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畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127論文題目:太陽能并網發(fā)電的研究畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127摘 要本文旨在研制一單相低功率太陽光電能能量轉換系統(tǒng),將太陽能板所產生的直流電力轉換成交流電力輸出。轉換器的功率電路由推挽式轉換器與全橋式變流器兩級電路串接而成,可使太陽能電池模組的組裝更具彈性。本系統(tǒng)可操作在市電并聯模式或獨立運轉模式,在市電并聯運轉模式下并可隨著不同的日照強度,調整變流器的輸出電流控制訊號,使太陽能板能夠運轉在最大功率點。最后實際制作一套150W 之轉換系統(tǒng)雛形,并且由模擬與實測結果互相比較,以驗證本文所提系統(tǒng)之可行性。關鍵詞:太陽能轉換器,市電并聯,獨立運轉The Resarch Of Solar GridAbstractThe design and implementation of a small-scale solar energyconversion system is presented in this thesis. The power circuit of the PV inverter is composed of a push-pull converter and a full-bridge inverter.The inverter converts DC power generated by photovoltaic cells into AC power. This design allows flexible arrangements of various solar cellsmodules. The systems can supply loads and feed excess power to the gridwith unit power factor when operated undergrid-connected mode,orsupplyloadsexclusivelyby operating in the stand-alone mode.Ingrid-connected mode, it is controlled to follow the variations of solarpanel insolation for achieving maximum power point tracking. A 150W prototype of the conversion system is implemented, simulation and experimental results are provided to verify the performance.Keywords:photovoltaic conversion system, grid-connected, stand-alone目錄1緒論12總體設計方案1 2.1 設計思路1 2.2 設計原理分析1 2.2.1 設計簡介1 2.3 總體設計方框圖43逆變系統(tǒng)電路4 3.1直流升壓器4 3.2 驅動電路和逆變器5 3.3電流回路控制6 3.3.1最大功率追蹤電路73.4 PWM產生電路73.5 市電電壓反饋電路83.6 太陽能板電壓反饋電路83.7電流反饋電路93.8檢測電路103.9 電壓回路控制電路104 并網系統(tǒng)11結論11致謝12參考文獻13附錄151 緒論在現今各種能源逐漸枯竭的情況下,人類必須找尋新的替代能源,并且這個新能源必須要是能取之不盡,用之不竭的。目前有可能實用化的再生能源主要有太陽能、風力、燃料電池、地熱發(fā)電等,其中最有可能來發(fā)展的替代能量為太陽能。