單相雙極式并網光伏逆變器

1、LOGO指導老師指導老師 周敬軍周敬軍& &張厚升張厚升論論文文題題目目:單單相相雙級雙級式光伏式光伏并網并網逆逆變變器器設計設計n班級：自動化班級：自動化10031003班班n學生：張曉東學生：張曉東n學號：學號：10110421101104211010第一章第一章 緒論緒論u現今各種化石能源逐年減少，人類必須找現今各種化石能源逐年減少，人類必須找尋新的替代能源。太陽能作為一種可再生尋新的替代能源。太陽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太陽能光伏并網發(fā)電已成為新能源開發(fā)利太陽能光伏并網發(fā)電已成為新能源開發(fā)利用領域的一個重要方向。用領域的一

2、個重要方向。第一章第一章 緒論緒論 u單級式并網發(fā)電系統(tǒng)單級式并網發(fā)電系統(tǒng)第一章第一章 緒論緒論 u兩級式并網發(fā)電系統(tǒng)兩級式并網發(fā)電系統(tǒng)并網并網逆變器逆變器DCDCDCDC電網電網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 并網逆變器總體結構設計并網逆變器總體結構設計 u2.12.1并網逆變器分類并網逆變器分類0udUV1V2V3V4C+ +- -(a) 電壓型逆變器 dUV1V2C+ +- -(b)電流型逆變器LV3V4RLdI 第二章第二章 并網逆變器總體結構設計并網逆變器總體結構設計 u逆變器的拓撲結構逆變器的拓撲結構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式逆變器帶工頻變壓器的單級式逆變器第二章第二章 并網逆變器總體結構設計并網逆變器總體結構設計 u逆變器的拓撲結構逆變器的拓撲結構V1V2PVV4V3ACAC （2）高高頻變壓頻變壓器器絕緣絕緣的多的多級級式逆式逆變變器器第二章第二章 并網逆變器總體結構設計并網逆變器總體結構設計 u逆變器的拓撲結構逆變器的拓撲結構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）無無變壓變壓器器絕緣絕緣的的兩級兩級逆逆變變器器第二章第二章 并網逆變器總體結構設計并網逆變器總體結構設計 u2.22.2系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理u前級前級BoostBoost電路電路ELQDCR u當開關管當開關管Q Q導通時，二極管反偏導通時，二極管反偏，則將輸，則將輸出級隔離，由輸入端向電感器供應能量。出級隔離，由輸入端向電感器供應能量。u當開關管當開關管Q Q斷開時，斷開時，則則輸出級吸收來自電輸出級吸收來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導通占空比在通占空比在 D0.88D0.88 之之內內，以保，以保證證

5、系系統(tǒng)統(tǒng)的的穩(wěn)穩(wěn)定性定性。u后級單相全橋逆變器的工作原理后級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撲結構單相橋式逆變器的拓撲結構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 為電網電壓為電網電壓，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的電流。電網的電流。gridjwLIoUgridIgridU u從從上上圖中可以看出并網逆變器的輸出電壓和電網圖中可以看出并網逆變器的輸出電壓和電網電壓之間有一個位移量電壓之間

6、有一個位移量 ，于是可以通過開關管，于是可以通過開關管的的PWMPWM控制，使逆變器的輸出滿足上述矢量關系，控制，使逆變器的輸出滿足上述矢量關系， 實現輸出電流與電網電壓同頻同相。實現輸出電流與電網電壓同頻同相。u本文本文確定了采用無變壓器的拓撲結構，即前端確定了采用無變壓器的拓撲結構，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 光伏并網逆變器控制策略研究光伏并網逆變器控制策略研究u實現并網工作時應同時滿足以下三個條件：實現并網工作時應同時滿足以下三個條件： 并網逆變器的輸出電壓和市電電壓接近相等，一般壓差應并網逆變器的輸

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

8、功率緩沖環(huán)節(jié)，構成逆變器低阻抗的電源內阻特性，即電壓源特性。阻抗的電源內阻特性，即電壓源特性。（2 2）電流源為輸入方式的逆變器，其直流側需串聯一個大電流源為輸入方式的逆變器，其直流側需串聯一個大電感作為無功元件，儲存無功功率，構成逆變器高阻抗電感作為無功元件，儲存無功功率，構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導致系統(tǒng)動態(tài)響應差電感往往會導致系統(tǒng)動態(tài)響應差。故：故：大部分并網逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式大部分并網逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式u并并網逆變器控制模式分析網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 如果光伏并網逆變器的輸出采用電壓控制，如果光伏并網逆變器的輸出采用電壓控制，則實則實際上就是一個電壓源與電壓源并聯運行的系統(tǒng)，際上就是一個電壓源與電壓源并聯運行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，就必須采用鎖這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，就必須采用鎖相控制技術使逆變器輸出電壓與電網電壓相位完相控制技術使逆變器輸出電壓與電網電壓相位完全一致，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、流跟蹤電網電壓，控制逆變輸出逆變器的輸出電流跟蹤電網電壓，控制逆變輸出電流與電網電壓同頻同相，即可達到電流源與電電流與電網電壓同頻同相，即可達到電流源與電壓源并聯運行的目的壓源并聯運行的目的。本課題選擇電流型控制并網本課題選擇電流型控制并網，如下圖：，如下圖：u電流滯環(huán)控制電流滯環(huán)控制優(yōu)點：優(yōu)點：該控制方法簡單可行，搭建模擬電路就能夠實現。當該控制方法簡單可行，搭建模擬電路就能夠實現。當開關管采用較高開關頻率時，有很快的響應速度，并且受負開關管采用較高開關頻率時，有很快的響應速度，并且受負載及電路參數的影響小。載及電路參數的影響小。缺點：缺點：在設計滯環(huán)寬度采用固定的數值，這樣做在設計滯環(huán)寬度

