毕业设计(论文)
开题报告
题 目: 光伏发电型EPS电源设计
院系名称: 电气工程 专业班级: 电气0702 学生姓名: 学 号: 指导教师: 教师职称:
2011年 3月 20日
引言 ...................................................................................................................................................................... 2
光伏发电系统 ...................................................................................................................................................... 2
光伏发电系统对逆变电源的要求 .............................................................................................................. 2
逆变电源的原理与电路结构 ...................................................................................................................... 3
EPS的构造与性能特点 ...................................................................................................................................... 4
(1) 充电器 .............................................................................................................................................. 4
(2) 蓄电池 .............................................................................................................................................. 5
(3) 逆变器与负载适应性 ...................................................................................................................... 5
(4) 自动切换装置与切换时间 .............................................................................................................. 6
(5) 输入输出配电装置 .......................................................................................................................... 7
(6) 电池检测装置 .................................................................................................................................. 7
(7) 控制系统 .......................................................................................................................................... 7
(8) 状态显示器和操作系统 .................................................................................................................. 8
参 考 文 献 ........................................................................................................................................................ 9
毕业设计(论文)开题报告
(1)要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高,为了最大限度地利用太阳电 池,提高系统效率,必须设法提高逆变电源的效率。 (2)要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区,许多电站无人值守 和维护,这就要求逆变电源具有合理的电路结构,严格的元器件筛选,并要求逆变电源具 备各种保护功能,如输入直流极性接反保护,交流输出短路保护,过热,过载保护等。 (3)要求直流输入电压有较宽的适应范围,由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而 变化, 蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用, 但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容 量和内阻的变化而波动,特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大,如 12V 蓄电 池,其端电压可在 10V~16V 之间变化,这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范 围内保证正常工作,并保证交流输出电压的稳定。 (4)在中、大容量的光伏发电系统中,逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是 由
于在中、大容量系统中,若采用方波供电,则输出将含有较多的谐波分量,高次谐波将 产生附加损耗, 许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备, 这些设备对电网品质有较高 的外,当中、大容量的光伏发电系统并网运行时,为避免铎公共电网的电力污染,也要求 逆变电源输出正弦波电流。
逆变电源的原理与电路结构逆变电源将直流电转化为交流,其电路原理如图 3 所示、功率晶体管T1、T3和T2、T4交替开通得到交流电力,若直流电压较低,则通过交流变压器升压,即得到标准
交流电压和频率。对大容量的逆变电源,由人直流母线电压较高,交流输出一般不需要变 压器升压即能达到220V,在中、小容量的逆变电源中,由于直流电压较低,如12V、24V,就必须设计升压电路。
中、小容量逆变电源一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种 其主电路分别如图 3、图4和 图5所示,图4所示的推挽电路,将升压变压器的中性抽头 接于正电源,两只功率管交替工作,输出得到交流电力,由于功率晶体管共地边接,驱动 及控制电路简单,另外由于变压器具有一定的漏感,可限制短路电流,因而提高了电路的 可靠性。其缺点是变压器利用率低,带动感性负载的能力较差。 图3所示的全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点,功率晶体管 T1、T4 和 T2、T3 反 相,T1 和 T2 相位互差 180 度。调节 T1 和 T2 的输出脉冲宽度,输出交流电压的有效值 即随之改变。四只功率晶体管的控制信号和输出波形如图6所示,由于该电路具有能使3
T2 和 T4 共同导通的功能,因而具有续流回路,即使对感性负载,输出电压波形也不会畸 变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地,因此必须采用专门驱动电路或采用 隔离电源。另外,为防止上、下桥臂发生共同导通,在 T1、T4 及 T2、T3 之间必须设计 先关断后导通电路,即必须设置死区时间,其电路结构较复杂。 推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器,由于工频升压变压器体积大,效 率低,价格也较贵,随着电力电子技术和微电子技术的发展,采用高频升压变换技术实现 逆变,可实现高功率密度逆变,这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构,但工作频率 均在20KHZ以上,升压变压器采用高频磁芯材料,因而体积小/重量轻,高频逆变后 经过高频变压器变成高频交流电,又经高频整流滤波电路得到高压直流电(一般均在300V以上)再通过工频逆变电路实现逆变。