自 1992 年起歐、美、日等國各地之電力公司,由政府制定政策配合大力推動下,已向太陽能發(fā)電系統(tǒng)購買多余電力,以減少尖峰用電時供電不足之困境,至今成效卓著。日本政府在 1994 年已訂定了完善的太陽能供電系統(tǒng)安裝及補助計劃。1998年,美國總統(tǒng)克林頓公布了百萬太陽能屋計劃,企圖增加太陽光電能及太陽能熱水器的使用。而歐聯的能源委員會也提出一項計劃在歐洲補助建造500000棟的太陽能房屋,并在開發(fā)中國家另外建造 500000 棟的太陽能房屋。 目前國內對于太陽能的應用主要還是在太陽能熱水器的產品上,并且民眾接受程度也高。因此,在缺乏新能源的今天,如何發(fā)展太陽能發(fā)電系統(tǒng)是一重要課題。太陽能的發(fā)電成本雖然比其他發(fā)電方法的成本來的高,但由于最近這幾年來太陽能電池制造技術的提升,使得太陽能電池的價格比起前幾年來說已有明顯的降低,未來太陽能電池模組的價格可望降到US$1/瓦以下,也因此使太陽能發(fā)電系統(tǒng)越來越有競爭力。太陽能發(fā)電系統(tǒng)之成本與效率,除了取決于電池模組外,系統(tǒng)所需之電能轉換器亦扮演重要角色。目前對太陽能電能轉換器的要求為:(1)轉換器成本低。(2)轉換器可模組化。(3)可針對不同的需要,提供各種規(guī)格的輸出。2 總體設計方案2.1 設計思路本設計是輸出功率為150W,頻率為50HZ的交流光電轉換設備,基本的太陽能的發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池、逆變器組成。但是要和市電并聯,并實現供電,實現自動控制,所需的外圍電路更多,如市電的相位檢測,如何使逆變器輸出的電壓電流信號和市電同步,以及在太陽能系統(tǒng)或是市電電網出現故障的時候檢測。首先要解決的是光電轉換原件太陽能電池板的選取,這里我們選取西門子公司生產的Solarmodule SP75電池板,其參數如表12.2 設計原理分析2.2.1 設計簡介(1)系統(tǒng)分類一般而言太陽光電能系統(tǒng)可區(qū)分為在偏遠地區(qū)或離島地區(qū)市電無法到達的地方所使用的獨立發(fā)電系統(tǒng),以及有電力線所連接的并聯系統(tǒng)。獨立系統(tǒng):指其太陽光電能只直接供給某些負載,利用太陽能板在白天產生電力,并對蓄電池組充電,而在夜晚在由蓄電池組經由電力轉換器提供電源給負載,而電力轉換器輸出為可定電壓、定頻率控制的電壓源。表1 太陽能電池板的單板電氣參數(1kW/m2,25 C)電氣特性規(guī)格額定最大輸出功率(WP)75額定電流IMPP (A)4.4額定電壓VMPP(V)17.0短路電流IC (A)4.8開路電壓VOC (V)21.7NOCT()(NORMALOPERATING CELL TEMPERATURE)452短路電流溫度系數KI(mA/)2.06圖1 獨立型太陽能供電系統(tǒng)示意圖市電連接型系統(tǒng):能和市電并聯向電網供電,優(yōu)點是(1)節(jié)省配線費用,因為系統(tǒng)使用住宅原有配線、(2)除去蓄電池的需求,因市電可提供不足電力、(3)能賣多余電力給市電、(4)有時系統(tǒng)的尖峰發(fā)電期正吻合市電之尖峰用電需求,具有抑低尖峰負載的效果。市電連接方式選擇,市電連接方式有多極系統(tǒng)和單級系統(tǒng),由于多極系統(tǒng)設計復雜且不易控制,且效率低下,我們選用單級系統(tǒng),好處是其構成只有逆變器一級,效率提升了,而且逆變器基本上是一個單相全橋整流電路加一個LC濾波器構成,為了減少這種逆變器輸出電流的漣波,在逆變器電路上再加路,再采用合成的PWM控制便可大量消除輸出電流的漣波大小。單級系統(tǒng)主要的缺點為太陽能板的直流電壓一定要高于市電電壓的峰值系統(tǒng)才能運作,而市電電壓一般多為交流110v/ 220v 系統(tǒng),所以太陽能板的串聯數量一定非常多,并且由于太陽能板受環(huán)境溫度、日照強度影響很大,若天氣變化劇烈,其輸出電壓變化的范圍會太大一個而影響太陽能發(fā)電系統(tǒng)的正常輸出。