單相雙極式并網(wǎng)光伏逆變器

1、LOGO指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師 周敬軍周敬軍& &張厚升張厚升論論文文題題目目:單單相相雙級(jí)雙級(jí)式光伏式光伏并網(wǎng)并網(wǎng)逆逆變變器器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)n班級(jí)：自動(dòng)化班級(jí)：自動(dòng)化10031003班班n學(xué)生：張曉東學(xué)生：張曉東n學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：10110421101104211010第一章第一章 緒論緒論u現(xiàn)今各種化石能源逐年減少，人類必須找現(xiàn)今各種化石能源逐年減少，人類必須找尋新的替代能源。太陽(yáng)能作為一種可再生尋新的替代能源。太陽(yáng)能作為一種可再生清潔能源清潔能源，得到了人們的青睞。得到了人們的青睞。u太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電已成為新能源開(kāi)發(fā)利太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電已成為新能源開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。用領(lǐng)域的一

2、個(gè)重要方向。第一章第一章 緒論緒論 u單級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)單級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)第一章第一章 緒論緒論 u兩級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)兩級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)并網(wǎng)逆變器逆變器DCDCDCDC電網(wǎng)電網(wǎng)MPPTMPPT控制控制逆變器逆變器控制控制PVPV陣列陣列 第二章第二章 并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) u2.12.1并網(wǎng)逆變器分類并網(wǎng)逆變器分類0udUV1V2V3V4C+ +- -(a) 電壓型逆變器 dUV1V2C+ +- -(b)電流型逆變器LV3V4RLdI 第二章第二章 并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) u逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)IpvaV1V2V4UabUbV3單相

3、橋式逆變電路UPVC C1 1C C2 2ACVDPVVD1VD2VD3VD4工頻變壓器L L （1 1）帶工頻變壓器的單級(jí)式逆變器帶工頻變壓器的單級(jí)式逆變器第二章第二章 并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) u逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)V1V2PVV4V3ACAC （2）高高頻變壓頻變壓器器絕緣絕緣的多的多級(jí)級(jí)式逆式逆變變器器第二章第二章 并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) u逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MPPT220V 50HzIpvC C2 2aV1V2V4UabUbV3UpvUpvBOOST電路單相橋式逆變電路C C1 1VDB BVD1VD2VD3VD4L

4、 L0 0L L1 1V V0 0 （3）無(wú)無(wú)變壓變壓器器絕緣絕緣的的兩級(jí)兩級(jí)逆逆變變器器第二章第二章 并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) u2.22.2系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理u前級(jí)前級(jí)BoostBoost電路電路ELQDCR u當(dāng)開(kāi)關(guān)管當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q Q導(dǎo)通時(shí)，二極管反偏導(dǎo)通時(shí)，二極管反偏，則將輸，則將輸出級(jí)隔離，由輸入端向電感器供應(yīng)能量。出級(jí)隔離，由輸入端向電感器供應(yīng)能量。u當(dāng)開(kāi)關(guān)管當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q Q斷開(kāi)時(shí)，斷開(kāi)時(shí)，則則輸出級(jí)吸收來(lái)自電輸出級(jí)吸收來(lái)自電感器和輸入端的能量感器和輸入端的能量。 注：注：一般控制一般控制導(dǎo)導(dǎo)通占空比在通占空比在 D0.88D0.88 之之內(nèi)內(nèi)，以保，以保證證

5、系系統(tǒng)統(tǒng)的的穩(wěn)穩(wěn)定性定性。u后級(jí)單相全橋逆變器的工作原理后級(jí)單相全橋逆變器的工作原理C CV1V2V4V3L L0 0dcU+ +_ _0UgridIgridU 單相橋式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單相橋式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)u單相橋式單相橋式PWMPWM逆變器向量分析，逆變器向量分析，U Ugridgrid 為電網(wǎng)電壓為電網(wǎng)電壓，U Uo o 為逆變器輸出電壓，為逆變器輸出電壓，I Igridgrid 是逆變器輸出到是逆變器輸出到電網(wǎng)的電流。電網(wǎng)的電流。gridjwLIoUgridIgridU u從從上上圖中可以看出并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電網(wǎng)圖中可以看出并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓之間有一個(gè)位移量電壓之間

