光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用 教學(xué)課件作者 魏學(xué)業(yè) 第十章

1、第十章 光伏逆變?cè)O(shè)計(jì)實(shí)例器 光伏逆變器的設(shè)計(jì)，首先需要明確應(yīng)用于離網(wǎng)獨(dú)立還是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，在離網(wǎng)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的是離網(wǎng)逆變器，在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的是并網(wǎng)逆變器。光伏并網(wǎng)逆變器是將光伏電池板輸出的能量轉(zhuǎn)換成交流電后直接送到電網(wǎng)上，需要實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)的頻率和相位，此時(shí)的光伏發(fā)電系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)電流源；而光伏離網(wǎng)逆變器是將光伏電池板輸出的能量轉(zhuǎn)換成交流后，直接供給用電設(shè)備使用，自己建立起一個(gè)獨(dú)立的小電網(wǎng)，主要是控制自己的電壓和頻率，相當(dāng)于一個(gè)電壓源。這兩種逆變器輸出的波形應(yīng)該是干凈的正弦波。本章將重點(diǎn)介紹這兩種光伏逆變器的設(shè)計(jì)實(shí)例。10.1.1 逆變器的電路構(gòu)成圖10-1 逆變器的根本電路框圖各

2、局部電路工作原理和作用如下所述。1半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件 逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件是逆變器實(shí)現(xiàn)逆變功能的核心器件，根據(jù)所設(shè)計(jì)的逆變器功率和輸入直流電壓的大小來(lái)選用適宜的功率開(kāi)關(guān)器件。常用的半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件主要有：晶閘管可控硅又稱為Silicon Controlled Rectifier，SCR、大功率晶體管GTR、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、可關(guān)斷晶閘管GTO、絕緣柵雙極晶體管IGBT、MOS控制晶閘管MCT、靜電感應(yīng)晶體管SIT、靜電感應(yīng)晶閘管場(chǎng)控晶閘管，SITH和集成門(mén)極換流晶閘管IGCT等。2逆變控制及驅(qū)動(dòng)電路 傳統(tǒng)的逆變器電路由許多分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，這種電路組成元器件數(shù)量多、波形

3、質(zhì)量差、控制電路繁瑣復(fù)雜。隨著微處理器的開(kāi)展，控制及驅(qū)動(dòng)電路也從模擬集成電路開(kāi)展到單片機(jī)控制和數(shù)字信號(hào)處理器DSP控制。 1逆變驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以便得到好的PWM脈沖波形。隨著電子技術(shù)的開(kāi)展，許多專用多功能集成電路陸續(xù)推出，給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大方便，同時(shí)也使逆變器的性能得到了極大提高。如各種開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路SG3525、TL494、IR2130、TLP250等，在逆變器電路中得到廣泛應(yīng)用。 2逆變控制電路：控制電路主要是對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提供符合要求的邏輯與波形，如PWM、SPWM控制信號(hào)等?？刂频暮诵膹?位微處理器到16位單片機(jī)，直至32位DSP等，使先進(jìn)的控制技術(shù)如矢

4、量控制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、重復(fù)控制、模糊邏輯控制等在逆變領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在逆變器中常用的微處理器有MP16、PIC16C73、68HC16、MB90260、AVR系列等，常用的專用數(shù)字信號(hào)處理器DSP有TMS320F206、TMS320F240、M586XX、TMS320F28XX等。10.1.2 逆變器設(shè)計(jì)的技術(shù)要求逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，有以下六點(diǎn)根本技術(shù)要求。1高效率2高可靠性3對(duì)直流輸入電壓的適應(yīng)范圍寬4能夠跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)5防孤島效應(yīng)的能力6輸出純粹弦波10.2.1 純粹弦逆變器的設(shè)計(jì)圖10-2 純粹弦光伏逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10.2.2 高頻直流升壓電路設(shè)計(jì)1高頻變壓

5、器設(shè)計(jì)高頻直流升壓電路設(shè)計(jì)中變壓器磁心參數(shù)如下：根據(jù)系統(tǒng)樣機(jī)要求，變壓器輸入電壓幅值 =12V，輸出電壓幅值 =200V，最大工作比 =0.45，二次繞組峰值電流 =1.45A，二次繞組電流有效值 一次繞組峰值電流 =24.16A一次電流有效值 =16.2A因此變壓器的輸出功率為 =189.8W =536.7W變壓器效率 取為1取工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 =160mT，電流密度j取10 ，銅在窗口中的占空比系數(shù)Km初選時(shí)取0.20.3，實(shí)際計(jì)算時(shí)取Km=0.25，那么計(jì)算面積乘積 通過(guò)上述公式可知，選取EI33磁心即可滿足設(shè)計(jì)要求。變壓器繞組匝數(shù)計(jì)算如下：先確定最低電壓繞組的匝數(shù) 10-1由式10-1，

