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电力电子课程设计
设计报告
光伏发电并网逆变器研究
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目录
摘要 ................................................................................................................................................... 3
1 概述 ............................................................................................................................................... 4
1.1 课题背景及意义 ............................................................................................................... 4
1.2 光伏并网发电系统概述 ................................................................................................... 4
1.3 分布式发电系统并网标准 ............................................................................................... 5
1.4 课题任务 ........................................................................................................................... 6
2 DC-DC boost 电路设计 ................................................................................................................ 7
2.1 硬开关 boost 变换器 ....................................................................................................... 7
2.2 软开关 ............................................................................................................................. 10
3 DC-AC 逆变电路设计 .................................................................................................................. 14
3.1 单极性正弦脉宽调制原理 ............................................................................................. 14
3.2 低通滤波器设计 ............................................................................................................. 15
3.3 死区效应及补偿 ............................................................................................................. 16
3.4 DSP 控制的 PWM 序列生成 .............................................................................................. 18
3.5 SPWM 逆变电路仿真 ........................................................................................................ 19
4 开环光伏并网逆变器设计 ......................................................................................................... 21
4.1 开环光伏并网系统的建立 ............................................................................................. 21
4.2 仿真 ................................................................................................................................. 21
5 闭环光伏并网控制系统设计 ..................................................................................................... 24
5.1 闭环系统结构 ................................................................................................................. 24
5.2 光伏电池的最大功率跟踪 ............................................................................................. 24
5.3 电压闭环控制 ................................................................................................................. 26
5.4 电流闭环控制 ................................................................................................................. 29
5.5 电压电流双闭环控制 ..................................................................................................... 30
6 相关器件选型 ............................................................................................................................. 31
6.1 无源器件 ......................................................................................................................... 31
6.2 有源器件 ......................................................................................................................... 31
7 辅助电路设计 ............................................................................................................................. 33
7.1 驱动电路设计 ................................................................................................................. 33
7.2 缓冲电路设计 ................................................................................................................. 34
7.3 电流检测电路设计 ......................................................................................................... 35
