摘要
随着“绿色环保”概念的提出，以解决电力紧张，环境污染等问题为目的的新能源利用方案得到了迅速的推广，这使得研究可再生能源回馈电网技术具有了十分重要的现实意义。如何可靠地、高质量地向电网输送功率是一个重要的问题，因此在可再生能源并网发电系统中起电能变换作用的逆变器成为了研究的一个热点。
本文以全桥逆变器为对象，详细论述了基于双电流环控制的逆变器并网系统的工作原理，推导了控制方程。内环通过控制LCL滤波中的电容电流，外环控制滤波后的网侧电流。大功率并网逆变器的开关频率相对较低，相对于传统的L 型或LC 型滤波器，并网逆变器采用LCL 型输出滤波器具有输出电流谐波小，滤波器体积小的优点，在此基础上本系统设计了LCL滤波器。本文分析比较了单相逆变器并网采用单闭环和双闭环两种控制策略下的并网电流，并对突加扰动情况下系统动态变化进行了分析。
在完成并网控制系统理论分析的基础上，本文设计并制作了基于TMS320LF2407DSP的数字化控制硬件实验系统，包括DSP 外围电路、模拟量采样及调理电路、隔离驱动电路、保护电路和辅助电源等,最后通过MATLAB仿真软件进行验证理论的可行性,实现功率因数为1的并网要求。
关键词并网逆变器；LCL滤波器；双电流环控制；DSP
Abstract
With the concept of”Green and Environmental Protection”was proposed．All kinds of new energy exploitation program are in the rapid promotion，which is in order to solve the power shortage，pollution and other issues．It makes exploring renewable energy feedback the grid technology has a very important practical significance．How to deliver power into the grid reliably and quality is an important problem，the inverter mat Can transform the electrical energy in the system of the renewable resource to be fed into the grid is becoming one of the hot points in intemational research．
Based on the bridge inverter the analysis of the working principle and the deduction of the control equation have been presented. The strategy integrates an outer loop grid current regulator with capacitor current regulation to stabilize the system. The current regulation is used for the outer grid current control loop. The frequency of switching is slower in the high power grid-connected inverter. Compared with tradition type L or type LC, output filter and output current’s THD of type LCL are all smaller.So on this basis, the system uses the LCL filter. This paper compares the net current of the single-phase inverter and net single loop and double loop under two control strategies, and the case of sudden disturbance of the dynamic change of the system.
In complete control system on the basis of theoretical analysis, design and production of this article is based on TMS320LF2407DSP’s digital control hardware test system, including the DSP external circuit, analog sampling and conditioning circuit, isolation, driver circuit, protection circuit and auxiliary power, etc., via MATLAB software to validate the feasibility of the theory.Achieve power factor is 1 and network requirements.
Keywords Grid-connected inverter;LCL filter; Double current loop control;
DSP
摘要
Abstract
第1章绪论
1.1国内外可再生能源开发的现状及前景
1.1.1 可再生能源开发的现状及前景 (1)
1.1.2可再生能源并网发电系统
1.2并网逆变器的研究现状及趋势
1.3本文的结构及主要内容
第2章单相并网逆变器总体设计
2.1并网逆变器组成原理及主体电路硬件设计
2.1.1 系统逆变主体电路拓扑结构及原理 (8)
2.1.2 系统主体电路参数设计 (9)
2.2逆变器的SPWM调制方式分析
2.3LCL滤波器的设计
2.3.1 利用隔离变压器漏感确定LCL滤波 (14)
2.3.2 LCL滤波器数学模型及波特图分析 (15)
2.3.3 LCL滤波器的参数设计 (16)
2.4并网控制策略的提出
2.4.1 电流型并网模型分析 (18)
2.4.2 几种控制方法分析 (20)
2.4.3 使用双电流闭环控制策略 (23)
2.5本章小结 (25)
第3章系统仿真及结果分析
3.1单相逆变器开环仿真
3.2单相逆变器并网单闭环仿真分析
3.3基于双电流环的单相逆变器并网仿真分析
3.4突加扰动时系统动态分析
3.5本章小结
第4章数字化并网控制系统硬件设计
4.1基于DSP的并网控制系统整体设计
4.2系统电路设计
4.2.1 DSP外围电路设计 (33)
4.2.2 模拟信号采样电路 (34)
4.2.3 隔离、驱动电路 (36)
4.2.4 多功能控制电源设计 (37)
4.2.5 保护电路设计 (38)
4.3本章小结
结论
参考文献
致谢
附录1
附录2
附录3
第1章绪论
1.1 国内外可再生能源开发的现状及前景
1.1.1可再生能源开发的现状及前景
自20世纪50年代以来，随着经济活动的增加，世界能源消耗急剧上升，世界能源消耗增长了20倍。然而，通过增加能源消耗促进经济发展的粗放增长方式已造成全球大气、土壤、水源等诸多方面环境质量的严重下降，暴露出以煤炭等常规能源为主的能源结构的弊端。上个世纪70年代西方发生石油危机以来，人们逐渐认识到，矿物能源终会有耗尽之时，人类要维持自身的生产生活，就必须开发新的能源，特别是可再生能源。由此，世界上掀起了一股开发利用可再生能源的热潮，特别是1992年联合国世界环境与发展大会后，世界各国都将积极推动可再生能源的发展当作21世纪能源发展的基本选择，并在全世界范围内达成了广泛的共识【1】。
可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。世界各国发展可再生能源的动因和方向有较大差别。发达国家发展可再生能源的主要目的是：应对气候变化，减排温室气体；保护环境，减少大气污染；能源来源多样化，保障能源安全；保持技术优势，扩大出口等。而发展中国家发展可再生能源的目的主要是在于：解决农村能源问题，扩大能源供应和缓解能源短缺。因此，世界各国发展可再生能源所采取的战略也有一定的差别。在可再生能源技术方面，美国、欧洲、日本等发达国家都是世界上的领先者，许多成功的经验和技术值得学习和借鉴。这些国家以科技为先导，采取多种激励措施，将先进技术转化为产业，并拥有了最大份额的市场。
美国政府一直都将促进可再生能源的开发利用作为其能源政策的核心内容之一，并以法律的形式规定了一系列减税和生产补贴政策，促进和支持可再生能源的开发和利用。2005年8月的(2005年国家能源政策法)明确要求
为太阳能、地热能、生物能等可再生能源的开发提供资助，还对核电以及天然气给予了相关政策支持。
欧盟自20世纪90年代初开始就高度重视能源战略。1997年，欧盟在‘可再生能源发展白皮书》中提出，可再生能源在一次能源中的比例要由1997年的6％提高到2010年的12％，2020年提高到20％，2050年提高到50％。1999年欧盟发布的《欧洲共同体战略起飞白皮书》提出了实现可再生能源份额提高的行动计划，行动计划包括；进一步鼓励可再生能源利用的政策、加强成员国之间的合作、鼓励各国在可再生能源领域内的投资，并加强可再生能源的信息传播与服务。德国政府自20世纪70年代起，就开始花大力气促进可再生能源技术的开发，迄今已投入研究经费17.4亿欧元，并在诸多方面取得显著成效。如德国的风能发电量占全球的三分之一，并占德国电力生产总量的4％，远高于世界0.4％的平均水平。
