独立光伏系统逆变电源研制

适用于风能太阳能互补的正弦波逆变电源设计

东南大学

硕士学位论文

独立光伏系统逆变电源研制

姓名：许美蓉

申请学位级别：硕士

专业：电力电子与电力传动

指导教师：胡仁杰

20060301

适用于风能太阳能互补的正弦波逆变电源设计

摘要

摘要

近年来，光伏发电技术有了广泛的应用，随着我国新能源法的颁布，光伏发电系统将在我国拥有更广阔的发展空间。逆变电源是光伏发电系统的重要部件，其性能对光伏系统的应用产生较大影响。目前，国内纯正弦波输出逆变电源主要采用工频变压器升压输出，这种逆变器体积大、笨重、价格也较高，难以适应技术发展和市场需求。为此，本文提出采用“推挽电路＋高频升压＋全桥逆变”的逆变电源设计方案，有助于降低系统体积并提高系统效率。整个系统设计分为硬件和软件两方面，其中硬件分为直流升压环节和逆变环节。

在直流升压环节，本文采用电压电流双反馈，避免了高频变压器磁偏饱和问题，同时增加了系统稳定性和动态响应速度。控制器为ＵＣ３８４６电流型控制芯片。论文也详细讨论了高频变压器的设计，滤波元器件参数选择。

在逆变环节，本文采用ＩＰＭ集成功率模块，简化了驱动电路设计。由于ＩＰＭ自带欠压保护、短路保护功能，增加了系统抗干扰能力。控制芯片采用价格便宜、性能优越的ａＨｎ７系列单片机

在软件设计中，采用瞬时电压反馈，并采用ＰＩ控制算法，从而产生高质量的电压输出波形，减小输出电压中的谐波含量。论文阐述了软件设计总体思想构架，并给出部分稗序代码。

最后，给出额定功率为１．０ＫＶＡ的单相逆变器样机的试验波形。【关键词】光伏发电、开关电源、推挽电路、妒Ｍ、逆变器、ＳＰＷＭＬＰＣ２１３２，生成ＳＰＷＭ波并监控系统状态。

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东南大学颀士学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｗｉｄｅｓｐｒｅａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｌｏｎｇｗｉｔｈｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙｎｅｗｅｎｅｒｇｙｌａｗｅｎａｃｔｅｄ，ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｈａｖｅｂｒｏａｄｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｐａｃｅｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙ．ｒｅｖｅｒｔｅｒｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｈａｓｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅ

ｕｓｅｓｏｎｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｐｕｒｅｓｉｎｅｗａｖｅｏｕｔｐｕｔｉｎｖｅｒｔｅｒｍａｉｎｌｙ５０ＨＺ

ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｆｏｒｒａｉｓｉｎｇｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ，ｗｉｔｈｌａｒｇｅｓｉｚｅ，ｈｅａｖｙｗｅｉｇｈｔａｎｄｈｉｇｈｅｒｐｒｉｃｅ，ｍａｋｉｎｇｉｔｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏａｄａｐｔｔｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｍａｒｋｅｔｄｅｍａｎｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｉｎｖｅｒｔｅｒｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅ”ｐｕｓｈ ｐｕｌｌｃｉｒｃｕｉｔ＋ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ＋ｓｉｎｇｌｅ＿ｐｈａｓｅｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒ”ｄｅｓｉｇｎｐｒｏｐｏｓａｌ，ｗｈｉｃｈｈｅｌｐｔｏｒｅｄｕｃｅｓｙｓｔｅｍｖｏｌｕｍｅａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｙｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅｅｎｔｉｒｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ

ＩｎＤＣ－ＤＣｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｈａｒｄｗａｒｅＵＳｅＳｄｉｖｉｄｅｓｉｎｔｏＤＣ—ＤＣｐａｒｔａｎｄＤＣ—ＡＣｐａｒｔ．ｆｅｅｄｂａｃｋ，ａｖｏｉｄｓｔｈｅ

ｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｐａｒｔ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｆｅｅｄｂａｃｋａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｈｉｇｌＩ－ｆｒｅｑｕｅｎｅｙｔｒａｉｌｓｆｏｒｍｅｒｍａｇｎｅｔｉｃｂｉａｓｓａｔｕｒａｔｅｄｑｕｅｓｔｉｏｎ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ

ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｐｅｅｄｏｆｒｅｓｐｏｎｓｅ．ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓＵＣ３８４６ｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｐ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ

ＵＳｅＳｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｆｉｌｔｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃｈｏｉｃｅｓｉｎｄｅｔａｉｌ．ＩｎＤＣ—ＡＣｄｅｓｉｇｎｐａｒｔ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔｈｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ，ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ

ｂｅｃａｕｓｅｄｅｓｉｇｎＴｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｔｉｊａｍｍｉｎｇ

ＳＰＷＭａｂｉｌｉｔｙｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄＩＰＭｈａｓｕｎｄｅｒ＿ｖｏｌｔａｇｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｂｕｉｌｔ＿ｉｎ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｐｉｓｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ，ｓｕｐｅｒｉｏｒＬＰＣ２１３２，ｐｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅ

Ｉｎｓｏｆｔｗａｒｅ

ｒｅｓｕｌｔｗａｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄａｒｍ７ｓｅｒｉｅｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｓｓｙｓｔｅｍｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｕｓｅｓｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｖｏｌｔａｇｅｆｅｅｄｂａｃｋｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃｓｔｈｅＰＩｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｕｓｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍ，ｒｅｄｕｃｅｓｃｏｎｔｅｎｔｏｆｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒ

ｃｏｄｅ．ｅｌａｂｏｒａｔｅｓｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏｄｕｃｅｓｓｕｂｐｒｏｇｒａｍ

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｇｉｖｅｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｉｎｖｅｒｔｅｒｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗｉｔｈ１．０ＫＶＡｒａｔｅｄｐｏｗｅｒ．

［Ｋｅｙｗｏｒｄ］ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｌｃｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ，ｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ，Ｐｕｓｈ－ｐｕｌｌｃｉｒｃｕｉｔ，ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ，Ｉｎｖｅｒｔｅｒ，Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｐｕｌｓｅ－ｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

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东南大学学位论文独创性声明

本人声明所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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．也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同１ｊ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了谢意。

研究生签名：盗毒ｋ夔日期：２口！笸：生；

东南大学学位论文使用授权声明

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研究生签名：谴墓盎导师签名擞日期挫止竺，

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第一章绪论

第１章绪论

１．１太阳能光伏发电技术

进入２ｌ世纪，人类面ｌ临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，而能源问题日益严重，一方面常规能源的匮乏，另一方面石油等常规能源的开发带来一系列的问题，如环境污染、温室效应等。人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模开发利用可再生能源和新能源。太阳能光伏发电是一种将太阳光辐射能盲接转化为电能的发电技术，它是可再生能源和Ｉ新能源的重要组成部分，被认为是当今世界上最有发展前景的新能源技术Ｉｏ”。

１．１．１太阳能光伏发电的优点

太阳光辐射能经太阳能电池转换为电能，再经过能窜存储、能管变换控制等环节，向负载提供合适的直流或者交流电能。与常规发电平＂其他绿色能源发电技术相比，太刚能光伏发电技术有以卜』不可比拟的优势１０２］［３０］：

（１）是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源；

（２）能量具有广泛性，随处可得，不受地域的限制；

（３）由于无机械转动部件而运行可靠，故障率低；

（４）维护简单，可以无人值守；

（５）应用场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并网返行：

鳓无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合；

仃）建站周期短，规模大小随意，发电效率不随发电规模的大小而变。

太阳能光伏发电系统由于安全可靠、无噪声，无污染、维护简单、使用寿命跃、规模灵活，既可一家一户地分散供电，也可大规模集中供电或并网运行，应用几乎不受地域条件的限制，资源量又非常丰富，因而始终受剑青睐，被誉为２１世纪的土要发展能源。

１．１．２光伏发电应用现状及前景

（１１世界光伏发电应用现状及前景

由于太阳能发电技术在能源、环境和人类辛｝会未来发展中的重要地位，各发达国家纷纷投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进其产业化进程。８０年代以来，光伏产业一盲保持１０％．１５％的增长速度。从１９９７到２００１年，世界光伏产业年平均增长率达３５．５％，２００４年光伏电池组什的生产量达到１１９４ＭＷ，比２００３年的７４４．２６ＭＷ增长了６０．６４％ｔ…Ｊ。

１９９７年，美国提出了“百万太阳能屋顶计划”，即准备到２０１０年美国将为１００万个家庭安装太阳能屋顶，总容量在１０００ＭＷ－３０００ＭＷ之间，该计划加速和促进了美国光伏产业的快速发展，并计划把发电成本降到６美分／ｋＷ．ｈ。日本政府在１９９７年４月剑１９９８年３月的安装了９４００套用琐光伏系统总计３７ＫＷ，并计划到２０１０年安装７６００ＭＷ的光伏发电系统。欧盟的“可再生能源向皮｝Ｓ”规定到２０１０年生产３７００ＭＷ光伏系统供欧盟地区使用，另有３０００ＭＷ出口。在光伏发电领域，印度是发展中国家的排头兵，截至１９９８年底，印度的光伏系统安装容蕈为３５ＭＷ，计划１９９８，２００２安装１５０ＭＷ［０１１１３０］１“Ｉ。

