An Improved Single-Phase Inverter for Small PV-System Using Soft-Switching Technique
D. Amorndechaphon
and S. Premrudeepreechacharn
Department of Electrical Engineering, Chiangmai University, Chiangmai, 50200 THAILAND
Abstract-In order to increase the conversion efficiency of a PV system, a high-efficiency PV power inverter with simple control m ethodology is required. To satisfy this requirem ent, an improved single-phase inverter using soft-switching technique is proposed. The proposed power inverter circuit is composed of a ZVT-PWM boost dc-dc converter and a LLCC resonant inverter. The dc-link voltage amplitude is controlled by ZVT-PWM boost dc-dc converter with soft-switching transition. The stable sinusoid ac output voltage is inverted from dc-link voltage via a LLCC resonant inverter. The effectiveness of the proposed inverter for small PV system is verified by simulation results.
I. I NTRODUCTION
Due to the Kyoto agreement on global reduction of
greenhouse gas emissions that generated by the burning process from the primary fossil fuels such as coal, oil, natural gas etc. Many renewable energy sources are developed such as solar, wind, biomass and fuel cell [1]. The solar energy is clean and viable source of electricity. I t has been used as the main source for electrical loads in rural areas away from the grid or grid-connected in distributed energy production.
In recent years, the conventional buck-boost PWM inverters shown in figure 1 have been widely used for small PV-system [2-3] due to the individual operation and simple control. These systems compose of a PV array, a dc-dc converter and a dc-ac inverter. The dc-dc converter is used to boost the PV voltage to a level higher than the peak of the voltage utility and also responsible for tracking the maximum point of the PV array to fully utilize the PV power. The excessive power from the PV module to the load can be fed to the load. The balance of power flow is controlled through the inverter. The dc-ac inverter is usually a pulse-width-modulation (PWM) voltage-source inverter, which shapes and inverts the output current. The inverter is also used to act as a high-frequency filter to eliminate the high-frequency component at the inverter output to achieve the low output harmonic distortion and high output power factor.
To minimize the size and weight of overall system, high switching frequency operations are required for inverters. However, high switching operation causes switching power losses and high switching stresses in the semiconductor devices as shown in figure 2. In order to solve these problems, resonant converters using zero voltage switching (ZVS) and zero current switching (ZCS) techniques [4] can be used to greatly reduce the switching losses at the expenses of high voltage or current stresses on power switches.
Figure 2. Hard-switching waveform of semiconductor switching devices (a) switching power losses (b) voltage and current stresses
For the inverter without reactive energy feedback paths, the parasitic reactive energy due to the possible leakage of inductors also imposes transient high voltage, dv/dt or di/dt stresses on switch devices that causes high electromagnetic interference (EM ). Therefore, soft-transition switching techniques such as zero voltage transition (ZVT) [5] and zero current transition (ZCT) [6] have been developed to minimize or eliminate both switching losses and stresses, and thus improving converter efficiency.
n this paper, a soft-switching single-phase inverter for small PV system is proposed. This inverter is composed of a ZVT-PWM boost dc-dc converter and a LLCC resonant inverter [7]. An auxiliary circuit is used to provide the active switches in a boost converter operate at soft-switching without additional voltage and current stresses. The stable ac output voltage is generated from the LLCC resonant inverter with low total harmonic distortion (THD). I n the following, the operating principles of the proposed PV-system will be thoroughly discussed. Simulation results will be given to validate the effectiveness of the fulfilled functions.
Proceedings of ECTI-CON 2008
978-1-4244-2101-5/08/$25.00 ?2008 IEEE
01120r in ZVT L I T t t V ≥+=,max 0
,max
(1).
12(1).(1)12in ZVT
r dc ZVT
r in a I T C V a V T L a I ππ?=ao+?????=ao?+????1 1.5a ≤≤,for 0.,for 02dc AB
dc V t v V t ωπωπ<<-=??≤<ˉsin .i m S v V t ω=(4/)m dc V V π=?sin().O O S v V t ωθ=+11.in S S S S P Z j L j C Y ωω=++
II.
