很大，首先考虑的会是经济性因素，因此在产品细节方面会存在一些差距。所以，往精细化方面去赶超，应该是未来国产逆变器缩短与国际一流逆变器差距的一个方向。从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距，目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。1.4 光伏并网逆变器
24、的发展趋势 光伏逆变器技术的发展，取决于光伏应用市场的发展及其需求。现阶段的光伏发电应用市场，表现出两个明显的特征，一是应用模式的多元化，二是经济性决定系统配套技术(或产品)的竞争力。目前的光伏逆变器技术正处在标准升级换代以及多种技术流派并存的发展阶段，但光伏应用市场多元化应用模式和对成本的要求，在某种程度上制约着各技术流派的发展。未来三五年光伏逆变器的技术发展趋势，应该是大功率逆变器朝兆瓦级方向发展，以提高功率密度和转换效率。技术方向，中、小功率逆变器则朝向微型化方向发展，以专用IC替代分离电子元器件、提高可靠性和降低成本为特征。微型逆变器和DC-DC优化器可能是未来的趋势，因为更具合理性。
25、虽然太阳照射到地球的光能是恒定的，但经过电池板转化成电能却受到昼夜、天空云层、环境温度、光照条件变化等因素的影响，因此太阳能发电属于间歇性电源。从发电和跟踪的角度来看，由于太阳功率的变化，加上电池板之间本身也存在着差异，因此当系统运行时，各个电池板之间发电效率会存在差异，如果由组串式逆变器来跟踪，就很难跟踪逆变器技术的发展，依赖于功率元件技术的进步，依赖于电路拓扑的创新，依赖于控制算法的优化和创新。在早期，这些东西跟电脑芯片一样进步很快，但越往后则进步越有限。因此，光伏逆变器的更新换代，不可能像家电那么快。未来逆变器会朝着成本下降的方向发展，然而对于一种相对已经成熟的电力电子产品来说，成本降低
26、更多还是要依靠技术的进步，通过压缩原材料成本来降低成本的空间始终是有限的。但是，技术进步有一个过程，甚至是一个很长的过程。对于光伏逆变器来说，在短时间内，在软件、技术设备等方面的确还有可能实现一定程度的成本降低，但如果想要通过革命性的创新来降低成本，则没那么容易。1.5 光伏逆变器存在的技术问题目前常用的光伏并网逆变器以组串式光伏逆变器为主，中型组串式光伏逆变器目前来说，可以应用在中、大型光伏电站，以及供家庭单独使用。目前在中型组串式光伏并网逆变器研究技术争论的焦点有以下几种。(1)孤岛效应的保护主要考虑的是多机并联情况下的孤岛效应。由于多级并联，主动式检测会导致谐波增加，如何采用一个整体的孤
27、岛防护，并不破坏原来的电能质量，是今后研究的一个重点。 (2)功率密度的增加功率密度的增加在于去除掉工频或者高频变压器以后，对无变压器光伏并网逆变器的漏电流隔离以及环流等问题的处理要完善。目前的研究仍只停留在理论及实验室阶段，在专利及实际应用方面仍然欠缺。(3)与智能电网的关联和协作在光伏并网逆变器发展到一定规模时候，国家提出建设智能电网的规划。这个规划有利于将分布式能源进行更好管理、分配和存储。使逆变器与智能电网结合，对信息进行有效的处理及反馈，或者说形成一套良好的通信模式及协议，也是当前光伏并网逆变器设计者应当考虑的问题。 目前国内以中小型组串式光伏并网逆变器并联形成大功率光伏并网逆变系统
28、。多机并联作为今后发展的重要趋势之一，会产生很多技术难题。特别是针对于去除掉变压器的逆变系统来说，逆变系统与电网之间的漏电流和逆变器之间的环流，都是目前需要去重点研究及克服的关键技术，能否解决好该技术将是今后光伏产业能否迅速发展的重要节点。1.6 本文的主要研究内容本文主要研究了光伏并网逆变器，对其定义、分类、工作原理、控制方法、主电路和控制设计及仿真电路逐一进行研究。然后设计了10kW光伏并网逆变器的主电路和控制电路。最后对10kW并网逆变器进行了仿真分析，并进行了总结。本论文主要研究的具体内容包括：（1）首先阐述了本课题的研究背景和意义、国内外的光伏发展现状以及光伏并网逆变器的发展趋势。（