圖2 市電連接型太陽能供電系統(tǒng)示意圖最大功率點追蹤控制及達成系統(tǒng)與市電并聯供電是此類轉換器所要達成的基本功能。除了以上功能,更具備了虛功諧波失真的補償的功能及不斷電系統(tǒng)的功能,利用逆變器之反相操作,使之兼具整流功能,并利用離峰電力來對電池充電,達成電池儲能的功能,而且更可以操作在獨立運轉模式,獨立供給負載電力。市電連結型的太陽能供電系統(tǒng)除了其性能與功用之外,另外其安全性也是另一個注意的重點。為了保持電力系統(tǒng)的電力品質及安全性,除了要求系統(tǒng)輸出電流的功因、諧波成分及市電電壓的過高和過低電壓和過高頻低頻檢測之外,孤島情況的問題更是倍受重視。其中孤島情況的防止主要是在保護電力系統(tǒng)維修人員的安全。 圖3 單級架構圖(2)最大功率點追蹤由查詢到的資料,我們可以知道,太陽能電池板的電壓與電流是呈現非線性的關系,并且在不同的工作環(huán)境下,由于環(huán)境溫度及日照強度不同,其具有不同的工作曲線。而且每條工作曲線均有一個最大功率點,此最大功率點就是太陽能板的最佳工作點,因此為了有效提高太陽能板的工作效率,我們需要控制太陽能板的輸出,是太陽能板隨時都能夠在其最大功率點,文獻給出了幾種追蹤的方法,在此我們只選用直線近似法,因為它比較容易實現而且電路設計簡單,但其需要太陽能板的具體參數。(3)孤島情況檢測與保護孤島情況是指當市電發(fā)生故障后,太陽能發(fā)電系統(tǒng)沒有即時檢知并切離配電系統(tǒng),而與負載呈現獨立供電的現象。事實上,不只太陽能發(fā)電系統(tǒng)會有這個問題的存在,只要是分散式的發(fā)電系統(tǒng),例如:風力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等,或是一般并聯在市電的發(fā)電設備都會有此問題產生,當孤島情況一但發(fā)生時,常會導致一些不良的問題產生。例如:(1)當市電故障后,電力系統(tǒng)維護人員必須在斷電的情況下做市電的修復,但由于此時 太陽能發(fā)電系統(tǒng)還在持續(xù)運作,將使得電力系統(tǒng)維修人員的安全受到威脅;(2)在孤島效應發(fā)生時,由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)失去了市電作為參考訊號,所以電力轉換器的輸出電壓,電流及頻率會發(fā)生不穩(wěn)定的現象,若不及時切離其它負載,在此情況下會使得一些較敏感性的負載受到損害。當有越來越多的分散式發(fā)電系統(tǒng)并聯到市電時,發(fā)生孤島情況的機率也會變得越來越大,使得孤島情況的檢測與保護更顯得重要。本論文中使用被動檢測法檢測市電的狀態(tài),以電壓、頻率作為判斷市電是否故障的依據。2.3 系統(tǒng)方框圖 圖4 總體方框圖3 逆變系統(tǒng)電路3.1 直流推挽式升壓器在系統(tǒng)運作時,由于本系統(tǒng)所設計的太陽能板輸出電壓只有 24V左右,其大小不足以提供逆變器切換成交流 110V 電壓輸出,所以本論文利用一直流升壓器將太陽能光電板輸出的 24V 的直流電壓升至約 200V 的直流電壓以提供逆變器作輸出。在本論文中使用推挽式切換式電源電路,來做此功能的運作,為了使簡化電路,使電路更為簡單,我們使用 KA3525 PWM調變IC來作此推挽式轉換器的控制IC,此IC具有RC振蕩器,利用改變 R與C之值,就可用來設定PWM的切換頻率;截止時間比較器可設定最大工作周期;通過兩組PWM輸出控制開關三極管,讓初級線圈左側的電容和電感形成諧振回路,由于諧振回路中L、C的電壓電流是變化的,在副線圈就形成了感應電壓,通過整流電路變成了脈動直流電,在整流橋前端并聯一個R.C電路是為了濾波,通過整流橋,使輸出電壓波形為平直的,也就是高壓直流電。