6、取 =8，一次繞組匝數(shù) 10-2由式10-2，取偶數(shù) =134，其中開(kāi)關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間 =150ns，控制器輸出頻率f=20kHz。在繞制變壓器過(guò)程中，取較簡(jiǎn)單的夾層式繞法，一次繞組分兩層，每層繞4匝，為了防止趨膚效應(yīng)，一次繞組采用四線并繞，在一次繞組中間繞制二次繞組，一、二次層間墊12層絕緣紙。實(shí)際制作測(cè)量這樣繞制的變壓器一、二次側(cè)漏感值較小，僅有幾微亨。2推挽升壓電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是小功率的逆變電源，綜合考慮系統(tǒng)本錢(qián)以及對(duì)器件特性的要求，特別是MOSFET和變壓器的參數(shù)選擇等因素，升壓局部采用兩路對(duì)稱的推挽升壓電路輸出結(jié)果相疊加的升壓方式，具體電路如圖10-3所示。圖10-3 對(duì)稱的推挽

7、升壓電路3PWM生成及穩(wěn)壓控制電路圖10-4 PWM生成及穩(wěn)壓控制電路4過(guò)電流與過(guò)載保護(hù)電路設(shè)計(jì)圖10-5 過(guò)電流與過(guò)載保護(hù)電路5系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-6 系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警控制流程圖圖10-7 中斷效勞程序流程圖 DC/AC逆變電路設(shè)計(jì)1逆變主電路設(shè)計(jì)圖10-8 系統(tǒng)的逆變橋電路2保護(hù)電路設(shè)計(jì) 逆變器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容就是保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，緩沖電路是保護(hù)電路的一種，與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)相比，具有電路簡(jiǎn)單、本錢(qián)低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。如圖10-8所示，逆變電路緩沖電路采用變形的有損緩沖電路。由于器件的開(kāi)關(guān)損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率的增高成正比例上升，所以在高頻橋臂側(cè)引入了由R1、R2、C2、C3、VD1、VD2構(gòu)成

8、的變形的有損緩沖電路，逆變電路開(kāi)關(guān)管切換時(shí)產(chǎn)生的過(guò)沖電壓分量由緩沖電阻R1、R2吸收。一旦緩沖電路的損耗減小，會(huì)導(dǎo)致緩沖C2、C3電容的容量增大，因此緩沖電阻的損耗即使在較高的開(kāi)關(guān)頻率下也很小。由于緩沖電路只吸收切換過(guò)程中的過(guò)沖分量，對(duì)du/dt沒(méi)有影響，所以為了限制功率開(kāi)關(guān)管兩端電壓上升率du/dt在兩個(gè)橋臂端引入C1、C2。另外，緩沖電路中VD1、VD2用于抑制寄生振蕩。3控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖10-9 SPWM生成及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路4逆變電路控制方案1基于DSP的控制方式圖10-10 DSP主程序流程圖 圖10-11 定時(shí)器0中斷子程序流程圖2軟件生成SPWM控制 系統(tǒng)通過(guò)TMS320

9、F28027中的EPWMEnhanced PulseWidthModulator，即增強(qiáng)型PWM控制器模塊，采用軟件方式生成SPWM控制信號(hào)。根據(jù)控制信號(hào)的要求，利用EPWM模塊中TB、CC、AQ、ET四個(gè)子模塊產(chǎn)生逆變變換所需的SPWM控制波形。配置EPWM1和EPWM2的TB、CC、AQ、ET四個(gè)子模塊，由EPWM1A/B輸出低頻臂所用的50Hz控制信號(hào)，而由EPWM2A/B輸出高頻臂所用的18kHzSPWM控制信號(hào)。3數(shù)字PI控制算法圖10-12 增量式數(shù)字PI控制實(shí)現(xiàn)框圖10.2.4 系統(tǒng)仿真和結(jié)果分析1DC/DC升壓電路仿真分析1DC/DC直流升壓電路輸出特性仿真圖10-13 DC/

