250kW光伏并网逆变器设计.doc

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1、 本科毕业设计(论文)题目 250kW光伏并网逆变器设计 学院名称 电气工程与其自动化学院 专业班级 电气09-2 学生姓名 宋子峰 导师姓名 李磊 2013 年 6 月 10 日250kW光伏并网逆变器设计作 者 姓 名 宋子峰 专 业 电气工程及其自动化 指导教师姓名 李磊 专业技术职务 高级工程师 目 录摘 要 1ABSTRACT1 第一章 绪论31.1光伏系统的应用发展前景31.2光伏发电系统概述41.3 本课题所做的工作6 第二章 光伏并网逆变器的工作原理及总体设计72.1 光伏并网逆变器的工作原理72.2 光伏并网逆变器的总体设计72.2.1 光伏并网逆变器的基本结构72.2.2

2、硬件设计中的各部分介绍82.2.3 控制电路设计92.3 逆变部分的主回路设计112.3.1主电路拓扑结构122.3.2变压器选择122.3.2电抗器选择122.3.3光伏阵列恒电压控制132.4 IGBT 并联运行分析142.4.1 光伏并网逆变器系统的设计142.4.2 IGBT并联电路的设计152.4.3 LCL滤波电路的设计162.4.4 直流支撑电容的设计162.4.5 IGBT驱动电路的设计172.4.6 控制电路的设计17 第三章 光伏并网系统的“孤岛效应”分析与保护173.1 孤岛效应的产生及危害173.2 光伏系统孤岛效应的特点183.3 孤岛监测和系统保护的方法19 第四章

3、 仿真模型搭建及仿真结果分析20 第五章 总结与展望245.1 总结245.2 展望25参考文献27致 谢28 摘 要 随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。地球中的化石能源是有限的，总有一天会被消耗尽。随着化石能源的减少，其价格也会提高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。可再生能源是满足世界能源需求的一种重要资源，特别是对于我们这个人口大国来讲更加重要。其中太阳能资源在我国非常丰富，其应用具有很好的前景。 光伏并网发电系统是通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，并通过并网逆变器将直流电变为与市电同频同相的交流电，并回馈电网。在阳光充足时，

4、太阳能发出的电可供使用，而不使用市网电;在阳光不充足或光伏发电量达不到使用量时，由控制部分自动调节，通过市网电给予补充。此系统主要用于输电线路调峰电站以及屋顶光伏系统。 关键词：光伏电池 并网安全 光伏逆变器 最大功率点跟踪 ABSTRACT With the development of social production, the demand of energy is increasing, and the energy crisis is becoming more and more prominent in the global scope. The fossil energy is

5、 limited, and it will be exhausted someday in the near future. The price of the fossil energy will be higher and higher with its reduction, and this will seriously restrict the development of production and the enhancement of peoples living standard. Renewable energy is an important resource to meet

6、 the energy demand of the world, especially for China which has so many people. Solar energy resources are extremely rich in our country, and its application has very good prospect. Light volt incorporation net generating system can transform the solar energy into electricity energy through the sola

7、r cell board, and can change the Direct Current (DC) into Alternating Current (AC) which has the same frequency and phase with the city electricity through the incorporation inverse transformation, and can feed back to the electrical net. When the sunlight is sufficient, the electricity supplied by

8、the solar energy can be used instead of the city net electricity; when the sunlight is not sufficient or the light volt electricity amount can not meet the demand, the control section can automatically adjust it, and the city net electricity can supplement. This system is mainly used for transmissio

9、n line adjusting peak power plant and the rooftop light volt system.Key words：photo-cell; grid-connected; PV inverter; maximum power point tracking; 第一章 绪论1.1光伏系统的应用发展前景随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。地球中的化石能源是有限的，总有一天会被消耗尽。随着化石能源的减少，其价格也会提高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。据测算，全世界能源消耗的大部分被家庭所占，改善家庭的