而為了改進開關管在不斷開關中的延遲,導致波形不連貫,設置了一個一個有極性的大電容,以避免在一側開關管在PWM控制下截止而另一側開關管還沒有開啟的情況下,儲存電能,在空白時間返回能量,由于使用了KA3525,因此在電路設計上可大幅降低硬體線路,較易掌握各電路間的情況,本論文在轉換器的控制上采用固定周期的方法,使其升壓比例為固定值。其完整電路,如附錄所示。圖5 推挽式直流升壓整流電路3.2 驅動電路與單相逆變器如圖6所示為驅動電路和逆變器的電路圖,驅動電路的目的是隔離并放大有PWM產生電路所產生的正弦脈波快讀調變信號,是功率原件能依照次信號作正確的動作。由于PWM產生電路送出的小信號脈波,其功率及電壓無法直接推動后繼的全橋式逆變器,故需要有光耦合隔離器,耦合成較高功率及較高電壓之脈波來驅動后級的逆變器,本論文使用TLP250光耦合器來作此項工作。TLP250具有快速響應、大電流情況下高頻切換所造成的干擾信號,并可以使控制電路與驅動電路作電器隔離,以保護控制電路的正常的操作,另外,我們在功率原件的基極和源極并上一個約10K的電阻以降低雜散信號的干擾,在光耦合器左側各有一個接口用來輸入PWM調制波,通過驅動電路的放大來驅動后側的大功率三極管電路,通過對大功率三極管的開關控制,產生了一個頻率一定的,幅值不等的矩形波,也就是正弦波的頻譜,由傅立葉變換可知,矩形波可以轉換成N個頻率和幅值不等的正弦波的疊加,后路再加一個低通濾波器以濾去不需要的高頻波,留下近似于市電的正弦波。圖6 驅動電路及逆變器3.3 電流回路控制電流回路控制電路方塊圖如圖7所示,其中包括了最大功率點追蹤電路、鎖相電路及其它的運算電路。由電壓反饋電路將市電電壓Vs反饋后送入鎖相電路,以取得市電電壓的相位做為逆變器輸出電流的參考相位,再與由最大功率追蹤電路中所計算得知的最大功率點時的電流 Imppt 相乘,就可得知再最大功率點操作時,逆變器所應輸出的電流之大小及相位,將此電流當作參考電流訊號Iref,再與逆變器實際的輸出電流 Io相減,做閉回路控制,最后再加入電流前饋訊號送入 PWM 產生電路,此為整個控制電路的流程。 圖7 電流回路控制電路框圖3.3.1 最大功率追蹤電路為了最大效率的使用太陽光的能量,同時也為了輸出電壓電流的穩(wěn)定,必須有最大功率追蹤電路,由查詢到的資料,我們可以知道,太陽能電池板的電壓與電流是呈現非線性的關系,并且在不同的工作環(huán)境下,由于環(huán)境溫度及日照強度不同,其具有不同的工作曲線。而且每條工作曲線均有一個最大功率點,此最大功率點就是太陽能板的最佳工作點,因此為了有效提高太陽能板的工作效率,我們需要控制太陽能板的輸出,使太陽能板隨時都能夠在其最大功率點,也就是最大功率點追蹤,我們使用直線近似法來追蹤,因為它容易實現而且電路設計簡單,但是需要太陽能板的具體參數。其電路原理圖如圖8所示,其功能為計算逆變器輸出電流的大小,使太陽能板能操作在最大功率點。其電路做法為將太陽能板的輸出電壓及電流取回相乘后,取得太陽能板的輸出功率訊號,再乘上一比例值(K),就可以求得太陽能板理想輸出電流 Imppt 的大小。圖8 最大功率追蹤電路3.4 PWM產生電路PWM 產生電路方塊圖如圖9所示,本論文采用單極性電壓切換的方式來做逆變器的控制。首先,由三角波產生電路產生一11.4kHz的三角波信號,將此三角波反向之后,再分別與調制訊號做比較產生PWM 控制訊號。另外,考慮開關元件之非理想因素,即其導通與截止過程均需要時間,因此同一臂上二開關切換時間必須錯開一小段時間,此段時間稱之為空白時間,以避免二開關同時在非完全導通或截止狀態(tài)下發(fā)生短路之情況。本論文使用IXDP630來產生空白時間,此空白時間之作法乃將每一開關由 OFF至ON之瞬間往后延遲一時間t。一般來說空白時間的大小必須配合開關之切換速度,我們利用IXDP630 只需經由調整外部 RC 值,就可以依不同功率晶體的需求來控制空白時間的大小,本論文中的空白時間大小為 6s。圖10為電壓反饋電路和鎖相電路輸送正弦波信號到PWM控制電路來控制驅動電路和控制電路的,通過控制開關的關閉實現調制頻率和相位的目的。