專業(yè)工程訓練設計報告電壓型太陽能并網的設計

1、中南大學專業(yè)工程訓練報告設計題目： 電壓型太陽能并網的設計 學 院： 信息科學與工程學院 班 級： 電氣xxxx班 姓 名： xxx 學 號： xxxxxxxxxx 指導老師： xxx 日 期： 2011年9月 前 言隨著我國經濟的迅速發(fā)展，能源問題在當今社會中受到越來越多的關注。在減緩能源供求矛盾方面，能量回饋系統(tǒng)可以發(fā)揮重要作用，主要運用在功率電子負載、分布式發(fā)電和電機再生制動等場合。而電力電子的逆變技術是能量回饋系統(tǒng)的核心部分。隨著人類生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們逐漸認識到必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，太陽能必須完成從補充能源向替代能源的過渡，即太陽能的利用應該逐漸從無電地區(qū)向有電地區(qū)發(fā)展。光伏并

2、網是太陽能利用的發(fā)展趨勢，光伏發(fā)電系統(tǒng)將主要用于調峰電站和屋頂光伏系統(tǒng)。本次工程訓練的題目就是電壓型太陽能并網。具體內容是設計1千瓦光伏并網逆變器，需要根據(jù)設計要求并結合電力電子技術相關知識盡量將這一課題做好。此設計內容中主要包括電流諧波畸變率的改變；單位功率因數(shù)；空間矢量調制技術以及系統(tǒng)閉環(huán)控制等。在本次課程設計中，先后得到了老師的鼎力幫助，并與本課題同學多次進行商討，在此表示誠摯的謝意！本次課程設計涉及面非常廣，查閱了大量資料，由于很多方面的知識都是臨時去學習，對所查閱的資料的正確性也沒有一一考證，另外，這是本人第一次系統(tǒng)性進行電力電子方面課題的設計，限于在此方面知識的欠缺，設計當中不免存

3、在并非最優(yōu)方案和不完善的地方，因此，錯誤與疏漏之處再所難免，望老師批評指正。目 錄第一章 緒論- 1 -1.1 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)簡介- 1 -1.2 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求- 1 -第二章 設計任務- 2 -2.1 設計題目- 2 -2.2 設計要求- 2 -第三章 并網逆變器系統(tǒng)分析- 2 -3.1 電壓型單相并網逆變器的理想模型- 2 -3.2 三相電壓型并網逆變電路的模型- 3 -第四章 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)設計- 5 -4.1 系統(tǒng)結構- 5 -4.2 逆變器的總流程- 6 -4.3 功率電路的設計- 7 -4.4 控制電路- 8 -4.5 并網同步的實現(xiàn)- 8 -4.6 驅動電路

4、- 9 -4.7 系統(tǒng)控制方案- 9 -第五章 電壓型并網諧波與功率因數(shù)分析- 10 -5.1 電壓型并網諧波分析- 10 -5.2電壓型并網功率因數(shù)分析- 11 -第六章 空間矢量調制策略- 12 -6.1 空間矢量直接電流控制策略- 12 -6.2 d,q坐標系下的數(shù)學模型- 13 -第七章 光伏并網逆變器的仿真建模- 14 -小 結- 16 -參考文獻- 17 -第一章 緒論1.1 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)簡介光伏并網發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電轉化為與電網電壓同頻同相的交流電，并且實現(xiàn)既向負載供電，又向電網發(fā)電的系統(tǒng)。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、并網逆變器、控制器和繼電保護裝置組成。

5、光伏陣列是光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的主要部件，由其將接收到的太陽光能直接轉換為電能。目前工程上應用的光伏陣列一般是由一定數(shù)量的晶體硅太陽能電池組件按照系統(tǒng)需要的電壓的要求串、并聯(lián)組成的。并網逆變器是整個光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的核心，它將光伏陣列發(fā)出的電能逆變成220v50hz的正弦波電流并入電網。電壓型逆變器主要由電力電子開關器件組成，以脈寬調制的形式向電網提供電能?？刂破饕话阌蓡纹瑱C或dsp芯片作為核心器件，控制光伏陣列的最大功率點的跟蹤、控制逆變器并網電流的功率和波形。繼電保護裝置可以保證光伏并網發(fā)電系統(tǒng)和電網的安全性。1.2 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求作為光伏陣列和交流電網系統(tǒng)間進行能量交換的逆變