29、2）随后从光伏发电系统的组成、分类、工作原理、拓扑结构、控制方式几个方面进行概述。光伏逆变器的输出电流的控制方式，即滞环电流瞬时比较方式、定时电流瞬时比较方式和SPWM电流跟踪方式。（3）然后对10kW光伏并网逆变器进行了设计，本设计包括主电路参数设计和控制电路设计。主电路选用DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路的两级电路结构。控制芯片选用TMS320F2812。主电路的设计主要指元器件的选择，包括电感、电容和功率开关等的选择。控制电路设计主要包括信号采样电路、驱动电路和系统保护电路等。（4）最后在MATLAB的SIMULINK平台中搭建10kW光伏并网逆变器的主电路和控制电路的仿真模型，验
30、证其控制算法的可行性。第二章 光伏发电逆变系统及控制策略2.1 光伏发电系统光伏并网发电系统主要由光伏并网组件，光伏防雷汇流箱，光伏并网逆变器，计量装置以及配电系统组成。其中，光伏逆变器是其核心部件。太阳能光伏组件主要是通过光生伏打效应，将太阳光照转化为直流电，光伏组件俗称太阳能电池板，目前主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅光伏电池，转化效率依次排列，目前单晶硅实验室效率为26%，实际效率为15%左右，在光伏并网系统建设中，光伏组件占到了投资大部，光伏组件出来的电最终要并网给公众用户使用，就需要通过并网型的逆变器将直流电转化为跟电网同频同相的交流电馈入电网。光伏发电系统示意图如图2-1所示。图2-1
31、 光伏发电系统示意图2.2 光伏逆变器2.2.1 光伏逆变器的定义光伏逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（ON-OFF），使直流输入变交流输出。2.2.2 光伏逆变器的组成及结构光伏逆变器主要由半导体功率器件和逆变器驱动、控制电路两大部分组成。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，新型大功率半导体开关器件和驱动控制电路的出现
32、促进了逆变器的快速发展和技术完善。目前的逆变器多数采用功率场效应晶体管(vmosfet)、绝缘栅极晶体管(igbt)、可关断晶体管(gto)、mos控制晶体管(mgt)、mos控制晶闸管(mct)、静电感应晶体管(sit)、静电感应晶闸管(sith)以及智能型功率模块(ipm)等多种先进且易于控制的大功率器件，控制逆变驱动电路也从模拟集成电路发展到单片机控制，甚至采用数字信号处理器(dsp)控制，使逆变器向着高频化、节能化、全控化、集成化和多功能化方向发展。光伏逆变器的基本电路主要由输入电路、输出电路、主逆变开关电路(简称主逆变电路)、控制电路、辅助电路和保护电路等构成。各电路作用如下。(1)
33、输入电路逆变器的输入电路主要是为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流工作电压。(2)主逆变电路主逆变电路是逆变器的核心，它的主要作用是通过半导体开关器件的导通和关断完成逆变的功能。逆变电路分为隔离式和非隔离式两大类。(3)输出电路逆变器的输出电路主要是对主逆变电路输出的交流电的波形、频率、电压、电流的幅值、相位等进行修正、补偿、调理，使之能满足使用需求。(4)控制电路逆变器的控制电路主要是为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关器件的导通与关断，配合主逆变电路完成逆变功能。(5)辅助电路辅助电路主要是将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。辅助电路还包含多种检测、显示电路。逆变器的显
