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文檔簡介
光伏離網(wǎng)逆變器中逆變電路的設計摘要由于近年來不可再生能源的不斷消耗,能源危機日益凸顯,各國都在加緊開發(fā)新能源。太陽能發(fā)電作為一種全新的電能生產(chǎn)方式,具有清潔無污染、來源永不衰竭且維護措施簡單等特點,因而受到越來越廣泛的關注。本文針對太陽能應用的一個重要研究領域一一光伏發(fā)電系統(tǒng),尤其是小功率光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),設計實現(xiàn)了基于DSP空制的光伏離網(wǎng)逆變器逆變電路部分的硬件電路。論文首先介紹了太陽能光伏發(fā)電的國內外發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了利用DSP空制光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的基本原理。然后提出了以逆變器DC/AC變換技術為核心的光伏離網(wǎng)逆變器的硬件電路設計方案,并在Matlab軟件上進行了仿真測試。關鍵詞:光伏離網(wǎng);逆變器;DSPMatlab仿真ThedesignofinvertercircuitinoffgridphotovoltaicinverterAbstractInrecentyears,withthecontinuousconsumptionofnon-renewableenergy,theenergycrisishasbecomeincreasinglyprominent,countriesaresteppingupthepacetodevelopnewenergy.Solarpower,asanewenergyproductionmethods,ownsmanyfeatures,suchas,clean,non-polluting,neverfailureofsourceandsimplemaintenancemeasures,andthusdrawsmoreandmoreattention.Inthispaper,asforanimportantresearchfieldofsolarenergyapplications-photovoltaicsystems,especiallylowpowerphotovoltaicoffgridpowergenerationsystem,designandachievethehardwarecircuitofinvertercircuitinphotovoltaicoffgridinverterbasedonDSPcontrol.Thepaperfirstlydescribedthedevelopmentofphotovoltaicpowergenerationintheworld,andexplainedthebasicprinciplesofDSPcontrolledphotovoltaicoffgridsystem.ThenobjectiveoftoffgridinverterwiththecoreofDC/ACconversiontechnologyinverterhardwarecircuitisdesignedanditssimulationtestsontheMatlabsoftwareisproceeded.Keywords:offgridphotovoltaic;inverter;DSP;Matlabsimulation目錄錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。8ABSTRACT1緒論本課題的意義太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀太陽能光伏發(fā)電的概述本課題的內容和設計要求2光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類3光伏電池光伏電池的工作原理光伏電池的分類_3.3基于DSP的控制系統(tǒng)硬件設計DSP概述DSP系統(tǒng)硬件電路設計4主電路拓撲及電路主要參數(shù)設計主電路拓撲DC-DC部分的電路拓撲功率開光管的緩沖電路的設計DC-AC(逆變)部分的電路的拓撲5系統(tǒng)軟件的構架系統(tǒng)的控制方式PI算法的程序框圖PI控制程序框圖SPWM波的生成6采樣電路直流電壓電流采樣電路
34交流電壓與頻率的采樣34第四章光伏并網(wǎng)逆變器仿真測試結論參考文獻致謝附圖1引論太陽能應用的背景伴隨著傳統(tǒng)的能源資源不斷枯竭,環(huán)境污染造成全球變暖的最嚴重的問題,制約著社會的可持續(xù)發(fā)展。對于全世界的能源需求的增長使能源資源已經(jīng)成為了世界上最重要的戰(zhàn)略物資。因此,發(fā)展可再生能源是全球未來的能源發(fā)展的必由之路。在中國水電和風力發(fā)電已成為商業(yè)發(fā)電,但他們的資源是有限的,他們不可能即使利用所有的資源滿足未來的需求。光伏發(fā)電,是一種取之不盡的無限量的能源,可以直接將太陽光轉化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種重要的解決問題,如能源危機和環(huán)境保護。技術相關的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)通過了世界廣泛的研究并已經(jīng)取得了很大進展。盡管中國的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究開始不久,但中國有豐富的太陽能資源。通過上述分析,在能源需求急劇增加而其他能源日益緊張的背景下,太陽能作為一種取之不盡的、無污染的可再生能源已經(jīng)成為當今最熱門的能源開發(fā)應用的課程之一,它必將是21世紀最重要的能源之一。因此對光伏發(fā)電設計具有巨大應用價值和現(xiàn)實意義。因此,將來光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展前景會很樂觀。同時對于目前的一些能源問題,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)都可以很好的解決,這將會對我們社會所面臨的能源問題做出相當大的貢獻。光伏發(fā)電應用現(xiàn)狀和意義國內光伏發(fā)電應用現(xiàn)狀中國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了非常奇怪的“兩頭在外”現(xiàn)象,即90%勺原材料依賴進口,而90%勺光伏產(chǎn)品卻進入了國際市場。光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也相對緩慢,各種光伏材料的發(fā)展都相對落后。1958年開始對太陽能光伏電池進行研究,并于1971年將光伏電池成功應用于東方紅2號衛(wèi)星;1973年開始太陽能光伏電池的地面應用研究;從20世紀70年代初到80年代末,由于成本高,太陽電池在地面的應用非常有限。20世紀90年代以后,隨著成本的降低,太陽電池產(chǎn)量迅速增長,太陽電池開始向工業(yè)領域和農(nóng)村電氣化應用發(fā)展,市場穩(wěn)步擴大。國家和地方政府開始制訂光伏計劃。