日本是一个常规能源极度短缺的国家，这一状况促使日本形成了积极开发和利用可再生能源的观念。自1973年石油危机后，日本开始大力提高能源效率，实施能源多样化方针，并积极引进天然气和核能，摆脱对石油的依赖。同时，太阳能发电和风能发电在日本也得到了迅速发展和普及。到2001年，天然气在日本能源消费构成中所占的比例已经从第一次石油危机时的1.5％提高到13．8％，核电占日本能源消费的比例则达到14.1％。日本政府制定的《新日光计划(1994～2030)》提出：到2010年可再生能源供应量和常规能源的节能量要占能源供应总量的10％，2030年达到34％【2】。
中国作为一个迅速崛起的发展中国家，面临着经济增长与环境保护的双重压力。2004年6月，我国在《能源中长期发展规划纲要》中提出要大力开发水电、积极推进核电、鼓励发展风电、生物质能等可再生能源，到2020年中国可再生能源发电装机容量将占总装机容量的30％以上。2005年2月28日，我国颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，将可再生能源列为能源发展的优先领域，明确规范了政府和社会在可再生能源开发利用方面的责任与义务，并制定了一系列制度和措旌，为可再生能源的发展提供了法律保障。2006年3月公布的“十一五”规划也明确提出；要构筑稳定、经济、清洁的能源供应体系，大力发展可再生能源。规划提出，到2020年把可再生能源占一
次能源供应的比重，从目前的7％提高到15％。为实现这一目标，中国未来15年将大约需要投资1.5万亿元。经过多年的发展，我国可再生能源的开发利用己取得了很大进展，其中小水电、太阳能利用和沼气能开发的规模和技术发展水平均处于国际领先地位，风电装机容量也位居世界第10位，至2003年底，全国己建成36个风电厂，并网风力发电装机容量为56.9万KW，单机容量750KW以下大型风力发电设备已形成了自主生产能力，兆瓦级的大型风力发电设备正在研发。
第二届国际可再生能源大会于2005年11月7日至8日在北京人民大会堂召开，共有78个国家和地区的政府代表参加，联合国秘书长安南和国家主席胡锦涛向大会发来书面致辞。大会通过了《北京宣言》，呼吁各国加快可再生能源的发展，以应对能源压力。胡锦涛主席在给大会的致辞中强调：“加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。国际社会应该在研究开发、技术转让、资金援助等方面加强合作，使可再生能源在人类经济社会发展中发挥更大作用，造福各国人民。”他还指出“加强全球合作，妥善应对能源和环境挑战，实现可持续发展，是世界各国的共同愿望，也是世界各国的共同责任。大力发展可再生能源已成为国际社会的共识。”【3】
1.1.2可再生能源并网发电系统
一般能源从其原始状态到输入电网的过程大体可分为：能源转化、能量转移或二次转化、能量存储及功率控制等步骤[4]。各种能源由于其转化为电能的方式不同，将其送入电网时必须使用交流技术按用户的要求对其进行调整和控制；另外，大部分可再生能源直接产生的能量通常是不稳定的，它们在并网时如果不加控制和调节，就会对电网造成冲击，同时为了保证将尽可能多的有功能量送入电网，在可再生能源发电系统中还要加上储能环节，这些过程都需要利用变流技术对其进行控制，因此可再生能源在从其原始状态转化到可供人们实际应用的电能过程中与变流技术是密不可分的。一般的可再生能源并网发电系统由直流侧处理电路、储能装置，直流负载，逆变器、滤波电路等组成，其系统组成结构图见图1-1：
图1-1 可再生能源并网发电系统组成结构图
直流侧处理电路主要是DC／DC电路或AC／DC电路，由于可再生能源有多种形态，且转化为电能的方式不同，决定了可再生能源在转化为直流电能时有不同的直流侧处理电路，如光伏发电需使用DC／DC电路，而风力发电则需使用AC／DC电路(整流器)。
控制器及储能装置的主要作用是当可再生能源受外界因素的影响很大时，经转化后的电能很不稳定，此时需要采用储能装置将电能储存起来，这样不仅有利于能量回馈的控制，而且可以使系统更加稳定的运行。
逆变器是可再生能源并网发电系统的核心组成部分。并网用逆变器除了能将可再生能源产生的电能输送给公用电网外，还应该具有很高的可靠性、完善的保护功能以及较高的效率。目前，可再生能源并网发电系统的主要研究热点也集中在逆变器这部分。
滤波电路包括滤波器和隔离变压器。隔离变压器的主要作用是保证逆变电压和电网电压匹配，同时使电网和可再生能源发电系统相互电气隔离；滤波器的主要作用是用来滤除并网电流的谐波。
1.2并网逆变器的研究现状及趋势
伴随着世界范围内开发利用可再生能源的热潮，很多国家都纷纷研发了光伏发电、风力发电等可再生能源并网发电系统。人们对可再生能源并网发电的技术进行了大量的研究，并使得该技术得到了迅速的发展和应用[5]。目前广泛应用于可再生能源回馈电网系统中的方案是；首先将可再生能源转化成电能的形式，然后将电能调节成满足正弦波脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM全桥逆
变器将可再生能源回馈给交流电网。在整个系统中最主要的环节就是逆变器，它采用的是SPWM逆变技术。在理论和实践上，这种方案能够满足可再生能源回馈电网的要求，但由于该方案使用了同步、锁相(PLL)、SPWM脉冲发生器、低通滤波等诸多模拟环节，而且控制方法比较落后，因此使得并网逆变装置的控制繁琐，电路复杂，可靠性低，硬件成本高，并网效果不是十分理想，产品价格昂贵，应用得到限制。
但是，随着世界各国对可再生能源开发重视程度的不断提高，针对并网逆变器的技术研究也越来越多，人们针对以往控制技术的不足，纷纷提出了很多的研究方向，其大体可以分为以下几个方向[6]：
1 并网逆变器的拓扑分类及控制方法的研究
目前研究人员提出针对不同的系统要求，逆变器应该有着各种不同的拓扑结构，对于功率较小的并网逆变器可以采用高效、低成本的单极变换器；而多级逆变器变换结构可以使用在大功率、宽电压范围的输入的应用场合。除此以外，逆变器的拓扑结构中还包括单相、三相：隔离、非隔离；功率单向流动、双向等各种形式。如：并网逆变器采用双向功率流动的拓扑，在并网工作时，既可以向电网提供电能，同时也可以当电网电能富足时，从公用电网吸收电能，并将其存储起来。因此各种拓扑可以分别使用在不同的场合，并且这些拓扑结构可以相互组合成各种不同的形式，以满足各种要求。
在控制方法上，随着各种高速的数字信号处理器DSP(Digital Singnal Processor)的出现，将先进的数字控制应用到并网逆变器的控制中的研究将越来越多。并且针对各种控制方法的缺点，将模拟控制和数字控制相结合以到达理想的控制效果，这也是目前研究高性能并网逆变器的一个热点。
2 逆变器并网控制技术的研究
研究人员认为作为一个功能完整的并网逆变器系统，其工作模式应比通常的独立逆变器更为复杂，它不仅可在无市电接入时独立作为电压源逆变，也能在并网时作为电流源工作。针对这些要求，在逆变器并网控制技术上提出了以下几个方面的研究方向：
(1)逆变器两种工作模式的无缝切换技术；
(2)逆变器工作过程中的同步锁相和电压跟踪技术；
(3)并网工作下的防孤岛技术；
(4)达到并网电压、电流谐波标准的闭环控制技术。
3 多台并网逆变器并联技术的研究
多台逆变器并联可实现大容量供电和冗余供电，因而被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一[7]。多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性，使系统的体积重量大为降低，同时其主开关器件的电流应力也可减少，从根本上降低成本和提高功率密度及系统可靠性。研究者认为目前主从式结构是可再生能源并网发电系统比较理想的电路结构，而主从式结构就是采用多组逆变器模块并联运行的模式，即在并联的若干个逆变模块中，任意选取一个作为主逆变模块，而其余作为从模块跟随主模块工作，因而该结构能极大的提高可再生能源并网发电系统的可靠性，实现功率合成，增强故障冗余能力。国外一些发达国家都采用了主从式的逆变并网结构，在国内目前此技术还不够成熟。
4 逆变器并网滤波器设计的研究
并网逆变器在工作时有电压控制和电流控制两种工作模式。在电压控制模式下，逆变输出滤波器通常由电感L和电容C构成，它们影响到输出的动态响应。在电流控制模式下，会选用L或LCL的结构，主要由电感元件决定输出的动态响应。研究人员认为逆变器作为电压源独立运行时，滤波器应通常采用LC结构i逆变器作为电流源并网时，则可以直接通过L、LC或者LCL 和电网相联。现在更多的研究和产品选择LCL结构，采用LCL的结构比LC 结构有更好的衰减特性，对高频分量呈高阻态，抑止电流谐波，并且同电网串联的电感L还可以起到抑止冲击电流的作用[8]。
1.3 本文的结构及主要内容
本文的结构和主要内容大致安排如下：
第l章，绪论。主要论述了当前可再生能源开发的现状和前景，总结了当前并网逆变技术的研究现状和发展趋势，介绍了本课题的选题意义及主要内容。
第2章，单相逆变器总体设计。主要描述了并网逆变器的工作原理和设计了主电路的拓扑结构图，并且对主电路中主要参数进行计算选择。对逆变
器的调制方式进行分析，设计了LCL滤波器并进行了参数计算。同时也对控制方式进行分析，最终选取双电流闭环的控制策略。
第3章，系统仿真及结果分析。本章节对并网逆变器的工作进行了仿真，根据研究过程的进展做了以下工作。先对逆变器进行开环仿真，对主电路的工作过程有所了解并验证了上章中设计的LCL滤波器的效果，然后对逆变器并网采取了单环控制，通过波形得出系统不太稳定，不能满足并网要求。最后对使用双闭环控制策略的模型进行仿真，得到较为理想的并网电流波形，并对波形进行了傅里叶分析，符合并网要求。对系统突加扰动情况下，进行了波形分析。