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目前，单晶硅电池的实验室转换效率达到２４．７％，多晶硅电池的实验室最高效率达到２０．３％，商业化晶体硅光伏电池的效率也从１０％－１３０／ｄ／是高到１３％－１７％。各国政府正在投入巨资，研究进一步提高光电转换效率，扩大生产，降低成本。光伏企业的规模已达到５０．１００ＭＷ／ａ，并ＩＥ在向１００－４００ＭＷ／ａ规模扩大。随着光伏产业规模的扩大和光伏电池效率的提高，世界光伏电池组竹的生产成本ｈ降了１／３。２００２年世界上主要厂家的光伏组件成本已经下降到２．４美元／Ｗｐ，平均售价在３．４美元，ｗＰ。预计２０１０－２０１５年光伏组件成本可以下降到Ｉ美ｆｆ，／ＷｐｔｏｚＪＩ…。

（２）我国光伏发电应用的现状及前景

我国于１９５８年开始太刚能电池的研究，１９５９年第一块有实用价值的太阳能电池诞生，１９７１年首次应用太阳能电池到我国发射的第二颗人造卫星上，并于１９７３年开始地面麻用．１９７９年开始生产单晶硅太阳能电池，使太阳能电池成本明显Ｆ降，打开了地面应用的市场。８０年代，我国政府开始给光伏产业以支持，做了一些示范上程：如太刚能无人值守微波中继站，部队通信系统，水闸和石油管道阴极保护系统，小型户用系统，村庄供电系统等。８０年代中期，随着光伏电池生产线的引进，光伏电池价格的大副下降，市场大为开拓。９０年代以后，光伏电池应用领域已经扩展到通信、交通、石油、气象、国防、农村电气化和民用等国民经济各个领域，光伏电池刚量也以每年２０％速度递增。２００４年我国太阳能电池产量首次超过印度，达到５０ＭＷ。

２００２年，在国家计委启动的西部省份“送电到乡”１程推动Ｆ，当年光伏发电组件安装晕比上一年翻４．５倍。截至到２００３年底，我国光伏发电类装机容茸约达５５ＭＷ。但相比蓬勃发展的世界光伏工业，我国光伏产业仍处于起步阶段。由于光伏发电价格高，人规模的应用仍然受到限制，目前我国光伏发电应用以特殊领域和边远无电地区供电为主。预计在今后的十几年中，太阳能电池的走向将发生很大的转变，到２０１０年以前中国太阳能电池多用于独立光伏发电系统，从２０１ｌ剑２０２０年，中国光伏发电的市场主流将从独立发电系统转向并网发电系统“…。

在《中国可再生能源开发战略规划（２００６．２０２０年）》（草案）中，提出了中国朱来发电能力的规划目标：到２０１０年可再生能源总装机容量达到６０ｘＩＣＫＷ，其中太阳能光伏发电装机总容最达到４５×ｌ０４ＫＷ，是２００３年太阳能光伏发电装机总容鼍的８．１８倍；到２０２０年可再生能源总装机弈荤达到１．２１×１０８ＫＷ，其中太阳能光伏发电装机总容量达到１０ｘ１０’ＫＷ，是２０１０年太ＲＩ能光伏发电装机总容量的２．２２倍”“。

总之，随着我国可再生能源法的颁布，各种减免税政策和补贴政策的出台，将为光伏发电市场的发展提供良好的基础。光伏发电的应用领域将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。

１．２光伏发电系统

１．２．１光伏发电的基本原理

太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应。当适当波长的光照射到半导体系统上，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象就称为光生伏特效应。如图１一ｌ所示，当光照射到由Ｐ犁和Ｎ型两种不同导电类攀的同质半导体材料构成的ＰＮ结上时，在一定条件卜，光能被半导体吸收后，产生电子一空穴对。由于ＰＮ结势垒区存在较强的内建静电场，在内建电场的作用Ｆ。光生的电子和空穴被分离，各向相反方向作漂移运动，于是ＰＮ结两端出现正负电荷的积累，形成“光生电压”，这就是ＰＮ结的光生伏特效应。如果在内建电场的两侧引出电极，ｆ接上负载，则负载就有“光生电流”流过，只要光照不停止，就会不断有电流流过电路ＩｕＪＪＩｕ“。