2002年,國家發(fā)改委啟動了“送電到鄉(xiāng)”項目,使得中國的光伏市場迅速增長,總裝機容量從2001年的23.5MW迅速增長到2002年的45MVV至2003年達到55MW2003?2005年,受德國市場的巨大需求影響,國內光伏企業(yè)的產(chǎn)能迅速擴展,產(chǎn)量迅速增長。2005年,電池產(chǎn)量約150MW組件產(chǎn)量約284MW國內安裝量約5MW累計安裝量70MW近年來,隨著環(huán)境問題日益突出,綠色發(fā)展理念逐漸深入人心,全球經(jīng)濟的發(fā)展方向和導航標已然轉向低碳經(jīng)濟,太陽能光伏產(chǎn)業(yè)受到世界各國的重視。目前我國已經(jīng)形成了完整的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈。據(jù)了解,隨著國內太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)模應用及快速發(fā)展,具上游的多晶硅大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應用技術已日趨成熟,尤其是從國內及全球現(xiàn)有生產(chǎn)工藝水平看,已可實現(xiàn)整個多晶硅生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)內部的封閉運行,從而接近零排放水平。我國太陽能光伏電池的年產(chǎn)量約為3MW產(chǎn)能力約為5-8MW累計用量約為15MWV同國外相比有很大差距!光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小,水平低,生產(chǎn)成本高,市場培育遲緩,其總體水平落后國外約15年。我國“十二五”規(guī)劃綱要提出,要大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),新能源產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展太陽能熱利用和光伏光熱發(fā)電、生物質能等,解決600萬人(即無電人口的10%)的用電問題等目標!這給光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)提供了前所未有的市場和發(fā)展機會[2]。我國光伏發(fā)電的重點項目:(1)我國“光明工程”計劃由國家發(fā)展計劃委員會牽頭制定的“中國光明工程”計劃,籌集100億元,計劃到2010年利用風力發(fā)電和光伏發(fā)電技術解決2300萬邊遠地區(qū)人口的生活、邊防哨所、微波通訊站、公路道班、輸油管線維護站、鐵路信號站等用電問題。使他們達到人均擁有發(fā)電容量100瓦的水平。(2)深圳園博園光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),該項目總投資750萬美元,這是國內第一座MW汲太陽能發(fā)電站。是目前中國乃至亞洲最大的太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),發(fā)電能力約為100萬千瓦。該電站采用與市電并網(wǎng)形式。投入使用以來共發(fā)電200多萬度。(3)京奧運會鳥巢體育場太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)2008年4月。北京奧運會鳥巢體育場太陽能光伏系統(tǒng)實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。這是2008北京奧運會主場館鳥巢工程首次采用太陽能光伏發(fā)電。這套光伏發(fā)電系統(tǒng)總投資約1000萬元,總裝機容量為100千瓦。該太陽能光伏系統(tǒng)使用單晶硅組件,采用了不可逆流、無儲能的太陽能光伏發(fā)電技術。可以就地安裝、維護費用低。該太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在位于國家體育場鳥巢周圍的5個安檢棚頂部,每個安檢棚為一個并網(wǎng)發(fā)電單元。通過光伏并網(wǎng)逆變器與公共電網(wǎng)并接,實現(xiàn)了與公共電網(wǎng)的互聯(lián)、互通和互補。該系統(tǒng)發(fā)電除滿足鳥巢檢票系統(tǒng)的自身用電外,多余電力將并人國家體育場的電力供應系統(tǒng)。按平均每天5小時光照時間計算。這套光伏發(fā)電系統(tǒng)每天可為鳥巢提供520度綠色電力。該系統(tǒng)將穩(wěn)定運行25年,累計可生產(chǎn)約475萬度綠色電力,可減排2500多噸廢氣.替代1500噸標準煤。(4)上海十萬個太陽能屋頂計劃上海十萬個太陽能屋頂計劃研究,是在世界自然基金會和上海市經(jīng)委的支持下。由上海交通大學太陽能研究所承擔的太陽能應用項目課題,總投資近百億元。上海計劃利用十年的時間,將現(xiàn)有2億平方米平屋頂?shù)?.5%,約300萬平方米,即十萬個屋頂用作太陽能發(fā)電。相當于新建一個30萬千瓦的電站,而且是峰值發(fā)電。在1000瓦,平方米標準日照條件下安裝太陽能屋頂,可發(fā)電130?180千瓦時,平方米。按上海地區(qū)標準日照時間1100?1300小時/年計算。每年最低發(fā)電量可達143千瓦時,平方米.每年至少發(fā)電3.3億度。(5)其他建設項目西部7省無電鄉(xiāng)村通信工程項目、無錫國家工業(yè)設計園300千瓦屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)、上海崇明島生態(tài)公園85千瓦屋頂光伏系統(tǒng)、香港灣仔政府大樓屋頂光伏系統(tǒng)、廣州十萬個光伏屋頂計劃、烏拉特后期1MM漠太陽能光伏并網(wǎng)電站,該電站將是目前國內最大的沙漠太陽能光伏電站。1.2.2國外光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀太陽能是一種朝陽產(chǎn)業(yè),不僅擁有良好的經(jīng)濟前景,且隨其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展,將提供越來越多的就業(yè)機會。太陽能光伏發(fā)電在國民經(jīng)濟中的作用和影響已越來越大,光伏發(fā)電市場發(fā)展前景相當廣闊,已經(jīng)引起了世界發(fā)達國家的高度重視。日本利用其電子技術優(yōu)勢,大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)品,其產(chǎn)量已經(jīng)相當于全球產(chǎn)量的50以上;德、日、英、荷、美等國企業(yè)基本壟斷了全球的光伏發(fā)電產(chǎn)品市場,出口額占世界貿(mào)易額的80以上。據(jù)歐盟估計,全球光伏市場將從現(xiàn)今的3000MW增加到2020年的70GW(w為峰瓦),光伏發(fā)電將解決非洲30GW、經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD洱家10GW勺電力需求。當2010年歐洲風力發(fā)電達到約40GW光伏發(fā)電3GWW太陽能集熱器100Mm時,總計可提供154?167萬個就業(yè)機會。