第4章，数字化并网控制系统硬件设计。利用DSP 实现数字化并网，对逆变器并网控制系统的总体硬件结构进行设计。介绍了控制系统和主电路接口电路的实现方案；分析了模拟信号采样及调理电路的原理及实现方法；设计了隔离驱动电路、保护电路和辅助电源。
第2章单相并网逆变器总体设计
2.1 并网逆变器组成原理及主体电路硬件设计
2.1.1 系统逆变主体电路拓扑结构及原理
本文单相并网逆变器的逆变电路采用的是单相全桥式逆变电路。其拓扑结构图见图2-1所示。
图2-1 系统逆变主体电路拓扑结构图
全桥式逆变器工作原理：图2-1中所示的为逆变器通常使用的单相输出全桥式逆变电路，图中，功率开关元件采用四只IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4，由DSP输出的SPWM脉宽调制信号控制驱动IGBT管的导通或截止[9]。当逆变器电路接上直流电源后，先由Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，则电流由直流电源正极输出，经Ql、滤波器、变压器初级线圈、Q4后，再回到电源负极。当Q1、Q4截止后，Q2、Q3导通，电流从电源正极经Q3、滤波器、变压器初级线圈、Q2后，再回到电源负极。此时，逆变器输出端已形成正负交变的方波。利用高频SPWM控制，使得两对IGBT管交替重复开关动作，输出
等效交流电压，再经过滤波器的作用，使输出端形成正弦波交流信号。同时，为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，逆交桥各臂都并联了反馈二极管，在两对IGBT 管交替重复的过程中，这些二极管还起到了续流的作用。
2.1.2 系统主体电路参数设计
1．直流侧输入电压Ud 的选择
由系统逆变主体电路拓扑结构图可知：并网装置实际上可以看作是一个能量能双向流动的变换器，如果从直流侧流向交流侧看时，它是一个Buck(降压)变换器；当从交流侧流向直流侧看时；它是一个Boost(升压)变换器。由此可以得出这样一个结论：并网系统直流侧的电压必须大于交流侧的峰值电压，否则系统不能正常工作。考虑到工频隔离变压器1：2的变比因数和开关管IGBT 的耐压值，选取直流侧输入电压Ud 的范围为200～450Vdc 。本系统选取400d U V =
2．直流侧电容的选择
直流侧电容主要作用是缓冲交流侧电感在开关过程中的瞬时能量交换和平稳直流侧输入电压，通常是选用大容量的电解电容器。设直流侧输入开路电压为Ud,直流侧滤波电容的耐压通常应留有1.15倍裕量[7]，即：
1.15c d U U ≥ 为简化计算，这里仅立足于工程方法对电容值进行估算，其条件是：在直流母线充放电周期内，电容以最大负载电流放电时，其压降还能保持在要求的范围内，即电容值的选择应以直流母线电压的波动限幅为依据。考虑极端情况，在开关管IOBT 导通的时间段内并网电流值完全由电容放电提供，且该时刻并网电流的大小为其峰值，电容C 上的电压和电流的关系满足：
c t
U c C ??= 其中c i 为并网电流有效值。t ?为开关管导通时间。当要求直流输入电压脉动
的幅值小于3％时，电路中平波的选择应按如下方程：
003d U c U ?≤ (2-1) (2-2)
(2-3)
将式(2-3)代入式(2-2)，可得：
0030.0212c c d d t
i C U U f ?≥= 并网功率调节系统输出的额定电流为12.86c
i A =，直流侧输入工作电压400d U V =，开关管IGBT 导通频率(也即SPWM 载波频率)为f=10kHz ，可得C
在理论上取值应大于785uf ，在本设计中结合实验效果，直流侧电容选取500V 、1000uf 的电解电容。
3．开关管IGBT 的选择
当并网逆变器电路正常工作时，流经功率开关管IGBT 的电流峰值与滤波电感电流峰值一致，同时考虑到余量，则要求开关管的电流额定值必须略大于电感电流峰值的最大值。本课题设计的并网逆变器输出功率为2kW ，输出电流峰值约为12.86A 。同时考虑到系统余量和隔离变压器1：2的变比因数，选择功率开关管的耐流值应该在50A 以上。
在全桥并网逆变电路中，主功率开关管承受的最大电压应超过直流输入侧的最大电压(450V)，同时从余量和线路寄生参数影响等方面考虑，放选取的IGBT 耐压值应大于500V 。本设计选择日本富士公司的型号2MBIl50NC ．060的IGBT 作为主功率开关管，它的耐流值和耐压值分别为150A 和600V 。
2.2 逆变器的SPWM 调制方式分析
SPWM(正弦脉宽调制)是调制波为正弦波，载波为三角波的一种脉宽调制法，这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM 可分为双极性SPWM 调制，单极性SPWM 调制和单极性SPWM 倍频调制三种，半桥逆变电路只能使用双极性SPWM 调制而全桥逆变电路则三种调制方式均用[10]。
双极性SPWM 调制方式的原理如图2-2所示，图中调制波s in s
s m u U t ω=，幅值为s m U ，频率
2f ωπ=。载波c u 为全波三角波，频率为c f ,幅值为c m U 。同时定义调制比s m c m m
U U =为正弦调制波的辅助与三角载波的幅值之比，
(2-4)
频率比
c K f f =为三角载波与正弦调制波的频率之比。
图2-2 双极性SPWM 调制原理
由上图可见，当s
c u u >时，开关管T1、T4 导通而T2、T3截至，桥臂中点间电压a b
in u U =；当s c u u <时，开关管T1、T4截止而T2、T3导通，桥臂中点间电压a b in u U =-。通过上述过程，就将输入的直流电压转变为脉宽按正
弦规律变化的正弦脉冲序列。
下面是单极性SPWM 调制方式的原理：
图2-3为单极性SPWM 调制原理图，这种调制方式使用半波三角波作为载波，当s u 大于零时，载波为正的半波；当s u 小于零时，载波为负的半波。
在双极性调制中，四个开关管都工作在高频状态，而在单极性调制中，一对开关管工作在高频状态，而另一对开关管工作在低频状态[11]。当0s
u >时，T3一直截止而T4一直导通，此时当s
c u u >时，开关管T1导通而T2截至，桥臂中点间电压a b
in u U =；当s c u u <时，开关管T1截止而T2导通，桥臂中点间电压0a b u =。当0s u <时，T3一直导通而T4 一直截止，此时当s c u u >时，
开关管T1导通而T2截至，桥臂中点间电压0a b u =；当s c
u u <时，开关管T1截止而T2导通，桥臂中点间电压a b
in u U =-。从上述过程中看出，在输出波
形a b u 中包含有in U ，0和-in U 三个状态，因此这种调制方式也被称为三态调
制（对应得，双极性调制也被称为两态调制）
图2-3 单极性SPWM 调制原理
在前面介绍的两种SPWM 调制方式中，桥臂中点间输出电压的频率与器件的开关频率相同，而倍频式SPWM 调制则可以在不改变器件开关频率的条件下使得桥臂中点间输出电压的频率提高一倍，从而可以在不增加开关损耗的情况下将谐波频率提高一倍，大大减小了输出滤波器的体积。
图2-4 单极性倍频SPWM 调制原理
倍频调制方式的调制原理如上图2-4所示，它包含有两个基准波1s u 、2s u 并且有
12
s s u u =- 1s u 与载波c u 交截产生1g u 、2g u 信号而2s u 与载波c u 交截产生3g u 、4g u 信号。
输出电压a b u 的正半周实际上是由信号1g u 、4g u 的与逻辑决定的。 当1g u 、4g u 为高电平时，有T1、T4 导通而使得a b in u U =，当1g u 或4g u 有
一个为低电平时，则有T2、T4 或者T1、T3导通而使得0
a b u =。由于在正半周内,1g u 的高电平区恒宽于4g u 的低电平区，所以T2、T3没有同时导通的时
刻而使得输出电压a b u 中只包含in U 和0两个电平，而在负半周则输出图电压
a b u 中只包含0和in U -两个电平，所以这也是一种三态调制。由于a b u 在一个
载波周期内有两次状态转变，所以输出电压频率为器件开关频率的一倍。 在小功率逆变电路中，从降低电路成本考虑，一般采用半桥逆变主电路和双极性SPWM 调制的方式。而在大功率逆变器中，从减小输出滤波器体积和提高输出波形质量方面考虑，一般采用全桥逆变主电路和单极性倍频的
(2-5)
SPWM调制。通过综合选择，确定单极性倍频SPWM调制为本文所采取的调制方式。
2.3 LCL滤波器的设计
2.3.1 利用隔离变压器漏感确定LCL滤波
逆变电源并网运行时本质上为电流源，高开关频率会造成对电网产生污染的高次谐波，其输出电流会对电网产生严重的谐波污染。传统的网侧滤波器为L滤波器如图2-5所示，由电感L将高频电流谐波限制在一定范围之内，减小对电网的谐波污染。
图2-5 电感L为滤波器的单相并网逆变器
但随着功率等级的提高，特别是在中高功率的应用场合，开关频率相对较低，要使网侧电流满足相应的谐波标准所需的电感值太大[12]。这不仅使网侧电流变化率下降，系统动态响应性能降低，还会带来体积过大成本过高等一系列问题。一般的LC滤波器，虽然其结构和参数选取简单，但无法平抑输出电流的高频纹波，容易因电网阻抗的不确定性而影响滤波效果。采用LCL的结构比LC结构有更好的衰减特性，对高频分量呈高阻态，抑制电流谐波，并且同电网串联的电感L 还可以起到抑制冲击电流的作用。要达到相同的滤波效果，LCL滤波器的总电感量比L和LC滤波器小得多，有利于提高电流动态性能，同时能降低成本，减小装置的体积重量。在中大功率应用场合，LCL滤波器的优势更为明显。本章设计一种利用隔离变压器漏感的LCL滤波器，其结构如图2-6。本文对传统的LCL滤波器加以改进，利用隔离变压器漏感，减少了一个电感，在降低成本的同时显著减少并网电流的直流分量，有效抑制谐波污染，提高并网电流质量。