10、DC直流升壓電路輸出波形仿真2DC/DC升壓電路工作效率仿真圖10-14 DC/DC升壓電路工作效率曲線2DC/AC逆變電路仿真分析1DC/AC逆變電路輸出特性仿真圖10-15 逆變電路輸出濾波前的波形a) 時(shí)域波形 b) 頻域波形圖10-16 逆變電路輸出電壓波形a) 時(shí)域波形 b) 頻域波形圖10-17 逆變電路輸出電流波形a) 時(shí)域波形 b) 頻域波形2參加閉環(huán)PI反響控制仿真圖10-18 引入諧波干擾后的輸出波形a) 時(shí)域波形 b) 頻域波形圖10-19 參加PI反響后的輸出波形a) 時(shí)域波形 b) 頻域波形10.3.1 并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)和工作原理1并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)圖10-20 DSP

11、控制的單相雙級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)2工作原理1前級(jí)Boost電路的工作原理圖10-21 Boost升壓電路圖圖10-22 Boost電路的工作過(guò)程a) VF1導(dǎo)通時(shí)工作電路 b) VF1斷開(kāi)工作電路2后級(jí)單相全橋逆變器的工作原理 圖10-23 Boost電路連續(xù) 導(dǎo)電時(shí)的穩(wěn)態(tài)波形圖10-24 單相全橋逆變器的拓?fù)?主電路參數(shù)的選取1濾波電感的選取1電流的紋波系數(shù)10-9式中， 為電感兩端的電壓，考慮到當(dāng)輸出電壓處于峰值附近即uo(t)=UNm)時(shí)，輸出電流紋波最大，假設(shè)此時(shí)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)的周期為T(mén)，占空比為D(t)，那么有10-10式中，為直流母線電壓；L為濾波電感。根據(jù)單級(jí)性SPWM原理，因?yàn)殚_(kāi)環(huán)頻

12、率遠(yuǎn)大于工頻頻率，所以得到10-11 那么每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的占空比為10-12將式10-12代入式10-10中得當(dāng)時(shí)，紋波電流最大為T(mén) (10-13)取10-14 2開(kāi)關(guān)管的選取 目前使用較多的功率器件有達(dá)林頓功率晶體管BJT、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵極晶體管IGBT和可關(guān)斷晶閘管GTO等。在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET，因?yàn)镸OSFET具有較低的通態(tài)電壓降和較高的開(kāi)關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用IGBT模塊，因?yàn)镸OSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大；IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)；而在特大容量100kVA以上系統(tǒng)中，一般均采用GTO作為功率元件。

13、隨著針對(duì)于光伏系統(tǒng)的功率模塊的開(kāi)展，主電路元器件功率模塊的也有較大的選擇余地。針對(duì)本電路的特點(diǎn)，電路選用IGBT作為開(kāi)關(guān)元件。10.3.2 DCDC級(jí)電路的MPPT實(shí)現(xiàn)1MPPT電路實(shí)現(xiàn)原理圖10-25 系統(tǒng)控制原理圖 2基于改進(jìn)Fibonacci線性搜索算法仿真 10.3.3 孤島檢測(cè)方法1工作原理圖10-29 APS檢測(cè)法的流程 2仿真分析圖10-30 Qf=2.5時(shí)，APS法的仿真結(jié)果a) APS 法電壓、電流波形及頻率 b) APS法的電流THD10.3.4 DC/AC的控制方案1恒開(kāi)關(guān)頻率的電流控制方法圖10-31 逆變器并網(wǎng)工作時(shí)的等效電路和電壓電流矢量圖a) 等效電路圖 b) 矢

14、量圖 圖10-32 恒開(kāi)關(guān)頻率控制電路 圖10-33 改進(jìn)型SPWM輸出電流跟蹤2同步鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn) 3仿真分析圖10-34 輸出的電壓、電流波形10.4 微型逆變器的組成及其工作原理圖10-35 MI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10.4.1 微型逆變器硬件電路設(shè)計(jì)1主電路設(shè)計(jì)圖10-36 微型逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖 2雙變壓器串聯(lián)推挽式DC/DC變換器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的MI屬于兩級(jí)式隔離系統(tǒng)，前級(jí)升壓采用雙變壓器串聯(lián)推挽式升壓結(jié)構(gòu)，為后級(jí)全橋逆變電路提供所需的高壓直流電。如圖10-36所示，4個(gè)開(kāi)關(guān)管VF1、VF2、VF3、VF4兩個(gè)一組和變壓器T1、T2組成兩組典型的推挽升壓電路。兩個(gè)變壓器的二次繞組串接在一起，使