6、器，其安全性、可靠性、逆變效率、制造成本等因素對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的整體投資和收益具有舉足輕重的作用。因此，光伏并網發(fā)電系統(tǒng)對并網逆變器有如下要求：1)實現(xiàn)高質量的電能轉換。并網逆變器輸出的電流頻率和相位與電網的必須嚴格一致，以使輸出功率因數(shù)盡可能的達到1。2)實現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護要求。如輸出過載保護、輸出短路保護、輸入反接保護、直流過壓保護、交流過壓和欠壓保護、孤島保護及裝置自身保護等，從而確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。3)具有較高的可靠性。目前光伏并網發(fā)電系統(tǒng)主要在一些自然條件惡劣的地區(qū)，所以逆變器應在長時間的工作條件下保證低故障率，并具有較強的自我診斷能力，因此所設計的逆變器應具有合理的電路結構

7、、嚴格的元器件篩選。4)最大功率的跟蹤。最大限度的利用光伏陣列，提高逆變器的效率。第二章 設計任務2.1 設計題目電壓型太陽能并網2.2 設計要求設計1千瓦光伏并網逆變器，具體要求如下：（1） 電流諧波畸變率小于5%；（2） 單位功率因數(shù)；（3） 熟悉空間矢量調制；（4） 掌握系統(tǒng)閉環(huán)控制； 第三章 并網逆變器系統(tǒng)分析3.1 電壓型單相并網逆變器的理想模型作為并網用的逆變器，一般的理想狀態(tài)為：1)網側功率因數(shù)=1，即網側電流in無畸變且與網側電壓un相位一致，這樣回饋至電網的只有有功功率。2)能夠實現(xiàn)回饋電流in的快速調節(jié)；3)具有能量雙向流動的能力，除了向電網回饋能量外，在一定條件下，電路還

8、可處于整流模式，從電網吸收能量能夠實現(xiàn)上述理想的逆變電路狀態(tài)，并認為電路內部沒有損耗，則得到理想模型如圖1(a)所示。 3.2 三相電壓型并網逆變電路的模型電壓型三相橋式逆變電路的主電路如圖2所示。由圖2可以看出三相橋式電路是單相半橋電路的擴展，在拓撲結構上是完全相似的，其中各相輸入電感相等，電網各相電壓均為正弦波。 三相并網逆變電路的等效電路模型如圖3(a)所示，0點為電網中點，0為直流側濾波電容中點，rs為電感電阻，其他同單相電路。圖3(b)為a相等效電路的相量圖。 三相并網逆變器交流側的方程為 逆變部分一般考慮spwm調制的三相電路，三相橋式電路的控制脈沖時序分布和單相的相似，調制信號為

9、三相正弦波uga、ugb和ugco分析得知逆變器輸出線電壓波形是一個單極性spwm波形，其輸出幅值為uio假想直流電源中點o，則可推出三相spwm逆變電路相電壓基波表達式為 對于逆變橋的輸入電流id,由單相電路分析的結果，每個橋臂從直流側吸取的電流存在二次諧波，三相電路中每個半橋單元從直流側吸收的電流為 將三相電流疊加后即可得到直流側電流id的表達式為 由式(4)可知，當電路在三相對稱條件下，逆變器的輸入電流為恒定的直流，而不存在二次電流分量，電路的直流側輸入不需要二次諧波吸收電路。三相逆變器的輸人瞬時功率也隨之恒定，而單相逆變器的輸入電流存在二次電流分量，輸入功率也不恒定，如圖l所示。這點是

10、三相逆變器不同于單相逆變器之處，因此，單相逆變器的直流側濾波電容需要濾除高頻和低頻的紋波，而三相逆變器的直流側濾波電容僅需要濾除高頻紋波即可，其容量可以比單相的小。第四章 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)設計4.1 系統(tǒng)結構太陽能光伏并網逆變裝置的主原理圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用兩級式設計，由于是應用于小功率光伏并網，太陽能電池板輸出的電壓較低，所以在太陽能電池板后接boost升壓斬波器，將電壓升到400v，這樣設計有利于提高系統(tǒng)的效率，也便于后級全橋逆變器并網控制。圖4 光伏并網系統(tǒng)結構圖太陽能電池輸出的最大功率隨著光照強度和溫度的變化而變化，本系統(tǒng)的最大功率跟蹤由前級boost升壓斬波器控制，為實現(xiàn)與電網電