20世紀80年代以來,世界各國特別是發(fā)達國家相繼投入大量的人力、物力開展對太陽能、風能、地熱能、生物能等新型可再生能源的研究、開發(fā)和利用工作。并制定相應的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展計劃。1990年德國政府率先推出“一千屋頂計劃"。1998年進一步提出10萬套屋頂計劃。日本政府1994年開始實施“朝日七年計劃”,總容量185WMp1997年又宣布實施“七萬屋頂計劃”,總容量280MWp意大利1998年實行“全國太陽能屋頂計劃”,總容量50MWp在這類系統(tǒng)中,規(guī)模最大的是1997年6月美國宣布的“百萬太陽能屋頂計劃”,到2010年將安裝101.4萬套光電系統(tǒng),總安裝量3025MWp表所示為2000?2004年五年內世界光伏器件的年產(chǎn)量數(shù)據(jù)[11]o從中可以看到近五年光伏產(chǎn)品需求的強勁上升勢頭,年平均增長率超過50%。充分說明了該產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展態(tài)勢。美國能源部預測,在今后十年內世界太陽電池銷售量將以年均30%的速度增長,到2010年將達到4.6GWp累計容量將達到20GWp近幾年國際上光伏發(fā)電快速發(fā)展,2007年全球太陽能新裝容量達2826mwp其中德國約占47%西班牙約占23%日本約占8%美國約占8%2007年,在太陽能光電產(chǎn)業(yè)鏈中有大量的投資集中到新產(chǎn)能的提升上。除此之外,太陽能光電企業(yè)在2007年間的貸款融資金額增長了近100億美元,使得該產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大。雖然受金融危機影響,德國、西班牙對太陽能光伏發(fā)電的扶持力度有所降低,但其它國家的政策扶持力度卻在逐年加大。日本政府2008年11月發(fā)布了“太陽能發(fā)電普及行動計劃”,確定太陽能發(fā)電量到2030年的發(fā)展目標是要達到2005年的40倍,并在3-5年后,將太陽能電池系統(tǒng)的價格降至目前的一半左右。2009年還專門安排30億日元的補助金,專項鼓勵太陽能蓄電池的技術開發(fā)。2008年月16日,美國參議院通過了一攬子減稅計劃,其中將光伏行業(yè)的減稅政策(itc)續(xù)延2-6年。太陽能光伏發(fā)電的概述太陽能發(fā)電可分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種。通常而言,太陽能發(fā)電指的是太陽能光伏發(fā)電,簡稱“光電”。它是利用半導體界面的先生伏特效應將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護即可形成大面積的太陽電池組件,再配合上功率控制器等部件,就形成了光伏發(fā)電裝置。根據(jù)需求和應用場合的不同,太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種。本課題的內容和設計要求本課題主要研究的是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的離網(wǎng)型光伏逆變器,設計一個小型光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變電路。要求:輸入直流電壓250V-300V,逆變電壓波形為正弦信號,有效值220V±10%,50Hz,輸出功率>=100W效率>80%根據(jù)設計要求,從以下幾個方面進行研究設計:(1)介紹光伏發(fā)電的的基本狀況和前景,理解光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和分類,明確離網(wǎng)型光伏逆變器的作用與發(fā)展及設計的目的。(2)闡述光伏發(fā)電的原理。(3)逆變器中逆變電路硬件電路的設計,包括:直流升壓斬波電路結構、逆變器電路、LC輸出濾波、DSP空制電路、采樣硬件電路。(4)通過建立離網(wǎng)逆變器的仿真模型,并采用直流電源供電,實現(xiàn)逆變電路的MATLA的真并進行分析。2光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏發(fā)電系統(tǒng),是利用光伏電池的光伏效應,將太陽能轉化為電能,儲存或直接供給負載使用的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。主要是由光伏電池陣列、變換部分、逆變器及儲能部分組成。(1)光伏電池陣列:光伏電池是組成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最小單位,單個光伏電池功率較小,最大輸出功率不超過5Wp為滿足不同等級負載供電需要,人們將光伏電池串并聯(lián)后統(tǒng)一封裝構成光伏模塊(PhotovoltaicModule-PV),這是目前光伏器件的主要存在及應用方式。因大功率光伏模塊安裝、維護方便,因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中200Wp以上的光伏模塊更受歡迎。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)中所需功率超過光伏模塊功率,則需要根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率要求,將同規(guī)格的光伏模塊串聯(lián)起來構成光伏陣列(PVArray)為系統(tǒng)提供更高的輸出功率和輸出電壓。(2)直流變換部分(DC-DC)直流變換部分作用主要是把光伏陣列輸出電壓變換成能夠滿足儲能系統(tǒng)和逆變器要求的電壓等級。同時由于光伏陣列輸出特性的特殊性,其輸出功率為日照強度和模塊溫度的非線性函數(shù),存在著最大輸出功率跟(MaximumPowerPointTracking—MPPT問題。如果不加以控制直接用于給負載提供能量,則很難有較好地發(fā)揮光伏模塊轉換效率。為此,控制系統(tǒng)除了完成對DC-DC變換和DC-AC變換所需的基本控制外,還需在DC-DC變換環(huán)節(jié)中增加MPPW制,以實現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出。(3)逆變部分(DC-AC:光伏電池發(fā)出的只能是直流電,而包括電網(wǎng)在內的許多用電場合需要交流電,所以(DC-AC)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個關鍵環(huán)節(jié)。它的功能是受控制系統(tǒng)控制,從而將直流轉變?yōu)榕c交流電網(wǎng)或本地交流負載相匹配的交流電。該環(huán)節(jié)的主要指標要求是變換的高可靠性和高轉換效率。目前我國在小功率逆變器上與國外處于同一水平,但在大功率逆變器上有較大的差距。(4)儲能部分:光伏發(fā)電系統(tǒng)只有在白天有陽光時才能發(fā)電,而人們的一般用時間會在晚