10、能源消耗方式便可改善全球的环境质量，节约大量的化石能源，用于化工等他用，而不只是当作燃料使用。因此自然能发电技术的应用受到越来越普遍的重视，洁净廉价的太阳能正适合于作为可再生的替代能源。太阳能是一种自然资源，将太阳能进行采集、转换，使其变为可控电能的系统，即为太阳能光伏发电系统。这项技术由美国贝尔实验室于上世纪五十年代初研究成功，最初仅用于航天等高科技领域。上世纪七十年代爆发的全球性能源危机，促使该技术向民用方面迅速推广。经过三十多年的不断改进与发展，目前己经形成一套完整而成熟的技术，随着全球可持续发展战略的实施，世界各国都在大力鼓励太阳能光电产业的发展。据报道，日本1992年启动了新阳光计划

11、，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。中国的常规能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10%。2007年能源消费总量约为19.8亿吨，比2006年增长13%，其中:煤炭占67.1%,石油占22.7%、天然气占2.8%、水电等占7.3%。2007年石油进口达到9900万吨，约占中国总石油消耗4096。由于能源需求的强劲增长，煤炭在能源消费结构中的比例有所提高，比2006年提高1个百分点。按照目前的经济发展趋势和中国的资源情况，

12、2010年和2020年的电力供应单靠传统的煤、水、核是不够的，尚存在一定的缺口，需要由可再生能源发电来填补。中国光伏产业在国家大型工程项目、推广计划和国际合作项目的推动下，以前所未有的速度迅速发展。到2003年底，中国太阳能光伏系统累计安装量约达到了55兆瓦，主要为边远地区居民及交通、通讯等领域提供电力，现在己开始进行并网光伏发电系统的试验和示范工作。全国己有太阳能电池生产及组装厂10多家，制造能力超过100MWp。到2003年底，全国太阳热水器使用量为5200万平方米，约占全球使用量的40%，年生产量为1200万平方米1。太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域较多，形

13、式比较单一;而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式一电能，从而具有热利用不可比拟的优势，光伏发电系统与其他发电系统相比具有许多优点:(1)它的能源取之不尽用之不竭，而且清洁无污染。(2)没有动作部件，不会产生噪声，运行更可靠。(3)轻便，易安装维护;(4)分布极其广泛，凡是太阳光能照到的地方就能发电。(5)无论规模大小，其发电效率几乎是相同的。(6)能在用电的现场发电。光伏发电系统的应用可根据用户情况分成三大类:专业性应用、家电设备方面的应用和农村应用。一些边远或孤立的地区对电力的需求问题可以依靠光伏系统来解决，如我国西藏、新疆等的一些边远偏僻的区。这种市场的主要特点是能源需求量

14、小，因此无论是通过扩展电网，还是利用柴油发电机，所提供的常规电力的价格都很高。而光伏发电系统受用电规模的影响则不大2。此外，维修量小是光伏发电系统的另一个优点。有些地区游牧居民较多，由于居住比较分散且不固定，所以适于使用分布式电源，尤其适于用光伏电源系统或者风能发电系统，但风能发电装置易损坏，并且维护量大，不如光伏电源适合户用。1.2光伏发电系统概述 太阳能光伏发电系统的典型框图见1-1，其主要由以下四部分构成：图1-1光伏发电系统典型结构框图1.光伏电池阵列光伏电池是组成太阳能光伏发电系统最基本的单位。但单体光伏电池发出的电能很小，而且是直流电，在大多数情况下很难满足实际应用的需要。为了获得

15、足够大的发电量，需要将单体光伏电池连接成电池组件，再由电池组件组合连接成为太阳能光伏阵列。2.储能系统 太阳能发电系统只是在日间有阳光的时候才能发电，但一般来说，人们主要在夜间大量用电，这样系统中就需要有储能单元(蓄电池)将白天所发出的电能储存起来供夜间使用。3.逆变器 光伏电池阵列所发出的电能为直流电，但是大多数用电设备以交流供电方式为主，所以系统中需要逆变单元将直流电转换为交流电供负载使用，逆变器的效率将直接影响到整个系统的效率，因此光伏系统逆变器的控制技术具有重要的研究意义。4.直流控制系统 在电能从光电阵列到储能单元，再到逆变单元间的传输和交换过程，为了保持系统的高效与安全运行，还需要