图2-6 单相并网逆变器的LCL 滤波器
本文设计的利用隔离变压器漏感的LCL 滤波器的并网逆变器如图2-6所示。
2.3.2 LCL 滤波器数学模型及波特图分析
本文设计LCL 滤波器的并网逆变器等效原理图如图2-7所示。根据等效原理图可得：
1111()()()()i c d i t U t R i t L U t d t =++ 12()()()c i t i t i t =+ 2222()()()()
i c g d t U t R i t L U t d t =++ 其中，i U ，c U ，g U 分别为输入电压，电容电压和输出电压；1i ，2i ，c i 分别为电感
1L 电流，电感2L 电流和电容电流。
L1图2-7 LCL 滤波器的等效原理图
由于LCL 型滤波器在低频(约低于在滤波器谐振频率下的一半)时的表现性能和纯电感L 型滤波器相近，其中电感L=L1＋L2，容易得到LCL 型滤波器输出电流2i 和输入电压i U 之间的传递函数为(电阻1R 和2R 比较小可近似为0)
231212()1()()()i i s G s U s s L L s L L =
=++ (2-6)
(2-7)
(2-8) (2-9)
针对LCL 型滤波器是三阶环节，有可能产生震荡，为了提高系统的可靠性，避免高频谐振，在滤波电容上串联一个电阻R ，经推导可得该情况下逆变器输入电压i U 与输出电流2i 在静止坐标系下的函数关系式
232121212()1()()()()c i i s R C s G s U s L L C s R L L C s L L s +==++++ LCL 滤波环节的波特图如图2-8所示
图2-8 ()c G s 的波特图
LCL 型滤波器在低频以20dB/十倍频程进行衰减，在高频则是以60dB/十倍频程进行衰减，可知该滤波器在滤出高次谐波方面效果比较好。电容器串联阻尼电阻后，系统在谐振频率处谐振幅值非常小，谐振得到了很好的抑制[13]。
2.3.3 LCL 滤波器的参数设计
根据电流纹波计算
12L L +，在低频LCL 滤波器可简化成电感值为12L L L =+的单电感滤波器，故可以用单电感L 滤波器结构计算12L L +的近似
(2-10)
光伏并网逆变器控制方法研究 【摘要】本文以3KW的家用型光伏并网发电系统为例，对光伏并网发电系统的核心——并网逆变器，进行控制策略的研究。在MATLAB/SIMULIINK环境下建立光伏并网发电系统的数学模型，并选用电流滞环比较控制、无差拍控制、数字PID控制进行仿真研究。仿真结果表明，三种控制策略都能得到符合并网要求的输出电流，其中无差拍控制得到的电流波形最佳。 【关键词】光伏并网，最大功率点跟踪，逆变控制，MA TLAB 1绪论 自世界上第一座光伏电站建立以来的40多年间，光伏发电产业的发展非常迅速。截至2014年，全球的光伏装机总容量超过了160GW，我国的光伏装机总量也达到了28GW。不过，在我国光伏产业发展迅速的背后，隐藏着光伏并网率低的问题。针对这一问题，本文以3KW光伏并网发电系统为例，对并网逆变器的控制方法进行研究。同时，对传统的逆变控制方法进行改进，以获得更好的逆变效果。 2光伏并网发电系统的组成 如图2.1所示，本文采用的是双级式的单相光伏并网发电系统。整个系统由光伏电池、DC/DC变换环节、DC/AC逆变环节和滤波器组成。光伏电池输出的电能进入DC/DC变换环节进行升压，同时实现最大功率点跟踪；稳定的直流电压由DC/AC逆变成交流电流，经过LC滤波器后并入电网。 Grid 图2.1 双级式单相光伏并网发电系统 3MPPT算法 最大功率点跟踪（MPPT）是指在温度、光照发生变化时，系统仍能使光伏电池的保持最大功率输出。目前，常用的MPPT控制算法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法[1-2]和模糊控制[3]等。 本文采用的MPPT算法是一种改进的电导增量法，电导增量法的控制原理是：通过比较光伏阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来实现对最大功率的跟踪；理论依据是光伏电池 dP dU=，的P-V特性曲线是一条单峰的曲线，在最大功率点处功率对电压导数为0，即/0 dP dU的符号来确定增大或减小电压。这种判断方法需要多判断一次dU的符通过判断/ ?作为判断式，避免了分母为0的情况，号，增加了工作量。针对此问题，本文以dP dU 简化了控制过程，使算法更为简单。算法的仿真模型如图3.1所示。
单相光伏并网逆变器的研究
轮机工程学院
摘要 能源危机和环境问题的不断加剧，推动了清洁能源的发展进程。太阳能作为一种清洁无污染且可大规模开发利用的可再生能源，具有广阔应用前景。并且伴随“智能电网”理论的兴起，分布式电力系统正日益受到关注，光伏逆变系统作为分布式电力系统的一种重要形式，使得对该领域的研究具有重要的理论与现实意义。 论文在分析光伏逆变系统发展现状与研究热点的基础上，探讨了光伏逆变系统的主要关键技术，对直接影响光伏逆变系统的工作效率以及工作状态的最大功率点跟踪控制、光伏逆变器控制等技术进行了详细研究。 为研究光伏逆变系统，本文建立了一套完整的光伏逆变系统模型，主要包括光伏电池模块，前级DCDC变换器，后级DCAC逆变器，以及相应的控制模块。为了提高系统模型的准确性及稳定性，论文设计了一种输出电压随温度光照改变的光伏电池模型，提出了一种基于Boost 升压变换器的最大功率点跟踪（MPPT）控制策略，并且将正弦脉冲宽度调制技术（SPWM）应用于逆变器控制。最后在MatlabSimulink软件环境下搭建了光伏逆变系统的整体模型，完成系统性的实验验证。 经过仿真实验验证，所提出的光伏逆变系统设计方案正确可行，且输出达到了设计要求，为进一步实现并网功能提供了条件，具有较高的实用参考价值。 关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；光伏逆变系统；正弦脉冲调制技术
ABSTRACT With intensify of the energy crisis and environmental problems, the development of clean energy . The solar energy because of its friendly-environmental advantage and renewable property. With the proposition of the Smart Grid, Distributed Power System . As an important form of Distributed Power System, photovoltaic inverter system is the key of the research in this field. This paper discusses the key techniques of photovoltaic inverter system on the basis of analysis of development and research techniques such as maximum power point tracking (MPPT) which work efficiency and work condition and technology of PV inverter. In order to research PV inverter system, this paper builds an integral model, including PV battery model and DCDC converter and DCAC single phase inverter as well as corresponding control models. In order to improve the validity and the stability of the system, the paper