6、有一個(gè)位移量 ，于是可以通過(guò)開(kāi)關(guān)管，于是可以通過(guò)開(kāi)關(guān)管的的PWMPWM控制，使逆變器的輸出滿足上述矢量關(guān)系，控制，使逆變器的輸出滿足上述矢量關(guān)系， 實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。u本文本文確定了采用無(wú)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即前端確定了采用無(wú)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即前端BoostBoost電路和后端全橋逆變電路電路和后端全橋逆變電路。0gridgridUUjwLI第三章第三章 光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究u實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)工作時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)工作時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件： 并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和市電電壓接近相等，一般壓差應(yīng)并網(wǎng)逆變器的輸

7、出電壓和市電電壓接近相等，一般壓差應(yīng) 在在10%10%以內(nèi)以內(nèi) 并網(wǎng)逆變器輸出頻率接近市電頻率，一般頻差不超過(guò)并網(wǎng)逆變器輸出頻率接近市電頻率，一般頻差不超過(guò)0.4Hz0.4Hz 并網(wǎng)逆變器輸出電壓和市電電壓同相，通常此相位差不宜并網(wǎng)逆變器輸出電壓和市電電壓同相，通常此相位差不宜 超過(guò)超過(guò)1010度。度。u光伏并網(wǎng)逆變器的整體結(jié)構(gòu)框圖光伏并網(wǎng)逆變器的整體結(jié)構(gòu)框圖u并并網(wǎng)逆變器控制模式分析網(wǎng)逆變器控制模式分析u輸入方式輸入方式（1 1）電壓源型逆變器是采用電容作為儲(chǔ)能元件，在直流輸）電壓源型逆變器是采用電容作為儲(chǔ)能元件，在直流輸入側(cè)并聯(lián)大電容用作無(wú)功功率緩沖環(huán)節(jié)，構(gòu)成逆變器低入側(cè)并聯(lián)大電容用作無(wú)功

8、功率緩沖環(huán)節(jié)，構(gòu)成逆變器低阻抗的電源內(nèi)阻特性，即電壓源特性。阻抗的電源內(nèi)阻特性，即電壓源特性。（2 2）電流源為輸入方式的逆變器，其直流側(cè)需串聯(lián)一個(gè)大電流源為輸入方式的逆變器，其直流側(cè)需串聯(lián)一個(gè)大電感作為無(wú)功元件，儲(chǔ)存無(wú)功功率，構(gòu)成逆變器高阻抗電感作為無(wú)功元件，儲(chǔ)存無(wú)功功率，構(gòu)成逆變器高阻抗的電流源特性，提供穩(wěn)定的直流電流輸入，但是串入大的電流源特性，提供穩(wěn)定的直流電流輸入，但是串入大電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。故：故：大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式u并并網(wǎng)逆變器控制模式分析網(wǎng)逆變器控制模式分析u輸出模式輸

9、出模式（2 2）電壓型控制電壓型控制 如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則實(shí)則實(shí)際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用鎖這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用鎖相控制技術(shù)使逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位完相控制技術(shù)使逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位完全一致，并且要保證兩者輸出頻率的一致性。全一致，并且要保證兩者輸出頻率的一致性。u（2 2）輸出模式：電流）輸出模式：電流控制控制 如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制逆變器的輸出電

10、流跟蹤電網(wǎng)電壓，控制逆變輸出逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，控制逆變輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，即可達(dá)到電流源與電電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，即可達(dá)到電流源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的目的壓源并聯(lián)運(yùn)行的目的。本課題選擇電流型控制并網(wǎng)本課題選擇電流型控制并網(wǎng)，如下圖：，如下圖：u電流滯環(huán)控制電流滯環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：該控制方法簡(jiǎn)單可行，搭建模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)該控制方法簡(jiǎn)單可行，搭建模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管采用較高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，有很快的響應(yīng)速度，并且受負(fù)開(kāi)關(guān)管采用較高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，有很快的響應(yīng)速度，并且受負(fù)載及電路參數(shù)的影響小。載及電路參數(shù)的影響小。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：在設(shè)計(jì)滯環(huán)寬度采用固定的數(shù)值，這樣做在設(shè)計(jì)滯環(huán)寬度