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第一章绪论

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图１．１光生伏特效应原理图

以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶碎太阳能电池，多品砗太阿ｊ能电池，邗晶礴太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅具有电池转换效率高，稳定性好的优点，但成本较高；非晶硅生产效率高，成本低廉，但转换效率较低，且效率衰减的比较快，不稳定；多品群具有稳定的转换效率且性价比最高，是目前光伏发电系统应用中最理想的材料；薄膜晶体石丰可以降低生产成本，是最具前景的太阳能电池，但目前还处于实验阶段，未龟产。

１．２．２光伏发电系统的分类

从结构特征上看，太阳能光伏发电系统可分为三种基本类犁：独立运行、并网型和混合犁光伏发电系统。

（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ｌ－２所示，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Ｊ｛ｊ。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稃的速率和深度。

图１．２独立运行光伏发电系统

（２）并网型光伏发电系统

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，系统组成如图１．３所示，并网犁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能经并网逆变器变为符合所接电网电能质鹫要求的交流电回馈入电网，而当需要用电时再从电网输出电能。省去蓄电池后光伏发电系统的造价可以人幅度降低。

图１．３并网犁光伏发电系统

（３）混合型光伏发电系统

混合型光伏发电系统是在系统中增加一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池容冒不

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足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，义可以经整流后给蓄电池补充充电，如图１．４所示。在混合系统中，还可以由两种可再生能源发电技术构成混合系统。最常见的是风，光互补系统。

图Ｉ．４混合型光伏发电系统

１．３课题内容

在国内光伏逆变器行业，户用光伏发电系统具有标准化和兼容性等优点，市场潜力非常大。然而市场上专用于光伏发电的逆变电源产品却不胜理想。很多价格便宜的产品均是方波输出，或者修正的正弦波输出，应用场合受剑很大限制。而纯正弦波输出的逆变电源产品中，很多生产厂家仍然在推广工频变压器形式输出，体积大且价格较贵。所以，本文同绕光伏发电系统的组建展开，重点研究了如何虑阁电力电子技术开发一个高性能、纯正弦波输出的独立光伏发电系统逆变电源。

本论文具体研究内容如下：

１．研究了组建独立光伏发电系统所做的工作，对系统容晕设计进行了讨论。

２．独立光伏发电系统逆变电源整体架构，拓扑结构和控制方案分析。

３．根据系统设计目标，用高频技术研制了ＩＫＷ纯止弦波输出逆变电源。对土电路、控制电路、滤波电路及器件参数选择几个设计中的主要环节做了详细介绍。

４．运用软件设计完成系统的大部分功能，在产生ＳＰＷＭ波形的同时，实现对系统的监控和各种保护，使得系统安全可靠运行。

１．４论文结构

为条理清晰，本论文各章内容概述如下：

第１章绪论，阐述了光伏发电的优点、国内外应川现状及发展前景。介绍了光伏发电原理和系统分类、课题内容和论文的组织结构。

第２章介绍独立光伏发电系统的构成和组建，对光伏发电系统的容晕匹配进行了设计。分析并比较了现有的逆变电源总体构架，拓扑结构和逆变控制方案，确定了本系统逆变电源设计方案。逆变电源采用先升压得到高压直流后再逆变的主电路结构。

第３章直流升压电路设计，对推挽电路原理进行了分析，并讨论了解决磁偏饱和的措施。分荆介绍了电路设计及参数选择计算。其中重点介绍了控制电路的实现，电压隔离反馈电路的实现，并对电路中变压器、功率管和滤波电路的参数进行了详细合理的设计。

第４章逆变电路设计，逆变电路采用单相全桥逆变电路。介绍了采用ＩＰＭ集成功率模块的优点，给出控制电路硬件结构。介绍了实现数字ＳＰＷＭ控制的方法，以及各种保护措施的实现。

第５章系统软件设计，概括了软件设计总体思想。给出了主稃序和中断服务子手芊序框图，以及各主要功能的程序框图。重点讨论了数字ＰＩ控制调节的实现和ＳＰＷＭ波形的生成，，ｆ对软仆设计

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第一章绪论

中要注意的几个问题进行了描述。第６章试验结果和展望，给出了论文所取得的成果和不足及今后工作方向。

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第二章独立光伏系统方案设计

２．１独立光伏发电系统的组成

独立运行太阳能光伏发电系统的典型结构框图如上１．２图所示，主要由太阳能电池方阵，蓄电池组，控制器和逆变器四部分构成。

（１）太阳能电池方阵

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，工作电压约Ｏ．４５－０．５Ｖ，工作电流２０－２５ｍＡ／ｃｍ２，而且是直流电，在人多数情况Ｆ很难满足实际廊蹦的需要。为满足负载要求的输出功率，一般都将电池组串并成太阳能电池组件。按照国际电［委员会ＩＥＣ：１２１５：１９９３标准，市场上的光伏电池组件一般采用３６片或７２片多品砖太刚能电池进行串联以形成１２Ｖ和２４Ｖ各种类型的组件。用户可以根据需要选择电池组什组合连接成为太研Ｉ能电池方阵。（２）蓄电池组