15、升壓結(jié)果相疊加，輸出高壓交流電。高壓交流電再經(jīng)過(guò)全波整流及LC濾波電路生成高壓直流電。一次兩個(gè)獨(dú)立的推挽電路分別接入電源，且采用相同時(shí)序的高頻PWM開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，VF1和VF2交替導(dǎo)通工作。3逆變控制器的設(shè)計(jì)圖10-37 DSP控制及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路 4電流電壓檢測(cè)電路1光伏組件的電壓檢測(cè)圖10-38 PV電壓檢測(cè)電路2光伏組件的電流檢測(cè) 圖10-39 PV電流檢測(cè)電路3MI輸出電流、電網(wǎng)電壓及過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路圖10-40 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路 5過(guò)電流過(guò)載保護(hù)電路圖10-41 過(guò)電流過(guò)載保護(hù)電路 6報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-42 系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警控制流程圖圖10-43 中斷效勞程序流程圖10.4.2 微

16、型逆變器的控制策略圖10-44 MI控制策略結(jié)構(gòu)圖1最大功率點(diǎn)跟蹤閉環(huán)控制這里采用的是改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，即將定電壓跟蹤法與擾動(dòng)觀察法結(jié)合起來(lái)，在尋優(yōu)初期快速地定位在最大功率點(diǎn)附近，控制精確、響應(yīng)速度快。 2電網(wǎng)跟蹤控制設(shè)計(jì)1滯環(huán)電流控制瞬時(shí)值控制 2PI電流控制方法圖10-47 PI電流控制方法3小慣性電流跟蹤控制方式圖10-48 MI的輸出模型 3SPWM波形產(chǎn)生及并網(wǎng)控制的實(shí)現(xiàn) 通過(guò)配置TMS320F28027中的EPWM模塊，采用軟件方式生成單極性SPWM控制信號(hào)。而并網(wǎng)控制利用增強(qiáng)型捕獲功能ECAP來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖10-50 SPWM低頻信號(hào)生成時(shí)序圖圖10-51 SPWM高頻信號(hào)生成時(shí)序圖

17、10.4.3 系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1DC/AC逆變電路仿真1DC/AC逆變電路輸出特性仿真 2DC/AC逆變電路工作效率仿真圖10-56 DC/AC逆變電路效率 3PI控制仿真圖10-57 引入干擾后的輸出波形圖10-58 參加PI反響后輸出波形 4過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路仿真圖10-59 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路仿真圖圖10-60 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路仿真效果圖 5MPPT算法仿真圖10-61 MPPT模型仿真 圖10-62 MPPT算法仿真結(jié)果10.5 離/并網(wǎng)雙模式逆變器 目前所使用的逆變器除了前面介紹的并網(wǎng)逆變器和離網(wǎng)逆變器，還有一種在分布式發(fā)電系統(tǒng)中常用的雙模式切換逆變器，即具有獨(dú)立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電兩種工作模

18、式。在能源充足的情況下，系統(tǒng)工作在并網(wǎng)模式。除了保證本地負(fù)載正常工作外，還可以把多余的電能輸送給電網(wǎng)，以高效率地利用能源；在能源不充裕的情況下，系統(tǒng)切換到獨(dú)立工作模式，給本地負(fù)載供電。實(shí)現(xiàn)了分布式發(fā)電與電網(wǎng)的交互利用，增加了對(duì)負(fù)載供電的可靠性。 雙模式并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)工作模式下，輸出電壓被電網(wǎng)電壓鉗位而不可控，需要由電流環(huán)來(lái)控制進(jìn)網(wǎng)電流，此時(shí)為電流控制方式；在獨(dú)立工作模式下，雙模式并網(wǎng)逆變器的輸出電壓由電壓環(huán)控制，此時(shí)為電壓控制方式。因此，雙模式逆變器在技術(shù)面臨的問(wèn)題是：在兩種工作模式切換瞬間，并網(wǎng)逆變器必須準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)兩種控制方式的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還要保證切換時(shí)刻，逆變器的輸出電壓幅值和相位不能與電網(wǎng)電壓幅值和相位相差太大，實(shí)現(xiàn)兩種工作模式間 的平滑切換，否那么會(huì)有較大的電壓電流突變，對(duì)逆變器、負(fù)載和電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，造本錢(qián)地負(fù)載電壓突變問(wèn)題，對(duì)其產(chǎn)生損