7.4 保护电路的设计 ............................................................................................................. 36
8 散热结构设计 ............................................................................................................................. 38
8.1 逆变器损耗分析 ............................................................................................................. 38
8.2 散热结构分析 ................................................................................................................. 38
8.3 机箱结构的设计 ............................................................................................................. 39
9 课程设计总结 ............................................................................................................................. 40
9.1 课题自我评价 ................................................................................................................. 40
9.2 感想 ................................................................................................................................. 40
参考文献 ......................................................................................................................................... 41
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摘要
随着人类社会的不断发展 , 能源需求日益增长 。 加之环保意识的觉醒 , 传统能源已不能
满足人类的需求 , 世界各国都在积极寻求环保的新能源 。 太阳能以其储藏丰富 、 安全 、 洁净
的特点受到了人们的重视 。 在太阳能的各种利用方式中 , 光伏发电并网技术成为了其中的主
流。
本文以单相两级式光伏并网功率变换器为研究对象 , 对 DC-DC 直流升压电路和 DC-A C
逆变电路的主电路原理以及实现进行了详细的讨论 , 并在 DC-DC 直流升压电路中对软开关
电路进行了尝试。
此外,本文还对系统中各元器件参数整定以及相关公式推导、外围辅助和驱动电路的
选型做了相关的论述。对光伏并网控制的基本方法(最大功率点跟踪、电压电流反馈等 ) 做
了介绍,并分析了各种控制方案的特点。对各个环节的设计利用 MATLAB simulink 进行了
仿真 。 仿真结果证明 , 在闭环控制条件下 , 输出电能指标符合任务要求 , 同时具备了一定的
抗波动以及自调节能力。
关键词: 光伏并网, boost 电路,逆变电路,最大功率跟踪,电压电流双环控制
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概述
1.1 课题背景及意义
随着人类社会的不断发展 , 人们的经济及文化活动需要大量的能源 。 目前 , 人类利用的
电能主要有三种,即火电、水电、核电。但是由于化石燃料的有限性和分布的不均匀性 , 造
成了世界上大部分国家能源供应不足 , 不能满足经济 、 社会发展的需要 , 并且由于储存量有
限 , 矿物能源正面临着枯竭的危险 。 另外 , 由于燃烧煤 、 石油等化石燃料 , 全球自然环境面
临严重威胁;水电、核电等又受到资源、地域等的约束,发展受到相应的限制。
太阳能 , 储藏丰富 、 安全 、 洁净 。 大约 40 分钟照射在地球上的太阳能 , 便足以供全球
人类一年能量的消费,太阳能和其它形式的太阳能一起被誉为 “ 人类的理想能源 ” 。
太阳能的利用主要包括热利用 、 化学利用和光伏利用 。 光伏利用的主要形式是光伏发电
,
有独立供电和并网两种工作方式 。 过去光伏发电大多采用独立供电方式 , 用于偏远无电地区
,
而且用于户用和中小系统偏多 , 易受到诸如时间和季节的影响 。 随着电力电子技术的进步和
控制理论的发展 , 光伏产业发生了巨大变化 , 已经开始向并网发电转变 。 并网发电已经成为
光伏发电的发展趋势。
并网发电开始于 80 年代初,但由于当时成本过高,且环境效益还不是很明显,使得电
力公司难以接受。直到 90 年代,国外发达国家才掀起了光伏并网系统研发的高潮,美国、
欧洲 、 日本等国家已实施了光伏屋顶计划并取得了一定的成果 。 同时许多发达国家成功启动
并实现了兆瓦级的大型光伏并网电站计划 。 专我国在 “ 九五 ” 期间 , 将太阳能并网系统列为
国家科技攻关项目 , 但国内光伏并网系统的研究和开发尚处于起步阶段 。 光伏并网发电的关
键技术及设备仍主要来自进口 , 面对如此巨大的国内需要 , 发展具有自我知识产权的相关高
新技术,从而实现产业化是刻不容缓的事情。
1.2 光伏并网发电系统概述
1.2.1 光伏并网发电系统的构成
为了使太阳能大规模应用 , 太阳能发电的应用趋势就是由边远无电地区的独立供电模式
向有电地区的常规并网发电方向发展 , 即将太阳能发电系统与电网并联 。 当太阳能电池输出
电能不能满足负载要求时 , 由电网来进行补充 ; 而当输出的功率超出负载需求时 , 将电能输
送到电网中。常见的光伏并网发电系统如图 1 - 1 所示。主要包括并网逆变器、最大功率跟踪
控制器 (MPPT) 、保护装置等。
图 1-1 光伏并网系统
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1.2.2 光伏并网逆变器
并网光伏发电系统的核心是并网逆变器 , 它实质上是一个有源逆变系统 。 根据不同的输
入电压与输出电压的变化范围 , 传统的 Buck 、 Boost 、 buck-boost 以及半桥 、 全桥变换器等在
并网逆变器中都获得了广泛的应用。图 1-2 所示为一个应用传统全桥的并网逆变器,结构简
单 、 可靠性好并具有良好的稳定性 。 但如果输出交流电压高于输入直流电压时 , 需要使用工
频变压器升压 。 由于工频变压器体积大 , 效率低 , 所以 , 现在并网逆变器拓扑结构中不使用
工频变压器或者采取高频变压器取代工频变压器。
图 1-2 传统并网逆变器
在光伏系统中逆变器主要具有以下的特点:
( 1 )将光伏电池的直流电转换成适合电网的交流电,功率因素近似为单位功率因素;
( 2 )光伏电池提供的直流电压的波动范围比较大,逆变器可能工作在宽输入直流电压的环
境下;
( 3 )逆变器具有高的转换效率,损耗小,效率高 。
目前国内并网型逆变器的研究主要集中在 DC-DC 和 DC-AC 两级能量变换结构,而且研
究主要围绕集中型展开。其中, DC-DC 变换环节主要的工作是将太阳能电池输出的电压升
压并稳压,保证 DC-AC 得到稳定的直流。并且能够一直跟踪太阳能电池的最大功率点;
DC-AC 逆变环节主要是保证输出电流与电网电压同相位,同时获得单位功率因数。两级分
别具有独立的控制目的和控制方法 , 可以分开设计 , 使得两级之间耦合不紧密 , 因此系统的
控制环节易于设计和实现 。 由于只有一级最大功率点跟踪环节 , 整个系统中相当于设置了电
压预调整单元 , 使系统具有较宽的输入范围 ; 同时 , 前一级的最大功率点跟踪环节可以使得
逆变环节的输入相对稳定,而且输入电压较高,这有利于提高逆变环节的转换效率。
1.3 分布式发电系统并网标准
随着分布式并网发电系统的增加,它们在一定程度上改变和影响了电网及其调节能力
。
因此,国际上相关部门针对分布式并网发电系统制定出了一系列的技术尺度和并网要求。
2003 年 6 月,由标准制定委员会 21(Standards Coordinating Committee 21 , SCC21) 发布的
IEEE Std 1547-2003 是第一个规范燃料电池 、 光伏系统 、 分布式发电装置 、 能量储存设备这
类分布式电源系统并网的标准 。 该标准考虑的是容量不超过 10MVA , 工作频率为 60Hz 的分
布式发电系统。所以针对中国的 50Hz 市电研究,将根据该标准按比例修改后作为参考。
标准中以 60Hz 分布式发电系统为对象,得到表中的频率异常范围和响应时间。 60Hz 下的
系统正常范围是 59.3~60.5HZ ,根据功率情况又分为两类,如表 1 - 1 所示:
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