2015年6月15日 22:28 太阳能光伏并网控制逆变器工作原理及控制方 摘要：太阳能光伏发电是21世纪最为热门的能源技术领域之一，是解决人类能源危机的重要手段之一，引起人们的广泛关注。本文介绍了太阳能光伏并网控制逆变器的工作过程，分析了太阳能控制器最大功率跟踪原理，太阳能光伏逆变器的并网原理及主要控制方式。 1引言： 随着工业文明的不断发展，我们对于能源的需求越来越多。传统的化石能源已经不可能满足要求，为了避免面对能源枯竭的困境，寻找优质的替代能源成为人们关注的热点问题。可再生能源如水能、风能、太阳能、潮汐能以及生物质能等能源形式不断映入人们的眼帘。水利发电作为最早应用的可再生能源发电形式得到了广泛使用，但也有人就其的环境问题、安全问题提出过质疑，况且目前的水能开发程度较高，继续开发存在一定的困难。风能的利用近些年来也是热点问题，但风力发电存在稳定性不高、噪音大等缺点，大规模并网对电网会形成一定冲击，如何有效控制风能的开发和利用仍是学术界关注的热点。在剩下的可再生能源形式当中，太阳能发电技术是最有利用价值的能源形式之一。太阳能储量丰富，每秒钟太阳要向地球输送相当于210亿桶石油的能量，相当于全球一天消耗的能量。我国的太阳能资源也十分丰富，除了贵州高原部分地区外，中国大部分地域都是太阳能资源丰富地区，目前的太阳能利用率还不到1/1000。因此在我国大力开发太阳能潜力巨大。 太阳能的利用分为"光热"和"光伏"两种，其中光热式热水器在我国应用广泛。光伏是将光能转化为电能的发电形式，起源于100多年前的"光生伏打现象"。太阳能的利用目前更多的是指光伏发电技术。光伏发电技术根据负载的不同分为离网型和并网型两种，早期的光伏发电技术受制于太阳能电池组件成本因素，主要以小功率离网型为主，满足边远地区无电网居民用电问题。随着光伏组件成本的下降，光伏发电的成本不断下降，预计到2013年安装成本可降至1.5美元/Wp，电价成本为6美分/(kWh)，光伏并网已经成为可能。并网型光伏系统逐步成为主流。 本文主要介绍并网型光伏发电系统的系统组成和主要部件的工作原理。 2并网型光伏系统结构 图1所示为并网型光伏系统的结构。并网型光伏系统包括两大主要部分： 其一，太阳能电池组件。将太阳传送到地球上的光能转化成直流电能；其二，太阳能控制逆变器及并网成套设备，负责将电池板输出直流电能转为电网可接受的交流能量。根据功率的不同太阳能逆变器的输出形式可为单相或者三相；可带隔离变压器，也可不配隔离变压器。
光伏并网逆变器的研究 【中文摘要】针对全球范围内能源紧张的局面,开发利用太阳能越来越受到重视。太阳能光伏并网发电是太阳能利用的主要形式,具有广阔的发展远景。本文就是在此背景下,对太阳能并网发电系统的核心器件并网逆变器进行重点研究。为此,论文主要对逆变器的电路拓扑结构、最大功率点跟踪、并网控制方案以及在并网过程中的反孤岛技术进行了分析研究。首先,简述了国内外光伏发电的现状和发展趋势,根据单相光伏并网发电系统的特点,本文选择了合适的主电路拓扑结构,该结构没有变压器,具有体积小、本钱低、控制方案易实现等优点。其次,通过比较分析目前太阳能电池进行最大功率跟踪的各种传统方法,运用了一种基于改进型Fibonacci线性搜索的最大功率跟踪算法。理论上证实了通过调节DC/DC升压电路的占空比可以改变太阳能电池的输出功率,以使太阳能电池工作于最大输出功率点上。本文阐述了添加反孤岛效应保护的必要性,通过对反孤岛效应的主动和被动检测方法的对比,最后采用了周期性扰动AFDPF检测方法并对其进行仿真验证。最后,本文对光伏并网逆变器的控制方案进行了分析,采用了基于SPWM的电流输出控制算法,该方法具有开关频率固定、物理意义清楚、实现方便等优点,通过MATLAB进行了仿真,结果表明了该方案的有效性和可行性。'); 【Abstract】 For the strenuous energy sources currently in the global scope,exploiting and utilizing the solar energy is paid more attention by many people than before. Photovoltaic(PV) generation,one important method of using solar energy,is very promising.Under this background,the dissertation deeply researches the PV grid-connected inverter,which is the hard core of the system.The *** analyzed the topology of the inverter,maximum power point tracing(MPPT),the control method of the inverter and the technology of grid-connected such as anti-island.Firstly,it briefly introduces the present situation and the development prospects of Photovoltaic generating at home and abroad.Based on the character of single-phase PV grid-connected system,the *** expatiated a suitable topological construction,which doesn\'t use the transformer with features which the small size, low cost and easy control strategy and so on.Secondly,by comparing many different traditional methods,this *** finds a new way to use a new Fibonacci search algorithm to realize the maximum power point tracking(MPPT).In this thesis,it is demonstrated theoretically that the maximum power-output can be matched by adjusting the duty ratio of the DC/DC circuit.This *** presents the needed of anti-islanding effect,analyses the active and passive detecting methods separately,then verifies the validity of the active frequency drift with periodical disturbance and positive feedback method.Finally,several popular control methods of inverter are simply analyzed.Based on SPWM,the scheme of current control have
随着生态环境的日益恶化，人们逐渐认识到必须走可持续发展的道路，必须完成从补充能源向替代能源的过渡。光伏并网是太阳能利用的发展趋势，光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。 在光伏并网系统中，并网是核心部分。目前并网型系统的研究主要集中于DC-DC和DC-AC 两级能量变换的结构。DC-DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点;DC-AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获得单位功率因数。其中DC-AC是系统的关键设计。 太阳能光伏并网系统结构图如图1所示。本系统采用两级式设计，前级为升压斩波器，后级为全桥式逆变器。前级用于最大功率追踪，后级实现对并网电流的控制。控制都是由DSP芯片TMS320F2812协调完成。 图1 光伏并网系统结构图 逆变器的设计 太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分，其主要功能是将发出的直流电逆变成单相交流电，并送入电网。同时实现对中间电压的稳定，便于前级升压斩波器对最大功率点的跟踪。并且具有完善的并网保护功能，保证系统能够安全可靠地运行。图2是并网逆变器的原理图。
图2 逆变器原理框图 控制系统以TI公司的TMS320F2812为核心，可以实现反馈信号的处理和A/D转换、DC/DC变换器和PWM逆变器控制脉冲的产生、系统运行状态的监视和控制、故障保护和存储、485通讯等功能。实际电路中的中间电压VDC、网压、并网电流和太阳能电池的电压电流信号采样后送至F2812控制板。控制板主要包括：CPU及其外围电路，信号检测及调理电路，驱动电路及保护电路。其中信号检测及调理单元主要完成强弱电隔离、电平转换和信号放大及滤波等功能，以满足DSP控制系统对各路信号电平范围和信号质量的要求。驱动电路起到提高脉冲的驱动能力和隔离的作用。保护逻辑电路则保证发生故障时，系统能从硬件上直接封锁输出脉冲信号。 在实现同频的条件下可用矢量进行计算，从图3可以看出逆变器输出端存在如图3a所示的矢量关系，对于光伏并网逆变器的输入端有下列基本矢量关系式： Vac=Vs+jωL·IN+RS·IN (1) 式中Vac—电网基波电压幅值，Vs—逆变器输出端基波幅值。 图1 光伏并网系统结构图 图3 控制矢量图 在网压Vac(t)为一定的情况下，IN(t)幅值和相位仅由光伏并网逆变器输出端的脉冲电压中的基波分量Vs(t)的幅值，及其与网压Vac(t)的相位差来决定。改变Vs(t)的幅值和相位就可以控制输入电流IN(t)和Vac(t)同相位。PWM整流器输入侧存在一个矢量三角形关系，在实际系统中RS 值的影响一般比较小，通常可以忽略不计得到如图3b所示的简化矢量三角形关系，即下式： (2) 在一个开关周期内对上式进行周期平均并假设输入电流能在一个开关周期内跟踪电流指令即可推导出下式： (3)式中K= L/TC，TC为载波周期。 从该模型即可以得到本系统所采用的图4所示的控制框图。此方法称为基于改进周期平均模型的固定频率电流追踪法。