11、壓同頻同相的并網電流，其由后級全橋逆變器控制。他們的控制都是由dsp芯片tms320f2812協(xié)調完成。4.2 逆變器的總流程太陽能并網逆變器是并網發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送入電網。同時實現(xiàn)對中間電壓的穩(wěn)定，便于前級boost升壓斬波器對最大功率點的跟蹤。并且具有完善的并網保護功能，保證系統(tǒng)能夠安全可靠地運行。圖5是并網逆變器的原理圖。圖5 逆變器原理框圖逆變器的控制用電從交流電網中取得，采用smd1o一220d15電源模塊和lm257550，轉換成控制芯片的供電電壓正負15v和5v。當控制電路上電后，首先檢測電網參數(shù)和光伏電池的電壓，當網

12、壓正常，閉合繼電器，此時工作為不控整流，中間電壓310v左右，延時之后啟動全橋電路，此時，全橋逆變器工作在pwm整流器狀態(tài)，中間電壓為400v。當中間電壓穩(wěn)定之后啟動前級boost電路，全橋電路開始逆變運行，開始給電網送電。逆變器工作過程中，由控制芯片檢測中間電壓、并網電流，如果中間電壓過高或者并網電流超過最大電流時，由控制芯片封鎖全橋逆變器和boost升壓斬波器的開關管控制脈沖，同時斷開繼電器。延時一段后再嘗試重新啟動，若故障仍然存在，則斷開逆變器，并且只有手動清除故障才能使逆變器重新投人工作。逆變器設計了兩個按鈕，一個是啟停，一個是故障清除，dsp能快速響應命令。該光伏并網逆變器的額定輸入

13、電壓為直流400v，最高為450v，額定功率為2kw，交流輸出并人220v交流電網。逆變器的硬件系統(tǒng)分為三個部分：功率電路、控制電路、驅動電路。4.3 功率電路的設計逆變器的主拓撲結構采用單相全橋逆變電路，功率器件使用igbt，開關頻率為8khz；逆變器的輸出端使用了lc濾波電路濾除了高頻分量。fh電感的基本伏安關系可得式中：vl(t)為電感兩端電壓。當輸出電壓處于峰值附近時，即vo(t)=vmax時，輸出電流紋波最大，設此時開關管的開關周期為t，占空比為d，則有另外，根據(jù)電感的伏秒平衡原理，我們可以得到于是求得從式(3)和式(4)可得在本系統(tǒng)中，vsmax=2 *220=311v，isn45

14、a，vdc=400v,f=8khz，t=1.25*10-4s，取電流紋波系數(shù)ri=015，則由式(5)計算可得，lf=128mh。則濾波電感應滿足lf128mh。逆變器的前端是boost升壓斬波電路(電壓為400v)，c1、c2為支撐電容，穩(wěn)定中間直流電壓；r1、r2為均壓電阻。圖2中的c3、c4為吸收電容，在開關管igbt的開通關斷過程中吸收尖峰電壓，防止開關管被擊穿。系統(tǒng)的散熱為加散熱片的強迫風冷。4.4 控制電路該電源逆變器控制電路的主控芯片是tms320f2812，該芯片具有處理性能更快，外設集成度更高，程序存儲器更大，數(shù)模轉換速度更快等特點。該芯片的采用可以更好地滿足對igbt單相全

15、橋逆變器進行實時控制的要求。此外，控制并網電流需要實時采樣電流信號，該方案中使用的是lem傳感器，型號為la25一np，經過濾波整形，得到系統(tǒng)控制所需要的電流平均值和瞬時值。對中間電壓和網壓的檢測，使用電阻分壓，經濾波整形得到中間電壓值和網側電壓得平均值、瞬時值。網壓和并網電流的采樣為交流信號，其濾波整形電路如圖6所示。圖6 整流濾波電路4.5 并網同步的實現(xiàn)并網的要求是使逆變器輸出的電流與電網電壓同頻同相。因此，將電網電壓經過濾波整形產生于電網電壓同頻同相的方波信號。此方波信號由dsp的外部中斷口捕捉到其過零點和跳變沿，產生同步中斷。在同步中斷中，正弦指針復位到零。這樣就得到與網壓同步的正弦

16、指針和正弦表，由此就可以得到與網壓同步的電流指令。4.6 驅動電路控制芯片tms320f2812發(fā)出的4路spwm信號，使用安捷倫公司的hcpl3150隔離放大，經ir21 13驅動全橋的igbt。4.7 系統(tǒng)控制方案由于電網可視作功率為無窮大的電壓源，宜采用電流型的并網逆變器進行發(fā)電。由圖4可知，流經電感 的電流不能突變，可采用反饋雙閉環(huán)控制的方法?？刂瓶驁D如圖7所示。外環(huán)為電壓環(huán)，穩(wěn)定中間電壓vdc；內環(huán)為電流環(huán)，控制并網電流。圖7 逆變器控制框圖逆變器的控制框圖中參考電壓vref與光伏電池實際輸出電壓vdc相比較后，誤差經pi調節(jié)得到電流指令i*，再與正弦波形相乘得到正弦指令iref，i