上,所以蓄電池可以在白天將太陽能儲存起來以供人們夜間使用,同時也可作為交流電網(wǎng)斷電時的不間斷電源為本地重要交流負載供電。這種包括蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)的光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為“可調度式光伏發(fā)電系統(tǒng)”。還有一種不含蓄電池的發(fā)電系統(tǒng),這種系統(tǒng)稱為“不可調度式光伏發(fā)電系統(tǒng)”。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)本身的結構、系統(tǒng)運行環(huán)境情況、輸出容量的大小、本地負載容量的大小以及交流電網(wǎng)的情況,分別可工作于獨立運行模式、并網(wǎng)發(fā)電運行模式和混合運行模式三種。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與公共電網(wǎng)相連接的,主要在一些離公共電網(wǎng)太遠的五點地區(qū)和一些特殊場合所使用,如一些偏僻農(nóng)村、牧場和偏遠的島嶼,即公共電網(wǎng)難以覆蓋到的地區(qū),為其提供照明、廣播電視等基本生活用電。還有像邊防哨所、氣象臺站、通信中繼站、大型海洋浮標等特殊場所也使用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏電池陣列、蓄電池組、控制器和逆變器及負載等部分。圖2-1所示是典型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構示意圖。光伏電池組件蓄電池直流負載光伏電池組件蓄電池直流負載圖2-1獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指與公共電網(wǎng)相連接的光伏發(fā)電系統(tǒng),將光伏電能饋送給公共電網(wǎng)。當太陽能光伏發(fā)電進入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展階段,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)成為電力工業(yè)重要的組成部分,是太陽能光伏發(fā)電的重要方向和主流趨勢。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有帶蓄電池組和不帶蓄電池組之分。帶蓄電池組是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為可調度式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)具有不間斷電源的作用,還可以充當功率調節(jié)器,穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、消除高次諧波分量,從而提高電能質量;不帶蓄電池組的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),逆變器將光伏電池陣列提供的直流電能逆變成為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能,送往公共電網(wǎng);當光伏電池陣列提供的電能不能滿足負載需要時,電網(wǎng)自動向負載補充電能。
圖2-2所示是典型的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖,主要包括光伏電池陣列、DC/AC逆變器、DC/DC變換器、控制器和電網(wǎng)五個組成部分。根據(jù)負載及系統(tǒng)的供電可靠性的需要,在DC/D3換器輸出端連接蓄電池組。直流負載光伏電池組件控制器DC/DC變換器蓄電池直流負載光伏電池組件控制器DC/DC變換器蓄電池圖2-2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在光伏發(fā)電的基礎上增加一組發(fā)電系統(tǒng),以彌補光伏發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境變化影響較大造成的陣列發(fā)電不足,或電池容量不足等因素帶來的供電不連續(xù)。較為常見的混合系統(tǒng)是風一光互補系統(tǒng),系統(tǒng)結構框圖如圖2-3所示。圖2-3混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)在通常情形下,白天日照強,夜間風多;夏季日照強、風?。欢杭救照諒?/p>
度小而且風大。顯然風能發(fā)電與太陽能發(fā)電具有很好的互補性,具優(yōu)點顯見:利用太陽能、風能的互補特性可以產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出,提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性;在保證供電情況下,可以大大減少儲能蓄電池的容量;對混合發(fā)電系統(tǒng)進行合理的設計和匹配,可以基本上由風/光系統(tǒng)供電,無須啟動備用電源和備用發(fā)電機,以此獲得較好的經(jīng)濟效益。但是,風/光互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)存在:一次性投資較大,并需定期更換蓄電池等缺點。3光伏電池光伏電池的工作原理在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,光伏電池般是實現(xiàn)光能轉換成電能的器件,光伏電池陣列是多個特性相同的電池單體經(jīng)過串并聯(lián)后構成的,一是由半導體材料制成的,其特性與二極管類似。光伏電池單體實際上是一個PN結,PN結處于平衡狀態(tài)時,中間處有一個耗散層存在著勢壘電場,形成了方向由N指向P區(qū)的電場。當太陽光照射到PN結時,就會產(chǎn)生一定量的電子和空穴對,N區(qū)就有過剩的電子,這樣就形成了光生電動勢,具方向與勢壘電場方向相反。光生電動勢使P區(qū)和N區(qū)分別帶正負電,從而產(chǎn)生光生伏特效應。這樣如果用導線連接兩個電極,就會有“光生電流”流過,從而產(chǎn)生電能。光伏電池的分類光伏電池多用于半導體固體材料制造,也有用半導體家電解質的光電化學電池,發(fā)展至今種類繁多,無論采用何種材料生產(chǎn)光伏電池,它們對材料的一般要求是:半導體材料的禁帶不能太寬;要有較高的光電轉換效率;材料本身對環(huán)境不造成污染;材料便于工業(yè)化生產(chǎn),而且材料的性能要穩(wěn)定。按電池結構分類如下。(1)異質結光伏電池。由兩種不同禁帶寬度的半導體材料構成,在相接的界面上形成一個異質PN結。像硫化亞銅光伏電池、硫化鎘光伏電池都為異質結光伏電池。(2)同質結光伏電池。在同一個半導體材料構成一個或多個PN結。像神化錢光伏電池、硅光伏電池都為同質光伏電池。(3)肖特基光伏電池。指用金屬和半導體接觸組成一個“肖特基勢壘”的光伏電池(又稱MS光伏電池)。其原理是基于在一定條件下金屬一半導體接觸時產(chǎn)生類似于P-N結可整流接觸的肖特基效應。這種結構的電池現(xiàn)已發(fā)展成為金屬一氧化物一半導體光伏電池(MOS光伏電池)、金屬一絕緣體一半導體光伏電池(即MIS光伏電池)等。