OPERATING PRINCIPLES
The proposed single-phase inverter for small PV-system is shown in figure 3. The inverter circuit is composed of a ZVT-PWM boost dc-dc converter that uses PWM control and a dc-ac LLCC resonant inverter. According to the PV array characteristic, the output voltage of PV array varies with light intensity. The boost dc-dc converter with dc voltage feedback control is utilized to provide the constant dc voltage V dc for the inverter. The dc-link voltage amplitude is controlled by the boost dc-dc converter. A. ZVT-PWM Boost DC-DC Converter Fig. 4. shows the key waveforms of the ZVT-PWM boost dc-dc converter. By adding the resonant network with a conventional PWM boost dc-dc converter, the converter achieves zero-voltage switching for both the active and passive switches without increasing the voltage and current stresses. The additional resonant network is composed of a resonant inductor (L r ), resonant capacitor (C r ), an auxiliary switch (S ZVT ) I n order to achieve ZVS for S main , the on time T ZVT of the auxiliary switch S ZVT should be as follows:
(1)
The resonant capacitor and inductor is calculated by
(2)
(3)
where a is the constant given by . B. LLCC-Resonant Inverter
The LLCC-resonant inverter has full-bridge switches (S inv1, S inv2, S inv3 and S inv4) that transfer the dc-link voltage to a square wave with amplitude V dc . The inverter is operated at a geometric mean frequency to provide stable sinusoid ac voltage (v O ) output. The input voltage of the resonant circuit is a square wave of the following form: (4)
The fundamental component of the square wave is
(5)
where , in which f S is the switching frequency, and
(6)
The output voltage of the resonant tank is
(7)
Where V O and ? represent the amplitude and phase of the output voltage v O . The input impedance of the LLCC-resonant
tank can be represented as
(8)
2S S f ωπ=
11
.
P S P L S P Y j C R j L ωω=++22
11.1(1)1(O LLCC i in P S P S S P S P S p S S S
L S L S V G Z Y V L C L C C L L C L j R R C ωωωω?==ao++?????
?=??+???????J G J G 221
10.
S P S S P S P S p S
L C L C C L L C ωω++??=0102ωω==
2g g f ωπ===63.3mH,160F S P S P L L C C μ====
Where the admittance of the parallel-resonant tank is
(9)
The voltage gain of the LLCC-resonant tank G LLCC is defined as the ratio of the ac output voltage and the fundamental of square input voltage.
(10)
When the resonant condition occurs, the real part of the denominator of is equal to zero, that is (11) The two resonant frequencies in radian (ω01, ω02) of the LLCC resonant circuit can be obtained as
(12)
(13)
Where K =(1/(L S C P ))(1+(C P /C S )+(L S /L P )). Define the ratio L P /L S
= C S /C P , then the geometric mean frequency in radian can be obtained as
When the switching frequency is operated at the geometric
mean frequency, the real and imaginary part of the voltage gain
are equal to one and zero, respectively. Therefore, the
amplitude of the voltage gain is not influenced by the variation
of the quality factor, and the amplitude of the output voltage,
V o is equal to 4V dc /π. The amplitude and phase of G LLCC as the
function of f S at different values of Q are shown in figure 5.
III. S IMULATION R ESULTS To evaluate the performance of the proposed system, the prototype circuit is designed and simulated with Orcad PSpice as shown in figure 6. A 40kHz ZVT-PWM boost converter is utilized to provide constant dc voltage V dc = 245Vdc for the LLCC resonant inverter.
(a)
(b)
Figure 5. Frequency responses of LLCC resonant inverter: (a) amplitude plots from 0 to 150 Hz; (b) phase plots from 0 to 150 Hz
A 120W output LLCC resonant inverter is operated at 50Hz switching frequency. The geometric mean frequency is
obtained at 50 Hz. The parameters of the LLCC resonant tank
are given as
(15)
The main switch current i S and the voltage across the main
switch v Cr of the boost converter are shown in figure 7. The
waveforms confirm the zero-voltage-switching of the main
switch of the boost converter.