17、ref與實際輸出的電流相比較后，誤差經p調節(jié)后得到的值(物理意義上就相當于逆變器輸出側電感上產生的電壓)與網壓vac(t)相加得到的波形與三角波比較，便產生了4路pwm波控制逆變器開關管的通斷，這樣就實現(xiàn)了光伏電池輸出電壓基本工作在vref附近，系統(tǒng)輸出正弦電流波形幅值為i*。這種被稱為改進的固定開關頻率的控制策略與電流滯環(huán)控制相比，有開關頻率固定、電流跟蹤誤差較小等優(yōu)點，改善了并網逆變器的電流跟蹤性能，保證了逆變器的輸出電流與電網電壓之間保持同頻同相，使并網系統(tǒng)不對電網產生污染。方案中對并網電流的采用了固定開關頻率的控制方法。固定開關頻率控制是將電流誤差p調節(jié)后作為調制波與三角載波比較產生p

18、wm波。其缺點是必須與實際電流存在偏差才能產生pwm波。因此在固定開關頻率控制的基礎上有所改進，加人了交流側網壓vac的計算，即電流誤差信號iref經過pi調節(jié)后與vac相加，得到的值再與三角載波進行比較。i在物理意義上就相當于逆變器輸出側電感上產生的電壓。i×p與vac之和，就相當于逆變器輸出脈沖電壓，這樣構成的矢量圖與逆變器輸出向量圖一致。改進的固定開關頻率的控制策略在保持原有優(yōu)點的同時，電流跟蹤誤差顯著減小，改善了pwm整流器的電流跟蹤性能。第五章 電壓型并網諧波與功率因數(shù)分析隨著電力電子技術的發(fā)展，其應用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactive

19、power)問題日益嚴重，引起了關注。5.1 電壓型并網諧波分析各種電力電于裝置的廣泛應用以及大功率非線性負荷的只益增加，使注入電網中的諧波分量不斷增多，引起了系統(tǒng)中電壓、電流的波形畸變，導致電力設備的過熱和損壞。電力系統(tǒng)中普遍裝設了電容器組作為無功補償?shù)氖侄?，當補償電容器組的容抗值與系統(tǒng)參數(shù)匹配而構成諧波諧振或嚴重諧波放大時會對系統(tǒng)，特別是電容器形成很大的危害。電容器如果經常工作在這樣的條件下，會嚴重影響其使用壽命。因此，研究受諧波污染時電容器參數(shù)的合理配置，既發(fā)揮對基波無功的最優(yōu)補償作用，叉避免困諧波放大或發(fā)生諧振出現(xiàn)過電壓而破壞系統(tǒng)的安全運行，具有重要意義.（1）諧波的危害Ø

20、諧波的危害：Ø 降低設備的效率。Ø 影響用電設備的正常工作。Ø 引起電網局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。Ø 導致繼電保護和自動裝置的誤動作。Ø 對通信系統(tǒng)造成干擾。（2）諧波分析正弦波電壓可表示為：對于非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數(shù)： 基波（fundamental）頻率與工頻相同的分量諧波頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量諧波次數(shù)諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比n次諧波電流含有率以hrin（harmonic ratio for in）表示 電流諧波總畸變率thdi（total harmonic distortion）定義為 本次設

21、計要求電流畸變率小于5% ，即thdi<5% 5.2電壓型并網功率因數(shù)分析（1）無功的危害Ø 導致設備容量增加。Ø 使設備和線路的損耗增加。Ø 線路壓降增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。（2）功率因數(shù)分析單位功率因數(shù)下無功與有功平衡，負載成阻性負荷，功率因數(shù)為1.正弦電路中的情況電路的有功功率就是其平均功率：視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即s=ui 無功功率定義為： q=uisin 功率因數(shù)l 定義為有功功率p和視在功率s的比值：此時無功功率q與有功功率p、視在功率s之間有如下關系：非正弦電路中的情況 有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功