第一章绪论 1.1 光伏发电背景与意义 作为一种重要的可再生能源发电技术，近年来，太阳能光伏(Photovoltaie，PV)发电取得了巨大的发展，光伏并网发电已经成为人类利用太阳能的主要方式之一。目前，我国已成为世界最大的太阳能电池和光伏组件生产国，年产量已达到100万千瓦。但我国光伏市场发展依然缓慢，截至2007年底，光伏系统累计安装100MWp，约占世界累计安装量的1％，产业和市场之间发展极不平衡。为了推动我国光伏市场的发展，国家出台了一系列的政策法规，如《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《可再生能源十一五发展规划》等。这些政策和法规明确了太阳能发电发展的重点目标领域。《可再生能源中长期发展规划》还明确规定了大型电力公司和电网公司必须投资可再生能源，到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例要达到3％以上。对于这一目标的实现，光伏发电无疑会起到非常关键的作用。 当下，我国地方和企业正积极共建兆瓦级以上光伏并网电站，全国已建和在建的兆瓦级并网光伏电站共11个（2008年5月前估计），典型的如甘肃敦煌10MW 并网光伏特许权示范项目，青海柴达木盆地的1000MW大型荒漠太阳能并网电站示范工程，云南石林166MW并网光伏实验示范电站。可以预见，在接下来的几年里，光伏并网发电市场将会为我国摆脱目前的金融危机提供强大的动力，光伏产业依然会持续以往的高增长率，光伏市场的前景仍然令人期待。光伏并网发电系统是利用电力电子设备和装置，将太阳电池发出的直流电转变为与电网电压同频、同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网馈电的有源逆变系统。按照系统功能的不同，光伏并网发电系统可分为两类：一种是带有蓄电池的可调度式光伏并网发电系统；一种是不带蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统。典型的不可调度式光伏并网发电系统如图1-1所示。
２０１３．１Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１ 研究与设计 收稿日期：２０１２－０６－１７ 基金项目：省教育厅自然科学一般项目支持（ＫＪ２０１１Ｂ１３６）作者简介：张为堂（１９７６—），男，安徽省人，实验师，硕士，主要研究方向为电力电子技术及智能控制。 光伏并网逆变器控制设计 张为堂，王 俊，周泽华 （合肥学院机器视觉与智能控制技术重点实验室，安徽合肥２３０６０１） 摘要：基于Ｃ８０５１Ｆ００５单片机设计并实现光伏并网逆变器控制系统。系统由两块ＩＲ２１１０驱动４个ＩＲ５４０构成的Ｈ桥逆变电路，直流电源经过ＬＣ滤波后实现逆变。详细介绍了主电路、保护电路、滤波电路、采样保护电路以及变压器的设计；给出了具体的软件流程图；经过测试系统压差百分数最大值是０．０１３４２２％，最大频偏百分数为０．３４３％，阻性负载下最大相差０．９１，系统的效率达到了８３．００％，完全达到或者超出了系统的设计要求。关键词：光伏；逆变器控制；Ｈ桥逆变电路中图分类号：ＴＭ９１４．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１３）０１－００７１－０３ Ｄｅｓｉｇｎｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ ＺＨＡＮＧＷｅｉ－ｔａｎｇ，ＷＡＮＧＪｕｎ，ＺＨＯＵＺｅ－ｈｕａ （ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭａｃｈｉｎｅＶｉｓｉｏｎａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ２３０６０１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＣ８０５１Ｆ００５ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｄｅｓｉｇｎ，ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｗｏｂｌｏｃｋｓｏｆＩＲ２１１０ｄｒｉｖｅｒ４ＩＲ５４０ＨｂｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔｔｈｒｏｕｇｈａＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＬＣｆｉｌｔｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｉｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ｓａｍｐｌｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｄｅｓｉｇｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ；ｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｏｆｔｗａｒｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｗａｓｇｉｖｅｎ．Ａｆｔｅｒｔｅｓｔ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｓｙｓｔｅｍｉｓ０．０１３４２２％，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｅｖｉａｔｉｏｎｉｓ０．３４３％，ｔｈｅｒｅｓｉｓｔｉｖｅｌｏａｄｕｎｄｅｒｔｈｅｍａｘｉｍｕｍａｎｇｌｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｓ０．９１，ａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｒｅａｃｈｅｓ８３．００％，ｗｈｉｃｈｆｕｌｌｙｍｅｅｔｏｒｅｘｃｅｅｄｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＶ；Ｉｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ；Ｈｂｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ １设计要求 光伏发电在现代社会发展的过程中扮演着越来越重要的作用，研究光伏发电装置的设计有着比较重要的现实意义。现有一光伏逆变器设计要求如下： （１）具有最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）功能：ＲＳ和ＲＬ在给定范围内变化时，使Ｕｄ＝１／２Ｕｓ，相对偏差的绝对值不大于１％。（２）具有频率跟踪功能：当ｆＲＥＦ在给定范围内变化时，使ｕＦ的频率ｆＦ＝ｆＲＥＦ， 相对偏差绝对值不大于１％。（３）当ＲＳ＝ＲＬ＝３０Ω时，ＤＣ－ＡＣ变换器的效率h ≥６０％。（４）当ＲＳ＝ＲＬ＝３０Ω时，输出电压ｕｏ的失真度ＴＨＤ≤５％。（５）具有输入欠压保护功能，动作电压Ｕｄ（ｔｈ）＝（２５±０．５）Ｖ。（６）具有输出过流保护功能，动作电流Ｉｏ（ｔｈ）＝（１．５±０．２）Ａ。 ２方案设计 ２．１设计思路 其实上述设计要求的重点和难点在于如何在提高效率的前提下实现ＭＰＰＴ控制和频率相位的跟踪。本系统采用单片机控制输出电压和参考电压比较差来实现对输出电压的相位 和频率的跟踪，通过扰动法来实现ＭＰＰＴ最大功率点跟踪［１－２］。 ２．２系统结构 光伏并网逆变器的硬件设计是整个系统设计的基础，只有在系统硬件设计可行稳定可靠的前提下，其他控制方案才能得以继续。系统硬件主要包括ＤＣ－ＡＣ模块、驱动电路模块、滤波电路、保护电路、频率相位跟踪电路、变压器设计电路等模块。整体结构框图如图１所示。 ３各功能模块的设计与实现 ３．１ＤＣ－ＡＣ模块 本系统的逆变主电路图采用典型的Ｈ桥变换电路，选用的逆变主元器件是ＩＲＦ５４０，因为在导通状态下，其通态阻值非常小（仅为０．０４７Ω）［３－４］，这样可以在很大程度上减少损耗，提高系统的效率，主电路如图２所示。 ３．２驱动电路设计 驱动电路采用两块ＩＲ２１１０驱动４个ＩＧＢＴ管ＩＲＦ５４０，因 图１系统结构框图
一文看懂光伏逆变器工作原理！ 工作原理及特点 工作原理： 逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。 特点： (1)要求具有较高的效率。 由于目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度的利用太阳能电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。 (2)要求具有较高的可靠性。 目前光伏电站系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如：输入直流极性接反保护、交流输出短路保护、过热、过载保护等。 (3)要求输入电压有较宽的适应范围。 由于太阳能电池的端电压随负载和日照强度变化而变化。特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V的蓄电池，其端电压可能在 10V~16V之间变化，这就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内保证正常工作。 光伏逆变器分类 有关逆变器分类的方法很多，例如：根据逆变器输出交流电压的相数，可分为单相逆变器和三相逆变器;根据逆变器使用的半导体器件类型不同，又可分为晶体管逆变器、晶闸管逆变器及可关断晶闸管逆变器等。根据逆变器线路原