16、直流控制系统对整个过程进行调整、保护和控制，如最大功率点跟踪(MPPT)控制技术。实际应用中的光伏发电系统因对象的不同，会比这个典型的结构多出或省略某个部分，但大体上都是从这个典型结构中演变而来的。从结构特征上看，太阳能光伏发电系统主要可分为两种类型:独立运行、并网型光伏发电系统。1. 独立运行光伏发电系统 独立运行光伏发电系统的结构如图1-2示，在独立运行系统中，蓄电池作为储能单元一般是不可以少的，它将由日照时发出的剩余的电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。为了延长蓄电池的寿命，直流控制中应具有一个调节和保护环节来控制蓄电池的充放电过程的速率和深度。图1-2独立运行光伏发电系统2.并网型

17、光伏发电系统在有公用电网的地区，光伏发电系统可以同电网连接，这要求逆变器具有同电网连接的功能，其结构见图1-3，并网型光伏系统的优点是系统可以省去蓄电池而将电网作为自己的储能单元，当日照很强时，系统将所发的多余电力回馈入电网，而当需要用电时再从电网输出电力。省去蓄电池后光伏发电系统的造价可以大幅度降低。 图1-3并网型光伏发电系统1.3 本课题所做的工作通过以上分析，可以认识到目前利用可再生能源代替化石燃料是当务之急。而作为可充分利用太阳能的光伏并网发电系统，除了可以给本身所带的交流负载提供电能之外，还可以将多余电力回馈电网。由于本系统本身不带蓄电池，成本较低，体积较小，适合推广应用，目前我国

18、大力发展此种并网发电系统。 并网型光伏发电系统的核心为并网型逆变器。并网型逆变器是影响和决定整个系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行的一个主要因素，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素。其关键技术设计对提高光伏发电效率、降低成本有重要意义。特别是那些使用资源有限的化石燃料发电的地区，这更是当务之急。这也是当今世界范围内研究和开发的一个课题。提高光伏发电效率、降低成本必须选择以下一种或多种途径：1.最大限度输出功率。2.提高并网逆变器转换效率。3.安全并网。本课题正是基于这三个途径来展开研究的，从多个方面采取措施来降低发电成本： 1.采用DC/DC转换装置实现最大功率跟踪，以使光伏电池工作

19、于最大输出功率点上，获得高效功率输出。 2. DC/AC逆变器电路采用闭环控制技术:电压反馈控制技术，提高了系统的效率和动态性能。3.并网输出电流为失真度较小的正弦波，并且“孤岛”检测保护响应快、可靠性好。第二章 光伏并网逆变器的工作原理及总体设计2.1 光伏并网逆变器的工作原理光伏并网逆变器实现并网运行有两个基本要求必须满足:(1)输出的电压与电网的电压同频率同相位同幅值；(2)功率因数为1，也就是输出的电流必须与电网的电压同频率同相位。 光伏并网逆变器的输出控制有电压控制方式和电流控制方式两种。由于电网可视为容量无穷大的交流电压源，因此逆变器的输出采用电流控制方式，控制逆变器的输出电流相位

20、跟踪电网电压的相位，幅值保持正弦输出，即可达到并网运行的目的3。因光伏组件既有恒流源特性，同时也有恒压源特性，所以光伏组件输出需经电感稳流和电容稳压后输送给逆变桥。逆变桥的输出经L2滤波和变压器升压隔离，通过并网电感接人电网。光伏并网逆变器采用全桥逆变电路，其原理如图2-1所示：图2-1光伏并网逆变器原理图设Un为隔离变压器的输出电压，Lg为并网电感，Ig为并网电流，Ugrid为电网电压，则它们满足如下关系:Ugrid = Un + jwLgIg2.2 光伏并网逆变器的总体设计2.2.1 光伏并网逆变器的基本结构在实际应用中，单相逆变器适用于小功率的用电场合。例如:太阳能路灯、草坪灯、家用电器