采用该电路结构,使逆变虬路功率密度大大提高,逆变电源的空载损耗也相应
降低, 效率得到提高,该电路的缺点是电路复杂,可靠性比上述两种电路低。
EPS 的构造与性能特点EPS 一般由充电器、蓄电池组、逆变器、自动切换装置、输入输出部件、电池监测装 置、控制系统、状态显示器、操作面板等部分组成。
(1) 充电器 )EPS 中的充电器一般采用智能恒流恒压二阶段充电方式或恒压限流的充电方式。 充电 器的好坏对蓄电池的容量及使用寿命影响较大, 应保证最大充电电流不超过所配用蓄电池 的允许值,浮充电压满足配用蓄电池的推荐值,如具备温度补偿特性则更佳,避免快速充 电。当然也有高端的采用其他充电方式,如定时自动进行循环充电方式、自动均充-浮充 控制等, 但在控制上略为复杂。 市电正常时, EPS 中的充电器通常还需要为控制系统供电。 充电器应具备高可靠性和良好的自保护功能, 应能适应较宽的输入交流电压范围, 以保证 在各种恶劣供电环境中正常充电并为 EPS 的控制系统供电。因充电器功率较小,且多数 时间内工作于轻载状态, 其交流输入功率因数和谐波含量等指标并不十分重要。 EPS 中的 充电器通常采用高频开关电源技术实现,也有部分大功率的 EPS 采用了晶闸管相控整流 型充电器。
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(2) 蓄电池 )蓄电池是 EPS 应急供电时的能量来源,是影响 EPS 可靠性的关键部件。目前 EPS 几 乎均采用免维护阀控铅酸蓄电池,该电池技术成熟,价格较低,使用、维护简单,成为 UPS 和 EPS 的首选。
(3) 逆变器与负载适应性 )逆变器是 EPS 中技术含量最高的核心部件,市电异常或火灾报警时,蓄电池存储的 直流电能通过逆变器转换成与市电相同频率、电压的交流电,供给重要负载。因此,EPS 的应急供电质量、逆变效率、负载适应能力等多项重要指标都决定于逆变器的品质。特别 是正弦波逆变系统的技术在 EPS 中就更为重要。同时,逆变器的可靠性也是影响 EPS 整 机可靠性的关键之一。EPS 的逆变器几乎均采用了 IGBT(或功率 MOS 管)SPWM 逆变 技术,但该技术与 UPS、变频调速器等应用领域有较多的不同。它主要是围绕着过载能 力、负荷的适应能力(混合负荷)供电的可靠性做系统设计的。可以这么说 EPS 逆变器 的供电可靠性远远重要于逆变器的供电质量,这也是在设计思路及设计方案上不同于 UPS。由于 IGBT(已发展到第六代)在 UPS、变频调速器、电焊机等已得到充分的应用 和发展,是一个很成熟的电力电子功率元器件。目前经常会见到关于 UPS 与 EPS 负载适 应能力差别的讨论,或用 UPS 替代 EPS。其实它们的逆变控制系统的数学模型是完全不 同的,一般 UPS 是以波形电压反馈的单
闭环控制系统,因此其输出电压的正弦波波形及 电压的动态调整精度特好;而 EPS 专用的动力逆变器控制系统是由电压反馈、电流反馈 组成的多比环控制系统,主回路是完全电隔离的,因此其输出功率过载能力、三相的偏相 运行能力、负载适应能力及适应强制工作能力特强,可靠性及高。在市电正常时,EPS 会直接由市电提供负载, 其负载能力仅决定于供电回路中的断路器、 转换开关和导线的容 量,一般无需讨论,但市电中断时,由 EPS 即刻切换由逆变器输出提供负载,此时应急 供电必须保证其负载的重要负荷正常运行,因此 UPS 与 EPS 负载适应能力的差别本质上 还是其逆变器负载能力的差别。 EPS 的负载具有多样性,但多数情况下是用于应急照明和动力负载。用于照明时,灯 具有白炽灯、节能灯、日光灯和高压气体放电灯等等。用于动力负载时,又分为提供标准 正弦波备用电源的普通型和直接变频驱动电机的变频型等等。 (在无市电状态下依靠完全电池电力启动或不 EPS 的逆变器一般需要具备冷启动能力5
考虑自身设备的损坏) ,以满足“强制启动”功能要求,因此不但要在蓄电池与逆变器直流 母线电容间需要加装缓冲装置, 以完成母线电容的预充电, 防止过大冲击电流导致器件损 坏和直流输入断路器跳闸,还要求逆变器能适应较宽直流母线电压的变化。