The simulation input and output voltage waveform results
from the LLCC resonant inverter are depicted in figure 8. I t can be observed that the input and output voltages of the LLCC resonant tank are in phase when the switching frequency of the
inverter is operated at the geometric mean frequency .
The THD of output voltage is also shown in figure 9.
S g
ωω=f g
f g
Figure 6. Schematic of Orcad PSpice simulation
Figure 7. Voltage and current of the boost converter switch
Figure 8. Input and output voltage of the LLCC resonant inverter
Figure 9. Output voltage spectrum of the LLCC resonant inverter
IV. C ONCLUSION
An improved single-phase inverter for small PV-system using resonant-technique has been proposed to overcome the drawbacks of the conventional single-phase PV power inverter. This inverter composes of a ZVT-PWM boost dc-dc converter and a LLCC-resonant inverter.
The active switches in a ZVT-PWM boost dc-dc converter operate in soft-switching condition and without voltage and current stresses. This reduces switching losses, thereby increasing the efficiency of the converter. The LLCC resonant inverter incorporates series and parallel combinations of inductors and capacitors otherwise know as a series-resonant tank and parallel-resonant tank to provide a stable ac output voltage with low THD.
The simulation results show that the ZVT-PWM boost dc-dc converter and the LLCC-resonant inverter can be applied to the small scale PV system with high performance.
A CKNOWLEDGMENT
The authors would like to express their gratitude to Assoc. Prof. Dr. Kosin Chamnongthai who is with the Department of Electronics and Communication Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, for his kind comments and suggestions.
R EFERENCES
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交错并联反激式准单级光伏并网微逆变器 安科瑞袁燕 摘要：独立光伏组件的微型逆变器能有效克服传统光伏系统存在的阴影问题。详尽介绍了某型准单级式交错并联微逆变器的设计、分析及其控制策略。该微型逆变器基于高频环节逆变技术，有效实现了初、次级电气隔离，解决了漏电流问题；采用有源箝位技术吸收漏感能量，实现了开关管的零电压开关（ZVS）；采用变步长的扰动观察法实现最大功率点跟踪（MPPT）,输入电压前馈方法可解决准单级式微逆母线电压崩溃问题。220W样机试验验证了该方案及控制策略的可行性，整机MPPT效率为99.5%，最高效率达到95%。 关键词：微逆变器；高频环节；最大功率点跟踪 Abstract：To overcome the traditional photovoltaic systems have low overall output power caused by the partial mask,proposed a single PV module for a single micro-inverter topology and its control https://www.doczj.com/doc/908740878.html,ing single-stage interleaved flyback converter,In order to overcome problem of flyback transformer primary side leakage，using Active block circuit to absorb the leakage inductance energy,achieving a zero-voltage switching tube