21、及普通照明电路中。而对于功率在5kW以上的并网发电系统来说，应采用三相互联电路形式。基于以上原因，本文设计了一个250kW并网发电系统，建立如图2-2所示的单相光伏并网逆变器结构图。图2-2单相光伏并网逆变器基本构成图2.2.2 硬件设计中的各部分介绍该逆变器主要由输入断路器、直流噪音滤波器、电容电感(L1, C1) , DC/DC升压器、DC/AC逆变器、LC滤波器、单相变压器，交流噪音滤波器、电能表、接触器、输出断路器等部分构成。逆变器控制部分包括DSP CPU控制板、驱动检测回路、仪表开关、控制电源等。各主要部分的具体功能及特点如下:1.断路器断路器分别用于分断直流输入，交流输出，为用户

22、提供安全保证。2.噪音滤波器NFL 主要功能为滤除逆变器主回路开关器件在工作时产生的高频电磁噪音和共模干扰，以保证并网逆变器在运行时不对电网中其它设备产生不良影响。3. DC/DC升压单元DC/DC Boost升压回路。通过控制该回路中IPM功率器件的导通与关断，将太阳能电池板输出的低压直流电升压成高压直流电，为DC/AC逆变器的工作提供前提条件。升压回路通过脉宽调制技术(PWM)，可在直流输入电压大范围变化的情况下，保证高压侧直流的稳定输出，并同时实现MPPT控制功能4。4. DC /AC逆变单元DC /AC逆变单元是该并网逆变器的核心部分，根据CPU控制回路发出PWM开关信号控制单相IPM

23、功率器件的开通和关断，实现将高压直流电逆变成单相交流电，并将其平稳送入电网的功能。L2和C3构成低通滤波器，滤除DC /AC产生的开关电流高次谐波，使流入变压器的电流为50Hz的基波电流。5.单相隔离变压器单相隔离变压器，起隔离逆变器和电网的作用。由于有了变压器的隔离，逆变器功率器件开关导致电位浮动所产生的漏电流，以及逆变器在控制中产生的微小直流电流均被有效隔离和抑制，从而不会对电网产生不良的影响。6.交流接触器MC交流接触器MC直接由CPU控制，通过MC的开闭实现并网系统的并网。在系统停电或逆变器内部出现故障时由CPU控制断开，以隔离太阳能发电系统与电网系统，避免造成严重故障。7. CPU控

24、制回路采用TI公司的TMS320LF2407型DSP芯片实现逆变器控制，主要依靠DSP的事件管理模块和A/D转换模块。事件管理模块由通用定时器f提供时间基准、非对称/对称波形发生器、可编程的死区发生单元、输出逻辑控制单元等组成，以实现SPWM波，同时还能够完成MPPT跟踪，故障保护等实时性，快速性要求很高的控制。A/D转换模块采样输人的直流电压、电网电压并转换为数字信号。另外，通过屏蔽的RS232通信口，CPU控制回路可实现与显示板和远程控制计算机的通信。将并网逆变器的工作状态，运行参数传给显示板和计算机，实现实时数据传送，显示和采集5。8.驱动检测回路负责逆变器主回路电压电流等模拟信号的处理

25、，及开关量的驱动传送。另外，能够实现瞬时故障锁定和硬件故障保护功能。在发生严重故障时能够屏蔽掉CPU发出的PWM信号，保证IPM功率器件在故障期间不被误触发。2.2.3 控制电路设计图2-3系统控制原理框图1.电压电流信号隔离监测电路电压电流检测电路的功能是把电流电压强电信号转换为DSP可以读取的弱电压信号，同时保证强电和弱电的隔离。本文采用惠普公司的HCPL7800A光电藕合器作为光电藕合隔离器件，其非线性度为0.004%，增益温漂为0.00025V/，带宽为1OOkHz。具体隔离检测电路如图2-4所示。 图2-4 光电藕隔离检测电路2功率管栅极驱动电路功率管选用的是K30N60型IGBT，