(4)薄膜光伏電池。指利用薄膜技術將很薄的半導體光電材料撲在非報道提的襯底上而構成的光伏電池。這種光伏電池大大地減少半導體材料的消耗(薄膜厚度以仙m計)從而大大地降低了光伏電池的成本??捎糜跇嫵杀∧す夥姵氐牟牧嫌泻芏喾N,主要包括多晶硅、非晶硅、硫化鎘以及CIS等,其中以多晶硅薄膜光伏電池性能較優(yōu)。(5)疊層光伏電池。指將兩種對光波吸收能力不同的半導體材料疊在一起構成的光伏電池。鑒于波長短的光子能量大,在硅中的穿透深度小的特點,充分利用太陽光中不同波長的光,通常是讓波長最短的光線被最上邊的寬禁帶材料電池吸收,波長較長的光線能夠透射進去讓下邊禁帶較窄的材料電池吸收,這就有可能最大限度地將光能變成電能。(6)濕式光伏電池。指在兩側涂有光活性半導體膜的導電玻璃中間加入電解液而構成的光伏電池。這種形式的電池不但可以減少半導體材料的消耗,還未建筑物和太陽能應用的一體化設計創(chuàng)造了條件。按電池材料分類:(1)硅光伏電池:包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。其中單晶硅材料結晶完整,載流子遷移率高,串聯(lián)電阻小,光電轉換效率高,可達20%£右,但成本比較昂貴。多晶硅材料晶體方向無規(guī)律性。由于在這種材料中的正負電荷有一部分會因晶體晶界連接的不規(guī)則性而損失,所有不能全部被P-N結電場分離,使之效率一般要比單晶硅光伏電池低。但多晶硅光伏電池成本較低。多晶硅材料又分為帶狀硅、鑄造硅、薄膜多晶硅等多種類型。用它們制造的光伏電池又分為薄膜和片狀兩種。而非晶硅光伏電池是采用內部原子排列“短程有序而長程無序”的非晶體硅材料(簡稱a—Si)制成。非晶硅材料基本被制成薄膜電池形式。具造價低低廉,但光電轉換效率比較低,穩(wěn)定性也不如晶體硅光伏電池,目前主要用于弱光性電源,如手表、計算器等的電池。(2)非硅半導體光伏電池。主要有硫化鎘光伏電池和神化線光伏電池。硫化鎘分單晶或多晶兩種,它常與其他半導體材料合成使用,如硫化亞銅/硫化鎘光伏電池、硫化鎘/硫化鎘光伏電池、銅鈿硒/硫化鎘光伏電池等。而神化錢具有較好的溫度特性,理論效率高,較適合于制成太空光伏電池。即采用同質結形式也可以采用異質結形式,既可采用單晶切片結構也可采用薄膜結構以制成光伏電池。(3)有機半導體光伏電池:用含有一定數(shù)量的碳一碳鍵,導電能力介于金屬和絕緣體之間的半導體材料制成。具特點是轉換效率低、價格便宜、輕便,易于大規(guī)模生產(chǎn)。3.3基于DSP勺控制系統(tǒng)硬件設計自20世紀60年代以來,數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessing,DSB日漸成為一項比較成熟的技術,并在多項應用領域逐漸取代傳統(tǒng)了傳統(tǒng)模擬信號處理系統(tǒng)。與模擬信號處理系統(tǒng)相比,數(shù)字信號處理技術及設備具有靈活、精確、快速、坑干擾能力強、設備
TI公司TI公司推出的TMS320F2812K片。數(shù)字信號處理器是利用計算機或專用的處理設備,以數(shù)值計算的方式對信號進行采集、變換、綜合、估計與識別等加工處理,從而達到拾取信息和控制的目的。數(shù)字信號處理器的實現(xiàn)是以計算機技術和信號處理理論發(fā)展為基礎的,在其發(fā)展歷程中,有兩件事加速了DSP技術的發(fā)展。其一是Cooley和Tuckey對離散傅立葉變換的有效算法的解密,另一個就是可編程數(shù)字信號處理器在20世紀60年代的引入。這種采用哈佛結構的處理器能夠在一個周期內完成乘法累加運算,與采用馮?諾依曼結構的處理器相比有了本質的改進,為復雜信號處理算法和控制算法的實現(xiàn)提供了良好的實現(xiàn)平臺[11]。DSP概述、DSP內部結構TMS320F281處理器有較高的運算精度(32位)以及系統(tǒng)的處理能力(達到150MIPS。這種芯片集成了128KB的Flash儲存器,4KB的弓I導ROM數(shù)學運算表以及2KB的OTPROM因此能夠大大改善其應用的靈活性。其功能結構框如圖通過DSP的結構可以歸納出DSP的以下特點:.采用了高性能的靜態(tài)COM被術,主頻達150MHz(時鐘周期6.67ns)、功耗低、Flash編程電壓為3.3V。.支持JTAG邊界掃描接口。.高性能32位CPU哈佛結構、快速中斷響應和處理能力、統(tǒng)一尋址模式、高效的代碼轉換功能。.片上儲存器,最多達128Kx16位的Flash存儲器。引導(BOOTROM^卜部存儲器擴展接口。.時鐘和系統(tǒng)控制,支持動態(tài)改變鎖相環(huán)節(jié)的倍頻系數(shù)、片上振蕩器、看門狗。三個外部中斷,外設中斷擴展模塊(PIE)支持45個外設中斷、三個32位CPUS時器、128位保護密碼。.兩個事務管理器,每一個事務管理器包括:兩個16位的通用定時器;8通道16位的PWM不對稱、對稱或者四個矢量PW極形發(fā)生器;死區(qū)產(chǎn)生和配置單元;外部可屏蔽功率或驅動保護中斷;三個完全比較單元;三個捕捉單元,捕捉外部事件;同步模數(shù)轉換單元。.串口通信外設,串行外設接口(SPI)、兩個UART8口模塊(SCI)、增強的eCAN2.0B接口模塊、多通道緩沖用口(McBSP。.12位模數(shù)轉換模塊,2X8通道復用輸入接口、兩個采樣保持電路、單/連續(xù)通道轉換、流水線最快轉換周期為60ns,單通道最快轉換周期200ns、可以使用兩個事件管理器順序觸發(fā)8對模數(shù)轉換。9.高達56個可配置通用目的I/O引腳,先進的仿真調試功能,低功耗模式和省點模式。二、DSP外圍設備TMS320F281數(shù)字信號處理器集成了很多內核可以訪問和控制的外部設備,內核需要某種方式來讀/寫外設。因此,CPU將所有的外設都映射到了數(shù)據(jù)存儲器空間。每個外設被分配一段相應的地址空間,主要包括配置寄存器、輸入寄存器和狀態(tài)寄存器。DSF#設部分的連接如圖3.2所示。3.3.2DSP系統(tǒng)硬件電路設計一、時鐘晶振電路和復位電路通過晶振電品&的作用為DSP系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。為了節(jié)約成本,利用DSP5片內部的振蕩器電路,與無源晶體、起振電容一起連接成三點式振蕩器來產(chǎn)生穩(wěn)定時鐘。連接起振電容是為了保證正常的起振,對振蕩頻率的影響極小。無源品振需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號相對于晶振而言其缺陷是信號質量較差,通常需要精確匹配外圍電路,更換不同頻率的晶體時周邊配置電路需要相應的調整。因為晶振的頻率越高DSP1行速度就越快,越能夠滿足DSPtt理能力的要求。其電路連接如圖3.3所示。EW3m-nsrKj"Tfl]mijmmrrsh-2-1M-s右fs—rr-r.i-17?~,?DC.!ifl<3.'.DC.tii~I-中事E"i工廠點口皿DIhE"m-At?片?5IOE■皿田J『用EW3m-nsrKj"Tfl]mijmmrrsh-2-1M-s右fs—rr-r.i-17?~,?DC.!ifl<3.'.DC.tii~I-中事E"i工廠點口皿DIhE"m-At?