11、采用固定的數值，這樣做的結果將會導致一個的結果將會導致一個PWMPWM開關周期中，開關管頻開關周期中，開關管頻率不固定，濾波器設計起來比較困難，很難獲得率不固定，濾波器設計起來比較困難，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：優(yōu)點：該方法下開關管的開關頻率一定，輸出電流的頻該方法下開關管的開關頻率一定，輸出電流的頻譜固定，譜固定， 濾波器容易設計濾波器容易設計缺點：缺點：該控制方法無法實現對正弦信號的無靜該控制方法無法實現對正弦信號的無靜差跟蹤，同時積分的引入則會產生電流相移，差跟蹤，同時積分的引入則會產生電流相移，影響逆變器輸出電能質量影響逆變器輸出電能質

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：具有控制簡單，控制效果較好，諧波具有控制簡單，控制效果較好，諧波頻率固定，能減小并網環(huán)流等特點頻率固定，能減小并網環(huán)流等特點。u逆變器并網設計逆變器并網設計（控制結構圖）（控制結構圖）1-1-正弦電壓給定正弦電壓給定 2-PI 2-PI電壓調節(jié)器電壓調節(jié)器 3-PI3-PI電流調節(jié)器電流調節(jié)器 4-4-三角波載波信號三角波載波信號 5-SPWM5-SPWM比較器比較器 6-6-驅動電路驅動電路u并網逆變器中同步鎖相環(huán)的研究并網逆變器中同步鎖相環(huán)的研究 在光

13、伏并網發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證并網電流和電壓嚴格在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證并網電流和電壓嚴格同同頻、同頻、同相（只有在功率調節(jié)器中出于無功功率補償的需要，才可控的實相（只有在功率調節(jié)器中出于無功功率補償的需要，才可控的實現一定的相位差）現一定的相位差）。 鎖相環(huán)（鎖相環(huán)（PLL，Phase-Locked Loop）的作用）的作用：調節(jié)逆變器輸出的頻率和相位，使其和輸入逐漸進入同步鎖定狀態(tài)。調節(jié)逆變器輸出的頻率和相位，使其和輸入逐漸進入同步鎖定狀態(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調整環(huán)路參數，對整個濾波器濾除相位比較器輸入中的高頻成分同時調整環(huán)路參數，對整個鎖相環(huán)的性能起著至關重要的作用，環(huán)路濾波器的輸入信號用于控制鎖相環(huán)的性能起著至關重要的作用，環(huán)路濾波器的輸入信號用于控制壓控振蕩器的輸入頻率與相位；壓控振蕩器根據反饋回來的相位差信壓控振蕩器的輸入頻率與相位；壓控振蕩器根據反饋回來的相位差信息調節(jié)輸出信號的頻率與相位，逐步實現與輸入信號同頻同相息調節(jié)輸出信號的頻率與相位，逐步實現與輸入信號同頻同相。第四章第四章 并網控制系統(tǒng)硬軟件設計并網控制系統(tǒng)硬軟件設計u并網系統(tǒng)的整體硬件結構框圖并網系統(tǒng)的整體硬件結構框圖uDS

15、PDSP外圍電路設計外圍電路設計5V5V到到3.3V3.3V的電的電平平轉換轉換電路電路A/DA/D采樣電路的電壓基準采樣電路的電壓基準 基于基于74LVX424574LVX4245的電平轉換電路的電平轉換電路 （一片用于輸入信號，一片用于輸入信號，1 1片用于輸出信號片用于輸出信號）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、驅動電路隔離、驅動電路（采用光電耦合驅動器（采用光電耦合驅動器HCPLJ312HCPLJ312）u并網軟件設計并網軟件設計u定時器中斷子程序定時器中斷子程序uPLLPLL軟件設計軟件設計結論結論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，對網側電流值進行比例積分蹤特性，對網側電流值進行比例積分PIPI控制，方法簡單，控制，方法簡單，效果理想，易于實現和推廣。提高并網電流波形的質量，效果理想，易于實現和推廣。提高并網電流波形的質量，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象，反饋效果好，響應速選取電容輸出電流值為被控對象，反饋效果好，響應速度快，而且易于實現對逆變器開關管直接快速有效的過流度快，而且易于實現對逆變器開關管直接快速有效的過流保護。保護。結論結論u(3)(3)本文對傳統(tǒng)的本文對傳統(tǒng)的L L 濾波器加以改進，用濾波器加以改進，用LCLC濾波器，濾波器，減少并網電流的直流分量，減少并網電流的直流分量，THD THD 控制在很理想的范控制在很理想的范圍內，有效抑制諧波污染，提高并網電流質量。圍內，有效抑制諧波污染，提高并網電流質量。u(4)(4)采用雙閉環(huán)控制可以實現逆變器并網電流的單位采用雙閉環(huán)控制可以實現逆變器并網電流的單位功率因數控制，電流跟蹤速度快，功率因數達到接功率因數控制，電流跟蹤速度快，功率因數達到接近近1 1，實現了單位功率因數并網。，實現了單位功率因數并網。展望展望u缺點：缺點：u(1(1）本設計沒有探