太阳能发电系统只能在日间有阳光的时候才能发电，而多数情况人们主要在夜间大每＿ＨＪ电，所以需要存储太阳能电池方阵发出的电能并随时向负载供电。光伏系统对蓄电池组的要求是：１、自放电率低：２、使用寿命长；３、深放电能力强；４、充电效率高；５、少维护或免维护；６、ｒ。作温度范围宽；７、价格低廉。配套２００Ａｈ以上的铅酸蓄电池，一般选用嗣定式或１‘业密封免维护铅酸电池：配套２００Ａｈ以下铅酸蓄电池。一般小型密封免维护钳酸电池。

（３）控制器

控制器是光伏发电系统的核心部件之一，主要用于实现整套系统地充、放电管理。太阳能光伏阵列发出的直流电能，经过控制器对蓄电池充电，在蓄电池朱充满时，控制器的作用是展人限度地对蓄电池充电，当蓄电池被充满时，控制太阳能充电电能，使蓄电池处ｆ浮充状态。当蓄电池放电至接近蓄电池过放点电压时，控制器将发出蓄电池电阜不足报警并切断蓄电池的放电同路，以保护蓄电池。随着光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制器、逆变器以及监测系统集成的趋势，如ＡＥＳ公司的ＳＰＰ和ＳＭＤ系列的控制器就集成了上述三种功能。

（４）逆交器

光伏电池阵列所发出电能为肓流电，而大多数用电设备需交流供电，所以系统中需要逆变器将直流电转换为交流电。对逆变器的基本要求是：Ｉ、能输出一个电压稳定、频率稳定的交流电，无论是输入电压发生波动还是负载发生变换，都要能达到一定的电压精度；２、具有一定的过载能力，一般能过载１２５０／ｏ－１５０％：３、输出电压波形含的谐波成分应尽域少；４、具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能，且具有快速的动态响应。

２．２光伏发电系统容量设计

光伏系统容量设计的目的是要计算出系统在全年内能可靠ｆ作所需要的太瞎ｉ电池组ｆ，｛和蓄电池的数量，同时在满足系统工作最大可靠性的基础上尽量减少系统成本。本论文设计目标是要组建一个１ＫＷ的光伏发电系统，本文根据文献【２］的原理来进行容量设计。

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第二章独立光伏系统方案设计

２．２．１蓄电池设计方法

设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常Ｉ。作。为了茸化评估太阳光连续低于平均值的情况，需要引进一个参数：自给犬数，即系统在没有任何外来能源的情况卜．负载仍然能正常工作的天数【ｕ…。一般来说，自给天数由两个冈素决定：负载对电源的要求稃度和光伏系统安装处的最大连续阴雨天数。通常，负载对电源要求不是很严格的应用场合，自给大数取３—５天；负载要求很严格的府用场合取７．１４天。

蓄电池容量的设计由下面公式来确定叫Ｊ：

蓄电池容量∞定放电率）＝妖篇瑟蔷翥篇丽｝（２－１）

Ａ．最大允许放电深度：一般来说，浅循环蓄电池的最大允订放电深度为５０％，而深循环蓄电池的最大循环放电深度为８０％。如果在严寒地区，考虑剑防冻问题．设计时要适当减小这个值，扩大蓄电池容量，以延长蓄电池的使用寿命。如图２－１为铅酸蓄电池最低温度．最大放电深度曲线｜璺｜【”。

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图２．１／／／枷蓄电池最低掘度’２０。Ｃ蓄电池最低温度．最大放电深度曲线图０

Ｂ．温度修正因子：当温度降低时，蓄电池容量会减小。温度修正是为了保证蓄电池容量大于按照２５℃标准情况算出来的容量，从而满足实际负载的用电需求。温度修上Ｉ二冈子要在指定放电率Ｆ根据供应商提供的数据来选择。

ｃ．指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容犀。蓄电池容鼋随着放电率改变而改变，放电率降低时容量会相应增加。一般取平均放电率，计算公式为