34、示功能主要包括：直流输入电压和电流的测量值，交流输出电压和电流的测量值，逆变器的工作状态(运行、故障、停机等)。(6)保护电路逆变器的保护电路主要包括输入过压、欠压保护，输出过压、欠压保护，过载保护，过流和短路保护，接反保护，过热保护等。2.2.3 光伏并网逆变器的标准目前有5点评价光伏并网逆变器的标准。（1）结构柔性具体来说，当光伏电站的拓扑或内部一些光伏极板的特性略微变换时，要能够基本保持之前的正常功率输出；并且输出特性要与组件的材料、特性无关。（2）运行管理即结构及工作时的可靠性、可修复性、错误可查性以及能够连续正常工作的持续性。（3）阴影条件下的表现在阴影遮挡时，要能够防止发生危害，并
35、保证最大功率输出。（4）投资功率在转换处的损耗要低，并且整个拓扑系统寿命要长。（5）附属电网由于光伏电站的建设需要电网传输出去，所以对电网的附属及协从也是必须考虑的因素。2.2.4 光伏逆变器分类按控制方式分类，光伏并网逆变器可分为电压源电流控制、电压源电压控制、电流源电流控制和电流源电压控制四种方法。以电流源为输入的逆变器，其直流侧需要串联一个大电感提供更为稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态响应差，所以目前世界上大多数均采用以电压源输入为主的方式。根据输入直流电源的性质，光伏并网逆变器可分为：电流型逆变器和电压型逆变器，拓扑结构如图2-2所示。按主电路的拓扑结构分类，光伏并
36、网逆变器可分为：推挽逆变器、半桥逆变器和全桥逆变器。推挽式逆变器拓扑结构如图2-3（a）所示。它结构简单，可以共同驱动两个功率管，但功率管承受开关电压为2倍的直流电压，因此比较适合用于直流母线电压较低的场合。单相半桥逆变器电路拓扑结构如图2-3（b）所示，其结构简单，但直流侧电压利用率低，在同样的开关频率下电网电流的谐波较大。单相全桥式逆变器目前被广泛的应用，其拓扑结构如图2-3（c）所示。该电路结构简单，易于控制，但要求较高的直流侧电压1。 （a) 电流型逆变器拓扑图 （b) 电压型逆变器拓扑图图2-2 按输入直流电源性质分类的并网逆变器拓扑图 （a）推挽式逆变器电路拓扑图 （b) 单相半桥
37、逆变器电路拓扑图（c）单相全桥逆变器电路拓扑图图 2-3 按主电路的拓扑结构分类的并网逆变器原理图上述几种电路都是逆变器的最基本电路，在实际应用中，除了小功率光伏逆变器主电路采用这种单级的(dc-ac)转换电路外，中、大功率逆变器主电路都采用两级(dc-dc-ac)或三级(dc-ac-dc-ac)的电路结构形式。一般来说，中、小功率光伏系统的太阳能电池组件或方阵输出的直流电压都不太高，而且功率开关管的额定耐压值也都比较低，因此逆变电压也比较低，要得到220v或者380v的交流电，无论是推挽式还是全桥式的逆变电路，其输出都必须加工频升压变压器，由于工频变压器体积大、效率低、笨重，因此只能在小功率
38、场合应用。随着电力电子技术的发展，新型光伏逆变器电路都采用高频开关技术和软开关技术实现高功率密度的多级逆变。这种逆变电路的前级升压电路采用推挽逆变电路结构，但工作频率都在20khz以上，升压变压器采用高频磁性材料做铁芯，因而体积小、重量轻。低电压直流电经过高频逆变后变成了高频高压交流电，又经过高频整流滤波电路后得到高压直流电(一般均在300v以上)，再通过工频逆变电路实现逆变得到220v或者380v的交流电，整个系统的逆变效率可达到90以上，目前大多数正弦波光伏逆变器都是采用这种三级电路结构。其具体工作过程是：首先将太阳能电池方阵输出的直流电(如24v、48v、110v、220v等)通过高频逆