11、采用固定的數(shù)值，這樣做的結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)的結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)PWMPWM開(kāi)關(guān)周期中，開(kāi)關(guān)管頻開(kāi)關(guān)周期中，開(kāi)關(guān)管頻率不固定，濾波器設(shè)計(jì)起來(lái)比較困難，很難獲得率不固定，濾波器設(shè)計(jì)起來(lái)比較困難，很難獲得良好的濾波效果。良好的濾波效果。u三角波比較控制三角波比較控制優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：該方法下開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率一定，輸出電流的頻該方法下開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率一定，輸出電流的頻譜固定，譜固定， 濾波器容易設(shè)計(jì)濾波器容易設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：該控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)的無(wú)靜該控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤，同時(shí)積分的引入則會(huì)產(chǎn)生電流相移，差跟蹤，同時(shí)積分的引入則會(huì)產(chǎn)生電流相移，影響逆變器輸出電能質(zhì)量影響逆變器輸出電能質(zhì)

12、量u （控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)方框圖）u 電壓電流雙環(huán)反饋控制電壓電流雙環(huán)反饋控制本文采用本文采用電壓電流雙環(huán)控制方式電壓電流雙環(huán)控制方式：具有控制簡(jiǎn)單，控制效果較好，諧波具有控制簡(jiǎn)單，控制效果較好，諧波頻率固定，能減小并網(wǎng)環(huán)流等特點(diǎn)頻率固定，能減小并網(wǎng)環(huán)流等特點(diǎn)。u逆變器并網(wǎng)設(shè)計(jì)逆變器并網(wǎng)設(shè)計(jì)（控制結(jié)構(gòu)圖）（控制結(jié)構(gòu)圖）1-1-正弦電壓給定正弦電壓給定 2-PI 2-PI電壓調(diào)節(jié)器電壓調(diào)節(jié)器 3-PI3-PI電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器 4-4-三角波載波信號(hào)三角波載波信號(hào) 5-SPWM5-SPWM比較器比較器 6-6-驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路u并網(wǎng)逆變器中同步鎖相環(huán)的研究并網(wǎng)逆變器中同步鎖相環(huán)的研究 在光

13、伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證并網(wǎng)電流和電壓嚴(yán)格在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證并網(wǎng)電流和電壓嚴(yán)格同同頻、同頻、同相（只有在功率調(diào)節(jié)器中出于無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男枰趴煽氐膶?shí)相（只有在功率調(diào)節(jié)器中出于無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男枰?，才可控的?shí)現(xiàn)一定的相位差）現(xiàn)一定的相位差）。 鎖相環(huán)（鎖相環(huán)（PLL，Phase-Locked Loop）的作用）的作用：調(diào)節(jié)逆變器輸出的頻率和相位，使其和輸入逐漸進(jìn)入同步鎖定狀態(tài)。調(diào)節(jié)逆變器輸出的頻率和相位，使其和輸入逐漸進(jìn)入同步鎖定狀態(tài)。u鎖相環(huán)路的工作原理鎖相環(huán)路的工作原理 相位比較器將輸入的信息與反饋的信號(hào)作比較獲取相位差信息；環(huán)路相位比較器將輸入的信息與反饋的信號(hào)作比較獲取相位