(4) 自动切换装置与切换时间 )为实现市电供电与逆变器供电之间的自动切换, EPS 按国家标准必须是后备式的。 为 此自动切换装置是 EPS 中必不可少的部件,也是影响 EPS 可靠性的关键部件之一。根据 EPS 的输出容量和负载要求不同,自动切换装置可采用功率继电器、交流接触器、互投开 关、固态开关(晶闸管)等构成。对 EPS 的切换时间要求具有多样性,例如,一般消防 应急照明要求切换时间小于 5s, 高危险区域使用的消防应急照明要求切换时间小于 0.25s, 为高压气体放电灯供电时, 为保证不熄辉, 则要求切换时间为数毫秒量级, 为风机、 泵类、 卷帘门、电梯等负载供电时,根据应用要求不同,切换时间也会在数毫秒等。 用固态开关(晶闸管)实现市电与逆变器输出之间的快速切换技术已在 UPS 中应用 多年,但也有所不同,UPS 用功率继电器(或接触器)与固态开关(晶闸管)组合成一 个旁路(BYPASS)切换装置的,固态开关(晶闸管)主要是做瞬间过载旁路(BYPASS) 切换, 靠它瞬间使逆变器与电网有个短暂的并联运行, 从而获得瞬间无切换时间的供电 (弥 补了功率继电器或接触器的渡越时间) 。关键是要实现逆变器的锁相运行和对市电即时电 压的快速检
测与跟踪。它并不是真真的断电切换,因这种方式均为“在线式”UPS 所用,真 真的断电切换工作时固态开关(晶闸管)是不参于工作的。当其用于 EPS 时才是固态开 关(晶闸管)真真的参与断电切换,EPS 均为后备式是不设旁路接触器的。就是处于在市 电正常、逆变器也正常运转的情况下,即使是进行不间断的切换,在技术上也是可以做到 的,但实际情况是,切换需要在市电突然发生中断或故障时进行,因市电中断或故障的发 生时刻是随机的和非预知的, 检测确认市电故障需要时间, 此时的切换时间不可能小于检 测、确认市电故障需要的时间。为防止各种电源干扰导致误动作,检测时间不能太短。实 践证明,当检测时间小于 2ms 时,其检测可靠性会明显下降。因此小于 2ms 的切换时间 是不可取的。 在 EPS 的各种负载中,对切换时间要求最苛刻的应当是高压气体放电灯。尽管这种 灯具不允许用于消防应急照明,但由于其高强度、高效率,在许多大型场馆中都有应用。 由于此种灯具一旦熄辉,需要冷却后方能重新启动,为保证照明不发生中断,为其供电的 EPS 必须具备快速切换能力。 根据对多种高压气体放电灯产品的测试, 如果不采取适当的6
续流措施,5ms 的电力中断即可能导致熄辉,个别产品甚至 3ms 电力中断就会熄辉。 而对于某些电梯类负载, 毫秒级的切换显然不是必要的, 但切换时的瞬间失电可能导 致电梯控制系统进入保护状态。此种情况需要通过 EPS 控制系统的延时适当增加切换时 间,方可保证电梯在应急供电后继续正常运行。 在有些应用场合,为了取得零切换,要求将 EPS 设计成在线运行方式,此时的 EPS 实际已变成了一台专用的 UPS,逆变器是长带负荷工作的。
(5) 输入输出配电装置 )EPS 的交流输入输部分一般不像 UPS 那样简单,而需要根据用户要求或设计图纸加 装配电开关。例如市电输入端有时需要加装双路市电自动互投开关(ATS) ,市电直供回 路有时需要加装独立的断路器, 输出回路一般需要多支路输出, 每个支路都要装有独立的 断路器, 有时还需要加装受消防联动信号控制的消防联动输出支路等等。 用户为了安装使 用方便,一般均要求把 EPS 系统的输入输出配电开关装置等全部装于 EPS 产品内部,因 此 EPS 在产品结构上需要为输入输出配电开关留有充分的拓展空间,有时甚至需要专门 按用户要求进行结构设计。
(6) 电池检测装置 )GB17945-2000 标准要求用于消防应急照明的 EPS 能对其电池组中每个 12V 电池单元 的电压进行监测,以此为参照,许多用于其他方面的 EPS 往往也要求提供对每个电池
单 元的监测功能。此时需要为 EPS 配置专门的电池监测装置。因每个电池单元的直流电位 各不相同,检测装置需要能够对其进行隔离采样。目前常见的隔离采样方式有继电器、线 性光耦、先进行 A/D 转换后再用光耦合器隔离传输数字信号等等。不同方式各有所长, 但如果对每一电池单元分别隔离采样,系统将过于繁杂。若先将电池单元适当分组,采用 分组 A/D 转换、数字信号光耦隔离、通过串行数据总线上传的监测方式具有硬件结构简 单,安全性、可靠性高,可自动实时巡检,监测精度较高等较大优势。
(7) 控制系统 )在此仅讨论 EPS 中的控制系统。EPS 的逆变器一般是一独立的模块结构、驱动电路, 与 UPS、变频电源等十分类似,主要是与 IGBT 所配套的典型用法,在此不作讨论。EPS 的控制系统多由以单片机为核心的控制电路构成, 但也有部分产品采用了模拟控制和简单7
逻辑控制或 PLC 控制器。 EPS 的控制系统需要对市电电压、电池电压、负载电流、充电器状态、逆变器状态、 转换开关状态、设置参量、控制指令等多项参量实时监控,并按照正确的控制逻辑向各功 能单元发出控制指令,同时还要有一个较为友好的、简单易懂的用户操作界面,需要具备 较为复杂和灵活的监测、 测逻辑判断和控制能力。 因此选择功能适当的单片机为核心器件, 构成数字化控制器, 可以简化系统硬件, 并利用控制软件的灵活性完成各种需要的监测控 制功能,是最为合理的设计方 案。采用 PLC 完成系统控制也是一种不错的方案,但成本很大,一般仅适用于大系统及 智能化成度极高的高档楼宇配置,对于较小系统,在成本上往往无法接受。模拟控制和简 单逻辑控制方式硬件复杂,在可靠性、灵活性、智能化程度等方面均处于劣势,但也有一 定的实用性。 EPS 的控制系统除完成必须的监测、控制功能外,系统自检、显示信息提供、历史事 件记录、 数字通讯、 计算机远程监控等能力也是相当重要的, 随着楼宇消防智能化的发展, 已将成为EPS必不可少的功能。这些功能只有采用数字化控制,方可实现。