理的不同，还可分为自激振荡型逆变器、阶梯波叠加型逆变器和脉宽调制型逆变器等。根据应用在并网系统还是离网系统中又可以分为并网逆变器和离网逆变器。为了便于光电用户选用逆变器，这里仅以逆变器适用场合的不同进行分类。 1、集中型逆变器 集中逆变技术是若干个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流，一般用于大型光伏发电站(>10kW)的系统中。最大特点是系统的功率高，成本低，但由于不同光伏组串的输出电压、电流往往不完全匹配(特别是光伏组串因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时)，采用集中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低和电户能的下降。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高效率。 2、组串型逆变器 组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串(1-5kw)通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网，已成为现在国际市场上最流行的逆变器。 许多大型光伏电厂使用组串逆变器。优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。同时，在组串间引人"主-从"的概念，使得系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组串联系在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。 最新的概念为几个逆变器相互组成一个"团队"来代替"主-从"的概念，使得系统的可靠性又进了一步。目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。
三相光伏并网逆变器的设计毕业设计开题报告 1 选题的目的和意义 随着社会生产的曰益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。地球中的化石能源是有限的，总有一天会被消耗尽。随着化石能源的减少，其价格也会提高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。可再生能源是满足世界能源需求的一种重要资源，特别是对于我们这个人口大国来讲更加重要。其中太阳能资源在我国非常丰富，其应用具有很好的前景。 光伏并网发电系统是通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，并通过并网逆变器将直流电变为与市电同频同相的交流电，并回馈电网。存阳光充足时，太阳能发出的电可供使用，而不使用市网电；在阳光不充足或光伏发电量达不到使用量时，由控制部分自动调节，通过市网电给予补充。此系统主要用于输电线路调峰电站以及屋顶光伏系统。 光伏并网发电系统的核心技术是并网逆变器，在本文中对于单相并网逆变器硬件进行了建摸及设计。给出了硬件主回路并对各部分的功能进行了分析，同时选用Tl公司的DSP芯片TMs320F2812作为控制CPU，阐述了芯片特点及选择的原因。并对并网逆变器的控制及软件实现进行了研究。文中对于光伏电池的最大功率跟踪(MPPT)技术作了闸述并提出了针对本设计的实现方法。最后对安全并网的相关问题进行了分析探讨。 2 本选题的国内外动向 太阳能光伏并网发电始于20世纪80年代，由于光伏并网逆变器在并网发电中所起的核心作用，世界上主要的光伏系统生产商都推出了各自商用的并网逆变器产品。这些并网逆变器在电路拓扑、控制方式、功率等级上都有其各自特点，其性能和效率也参差不齐。目前在国内外市场上比较成功的商用光伏并网逆变器主要有以下几种： 1．德国SMA公司的Sunny Boy系列光伏逆变器艾思玛太阳能技术股份公司(SMA SolarTechnology AG)是全球光伏逆变器第一大生产供应商，并引领着全球光伏领域的技术创新和发展。该公司推出的Sunny Boy系列光伏组串逆变器是目前为止并网光伏发电站最成功的逆变器，市场份额高达60％。其在国内的典型工程包括大兴天普“50kWp大型屋顶光伏并网示范电站"、深圳国际园林花卉博览园1MWp光伏并网发电工程等。 2．奥地利Fronius公司的IG系列光伏逆变器Fronius是专业生产光伏并网逆变器和控制器
光伏并网逆变器的电流锁相改进方案及实现 摘要：基于光伏发电并网逆变器控制中电流锁相的重要性和复杂性，提出了带预锁相和遗忘算法的电流锁相方案，该方案可采用硬件锁相和软件锁相两种方式实现。建立了以MC56F8345 型DSF 为控制核心的PWM 逆变器数字化并网实验平台，对改进后的电流锁相方案进行验证。实验结果表明，该方案很好地实现了逆变器输出电流与电网电压的同步锁相控制，且输出电流的幅值、相位、频率均符合控制要求，可稳定、可靠地并网发电，并能实现网侧单位功率因数。关键词：光伏发电；并网逆变器；电流锁相1 引言在光伏发电系统中，并网逆变器输出电流的控制十分重要。有效控制逆变器输出电流可实现网侧功率因数可调。控制电流时，电流锁相十分关键，必须对电网电压的频率和相位进行实时检测，并以此控制逆变器输出电流与电网电压保持同频同相，即同步锁相。若不能稳定、可靠地锁相，则在逆变器与电网连接(并网)过程中会 产生很大的环流，对设备造成冲击，缩短设备使用寿命，严重时还会损坏设备。因此，研究光伏发电并网逆变器电流锁相改进方案及数字化实现具有现实意义。 2 光伏并网逆变器电流矢量控制策略光伏发电并网系统结构框图如图1 所示。图中上半部分为系统主电路，下半部分为系统控制电路。控制过程如下：根据PV 的输出电压、电流，由MPPT 算法获得Ud 参考值，与Ud 实际值比较后经电压调节器得到有功电流(d 轴电流)参考值。φ*为给定功率因数角，为无功电流(q 轴电流)参考值。若要求单位功率因数，则φ*=0，=0。 电流闭环控制通常采用电流矢量控制。图2 示出电流矢量控制的矢量关系图。 u，i．e 分别为逆变器输出电压、输出电流和电网电压的空间矢量。旋转坐
光伏并网逆变器拓扑的研究 陈德双，陈增禄 （西安工程大学电子信息学院，西安 710048） 摘要：本文介绍了多种光伏并网逆变器常用的拓扑方案，分析了各自拓扑结构的特点、功率及适用场合，对逆变器的选型与设计提供了借鉴和参考。 关键词：光伏并网；并网逆变器；拓扑结构；Buck-boost ；三相 1 引言 跨入21世纪之后，全球正在面临能源危机，新能源已经成为世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能光伏发电技术作为新能源的重要一员得到了持续的发展。 太阳能光伏发电系统可区分为两大类：一是独立系统，二是并网系统。独立系统是由太阳能电池直接给负载提供功率，多用于向偏远无电地区供电，易受到诸如时间和季节的影响。独立系统结构图如图1-1所示。 图1-1 独立系统结构图 随着电力电子技术的进步和控制理论的发展，光伏并网发电已经成为太阳能利用的主要形式。并网发电系统的特点是通过控制逆变器，直接将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，输向电网，如图1-2所示。寻求高性能、低造价的光伏材料和器件以减小光伏发电系统的自身损耗是其研究热点之一。作为光伏阵列与电网系统间进行能量变换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的地位。因此，对于拓扑结构的合理选择、提高系统效率和降低生产成本有着极其重要的意义。 图1-2 并网发电系统结构图 太阳光
2 光伏并网逆变器拓扑方案 并网逆变器作为并网发电系统进行电能变换的核心，具体电路拓扑众多，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：电压型逆变器和电流型逆变器，结构如图2-1。电流型逆变器，其直流侧输入为电流源，需要串联一大电感提供较为稳定的直流电流输入，但此大电感会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用直流侧以电压源为输入的电压型逆变器。 根据逆变器的输入端和输出端是否隔离，可将逆变器分为隔离型和非隔离型。隔离型逆变器一般都采用变压器进行隔离。隔离型逆变器又可分为高频变压器型和工频变压器型。也可以根据功率变换的级数将逆变器分为单级式和多级式。 图2-1 按直流侧电源性质分类的并网逆变器结构图 2.1 按是否隔离分类 工频变压器型逆变器采用一级DC/AC 主电路，变压器置于逆变器与电网之间，如图2-2所示。这种方式可有效阻止逆变器输出波形中的直流分量注入电网，减少对电网的污染。 图2-2 工频变压器型逆变器拓扑 高频变压器型逆变器采用两级或多级变换实现并网逆变。以两级变换为例，如图2-3所示。前级将直流电压斩波为高频脉冲，通过高频变压器后整流，后级通过逆变器并网。 电压型逆变器 s s
题目：光伏并网逆变器控制策略的研究