片?5IOE■皿田J『用HELnsrrtKMBI4IF5f^UEranUII4ranoEM^i統(tǒng)1$ET|5IKE43TWW1jrwii-Etit*ri-ADEigE^i¥££VQ>紀HX型疔4MHSKIiXIg宙5蝴IWTOw*APT¥0>1VSEIADCSl犀EFIN胃爾W2£M之AKIM?RDCIWti4££lhA.5£!mnH1A05此gf一壬m四一u■一備回uT-i:>!alT5登」sk照更BmylocseCT*苫一工T4iuR=R5fD0>日中二§3|1">史匚>-c@3LLgfI?-&&1£5壬£30£3H-Ck1?£<30—量看5kkki^ee0gw■口占挈山凡IE4UIJ.--引Tut奧Gtl口P0F4_”B#13l_EWfcDnl_E*Eft2_WER5rF?i_SP1Fl工皿*FIUJ4UF心CM里冉KIS品自e.<KAljI3JMF?一取F3im2西|?!猛u艮一胃PWM-t*soMkw呈8.NISUS?~£5岑口£d艮VDCfltiifAirjjcreiP用rihT*8VSiXiritEUclK布W£>版“版l?iw;fIJFMarSIIVD0±VFLMtnrsnrsra:CflTRl^ai1-mi4CTfTV'aiiflEPIMI*CJPSCEP4泊,"VIEwjgERtai:vEx)rcMP^aaXDtTPWTKMFrSiVEi押后RK3I第8學FWWIivSlPWM輸出戶9E?LRAFnF9圖3.3DSP芯片和時鐘晶振通過按鈕實現(xiàn)復位操作。當按鈕S10按下時,將電容C26上的電荷通過按鈕用接的電阻釋放掉,使電容C26上的電壓降為0o當按鈕松開時,由于電容上的電壓不能突變,所以通過電阻R22進行充電,充電時間由R22和C26的乘積伯:決定,一般要求大于5個外部時鐘周期。這樣就可以實現(xiàn)手動按鈕復位。其電路原路如圖3.3所示。圖3.4圖3.4復位電路二、JTAG接口電路和輔助電源JTAG是JOINTTESTACTIONGROUP簡稱,是一種國際標準測試協(xié)議。標準的JTAG接口是4線一一TMSTDI、TDOTCK分別是模式選擇、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和時鐘。JTAG的工作原理:在器件內部定義一個TAPTESTACCESPORT測試訪問口),通過專用的JTAG測試工具對內部節(jié)點進行測試和調試。JTAG接口用于連接DSP系統(tǒng)板和仿真器,實現(xiàn)仿真器DSP訪問,JTAG的接口必須和仿真器的接口一致,否則將無法連接上仿真器。EMUO口EMUI要上拉到DSP的電源,其連接如圖3.5所示。EMUIJP5ITAGE.20R215IKEMUIJP5ITAGE.20R215IK圖3.5JTAG接口電路TMS320F281采用了雙電源供電機制,以獲得更好的電源性能,其工作電壓為3.3V和1.8V。其中,1.8V主要為該器件的內部邏輯提供電壓,包括CPU和其他所有的外設邏輯。與3.3V供電相比,1.8V供電大大降低功耗。外部接口引
腳仍然采用3.3V電壓,便于直接與外部低壓器件接口。為TPS767D31鴕供5V輸入,就可以得到輸出電壓分別為3.3V和1.8V,每路的最大輸出電流為750mA并且提供兩個寬度為200ms的低電平復位脈沖。其設計原理圖如圖3.6所示。圖3.6圖3.6輔助電源電路C19CMI1正TI——
luFTC!FCk.UDEOei+v+ci-T2QUIwcCrHDE1OUI口率fclOUIC19CMI1正TI——
luFTC!FCk.UDEOei+v+ci-T2QUIwcCrHDE1OUI口率fclOUIfTI-]I^iF上]印11PCIXDKnFClLXEkR12fCIIMDAl-TIIIIT乂球11*fCIlUDBi5fCIILMDBlCHluF112GUIMAX加『耳D7LEDSCILKDA1、2路串行通信SCI接口電路和A/D轉換電路2路串行通信接口(SCI)是采用雙線通信的異步串行通信接口,即通常所說的UARTR。為了減少串口通信時CPU勺開銷,TMS320F2812勺串口支持16級接受和發(fā)送FIFO。SCI模塊采用標準非歸0數(shù)據(jù)格式,可以與CPUE其他通信數(shù)據(jù)格式兼容的異步外設進行數(shù)字通信。當不使用FIFO時,SCI接收器和發(fā)送器采用雙級緩沖傳送數(shù)據(jù),SCI接收器有自己的獨立使能和中斷位,可以獨立操作,在全雙工模式下也可以同時操作。其接線如圖3.7所示CIS圖3.72路串行通信SCI接口A/D轉換調理電路是用來把采集到的信號轉換成TMS320F281芯片所能識別圖3.8A/D轉換電路的工作數(shù)字信號。通常模擬信號的采集需要用到電壓互感器、電流互感器、壓力傳感器、霍爾元件等把大的信號轉化為弱電信號,然后經(jīng)過調理電路才能送入DSPA/D轉換調理電路與DSP的連接如圖3.8圖3.8A/D轉換電路AD7AD4ADJAD7AD4ADJ~~AE1ADOAT[0,7]F5cgADCB5ADCB4ADCB3"ADCB2"TadcbiADCB[D..7]ADCB[D..7]四、電平轉換和緩沖電路在新一代電子電路設計中,隨著低電壓邏輯的引入,系統(tǒng)內部常常出現(xiàn)輸入/輸出邏輯不協(xié)調的問題,從而提高了系統(tǒng)設計的復雜性。例如,當1.8V的數(shù)字電路與工作在3.3V的模擬電路進行通信時,需要首先解決兩種電平的轉換問題,這時就需要電平轉換器。由于TMS320F281痂用白^是3.3V的供電,所以MAX202/TMS320F281芯片之間必須加電平轉換電路。電平轉換電路與DSP^間的連線如圖3.9所示。二U8+33V,T*42VCCiVCClVCC3VCC12OE2DIR1OE1DIRA?OR?IS’317t±=—,R311T*3470C防XI3633CAJ押RRCAN1X27-6/VAVf22CAI^TMlSCIRKDE129Jb-JK02A52E5iA+如42A32E32A22E2:川如13AO^BO1A7:1B71A5IBCIA51E51A41E41A31E31A21E31A1IE11AD1E0GHDGHDOHD(SMDGND陽DGHD領D如SCIRXDBSCITXDB3。19SCJT/DBl3二35—173<5""14JCITZDAlSCTTHDA饕13£SCmSDAl371。384匚41~。二44―46~41-34~11飛—-j—二Flj3y4510S34用—c^i|(USLVC16245
圖3.9電平轉換緩沖電路的作用是用來解決電路中信號可能受到大的干擾,產(chǎn)生大的脈沖波,用來消除干擾,減少對控制芯片內部器件沖擊,其連接電路如圖3.10所示。t31T1"vccavcciVCC2VCC1iOE2DB10EID波,用來消除干擾,減少對控制芯片內部器件沖擊,其連接電路如圖3.10所示。t31T1"vccavcciVCC2VCC1iOE2DB10EID承2A72BT2B62A52B32A42B42A33B32A22B22A13B12AO2BD1A71B71A(51B61知IBS1A41B4l知IB?gIAl1B11A01B0GNDGMDONDGNDGOT)GND0NDU19LUC1似45——“0O.luFXDOKD2XD4KD6KMkFsKMHD747012PE7/11DB6/9DB57百①I7/iDBS/WDB13DBQ21DB[0..7]10圖3.10緩沖電路五、片外擴展RAM由于本設計中的DS啄集的數(shù)據(jù)較多,對處理存儲容量有一定的要求,所以需要外接一塊RAMNT展容量。本設計選用CY7C1021(64K)的片外RAM只需將它的A0-A15引腳直接和DSP的XA0-XA15數(shù)據(jù)線相連,IO0-IO15與DSP的XD0-XD1地址線相連。