26、它是电压驱动型功率管。DSP控制器产生的PWM信号通过驱动电路转换成可以驱动功率管的电压驱动信号，从而控制功率管的开通与关断。选用日本东芝公司的LTP250功率管驱动芯片，该芯片具有光藕隔离功能，避免了对DSP芯片的干扰。具体电路如图2-5所示。图2-5 IGBT栅极驱动电路3并网继电控制电路光伏并网逆变器的并网是通过DSP控制器的通用输出端口控制并网继电器开关实现的。DSP芯片控制系统检测光伏板电压，如果满足并网电压要求，就在下一个电网电压过零处输出控制信号使继电开关闭合进行并网。具体控制电路如图2-6所示:图2-6并网输出继电控制电路2.3 逆变部分的主回路设计图2-7为并网逆变器主回路结

27、构框图。从图中可以看出，逆变器的主回路构成为一个DC/DC直流升压输入单元和一个DC/AC单相逆变输出单元，从而降低了主回路的成本，提高了控制性和可靠性。图2-7逆变部分的主回路图1.回路图中，DC/DC设计成推挽式逆变电路，其输入电压由光伏系统中的太阳能电池组提供。2. DC/AC变换采用单相全桥变换电路。输出经电感L2及C3后，可滤除由于逆变器中开关频率高带来的高次谐波电流，从而起到平衡逆变器和电网基波(50Hz)之间的电压差的作用。3.在DC/DC Boost升压模块及DC/AC逆变模块，控制电路都以DSP芯片为核心。利用TMS320F2812型DSP芯片的两路和四路50KHz的驱动信号

28、，经门极驱动来控制P1和P2以及S1到S4 MOS管的开通与关断，这样实现直流升压和直流电逆变为单相交流电。4.从回路结构来讲，该逆变器主回路结构为电压型逆变器。其工作的基本模式是升压脉宽调制方式。但通过交流电感电容滤波器，及瞬时电流控制方法，实际上从外部来看，该逆变器可被看作为电流源，通过输出端向电网输送正弦波交流电流。2.3.1主电路拓扑结构 主电路采用电压型逆变器的拓扑结构，逆变器开关器件选用开关损耗低、工作频率高、安全工作区宽等优良特性的绝缘门极双极型晶体管lGBT本文采用的主电路拓扑结构如图1所示。考虑到如果采用的直流母线电压过低，则在同等功率条件下的母线电流将会增大，增大了传输线损

29、耗，当然，选用的直流母线电压过高时，功率开关管的耐压要求会更高，增加投资成本6。本文在综合考虑各因素后，选择太阳电池阵列的工作电压为530V左右。2.3.2变压器选择 三相桥式PWM逆变电路U相和V相输出端相对于直接电源中点电压的基波分别为uun1和uVN1分别为则输出电压的基波分量为“调制度”为最大值1时，一的幅值为譬Ud。考虑死区电压损失7%，太电池阵列工作点电压53ov,则并网逆变器的逆变电压有效值为 因此，变压器选择一次侧300V，二次侧380V的Y-Yo工频变压器。2.3.2电抗器选择 以单位量1表示三角载波的幅值，则正弦调制波可写作 根据规则采样法，以单相半桥逆变电路为例。 图2-

30、8上桥臂开关管导通时间t、和下桥壁开关管导通时间t_分别为 当VT1导通，VT4关断时，设有源负载电流为i的以下方程 当VT4导通，VT1关断时，设有源负载电流位i的以下方程 式中电网电压2.3.3光伏阵列恒电压控制 作为光伏阵列负载的电网，是一个恒压源。为使阵列在当前日照条件下提供的并网功率臻于最大，也就是需要使并网电流尽量大，这就要求光伏并网逆变系统在任何日照下向电网提供光伏阵列所能输出的最大功率。光伏阵列的输出伏一安特性具有强烈的非线性性质，还与日照强度及环境温度有关，如图4所示。 在日照度不变的条件下，当环境温度升高时太阳电池的开路电压U二将减小，短路电流J二将有微小增大。在环境温度不

31、变的条件下，当日照强度升高时，阵列短路电流了、将明显增大，开路电压U，也有微小增大7。图2-9 实际上当日照强度较高时，环境温度一般也较高，反之，当日照强度较低时环境温度也较低。正因为这一特点，太阳电池一天内最大功率点的轨迹实际上向有利于恒电压轨迹的方向靠拢。因此，通常允许将太阳电池最大功率点处的电压用一个常数来近似。根据系统要求，图3中的阵列指令电压U设置为530V,当阵列电压反馈值Ut大于阵列指令电压U时，调节器1的输出增大，导致并网电流增大，太阳电池阵列的输出电流也相应增大，从而使阵列的输出电压向减小的方向移动。当阵列电压反馈值Ut小于阵列指令电压U时，调节器1的输出减小，导致并网电流减