光伏并网逆变器控制策略的研究 摘要 世界环境的日益恶化和传统能源的日渐枯竭，促使了对新能源的开发和发展。具有可持续发展的太阳能资源受到了各国的重视，各国相继出台的新能源法对太阳能发展起到推波助澜的作用。其中，光伏并网发电具有深远的理论价值和现实意义，仅在过去五年，光伏并网电站安装总量已达到数千兆瓦。而连接光伏阵列和电网的光伏并网逆变器便是整个光伏并网发电系统的关键。 本文通过按主电路分类、按功率变换级数分类和按变压器分类的三大类划分逆变器的方法分别介绍了每个逆变器电路的拓扑结构。之后本文首先介绍了国内外并网逆变器的研究状况以及相关并网技术标准，比较了当前主流的控制技术。然后,详细的阐述了光伏并网发电逆变器系统的整体设计和各单元模块的设计,其中包括太阳能电池组、升压斩波电路、逆变电路和傅里叶变换。 在简要介绍了系统的结构拓扑和控制要求之后，论文重点研究了基于电流闭环的矢量控制策略，阐述了其拓扑结构、工作原理及运行模式。为了深入研究控制策略，分别建立了基于电网电压定向的矢量控制和基于虚拟磁链定向的矢量控制。最后，本文针对几种产生谐波的原因，对L、LC、LCL 三种滤波器进行了比较分析。 最后，本文对光伏并网的总系统进行了MATLAB仿真，由于时间的限制，只做出了通过间接控制电流从而达到控制有功无功公功率的仿真。 关键词：光伏并网，逆变器电路拓扑，电流矢量控制，谐波
PHOTOVOLTAIC (PV) GRID INVERTER CONTROL STRATEGY RESEARCH Abstract World deteriorating environment and the increasing depletion of traditional energy sources prompted the development of new energy and development. Solar energy resources for sustainable development has been national attention, solar countries have contributed to the severity of the introduction of the new energy law developments. Among them, the photovoltaic power generation has profound theoretical and practical significance, only in the past five years，the total installed photovoltaic power plant has reached thousands of megawatts. Connected PV array and grid PV grid-connected inverter is the whole key photovoltaic power generation system. Based classification by main circuit and the power level classification and Division of three categories classified by transformer inverter of methods each inverters circuit topologies are introduced.This article introduces the domestic and foreign research on grid-connected inverters and related technical standards for grid-connected, compared the current mainstream technology.Then detail a grid-connected photovoltaic inverter system design and the modular design, including solar arrays, chop-wave circuit, inverter circuits and Fourier transform. Briefly introduces the system topology and control requirements, this paper focuses on the current loop-based vector control strategies, describes the topological structure, working principle and its operating mode.In order to study the control strategies were established based on power system voltage oriented vector control based on virtual flux-oriented vector control.Finally, for several reasons for harmonic, l, LC, LCL compares and analyses the three types of filters. Keywords:Photovoltaic, inverters circuit topologies, current vector control, harmonic
100kW光伏并网逆变器 设计方案 目录 1. 百千瓦级光伏并网特点 (2) 2 光伏并网逆变器原理 (3) 3 光伏并网逆变器硬件设计 (3) 3.1主电路 (6) 3.2 主电路参数 (7) 3.2.1 变压器设计............................................................................. 错误!未定义书签。 3.2.3 电抗器设计 (7) 3.3 硬件框图 (10) 3.3.1 DSP控制单元 (11) 3.3.2 光纤驱动单元 (11) 3.3.2键盘及液晶显示单元 (13) 3 光伏并网逆变器软件 (13)
1. 百千瓦级光伏并网特点 2010年全球太阳能光伏发电系统装机容量将达到10000MWp（我国将达到400MWp），2010年以后还将呈进一步加速发展趋势。百千瓦级大型光伏发电并网用逆变控制功率调节设备，成本低，效率高，容量大，被国内外光伏界公认为是适合大功率光伏发电并网用的最具技术含量、最有发展前景的新一代主流产品，直接影响到未来光伏发电的走向。 百千瓦级大功率光伏并网逆变电源其应用对象主要为大型光伏并网电站，从原理上讲，其并网控制技术与中小功率光伏并网系统的控制技术基本相同，但由于装置容量较大，在技术指标的实现达标和功能设计方面却有较大区别。 在技术指标上，主要会影响： 1.并网电流畸变率 在系统的额定容量达到一定数量级时，一些存在的技术问题将会逐步暴露并影响到系统的性能指标，其最重要的一点就是并网电流波形畸变率的控制和电流滤波方式。该系统中的主变压器一般选择为三相Δ/Y型式，且容量较大，此时变压器的非线性和励磁电流对并网电流波形的影响不容忽视，否则会引起并网电流波形的明显畸变和三相电流不平衡。 2.电磁噪声 由于是三相桥式逆变结构，受IGBT功率模块的开关频率限制及考虑系统的效率指标，系统的电流脉动要远高于中小功率系统，对电流的滤波和噪声控制需要特别注意，此时对系统的滤波电路设计和并网电流PWM控制方式的研究至关重要。由于系统的dv/dt、di/dt和电流幅值较大，其EMI和EMC的指标实现可能存在技术难度，由于系统的噪声可能影响其电流、功率的检测和计算精度，在最大功率跟踪和孤岛效应识别等方面的影响还难以预计。 在技术指标上，主要考虑： 1)主电路工艺结构设计 2)散热工艺结构设计 3)驱动方式设计
光伏并网逆变器及其拓扑结构的设计 对于传统电力电子装置的设计，我们通常是通过每千瓦多少钱来衡量其性价比的。但是对于光伏逆变器的设计而言，对最大功率的追求仅仅是处于第二位的，欧洲效率的最大化才是最重要的。因为对于光伏逆变器而言，不仅最大输出功率的增加可以转化为经济效益，欧洲效率的提高同样可以，而且更加明显。欧洲效率的定义不同于我们通常所说的平均效率或者最高效率。它充分考虑了太阳光强度的变化，更加准确地描述了光伏逆变器的性能。欧洲效率是由不同负载情况下的效率按照不同比重累加得到的，其中半载的效率占其最大组成部分。因此为了提高光伏逆变器的欧洲效率，仅仅降低额定负载时的损耗是不够的，必须同时提高不同负载情况下的效率(图1)。 图1: 欧洲效率计算比重 1、功率器件的选型 在通用逆变器的设计中，综合考虑性价比因素，IGBT是最多被使用的器件。因为IGBT 导通压降的非线性特性使得IGBT的导通压降并不会随着电流的增加而显著增加。从而保证了逆变器在最大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。但是对于光伏逆变器而言，IGBT的这个特性反而成为了缺点。因为欧洲效率主要和逆变器不同轻载情况下效率的有关。在轻载时，IGBT的导通压降并不会显著下降，这反而降低了逆变器的欧洲效率。相反，MOSFET的导通压降是线性的，在轻载情况下具有更低的导通压降，而且考虑到它非常卓越的动态特性和高频工作能力，MOSFET成为了光伏逆变器的首选。另外考虑到提高欧效后的巨大经济回报，最新的比较昂贵的器件，如SiC二极管，也正在越来越多的被应用在光伏逆变器的设计中，SiC肖特基二极管可以显著降低开关管的导通损耗，降低电磁干扰。 为了得到最大输入功率，电路必须具备根据不同太阳光条件自动调节输入电压的功能，最大功率点一般在开环电压的70%左右，当然这和具体使用的光伏电池的特性也有关。典型的电路是通过一个boost电路来实现。然后再通过逆变器把直流电逆变为可并网的正弦交流电。 2、单相无变压器式光伏逆变器拓扑结构的设计： 拓扑结构的选择和光伏逆变器额定输出功率有关。对于4kw以下的光伏逆变器，通常选用直流母线不超过500V，单相输出的拓扑结构，如图2所示：