其余管腳的連接如圖3.11所示。XA.1J1用19XA.1J1用19JEA1L324XA12以XA.L124XA1.413Xk9xkaZ71A.7髓支JU*3MXK41,的3aXk23某的】4xxoijXNC門170aLi*1#0,AlJrajAit1OUM31013AU10UMl工OilAltlottA9M39氏等3A7107AlIOCAJIOJA*mA3ID3X2E2AlDOIJO(cTwewTvccOTMCEZEHCW£CY7C10J13SXD15y37R】*/ItK.D13y35*口1f/313CD117JIWil/皿Ji?黑D國/It建口7y15黑EH/ItJtDJ/Um4¥15MDS)9KD2/aUDI/7KDO/3311TS*2e12.1+1圖3.11片外擴展RAM4主電路拓撲及電路主要參數(shù)設計主電路拓撲主電路拓撲如圖4.1所示。該電路前級由Q1、LGDl等器件組成的BOOST電路對光伏輸出電壓進行升壓斬波后并對蓄電池進行充電;后級為單相全橋逆變電路,作用是將前級的產(chǎn)生直流電壓逆變并經(jīng)L2、C5濾波后得到工頻正弦交流電。圖4.1主電路拓撲DC-DC部分的電路拓撲適用于直流轉換部分的電路拓撲有:降壓斬波電路(busk電路),升壓斬波電路(boost電路),升降壓斬波電路(buck-boost電路)等等。在本課題中,所用到的直流變換部分的電路只要求升壓,所以這里只對升壓斬波電路(boost電路)進行敘述。其電路結構原理圖如下圖4.2:
圖4.2BOOST圖4.2BOOST電路結構一、Boost升壓電感參數(shù)的設計對于一般的變換器來說,由于電感和電容寄生電阻的影響,隨負載電流增加,輸出電壓會下降,輸出電壓對占空比二的敏感度下降,控制特性變差。為了輸出電壓的穩(wěn)定,控制電路盡量增大占空比,使電壓增益變大以便于維持輸出電壓的恒定。因此,設計中選擇濾波元件總是盡量選取小的寄生電阻元件,且實際應用中,是占空比調節(jié)a<0.88。為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠不間斷的往外輸出功率,前級的Boost升壓斬波電路應該工作在電感足夠大電流連續(xù)的模式下。根據(jù)伏秒平衡的定理,電感電壓在開關管的一個周期內對時間的積分為零。即如式4.1所示:UpvETs+(Upv-Udc卜(1y!Ts=0(4.1)其中:Upv是太陽能電池陣列的輸出電壓,Udc是直流母線DC-link的電壓,也即Boost電路的輸出電壓,Ts是開關管的開關周期,?是Boost電路開關管的占空比,aTs是開關管的導通時間Ton,(1-口)Ts是開關管的截止時間。整理可得:(4.2)Udc1(4.2)Upv-1-:本系統(tǒng)中,太陽能電池板陣列輸入電壓是60V,直流母線電壓Udc范圍是250V?300V,由上式(4.2)可得:maxUdc-uPVUdc300-maxUdc-uPVUdc300-60300=0.8,:-minudc-uPVUdc250-60250=0.76所以本系統(tǒng)中boost升壓斬波電路中占空比*的范圍是0.76?0.8。由于電感一直處于充電、放電過程,而且充放電過程都是曲線的,所以電感電流不是一個直流分量,還存在紋波量,其中紋波分量由電感兩端的電壓:
U|dli二Ldt(4.3)可得流過電感的電流變化量:..5*1」l二L電感電流的紋波系數(shù)的定義:」iiU|dli二Ldt(4.3)可得流過電感的電流變化量:..5*1」l二L電感電流的紋波系數(shù)的定義:」ii(4.4)有以上各式可得電感的大?。?(1--)2-U2cTs
L二P0(4.5)其中P0=100W為輸出功率。電流紋波系數(shù)的選取”,需要考慮電感的飽和
問題、減少IGBT中的峰值電流及電壓損耗問題,這里取電流紋波系數(shù)<25%o開關頻率的選取時,應該綜合考慮。工作頻率過高,則輸出波形諧波含量少,有利于濾波器的設計。但工作頻率過高則功率開關管的發(fā)熱和和損耗都會增加。本系統(tǒng)選用開關管的頻率為f=100KHz,當a=0.76時,有:__2_2__5L「一。760.7630010.157.5936」H25%100(4.6)所以選取L=200NH。二、直流母線穩(wěn)壓電容參數(shù)的設計升壓斬波電路輸出端電容的作用:①給直流母線穩(wěn)壓②盡可能的濾除紋波電壓。由電容兩端電流的變化量:dUdcI共——dcdt(4.7)電容兩端電壓的變化量Udc小Ts
Cdc(4.8)上下同乘Udc得:(4.9)P0F(4.9)CdcUdc電容電壓的紋波系數(shù)所以電容值的大小為:UdcoU電容電壓的紋波系數(shù)所以電容值的大小為:UdcoUdcCdcP°:Ts
Udc(4.10)其中Udc=300V,R=10CW,*1=2%,a=0.7,Ts=10's代入上式(4.10)Cdc1000.710宜二Cdc1000.710宜二116.667」F0.02300(4.11)在實際的系統(tǒng)設計中,當開關管給電感充電時,后級逆變部分所需要的能量是由電容提供的,所以給設計的電容留下充足的裕量,所以給電容留一定的5倍以上的容量,本文采用600kF的電容。三、開關管的參數(shù)選擇IGBT結合了GTRffiMOSFET勺優(yōu)點,所以Boost升壓斬波電路中選用IGBT作為開關管。其承受的最大電壓為300M本設計最終采用的IGBT其主要參數(shù)為:900V。四、升壓電路二極管的選擇Boost升壓斬波電路中的續(xù)流兼有防反作用的二極管應該具有較低的通太電壓降和快速恢復的特性。二極管承受的最大電壓是300V,所以選用的二極管主要參數(shù)為900V。功率開光管的緩沖電路的設計如圖中4.1中所示,D2、R1、C2組成了常用的FHC—D箝位式緩沖電路。該電路可以有效地吸收開關管關斷時線路中的雜散電感上產(chǎn)生的感應峰值電壓,使開關管源一漏電壓尖刺箝位在電源電壓左右,從而保證開關管不會過壓擊穿。其基本箝位原理為:在穩(wěn)態(tài)時,無論開關管處于導通還是截止狀態(tài),電容C2兩端電壓均為電源電壓。當器件兩端電壓高于電源電壓時,線路雜散電感中的能量通過二極管D2轉儲到吸收電容C2上,此時器件兩端的電壓被箝位在電容電壓,利用電容兩端電壓的不突變性就可以有效地抑制器件上的尖峰電壓;同時電容C2通過Rl向電源放電,于是轉移到電容上的能量部分回送到電源,另一部分消耗在電阻Rl上。由于線路的雜散電感一般不大,且部分回饋到電源,因此即使在高頻情況下,Rl上消耗的功率也是不大的。因而RCDffi位式緩沖電路成為IGBT器件最實用的緩沖電路之一。實驗電路中R1取值10Q,R1越小,開關管的峰值電壓越接近母線電壓;D2與開關管的峰值電壓相同,但電流不需很大,選擇900V;箝位電容的值越大箝位的效果越好,但實際應用中無須很大,這里選1000MDC-AC(逆變)部分的電路拓撲主要介紹的電路拓撲的結構為單相全橋逆變電路。如圖4.3所示:圖4.3單相全橋逆變電路一、IGBT開關管的選擇逆變器的功率開關器件的選擇至關重要,目前使用較多的功率開關器件有門極可關斷晶閘管(GTO),雙極結型晶體管(BJT),金屬氧化物功率場效應管(MOSFET)和絕緣柵極晶體管(IGBT)等。在低壓小容量系統(tǒng)中較常使用的器件為MOSFET因為MOSFET有較高的開關頻率和較低的通態(tài)壓降,以及正的溫度系數(shù),熱穩(wěn)定性較好。但在逆變器的設計中,由于輸出濾波電感電容的作用,使續(xù)流時間較長,容易燒壞MOSFET在高壓大容量系統(tǒng)中一般常使用IGBT模塊,由于MOSFE隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大,而IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢,而在特大容量(100kVA以上)系統(tǒng)中,一般采用GTO乍為功率開關元件。隨著光伏并網(wǎng)并網(wǎng)技術的發(fā)展,主電路開關器件的選擇也需要具體考慮與研究。因此,針對本設計逆變系統(tǒng)的特點,選用IGBT作為開關器件。它是復合型功率開關器件,是GTRffiMOSFET合而成。它擁有單極性電壓驅動MOSFE的優(yōu)點,又結合了雙極型GTR耐壓高、大電流的優(yōu)點。在IGBT選擇中,需要注意以下幾個方面的問題:.電流容量:在IGBT工作過程中,集電極峰值電流Icm必須要處于IGBT開關安全工作區(qū)以內。.電壓容量,在IGBT開關過程中,最大集射極電壓Uces不能超過器件的最高耐壓值,否則器件將會被過壓擊穿而損壞。