14、差信息；環(huán)路濾波器濾除相位比較器輸入中的高頻成分同時(shí)調(diào)整環(huán)路參數(shù)，對(duì)整個(gè)濾波器濾除相位比較器輸入中的高頻成分同時(shí)調(diào)整環(huán)路參數(shù)，對(duì)整個(gè)鎖相環(huán)的性能起著至關(guān)重要的作用，環(huán)路濾波器的輸入信號(hào)用于控制鎖相環(huán)的性能起著至關(guān)重要的作用，環(huán)路濾波器的輸入信號(hào)用于控制壓控振蕩器的輸入頻率與相位；壓控振蕩器根據(jù)反饋回來(lái)的相位差信壓控振蕩器的輸入頻率與相位；壓控振蕩器根據(jù)反饋回來(lái)的相位差信息調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率與相位，逐步實(shí)現(xiàn)與輸入信號(hào)同頻同相息調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率與相位，逐步實(shí)現(xiàn)與輸入信號(hào)同頻同相。第四章第四章 并網(wǎng)控制系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)并網(wǎng)控制系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)u并網(wǎng)系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖并網(wǎng)系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖uDS

15、PDSP外圍電路設(shè)計(jì)外圍電路設(shè)計(jì)5V5V到到3.3V3.3V的電的電平平轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路A/DA/D采樣電路的電壓基準(zhǔn)采樣電路的電壓基準(zhǔn) 基于基于74LVX424574LVX4245的電平轉(zhuǎn)換電路的電平轉(zhuǎn)換電路 （一片用于輸入信號(hào)，一片用于輸入信號(hào)，1 1片用于輸出信號(hào)片用于輸出信號(hào)）u電壓采樣電路電壓采樣電路u 電流采樣電路電流采樣電路u 隔離、驅(qū)動(dòng)電路隔離、驅(qū)動(dòng)電路（采用光電耦合驅(qū)動(dòng)器（采用光電耦合驅(qū)動(dòng)器HCPLJ312HCPLJ312）u并網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)并網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)u定時(shí)器中斷子程序定時(shí)器中斷子程序uPLLPLL軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)結(jié)論結(jié)論u(1) (1) 采用電流電壓閉環(huán)控制，該控制用于保證穩(wěn)

16、態(tài)參考跟采用電流電壓閉環(huán)控制，該控制用于保證穩(wěn)態(tài)參考跟蹤特性，對(duì)網(wǎng)側(cè)電流值進(jìn)行比例積分蹤特性，對(duì)網(wǎng)側(cè)電流值進(jìn)行比例積分PIPI控制，方法簡(jiǎn)單，控制，方法簡(jiǎn)單，效果理想，易于實(shí)現(xiàn)和推廣。提高并網(wǎng)電流波形的質(zhì)量，效果理想，易于實(shí)現(xiàn)和推廣。提高并網(wǎng)電流波形的質(zhì)量，降低系統(tǒng)工作噪聲和減小諧波的輸出。降低系統(tǒng)工作噪聲和減小諧波的輸出。u(2)(2)選取電容輸出電流值為被控對(duì)象，反饋效果好，響應(yīng)速選取電容輸出電流值為被控對(duì)象，反饋效果好，響應(yīng)速度快，而且易于實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管直接快速有效的過(guò)流度快，而且易于實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管直接快速有效的過(guò)流保護(hù)。保護(hù)。結(jié)論結(jié)論u(3)(3)本文對(duì)傳統(tǒng)的本文對(duì)傳統(tǒng)的L L 濾波器加以改進(jìn)，用濾波器加以改進(jìn)，用LCLC濾波器，濾波器，減少并網(wǎng)電流的直流分量，減少并網(wǎng)電流的直流分量，THD THD 控制在很理想的范控制在很理想的范圍內(nèi)，有效抑制諧波污染，提高并網(wǎng)電流質(zhì)量。圍內(nèi)，有效抑制諧波污染，提高并網(wǎng)電流質(zhì)量。u(4)(4)采用雙閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)逆變器并網(wǎng)電流的單位采用雙閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)逆變器并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)控制，電流跟蹤速度快，功率因數(shù)達(dá)到接功率因數(shù)控制，電流跟蹤速度快，功率因數(shù)達(dá)到接近近1 1，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)。，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)。展望展望u缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：u(1(1）本設(shè)計(jì)沒(méi)有探