(8) 状态显示器和操作系统 )EPS 的应用状态显示器和操作系统提供了 EPS 的人机界面, EPS 不可缺少的部分。 是 EPS 的状态显示一般由仪表与指令开关式;LED 指示、数字显示与轻触按键式;LED 指 示、菜单式 LCD 显示屏构成。指示灯的设置、颜色和功能需要符合执行标准 (GB17945-2000)的要求, LCD 的显示内容除标准要求的主要参数外,还有各自的人机 对话界面。整机还必须设置强制启动开关,但它必须受钥匙干预才能操作。
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参 考 文 献
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毕业设计(论文)开题报告
负载中直接同时启动的电动机功率之和是 EPS 容量的 1/7; (2)负载中星三角同时启动 的电动机功率之和是 EPS 容量的 1/4; (3)负载中有软启动同时启动的电动机功率之和 是 EPS 容量的 1/3;(4)负载中有变频器启动同时启动的电动机功率之和不大于 EPS 容量;(5)同时启动的电动机当量功率之和不大于 EPS 容量。电动机功率当量=直接 且同时启动电动机总功率之和×5 倍+星三角且同时启动电动机总功率之和×3 倍+办公 启动且同时启动电动机功率之和×2.5 倍+变频且同时启动电动机功率之和。 若电动机前 后启动时
间相差大于 1 分钟均不视为同时启动。(6)同时启动的所有负载(含非电动 机负载) 的当量功率之和不大于 EPS 容量。 同时启动的所有负载的功率之和=同时启动 的非电动机负载总功率×功率因数+电动机当量功率。 (4) 动力型 EPS 带载时容量的计算方式? 带载时容量的计算方式? 用动力型 EPS 带负载时,EPS 容量计算方法:EPS 容量=所带电动机功率容量;以 上所讲 EPS 容量均指 EPS 的标称额定容量(KW)。 (5) EPS 对所配蓄电池有何要求? 对所配蓄电池有何要求? EPS 对蓄电池的要求有:(一)全封密免维护型(二)深度放电性能强:EPS 均设 有强制启动功能, 即此功能强制启动时蓄电池放电无过放电保护, 可以无限制放电下去, 深度放电性能差的蓄电池可能由于 EPS 的此功能启动一次性就损坏而无可再用。镍氢、 镍镉型蓄电池具有优异的深度放电性能但价格太贵不适用, 一般的铅钙型铅酸蓄电池深 度放电能力相对不佳,于 UPS 应用的最低终止电压为 9.5V,一般为 10.2-10.5V 左右, 如深度放电过深则容易造成蓄电池损坏,但目前市场上 EPS 所配蓄电池基本还是此种, 这是源于 UPS 蓄电池的使用习惯,究其原因是 EPS 设计者没有考虑到 EPS 强制启动功 能对蓄电池的影响或不了解铅钙型铅酸蓄电池深度放电能力不佳的这一特性。 相比之下 仅有低锑(1-3%)的铅锑型铅酸蓄电池既经济又有较强深度放电性能且符合全封密免维 护的要求,较适合 EPS 行业配用,然而此种蓄电池也有自放电相对稍高这一弱点,目前 市场上还没有此种蓄电池应用于 EPS 的配置中。 (6) EPS 蓄电池备用时间有何标准,依据是什么? 蓄电池备用时间有何标准,依据是什么? EPS 的蓄电池备用时间国家标准是 90 分钟,依据是:既满足疏散应急照明又能满 足救生照明所需。但目前随着行业或具体项目的竞争,部分经销商为了降低成本,有的 给厂家的合同定单仅定制 60 分钟的备用时间。但也有部分直接用户为了自身的需要定 为 120 分钟或更长时间的。
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(7) 照明型 EPS 逆变切换时间有何要求? 逆变切换时间有何要求? 照明型 EPS 的应急切换时间不大于 5 秒,高危险区域如医院手术室、歌舞厅、车站 候车厅、大型体育场等人群密集场所,EPS 应急电源转换时间不大于 0.25 秒。这是因为 一旦发生火情市电停电,EPS 应急转换时间如果过长很容易使人在黑暗中产生恐慌心 理,从而发生乱窜乱逃的现象,很容易产生群体挤压踏死踏伤的恶性事件。
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