22、率因數(shù)仍由式 定義。不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有很大的實際意義。 非正弦電路的有功功率 ：p=ui1cosj1 功率因數(shù)為： 基波因數(shù)n=i1/i，即基波電流有效值和總電流有效值之比位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）cosj1 功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個因素共同決定的。非正弦電路的無功功率定義很多，但尚無被廣泛接受的科學而權威的定義。一種簡單的定義是仿照式給出的：無功功率q反映了能量的流動和交換，目前被較廣泛的接受。也可仿照式定義無功功率，為和式區(qū)別，采用符號qf，忽略電壓中的諧波時有：qf =ui1sinj1 在非正弦情況下， ，因此引入畸變功率d，使得：q

23、f為由基波電流所產生的無功功率，d是諧波電流產生的無功功率。第六章 空間矢量調制策略6.1 空間矢量直接電流控制策略三相并網逆變器的輸出電流控制技術主要分為間接電流控制和直接電流控制兩大類。間接電流控制主要以相幅控制為代表，其優(yōu)點在于控制簡單，一般無需電流反饋控制，但其主要問題在于電流的動態(tài)響應不夠快，系統(tǒng)對參數(shù)波動較敏感；直接電流控制包括滯環(huán)電流控制閉、固定開關頻率電流控制、空間矢量電流控制等。相對于間接電流控制，該方法能直接控制網側電流跟蹤電網電壓，因此具有動態(tài)響應快，穩(wěn)態(tài)性能好，自身具有限流保護能力等優(yōu)點，因此應用非常廣泛。而基于d，q坐標系的空間矢量電流控制除了具備一般直接電流控制的優(yōu)

24、點外。還能消除電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差、實現(xiàn)并網電流有功分量和無功分量的獨立控制。采用空間矢量直接電流控制策略，在d，q旋轉坐標系下建立三相并網逆變器系統(tǒng)的模型。給出了d，q坐標系下跟蹤電網電壓空間矢量的方法和輸出電流環(huán)的設計。仿真和實驗均證明了控制策略的可行性，電流能夠很好地跟蹤電網電壓的相位，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網。6.2 d,q坐標系下的數(shù)學模型圖6.1示出三相并網逆變器拓撲。系統(tǒng)直流側電壓ud由再生能源發(fā)電設備提供，拓撲采用三相全橋拓撲，逆變橋輸出經過濾波電感l(wèi)連接到電網上。圖8 三相并網逆變拓撲逆變器正常工作在單位功率因數(shù)并網模式，并網輸出電流是與電網電壓同頻同相的正弦波。忽略高頻分量的影響，

25、三相電感電流的回路方程為：在該數(shù)學模型中。需要控制的網側電流均為時變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)設計。為此，可以通過坐標變換將三相對稱a,b，c靜止坐標系轉換成以電網基波頻率同步旋轉的d，q坐標系,將d軸定向于a軸旋轉角度后的矢量方向上，q軸與之垂直。定義d軸與電網電動勢矢量ug同相，則d軸方向的電流分量id為有功電流，d軸落后q軸90度，故q軸方向的電流分量iq為無功電流，初始條件下，令d軸與a軸重合。則三相靜止坐標系到兩相同步旋轉坐標系變換矩陣為：當電網電壓三相對稱時，得：整理后得到三相并網逆變器在兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型為：因此，只要控制好d，q軸的電流就可以實現(xiàn)對并網有功和無功分量

26、的控制。第七章 光伏并網逆變器的仿真建模經分析，本文確定了光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的逆變器控制采用固定開關頻率的pwm控制方法，電壓反饋信號與給定的電壓參考信號比較產生誤差信號，經過pi調節(jié)后作為給定電流參考信號，電流反饋信號與給定的電流參考信號比較產生誤差信號，經pi調節(jié)后與固定頻率的三角波比較產生spwm控制脈沖后，經隔離、放大后作為開關管的門極脈沖。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)采用的雙閉環(huán)方式，外環(huán)為電壓環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)，由電壓環(huán)和電流環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)有效的保證了對輸出電壓、電流波形和幅值的要求，具有控制的物理意義明確，易于軟件實現(xiàn)，動態(tài)響應快等優(yōu)點。為了防止橋臂發(fā)生直通，在電路中設置了相應的死區(qū)。三角波的載波頻率是10khz，而逆變器本身的輸出頻率比較低，因此在忽略開關延遲時間的前提下，逆變器本身可等效為一個比例環(huán)節(jié)。輸出濾波器采用lc型濾波器，可以得到電路的等效模型，由此可推導出逆變控制系統(tǒng)的示意圖如圖所示，作者根據(jù)系統(tǒng)的控制精度設計了控制參數(shù)。圖9 逆變器輸出matl