32、小，阵列愉出电流也相应减小，从而使阵列的输出电压向增大方向移动。为了提高阵列电压控制的动态性能及稳态特性，本文采用了分段变参数式积分调节，积分系数随着误差大小而变化，这样既保证了系统的动态响应速度，又满足了一定的稳态精度要求。2.4 IGBT 并联运行分析 多个IGBT并联使用时，由于驱动电路特性、器件特性和电路布局等的影响，将引起流过各相中并联IGBT的电流不均衡，器件可能由于过流、过热而损坏。基于此情况，本文对影响并联IGBT均流的主要因素进行了深入分析，并提出光伏并网逆变器设计时需遵循的原则8。2.4.1 光伏并网逆变器系统的设计 目前国内并网型逆变器的研究主要集中于DC-DC和DC-A

33、C 两级能量变换的结构。但由于系统具有2 个独立的能量变换环节，使得整个系统的效率低、体积大、质量大、造价高。基于以上原因，本文设计的光伏并网逆变器采用单级结构，其系统框图如图1 所示。该装置通过一级能量变换实现了最大功率跟踪和并网逆变2个功能，提高了系统的效率、减小了系统的体积和质量、降低了系统的造价，有利于光伏并网发电系统的推广。 图2-10 并网逆变器系统框图硬件电路采用将IGBT 模块、直流支撑电容、吸收电容、均流电感、驱动单元、控制单元、传感器等主要电路器件集成在一个模块内的设计方式。该模块具有功能独立、结构紧凑、便于功率扩展等优点。在此基础上，只需外接断路器、接触器、滤波电感电容、

34、变压器、控制电源、预充电单元、触摸屏、冷却风机等外围电路器件，便可设计出完整的硬件电路系统。控制电路以TI 公司的TMS320F2812 芯片为核心，同时使用可编程逻辑器件CPLD 辅助控制。控制策略采用双闭环控制及SVPWM 调制方式，开关频率为35 kHz。控制系统可以实现最大功率点跟踪和单位功率因数并网，具有功能完善的监控系统，能够实时显示和修改系统的一些重要运行参数，并对过压、欠压、过流、超温、孤岛等故障进行分级处理9。 本文设计的光伏并网逆变器的额定功率为250kW，三相交流输出线电压为380V ，交流输出相电流为380A,为满足三相逆变器在380V交流电压下PWM整流器工作模式的需

35、要，直流环节电压设计为700V。2.4.2 IGBT并联电路的设计 在IGBT并联电路设计中，逆变器三相半桥电路中每相半桥电路由3个IGBT 半桥电路并联构成。逆变器额定功率P为250kW，交流输出线电压U 为380V，则交流输出相电流峰值I P 为： 额定功率下，流过每个IGBT和续流二极管的电流峰值为179A(537A/3) ；开关管两端承受的最高电压为840V（700 V1.2，逆变器中间直流电压700V，考虑20%的裕量）。基于上述参数计算，本文选用EUPEC公司生产的FS300R12KE3 IGBT模块，其内部包含3个半桥、6个300A/1200V的IGBT，以便于并联和设计直流母排

36、。在IGBT并联电路设计中，每个IGBT 半桥电路的中间引出端通过均流电感并联在一起，以提高并联IGBT半桥电路的动态均流效果；每个IGBT半桥电路两端并联一个吸收电容，以抑制开关管关断瞬间由于杂散电感引起的电压尖峰。IGBT 模块的正负端通过复合母排连接到直流支撑电容的两极上。选用复合母排不但有助于减小IGBT 开关过程产生的过电压，而且还可以降低电磁干扰，提高逆变器的电磁兼容(EMC)性能。2.4.3 LCL滤波电路的设计 逆变器网侧滤波电路采用LCL滤波器的设计方法，与传统的L 滤波器和L C 滤波器相比，该设计可以降低电感量，提高系统动态性能，降低成本3 ；在保证网侧高功率因数的同时，