39、变电路逆变为波形为方波的交流电，逆变频率一般在几千赫兹到几十千赫兹，再通过高频升压变压器整流滤波后变为高压直流电，然后经过第三级dc-ac逆变为所需要的220v或380v工频交流电。逆变器按照输出电压波形的不同，可分为方波逆变器、阶梯波逆变器和正弦波逆变器。在太阳能光伏发电系统中，方波和阶梯波逆变器一般都用在小功率场合。下面就分别对这3种不同输出波形逆变器的优缺点进行介绍。（1）方波逆变器 方波逆变器输出的波形是方波，也叫矩形波。尽管方波逆变器所使用的电路不尽相同，但共同的优点是线路简单(使用的功率开关管数量最少)、价格便宜、维修方便，其设计功率一般在数百瓦到几千瓦之间。缺点是调压范围窄、噪声
40、较大，方波电压中含有大量高次谐波，带感性负载如电动机等用电器时将产生附加损耗，因此效率低，电磁干扰大。（2）阶梯波逆变器阶梯波逆变器也叫修正波逆变器，阶梯波比方波波形有明显改善，波形类似于正弦波，波形中的高次谐波含量少，故可以带包括感性负载在内的各种负载。当采用无变压器输出时，整机效率高。缺点是线路较为复杂。为把方波修正成阶梯波，需要多个不同的复杂电路，产生多种波形叠加修正而成，这些电路使用的功率开关管也较多，电磁干扰严重。阶梯波形逆变器不能应用于并网发电的场合。（3）正弦波逆变器正弦波逆变器输出的波形与交流市电的波形相同，适合于并网光伏发电系统。这种逆变器的优点是输出波形好、失真度低。干扰小
41、、噪声低，保护功能齐全，整机性能好，技术含量高。缺点是线路复杂、维修困难、价格较贵。2.3 并网逆变器的工作原理并网逆变器的工作原理是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的。单相逆变器的基本电路有推挽式、半桥式和全桥式三种，虽然电路结构不同，但工作原理类似。电路中都使用具有开关特性的半导体功率器件，由控制电路周期性地对功率器件发出开、关脉冲控制信号，控制各个功率器件轮流导通和关断，再经过变压器耦合升压或降压后，整形滤波输出符合要求的交流电。并网逆变器的直流电源是由太阳能电池转换成与电网同压同频同相位的交流电，然后再并入电网的。因为三相并网逆变器负载为电网，故可以把它
42、视为一个三相平衡系统，可以运用单相电网连接来描述其基本原理。 图 2-4 逆变器运行等效原理图 图 2-5 逆变器运行电路矢量图如图2-4所示，Ui为逆变器输出电压，Ug为电网电压，R为电阻，L为电感，Iz为逆变器馈入电网电流。为了使输出得功率因素能为1，需令Iz的相位与电网电压的相位保持一致。图2-5为电路矢量图，电阻R两端的电压UR与Ug保持一致，而电感电压UL的相位则是落后电网电压Ug的相位的，为90度。因此可以得出相位和幅值为： （2-1）式 2-1中为电网的角频率。因为电阻R在实际回路中测量测量起来是比较困难，故需要通过反馈控制来实现对输出电流的相位控制，反馈信号的参考相位（即电网电
43、压相位）需通过锁相环系统来获取，这样可以通过检测传感器来获得电网电压Uz和输出电流Iz的变化情况2。2.4 逆变器输出电流的控制方式2.4.1 滞环电流瞬时比较方式图2-6是滞环比较器的瞬时比较方式原理图。此电路将参考电流i*和实际并网电流i进行比较，两者的偏差i输入滞环比较器，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，然后该PWM信号通过驱动电路来控制功率器件的通断，从而达到改变和控制并网电流i的效果。图2-6 滞环比较器的瞬时比较方式原理图此电路的控制系统是相对简单的、容易实现的和电流响应速度更快的。跟踪电流的性能，主要取决于滞环的宽度，当滞环的宽度较大时，对开关器件的要求会比较