（ｚ．２）平均放电率（小时）＝旦丝雩耋三暴铲

‘Ｊ、，１ｎｋ以一个小型光伏发电系统为例，负载每天耗电为５ｋＷ．ｈ／天，负载平均Ｊ。作时间ｌＯｈ。系统所处地平均最低温度为一１００Ｃ，选择自给天数为５天，蓄电池选用深度循环电池，放电深度为８０％。设逆变器效率为９０％，输入直流电压为２４Ｖ。则计算的日平均负载需求为５０００Ｗ．ｈ／（９０％ｘ２４Ｖ）＝２３１．４８Ａ．ｈ系统所在地平均最低温度．１００ｃ，则根据图２，１铅酸蓄电池最人放电深度．温度曲线，选放电深度

为７０％。则由２－２式得平均放电率＝型二旦竺＝７１．４小时率。０．７０

查文献（０２１中典型温度．放电率一容量变化图，与平均放电率接近的为５０小时率。一ｌＯｏｃ时在该放电率下温度修正因子为０．８，因此蓄电池容鼋为

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蓄电池容量＝—５ｘ百２３再１丽．４９ｉＡ～．ｈ＝２０６６．７９Ａ．ｈ（５０小时放电率）

如果选用１２Ｖ，２００Ａ．ｈ的蓄电池，则串联蓄电池数＝２４Ｖ／１２Ｖ＝２，并联蓄电池数＝２０６６．７９Ａ．ｈ／２００Ａ，ｈ＝１０．３，取整数１１。

２．２．２光伏组件方阵设计

太阳电池组件设计的基本思想是满足年平均日负载的需求。由于太阳能电池的输出受到一些外在因素的影响，经过修上Ｅ的光伏组件计算公式如Ｆ睇Ｉ：并联的组件数量＝雨否聂萃习暑蕃著磊警告鲁碥并联的组件数量２雨否聂萃习茜春苦恭蓍篆等毒磊手ｉ琵百丽串联的组件数量＝黜

１０％以应付库仑效率。

常工作。Ｑ一力（２—２）（２－３）Ａ．库仑效率：在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，所以太阡１能电池组件产生的电流中将有一部分不能转换存储起来而是耗散掉。我们用蓄电池的库仑效率来评价这种电流损失，不同的蓄电池库仑效率不周，通常认为有５＊／ｏ－１０％的损失，设计中一般将负载增加Ｂ．衰减因子；由于太阳能电池实际一ｒ作中会受到外界环境的影响。泥十、灰尘的覆薷帚ｌ组件性能的衰变都会降低太阳能电池组件的输出。设计中一般将组件的输出阶低１０％米确保设计的系统正

Ｃ．组件１３输出计算：用峰值小时数的方法来估算太刚能电池组件的输出。该方法是将倾斜面上的太阳辐射转换成等同的利用标准太阳辐射１０００Ｗ／１１１２照射的小时数。而组件的日输出＝峰值小时数×组件的峰值电流。如某地区３００斜面上某月平均每大辐射量为５．０ｋＷ．ｈ／ｍ２，可以将其写成５。０ｈｘ１０００Ｗｔｍ２。根据文献［３２】太阳能电池板技术参数，对于一个典犁的５０Ｗ１１２Ｖ太阳能组什，峰值电流为２．９Ａ，则组件的日输出为５．０ｈｘ２．９Ａ＝１４．５Ａ．１１／天。

以此来设计上面所述的光伏发电系统，由２，２，２—３式得

并联组件数量＝百页百２函３１面．４五８Ａ丽．ｈｉ丽＝１９．７

串联组件数量＝；：黑－－２ｌ烈ＶＪ

由此选择５０Ｗ／１２Ｖ太阳能电池并联的组件数量为２０块，串联组什数量为２块。

２．２．３设计的校核

在设计好系统容量后，一般需要对光伏阵列和蓄电池的设计进行校核，以保证光伏阵列和蓄电池的协调工作。主要校核蓄电池平均每天的放电深度，保让蓄电池不会过放；投核光伏阵列对蓄电池的最大充电率，要求太阳辐射峰值时对蓄屯池的最大充屯率要小于蓄电池的最人充电率。否则将损害蓄电池。计算公式分别如下：蓄电池日放电深度＝蔼甬≤‰＝弄蘸著瓦奄昱蓦差蒜（２．４）

适用于风能太阳能互补的正弦波逆变电源设计

第二章独立光伏系统方案设计

最大充电率＝蟊高甍妻善罢蔫淼＝弄簇凳需要雾罢警薯耋器ｃｚ—ｓ，

如上所设计的系统，蓄电池日放电深度＝２３１．４８Ａ．ｈ，（１１×２００Ａ．ｈ产Ｏ．１０５＜ｏ．８，该系统中蓄电池不会过放。最大充电率气¨×２００Ａ．ｈ）／（２０×２．９Ａ产３７．９ｈ。