37、可以较大程度地削弱电流谐波成分。逆变器侧电感计算公式如下： 式中：h谐波阶次；b=2fb基波角频率，fb电网基波频率；i (h)逆变器侧各次谐波电流幅值；u(h)逆变器侧各次谐波电压幅值。 i( h ) 由相应的谐波标准确定4，在采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）下，u ( h )可以通过对逆变器交流侧输出相电压进行傅立叶分析得到。2.4.4直流支撑电容的设计5 对于700V的直流电压,考虑到电压波动，直流支撑电容耐压值设计为1000 V。采用SVPWM调制时，直流支撑电容的纹波电流（Iinh）计算如下： 式中：M 调制比；U P 逆变器侧交流输出相电压峰值；U DC 中间直流电压；I o 逆

38、变器侧交流输出相电流。 根据直流电压动态响应性能的要求，在额定容量运行情况下，当逆变器突加50负载时，在电压环PI 调节器调用时间间隔200s 内，直流电压最大波动应小于5，则计算直流支撑电容值如下: 本文直流支撑电容选用2个750F/1000V电容并联，每个电容耐纹波电流能力为150A。2.4.5 IGBT驱动电路的设计 对于并联工作的IGBT半桥模块，为保证其良好的均流效果，每相并联IGBT半桥模块共用一块驱动板，每块驱动板上有一片CPLD、3个SCALE 驱动模块和一些辅助电路。CPLD将一组带有死区的PWM 输入信号经过处理后变成3组PWM 信号,以驱动3 个并联IGBT半桥模块10。

39、SCALE 模块选用双通道驱动模块CONCEPT 2SD106A，它具有桥臂短路和过流保护功能，保证了驱动电路和IGBT的运行可靠性。2.4.6 控制电路的设计 光伏并网逆变器控制电路的主控芯片采用T I公司生产的TMS320F2812 芯片，该芯片具有处理速度快、外设集成度高、程序存储器大等特点。采用该芯片可以更好地实时控制逆变器。 光伏并网控制主要涉及最大功率点跟踪控制和并网电能质量控制，本文采用电压外环和电流内环的双闭环控制方法。根据光伏阵列的输出特性，一般采取最大功率点跟踪(MPPT)技术，以实时调整光伏电池的工作点, 使之始终工作在最大功率点附近。本文采用间歇扫描跟踪法，其核心思想是

40、定时扫描一段阵列电压，同时记录不同电压下对应的阵列输出功率值，然后比较不同点太阳能电池阵列的输出功率，得出最大功率点。第三章 光伏并网系统的“孤岛效应”分析与保护3.1 孤岛效应的产生及危害光伏系统越来越多地被利用，尤其是并网发电系统。随着这类系统被越来越多地安装运行，安全问题被加以关注。孤岛问题是一个被广泛讨论的特殊课题，孤岛效应是指并网型逆变电源在电网断电时，逆变器仍然保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态。这样电力孤岛效应区域会发生电压和频率不稳定现象，有可能对外部设备造成损坏或发生触电安全事故12。孤岛效应也被用于表示由于光伏并网系统的存在使电压崩溃有一定的延时。图5-1为孤岛效

41、应的发生机理。正常供电时，开关A闭合，逆变电源和电网同时给负载供电。当电网突然停电，即从A处断开，若这时负载阻抗正好与输出电流相匹配，则在电网断开时，负载电压不会有任何变化，采用常规检测电压方法，系统无法判断电网停电，仍然继续向负载供电，即产生了孤岛效应。图3-1孤岛效应发生机理“孤岛效应”发生后，电压波动、频率波动、谐波可能会同时出现，或都不出现。负载、PV系统设置、结构、运行情况及其它一些情况都会影响上述现象。所以定义任何一个能总是伴随“孤岛效应”出现的现象是不可能的。同时，必须在尽可能短的时间内阻断“孤岛效应”，因为如一部分电网中发生孤岛现象，将会发生如下问题:(1)当驱动电源为如下情况