44、低，但跟踪误差大，输出电流的谐波包括环的宽度小，跟踪误差小，应适当增加器件的开关频率。此电流滞环控制，开关频率因为是不固定的，会有电流尖峰的出现，在设计驱动保护电路和主电路时将是非常困难的。此外，在设计适当的过滤器时也会非常困难。2.4.2 定时电流瞬时比较方式图2-7是定时控制的电流瞬时值比较方式原理图。此电路利用比较器定时控制，每个时钟周期对电流误差判断一次，当PWM信号变化一次时，需要至少一个时钟周期，器件的开关频率不超过一半的最高时钟频率，从而避免开关频率过高的情况发生。该比较方式有电流控制误差的缺点，具有固定环的宽度，控制精度相对较低。在参考电流变化快的地方，跟踪效果不好。当载波频率
45、低时，电流毛刺会很大。图2-7 定时控制的电流瞬时值比较方式原理图2.4.3 SPWM电流跟踪方式在这种控制方式下，电流误差放大器后，与三角波进行比较，以输出PWM信号，放大器多采用比例或比例积分放大器。该方式比较复杂，包含载波频带的谐波输出。功率器件开关频率固定，相对于比较模式的瞬时值的电流响应速度较慢。SPWM 控制方式原理图如图2-8所示。图 2-8 SPWM 控制方式原理图这种方法将闭环控制应用于并网电流控制中，不仅提高了系统电流的动态和静态性能，也提高了系统的鲁棒性，此外，还使系统参数的变化对网侧电流的控制影响降低了，输出电流中所含谐波也减少了3。第三章 10kW光伏并网逆变器设计光
46、伏逆变器的设计包括主电路参数设计和控制电路设计。主电路的设计主要指元器件的选择，包括电感、电容和功率开关等的选择。控制电路设计主要包括信号采样电路、驱动电路和系统保护电路等。3.1 光伏并网逆变器的结构及原理图本文的光伏并网整体设计结构框图如图3-1所示。图3-1 光伏并网逆变器整体设计结构框图本文设计的三相光伏并网逆变器有两种结构，即DC-DC升压电路和DC-AC的逆变电路，系统的拓扑原理图如图3-2所示。前级DC-DC升压电路是BOOST升压斩波电路，把光伏阵列输出的直流电升压，并通过最大功率点跟踪使得光伏阵列输出功率保持最大，后级DC-AC的逆变电路是三相全桥逆变电路，将升压后的直流电逆
47、变成交流电，并使得逆变器中输出的电流与电网电压保持同频同相。图3-2 三相光伏并网逆变器的拓扑原理图3.2 并网逆变器系统性能指标本文设计的光伏并网逆变器具体指标如下：（1）电网中的线电压：380V（2）输出额定功率：10kW（3）开关的频率为：15kHz（4）输出额定频率：50Hz（5）总电流波形畸变率(THD)：THD543.3 并网逆变器主电路参数设计3.3.1 前级 DC-DC 升压电路参数设计前级 DC-DC 升压电路是由光伏阵列、电感、功率开关管、二极管以及电容构成。功率开关管处于导通状态时，光伏阵列将会向电感充电；功率开关管处于中断状态时，光伏阵列将会同电感一起向电容充电。通过储能电感使电压的泵升以及电容保持输出电压不变，以达到实现升压的目的。各个元器件的参数选择如下。（1）电感的选择电感在工作状态中需要不断的消耗能量，并且电感值的大小和其所消耗的能量有关，越大的电感值，能量消耗越大。在理论上电感值应尽可能的小，这样可以最大程度上减小电感上的能量损耗，但是如果电感值太小，将不能满足整个光伏系统的正常工作，因此在对电感选取时应根据实际情况。同时流过电感电流有连续工作和不连续工作两种状态。由于在不连续工作状态时，会在一定程度上造成光伏阵列电能的浪费，因而所选择的电