圖9 PWM產生電路方塊圖 圖10 PWM產生調制電路3.5市電電壓反饋電路圖11所示為市電電壓反饋電路。由于市電電壓為110V 的電壓,所以我們先藉由變壓器來作隔離及降壓的功能,再經由一級電壓跟隨器后,送入主控制電路的鎖相電路中。 圖11 電壓反饋電路3.6 太陽能板輸出電壓反饋電路圖12所示為太陽能板輸出電壓反饋電路。由本論文使用的太陽能板參數知道太陽能板的輸出電壓最高為21.72=43.4V,所以我們依太陽能板的變動特性,將太陽能板輸出電壓的感測范圍設定在 15V45V 之間。我們將太陽能板輸出電壓分壓后,再經由一級電壓跟隨器,送入主控制電路的最大功率追蹤電路中。 圖12 太陽能板輸出電壓反饋電路3.7電流反饋電路電流反饋電路中包括了逆變器輸出電感電流(Io)及太陽能板輸出電流(IPV)的反饋電路。本論文采用HY5-P霍爾CT元件來檢測電流信號,將電流信號輸入霍爾 CT元件,經內部的霍爾效應將電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?,經OP放大器將信號放大,最后送至主控制電路中,其電路如圖13所示。另外,由于霍爾CT可能會產生直流偏移問題,故必須在加一直流準位來調整其直流偏移量。此種電流截取方式可將電力電路和控制電路完全隔離,而不會有共地的問題,亦可降低功率消耗,改善了傳統(tǒng)的電流截取方式。 圖13 電流反饋電路3.8 孤島檢測電路在本論文中,我們使用被動檢測法來檢測孤島情況的存在與否,就是檢測市電電壓和頻率的方式做孤島情況發(fā)生時的保護。當市電電壓大小或頻率的高低超過我們所設定的范圍后即送出一個觸發(fā)訊號通知直流升壓器及逆變器停止輸出,并且通知繼電器將系統(tǒng)與市電網路切離。為了能夠達到此功能所以我們分別設計了市電電壓檢測電路及市電頻率檢測電路。圖14 市電電壓檢測電路方框圖圖15 市電電壓頻率檢測電路方框圖3.9 電壓回路控制在獨立運轉模式下,其主要目的為控制逆變器的輸出電壓,所以我門所需的硬體電路,除了單相逆變器、升壓器,逆變器的開關功率元件的驅動電路、緩沖電路、PWM產生電路之外,我們還需要逆變器輸出電壓的電壓反饋電路以及計算逆變器輸出電壓的電壓回路控制電路。另外,由于逆變器輸出電壓反饋電路與前面介紹的市電電壓反饋電路是相同的,只是反饋的是逆變器的輸出電壓而已,其原理相同。以下就只對電壓回路控制電路作說明。電壓回路控制方塊圖如圖16所示,當系統(tǒng)在操作在獨立運轉模式下時,由鎖相電路產生一參考50HZ的正弦波給控制電路作參考Vref,作為變流其輸出電壓的參考,再與逆變器實際的輸出電壓Vo相減,做閉回路控制,最后再加入電壓前饋訊號送入PWM電路,此為整個電壓控制電路的動作流程。 圖16 電壓回路控制電路方框圖4 并網系統(tǒng)并網系統(tǒng)其實是由零點檢測電路和鎖相電路組成,其電路圖如圖17所示,其功能是取得市電電壓的相位,及在獨立運行是提供一參考正弦波給控制電路,在本論文中我門使用LM565這顆鎖相IC,配合零點偵測電路及帶通慮波器來作鎖相電路,首先,我門將市電電壓利用電壓反饋電路取回后經零點這策電路取得市電電壓的相位,在送入LM565作鎖相,由于LM56為方波,所以必須再有一級帶通濾波器將方波濾波成正弦波輸出。再送入PWM控制器進行比較,然后由PWM控制產生4路控制信號,這4路控制信號通過驅動電路的放大然后驅動4個大功率三極管的開關關和閉,開關的頻率由PWM產生電路通過和市電比較產生相同頻率的4路信號,進而控制逆變器產生相同頻率和相位的正弦波信號。圖17 并網控制電路(零點檢測及鎖相電路)結論太陽能為目前最有可能實用化的能源,所以如何發(fā)展太陽能發(fā)電系統(tǒng)為一重要課題。太陽能發(fā)電系統(tǒng)中除了太陽電池模組外,其所需的電能轉換器亦扮演重要角色,轉換器除了能將太陽電池所發(fā)出能量轉換成一般負載所使用電力之規(guī)格外,一般還必須搭配其它能源系統(tǒng),使其在夜晚或低日照的情況下也能供給負載使用。