２．３光伏系统逆变电源设计

２３．１光伏发电系统对逆变电源的要求

逆变电源将太阳能电池的盲流输出电能或蓄电池的放电电能转化为交流电能供用户使用。它是光伏系统的关键部件之一，通常对逆变电源要求较高…１：

（１）要求具有较高的转换效率

在光伏发电系统投资中，太阳能电池和蓄电池占相当大的比例，且由于材料和机械性能的限制，进一步提高这两者的转换效率技术上比较困难。为了减少整个系统的投资，比较可行的方法是提高电能的利用率，降低损耗，即提高逆变电源的效率，这样可相麻减少太阳能电池和蓄电池的装机容量，从而降低整个发电系统投资。

（２）要求具有较高的可靠性

目前光伏发电系统主要应用于我国边远无电地区，这些地区运行维护及维修条件比较著，有些电站无人值守，这就要求逆变器在长时间的ｔ作中能保证低故障率，并且具有较完善的白我保护能力：如亩流输入过欠压保护，过热保护，交流输出短路保护，过载保护。

（３）要求直流输入电压有较宽的适应范围

由于太阳能电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池的电压也会随蓄电池的剩余容窜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同较大，例如１２Ｖ蓄电池的端电压可在１０Ｖ＿１６Ｖ之间变动，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证止常上作，并保证交流输出电压的稳定。

（４）在中大容最的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波

因为方波输出含有较多的谐波分犀，高次谐波将产生附加损耗。而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要求。当中、大容量的光伏发电系统，｛：网运行要求，为避免公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。

２．３．２逆变电源基本工作原理

逆变电源的拓扑结构很多，各自的工作过程不完全相同，但晟基本的逆变过稃是相同的。Ｆ面以最基本的逆变拓扑：单相桥式逆变电路为例，具体说明逆变器的“逆变”过稃。

单相桥式逆变电路如图２．２所示，Ｔ１，亿，Ｔ３，Ｔ４是桥式电路的４功率管，由电力电子器什及辅助电路组成。输入直流电压为、‘ｃｃ，Ｚ代表逆变器的负载。当开关ＴＩ、Ｔ４接通时，电流流过Ｔｌ，ｚ和Ｔ４，负载上的电压极性是左正右负；当开关Ｔｌ、Ｔ４断开，Ｔ２、Ｔ３接通时，电流流过Ｔ２．Ｚ和Ｔ３，负载上的电压极性反向，把直流电变成了交流电。改变两组开关的切换频率就可以改变输出交流电频率。得到的是正负半周对称的交流方波电压，负载为纯阻犁时，负载电流电席波形相同，相位也相同；负载为感性时，电流滞后于电压，波形也不同。

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图２－２桥式逆变原理Ｉ璺Ｉ

２．３．３光伏发电系统中逆变器主电路比较

就目前市场上常见的产品而言，光伏发电系统中逆变器的主电路拓扑结构土要有三类Ｉ叫：０）Ｉ频变压器形式主电路：即单级结构（ＤＣ．ＡＣ）如图２．３所示。将直流电压逆变成有效值基本不变的ＰＷＭ波形，由工频变压器升压得到２２０Ｖ交流电压。这种电路方式效率比较高（可达９０％以上）、可靠性较高、抗输出短路的能力较强。但是，它响应速度较慢，波形畸变较重，带非线性负载的能力较差，而噪声大。由于采用工频变压器，体积人，质量大，价格也较贵。目前市场的国产逆变器的主流产品都是这一类。

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工颊ＰＷＭ开关部分

ｌＬ审审ｌ图２－３工频变压器形式主电路（２）高频变压器形式：即三级结构（ＤＣ．ＡＣ．ＤＣ．ＡＣ）如图２－４所示。主电路分为高频升压和Ｉ：频逆变，系统相对复杂。ＤＣ－ＡＣ．ＤＣ部分：首先将直流电压逆变成高频方波，经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的高压肖流电（一般３００Ｖ以上）。ＤＣ．ＡＣ部分：高斥直流通过Ｔ频逆变电路实现逆变得到２２０Ｖ或者３８０Ｖ交流电。系统逆变效率可以达到９０％以上，由于这种电路形式采ＨＪ了高频变压器，体积、重量、噪音等均明显减小。该电路的缺点是电路相对复杂。川勺—岛—ｑ一

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［＿、膏颓开关部分图２－４高频变压器形式主电路（３）无变压器形式：即两级结构（ＤＣ—ＤＣ－ＡＣ）如图２－５所示。将直流电经过甘隔离变化后得剑