42、时，将使施加于负载的“孤岛效应”延长扩大。非三相运行；较大的谐波含量；频率不稳。(2)孤岛的电压相量会相对于主网趋向于漂移，这可能会干扰重联网。(3)如在重合闸前还未消除“孤岛现象”，将会导致不同步并网。如果在孤岛与电网相量不重合时联网，那么接口处会产生很大的电流，导致可能有损坏逆变器或附近设备的扰动产生。(4)对在孤岛电网中进行检修工作的人员形成安全危害。3.2 光伏系统孤岛效应的特点(1)正常运行时，电网控制着电压和频率。当电网被断开后，电压和频率将不再受调节、控制。对于旋转式发电分布系统，频率由转速决定，并且由于旋转磁场的原因，电压波形近似为正弦。因此旋转发电系统的孤岛效应不被视为主要问

43、题11。相反，逆变器是静止式发电设备，没有如旋转式发电机中的转子一样的动态部分，因此，不能提供阻止发电机快速停车的转动惯量。光伏系统使用逆变器送电，由逆变器产生的孤岛效应与旋转系统无可比性13。因为，在此系统中，频率是跟踪孤岛电网中的主要频率的，或者逆变器本身就设定了一个频率。(2)电网中存在旋转负载的情况下，阳光照射较低，光伏系统孤岛效应持续时间较长，这是由于惯性所发的电能比光伏系统发出的电能多，有效地控制着孤岛的持续时间。3.3 孤岛监测和系统保护方法 鉴于孤岛效应的危害，对其进行检测并采取相应的保护措施是必要的。对孤岛效应的识别有多种方式，可以分为主动式和被动式两类。一般规定并网逆变电源

44、本机应同时具有主动和被动识别能力，以提高孤岛效应识别的可靠性，并且要求识别响应时间应小于1s。主动式孤岛效应的识别方式有主动频率偏移、有功功率变动、无功功率变动等。被动式方式有电压相位跳动、三次电压谐波变动、频率变化等12。分析如下: 过压、欠压跳闸保护 这是一种被动式保护方法，如果逆变器电压超过设定的电压范围一定时间，就要使它与电网断开。逆变器的端电压将会略高于联网接口处电压，设计系统时，要求端电压和接口电压之间的电压升高不要超过2%。中速电压保护跳闸也被利用，如电网线电压低于额定电压的80%,10个周波后要把系统与电网断开。当PV所带负载大大高于其功率时，孤岛期间的跳闸都能够实现。选择10

45、个周波是为了在故障后20个周波的快速重合闸之前断开联结。如果在二分之一周波中，电网线电压升高到125%以上或下降到25%以下，则要关掉电源。 频率保护 频率跳闸保护也是一种被动式防孤岛方法。如果电网频率超出所设范围100个周波，则要关闭电源;如低于59Hz或高于63Hz多于7个周波，也要关闭。空载保护当逆变器与电网断开，并且无负荷时，或者光伏电源与负载功率比为5:1时，PV电源在1个周波之内关闭。频率偏差法此法适于对输出电流进行独立控制的逆变器。输出电流的参考信号被置成与测得的电压波有一定的周期偏差。当电网断开时，如果电流参考量周期比电压长，逆变器被称为频率漂移降低;如果电流参考量周期比电压短，逆变器被称为频率漂移升高。在每个电压过零点，都要重置参考信号的相量。频率偏差量值对电流THD有影响，因此为了不超过5%THD，对偏差量的大小有个限制。把电容加到孤岛负载上时，孤岛频率趋向于减小;而加电感于负载上时，孤岛频率趋向于上升。加大PV发电功率与负载的比率，也会提高孤岛频率;否则相反这也就是为什么无论有多大的频率偏差，常常都能够加入电容或电感来抵消频率偏差量的原因14。频率偏差法必须与其它的方法搭配使用，才能提供准确的孤岛保护。变输出功率法孤岛效应存在的条件之一就是输出功率与孤岛内的负载功率大致相匹配。因为逆变器运行于单位功率因数，因此孤岛负载也要接近于单位功率因