本論文分析與設計一150W 之太陽光電能轉換器,電路架構的設計主要由推挽式直流升壓器及單相逆變器所組成,此方式可降低轉換器的輸入工作電壓,使得太陽能電池模組的組裝方式更有彈性,以提供不同地方的需求。在逆變器的控制上分別由逆變器之電壓源型電流控制及電壓控制,使系統(tǒng)能達到系統(tǒng)與市電并聯供電或獨立供電之目的,以提高其適用范圍。并加入系統(tǒng)過欠電壓及過欠頻率偵測,以防止孤島情況的發(fā)生。本論文所安裝之太陽能電池模組在一般的天氣狀況下,其輸出電壓約在直流 20-35V 之間,因此本論文利用推挽式直流-直流升壓器將電壓提升到直流160V-280V之間,再利用逆變器作輸出。由模擬與實作結果中可驗證,本文所制作之太陽光電能轉換器確實可以操作在并聯市電運轉模式,配合最大功率追蹤的方式將太陽能電池模組所產生之能量利用本系統(tǒng)轉換與市電并聯,將能量傳送回市電或一起供給負載使用,并加入了簡單的保護裝置,以提高安全性;而操作在獨立運轉模式下,可以將太陽能電池模組所產生之能量直接轉換成交流 50Hz、220V 之電力,提供一般小型的負載使用。由前面之實驗結果可驗證本文所提之電路架構及控制策略的可行性。致謝經過半年的忙碌和工作,本次畢業(yè)論文設計已經接近尾聲,作為一個本科生的畢業(yè)論文,由于經驗的匱乏,難免有許多考慮不周全的地方,如果沒有導師的督促指導,以及一起工作的同學們的支持,想要完成這個設計是難以想象的。在論文寫作過程中,得到了指導老師的親切關懷和耐心的指導。他嚴肅的科學態(tài)度,嚴謹的治學精神,精益求精的工作作風,深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成,老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。多少個日日夜夜,老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導,同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷,除了敬佩指導老師的專業(yè)水平外,他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣,并將積極影響我今后的學習和工作。在此謹向老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在論文即將完成之際,我的心情無法平靜,從開始進入課題到論文的順利完成,有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助,在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母,謝謝你們!最后我還要感謝機電學院和我的母校河南科技學院四年來對我的栽培。參考文獻1歐宏麟.太陽電池供電系統(tǒng)控制器之研制J.電力電子技術,1995(4 ): 35-602黃慶連,白富升,蔡明村,黃世杰.電流控制逆變器之光伏系統(tǒng)孤島行為之研究J.第十九屆電力工程研討會論文集,1998 年。3吳財福,何佩怡.太陽能與市電并聯之單獨運轉現象探討J.電力電子技術,1999 年。4何信龍,關侃勝,蔡慶龍,吳黎明.太陽能電力轉換器與最大功率追蹤J.第十七屆電力工程研討會論文集, 1996 年。5黃慶連、蔡明村、林清一、蔡文蔭.光伏系統(tǒng)併入電力線之應用研究J.第十七屆電力工程研討會論文集,1996 年。6黃慶連、林清一、蔡明村、袁成明、蔡文蔭.一種小型光伏能量轉換系統(tǒng)之研究J.第十六屆電力工程研討會論文集,1995 年。7林瓊輝.國內太陽電池產業(yè)發(fā)展契機與系統(tǒng)應用機能J.電力電子技術,1999年8月。8何信龍,關侃勝,蔡慶龍,吳黎明.太陽能電力轉換器與最大功率追蹤J.第十七屆電力工程研討會論文集,1996年。9 M. 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