适用于风能太阳能互补的正弦波逆变电源设计

第二章独立光伏系统方案设计

高压直流，再Ｔ频逆变得到交流电。不采用变压器进行输入和输出的隔离，体积小、重肇轻、效率高而且系统也不复杂，成本低，适合直流输入电压较高的场合。

图

图２－５无变压器形式主电路

本文所设计逆变器的功率为１０００ＶＡ，其输入电压是蓄电池２４Ｖ直流．而其输出则要求２２０Ｖ稳压的，输出必须加升压变压器。综合比较上述方案，本文采用高频变压器形式的主电路方案，实现高功率密度逆变，设计中分为升压环节和逆变环节。

２．３．４升压环节拓扑结构比较

升压环节实际上是ＤＣ．ＤＣ开关屯源，ＤＣ．ＤＣ变换器的拓扑很多，但我们采川的ＤＣ．ＤＣ变换器是作为逆变电源的直流升压环节，需要有电气隔离。因此这里只介纠如图２－６所示五种常ＪＬ｜｝的隔离式ＤＣ．ＤＣ电路。

（１）正激式。如图２－６（ａ），电路拓扑简单，在变压器绕组中加一去磁绕组就可以实现去磁，是中小功率变换器常用的设计方案。但是，这种拓扑存在许多不足之处。首先变压器铁芯单向磁化，利用率低，主功率管承受两倍的输入电压，只能适合低压输入电路。其次，主功率管一般采埘一ＩＩ空比小于０．５。另外，由于添加了去磁绕组使变压器的结构复杂化，变压器Ｊ一艺水平的高低将直接影响到电路的性能。

（２）推挽式。如图２－６（ｂ）电路结构简单，可以看成两个完全对称的单端止激式交换器的组合。因此变压器铁芯是双向磁化的，相同铁芯尺寸下，推挽电路比止激式电路输出更人的功率。但电路必须有良好的对称，否则铁芯容易引起商流偏磁饱和，另外，由于：变居器原边漏感的存在，使主功率管必须承受超过两倍电源电压，因此功率管电压尖峰很大，承受较人电压廊力。适合低压人电流场合。

（３）半桥式。如图２－６（ｅ）变压器铁芯不存在直流偏磁现象，变压器两象限工作，利用率高，功率管只承受电源电压，适合高压中功率场合。

（４）全桥式。如图２－６（ｄ）功率管只承受电源电压。并且铁芯利用率高，易采削软开关』＝作方式，但功率器件较多，控制及驱动较复杂，并且存在直通现象。适合大功率场合。

（５）反激式。如图２－６（ｅ）它的电路形式与止激式变换器相似，主功率管的承受的电压也相同，只是变压器的接法不同。从输出端看，反激式是电流源，不能开路。

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（ｅ）反激式“：￡—ｔ／：～Ｊ联ｚ：—六～（ｄ）伞桥式

图２－６ＤＣ．ＤＣ隔离变换拓扑图

综合比较上述各拓扑结构的优劣，本系统输入端电压２４Ｖ，属于低压，选择推挽变换方式。推挽电路结构简单，适用于低压大电流的场合，正好满足独立光伏系统的要求。

２．３．５逆变器控制方案比较

逆交器要实现输出纯正弦波，控制方案的实现通常分为模拟控制和数字控制，具体实现方案有如下几种。

（１）模拟控制。控制脉冲的生成，控制算法的实现全部由模拟器件完成。优点是技术前常成熟，有很多可参考的实例。但其存在很多固有的缺点：控制电路的元器件比较多，电路复杂，所＾的体积较大；灵活性不够。硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；调试不方便。由了所采用器彳Ｊ｜特性存在差异，致使电源一致性差，且模拟器件工作点的漂移，导致系统参数的潆移。逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。

Ｃ）由单片机实现数字控制。为改善系统的控制性能，通过模拟、数字（Ａ／Ｄ）转换器，将微处理器与系统相连，在微处理器中实现数字控制算法，然后通过输入、输出口或脉宽调制口（ＰＷＭ）发出开关控制信号。微处理器还能将采集的功率变换装置工作数据，显示或传送至计算机保存。一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行实时监控。微处理器的使Ｈｊ在很大程度上提高了电路系统的性能，但由于微处理器运算速度的限制，在许多情况Ｆ，这种微处理器辅助的电路控制系统仍旧要用到运算放人器等模拟控制元件。

（３）由ＤＳＰ实现数字控制。随着大规模集成电路、现代可编稃逻辑器件及数字信号处理器（ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ＤＳＰ）技术的发展，逆变电源的全数字控制成为现实。ＤＳＰ能够实时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出ＰＷＭ输出值，使得一些先进的控制策略府用于逆变电源控制成为可能，