.散熱要求:在IGBT開關過程中,會產(chǎn)生大量的開關損耗而使器件發(fā)熱,因此,在選擇器件時必須綜合考慮系統(tǒng)的散熱條件一一最大集電極功耗Pcmo分別從以上幾方面考慮,在本系統(tǒng)中,IGBT的最大集射極電壓Uces為直流電壓300V左右,考慮到器件開關過程中有電壓尖峰的影響,選取一定的電壓裕量(一般選為2?3倍)。在電流方面,為了保證系統(tǒng)的工作安全,對開關管電流也要選取較大的裕量;逆變器的開關頻率為10kHz,在散熱方面,為了保證開關管的充分散熱,采用了將IGBT固定在散熱器上的措施。綜上所述,本設計最終采其主要參數(shù)為:900M二、交流測輸出濾波電感的設計在單相全橋逆變器中,逆變器輸出濾波電感的設計是一個關鍵的元器件,光伏離網(wǎng)系統(tǒng)要求逆變器輸出側的波形為正弦波。所以,電感值選取的是否合適直接影響電路的整體工作性能。我們可以從以下幾個方面來選取電感值:(1)電流的紋波系數(shù)逆變器輸出的濾波電感的值將直接影響輸出紋波電流的大小,通過電感基本的伏安關系△U=L*曳dt可得:IiTon0Uidt
L(4.12)其中U1為電感的電壓,當輸出電壓在峰值附近即U0=Ugrid時,輸出電流的IiTon0Uidt
L(4.12)其中U1為電感的電壓,當輸出電壓在峰值附近即U0=Ugrid時,輸出電流的紋波系數(shù)最大,設此時開關管的開關周期為TS,占空比為a,則有:..UgridTonLIl=L(4.13)另外根據(jù)電感的伏秒特性平衡原理,可得:Ugrid:Ts=Udc-Ugrid1一:Ts(4.14)于是可得占空比:U-U
dcgrid
Ol=Udc(4.15)有以上各式可得:..Udc-Ugrid*:Il二-Lf(4.16)進一步化簡可得:Udc-Ugrid_UgridrUdc-UgridUgrid(4.17)△Il=g—*一g一即1=-*—g(4.17)Lf*UdcIlf*Udc在逆變系統(tǒng)中,由于c=300VUgrid=2220=311V,In=10.5AUc=300V所以開關管的工作頻率為f=10kHz,T=100us,取電流的紋波系數(shù)為「=16%則由式(4.17)計算可得:(4.18),400-311(4.18)L411.53mH50.161104300因此,要保證實際的電流紋波用1MINr=10.5x0.16=1.68A,所以取電感取值范圍為L之11.53mH。(2)逆變器的矢量三角形關系從逆變器的矢量三角形關系可以得出:(4.19)(4.20)U0-j'LIN(4.19)(4.20)于是可得它們的基波幅值滿足下面公式:222U02"fLInuN由SPWME弦脈寬調制理論可以得到U°=mUdc。其中,m為調制比,且mE1,從而可得:222(4.21)(4.22)(4.23)(oLIn)(4.21)(4.22)(4.23)進一步對上式(4.21)化簡得:.<限2迅
一-In把數(shù)值代入式(4.22)計算可得:3002-2202L二30.9mH5010.5綜合計算,濾波電感的取值范圍為11.53mH<L<30.9mH。在實際電感設計過程中,由于電感的成本、體積等因素的影響,一般只考慮取電感的下限值即可。以上計算建立在額定的輸出電壓基礎上,即UN=220V基礎上,最終選取電感值L=15mH。三、交流測輸出濾波電容的設計由于電感和電容一起構成LC式的阻高頻通低頻的低通濾波器,有效的抑制了高次諧波,同時又要遠大于基波的頻率,避免輸出電流發(fā)生畸變,一般取電流
的基波頻率為10?20倍的基波頻率,本文取13倍的基波頻率進行分析1由f=———得:(4.24)2二(4.24)L2二f*132=1510,2二501324其中基波頻率取為50Hz,把電感值帶入上式(4.24)可以求出電容值為C=4NF,最后選取電容值為4NF/35W。5系統(tǒng)的軟件構架系統(tǒng)的控制方式由于課題主要是針對逆變部分的設計,這里主要是對逆變器部分的一個控制方法的闡述。其控制的一個電路拓撲本系統(tǒng)采用PI電壓外環(huán)電流內環(huán)的雙環(huán)控制方式。其控制的一個電路拓撲圖5.1逆變器控制圖圖5.1逆變器控制圖如圖5.1所示。如圖5.1所示,拓撲結構采用單相全橋逆變電路。S1?S4開關管的SPWM控制信號來自控制電路。SPWhM由參考正弦波與一定頻率的三角波相比較而產(chǎn)生的,正弦值大于三角波的值,則輸出1,即開通開關元件,反之則關斷。幅值不同的正弦參考波產(chǎn)生寬度不同的SPW帔。控制電路內部讓正弦波和鋸齒波進行比較產(chǎn)生四路控制信號,分別用來控制S1?S4。開關管一共有4種開關模式,分別是:S1,S4開;S2,S3開;S1,S2。開;S3,S4開。其中,只有兩種開關模式有輸出電壓(S1,S4開;S2,S3開。)S1,S4開,輸出為正;Q2Q3開,輸出為負。通過AD口采集輸出負載端的電壓和電感上的電流,在DSP內部通過PI雙環(huán)控制,產(chǎn)生SPW腑號波。SPWM信號的產(chǎn)生由:用DSP中的事件管理模塊(Ev)可以產(chǎn)生SPW帔。三角載波的時間是開關管的周期來產(chǎn)生的??刂频牧鞒倘缦滤荆簣D5.2雙環(huán)PI控制圖在圖5.2中:參考正弦電壓與輸出電壓比較得到的誤差電壓經(jīng)過PI調節(jié)后作為電流的參考指令與電感電流作比較,得到一個電流誤差信號,電流誤差信號再經(jīng)過PI控制后與三角載波比較產(chǎn)生占空比來控制逆變器的開關。和電壓單閉環(huán)相比,增加了電感電流內環(huán)控制,使得系統(tǒng)的帶寬增大,反應速度加快,系統(tǒng)抗干擾能力強,穩(wěn)定性好,調節(jié)時間短,諧波含量小,同時能有效地限制負載電流,起保護作用,更具優(yōu)越性。PI算法的程序框圖在光伏控制系統(tǒng)中,使用的是數(shù)字PI控制器,數(shù)字PI控制算法通常又分為位置式PI控制算法和增量式PI控制算法,由于位置式PI算法的每次輸出都與整個過去的狀態(tài)有關,計算式中要對過去的誤差進行累加,累加運算編程不太方便,計算量也較大,用微處理器實現(xiàn)此算法,很容易發(fā)生數(shù)據(jù)溢出,會導致(k)的大幅度變化,這在實際情況中是不允許的。因此,本文設計中
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