switch,increases machine efficiency.Gives a system based on digital signal processor control process,the system uses a variable step size perturbation and observation method to achieve the maximum power point tracking, making each photovoltaic panels working on the maximum power point.Build a experiment prototype to verify the topology and control strategy is feasible solutions. Keywords:Micro inverter；Flyback；DCM mode；MPPT 1引言 传统集中式、组串式光伏并网发电系统通过对光伏电池板的串并联，在有效提高母线电压后，供给并网逆变器将电能输送到电网。其结构简单，转换效率高，尤其适合于日照较好的电站系统。但在东部城乡地区，云层及建筑物、树木遮挡，以及单块电池板发生故障等因素，将严重降低整个系统的发电量。配备在每一个光伏组件后面的微型逆变器，通过对各组件的独立控制使其工作在最大功率点，大大提高了系统抗局部阴影的能力，以及整体发电量。尽管其成本相对较高，但模块化架构、高可靠性、高发电量、安装方便等优点使其为目前分布式光伏发电的一个重要方向。 在此详尽介绍了某型准单级式交错并联微逆变器设计、分析及控制策略。高频环节逆变
本科毕业设计（论文）开题报告题目：800W微型光伏发电并网逆变器设计 学生姓名学号 教学院系电气信息学院 专业年级电气工程及其自动化2008级 指导教师职称教授 单位
800W微型光伏发电并网逆变器设计 1 设计目的与意义 1.1 目的与意义 逆变器是把直流电能转变成交流电（一般为220v/50Hz正弦或方波）。中小功率逆变器是户用独立交流光伏系统中重要的环节之一，其可靠性和效率对推广光伏系统、有效用能、降低系统造价至关重要，因而各国的光伏专家们一直在努力开发适于户用的逆变电源，以促使该行业更好更快地发展。 本论文根据光伏发电并网系统的特点，设计一台额定功率为800W的微型光伏发电并网逆变器。该并网逆变器能实现最大功率点跟踪和实现反孤岛效应控制功能，控制部分采用TMS320F240型DSP作为电流跟踪方案，实现与电网电压同步的正弦电流输出。 1.2 现状 目前我国在小功率逆变器上与国际处于同一水平，在大功率并网逆变器上，合肥阳光电源大功率逆变器2005年已经批量向国内、国际供货。该公司250KW、500KW 等大功率产品都取得了国际、国内认证，部分技术指标已经超过国外产品水平，并在国内西部荒漠、世博会、奥运场馆等重点项目上运行，效果良好。 逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。根据采用隔离变压器的类型，并网逆变可分为低频环节、高频环节以及非隔离型并网逆变低频环节并网逆变器采用工频变压器作为与电网的接口，因此存在体积和重量大、音频噪音大的缺点；而非隔离型并网在一些国家禁止使用，因此现在普遍采用直接挂在电网上运行的高频环节并网逆变器。 光伏发电系统中逆变器是非常重要的部件，决定着系统的效率以及输出电流波形的质量。逆变器的拓扑有很多种，其中最常用的是全桥结构。为了降低光伏发电系统的成本，现在许多国家都在不遗余力的对高效逆变器进行研究。目前国际上一些知名公司的逆变器产品整机效率已经可以达到93%~95%。 2 设计任务概况 任务要求 （1）完成电气原理图设计； 1
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
第2章 基于定频积分的逆变器并网控制 2.1 引言 本章探索了一种基于定频积分控制的可选择独立工作和并网运行两种工作模式的光伏逆变器控制方案，对其工作原理以及并网电流纹波影响因素进行了理论分析，推导了控制方程，并给出了计算机仿真分析结果。 2.2 逆变器并网控制系统总体方案设计 如本文第一章所述，并网型逆变器主要应用在可再生新能源并网发电技术中，因此，对逆变器并网控制方案的研究也必须结合新能源发电的特点，达到最大限度的利用可再生资源。作者设计了一种既可以控制逆变器工作在并网送电状态，又可以控制逆变器工作在独立带载状态的逆变器并网控制系统。逆变器的具体工作模式由工作场合和用户需求决定，系统具有多功能。 本系统采用以定频积分为核心的控制方案。逆变器并网工作时采用基于定频积分的电流控制方案；独立工作时，在并网电流控制方案的基础上加入电压PI 外环，实现输出电压控制。定频积分控制不仅将并网输出电流控制和独立输出电压控制有机地融合在一起，而且使系统在两种工作模式下都具有良好的性能。 2.3 定频积分控制的一般理论 所谓定频积分控制是指保持电路工作的开关频率S f 不变，而通过积分器和 D 触发器来控制开关器件在每个周期的导通时间on T 和关断时间off T 。图2-1所示为定频积分控制的一般原理图。 定频积分控制是基于单周期控制的一种控制方法[43~45]。单周期控制是一种非线性控制技术， 该控制方法的突出特点是：无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，比如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等。下面具体从理论上分析基于单周控制的定频积分控制的一般原理和特点。
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。
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
光伏并网逆变器控制与仿真设计 为了达到提高光伏逆变器的容量和性能目的，采用并联型注入变换技术。根据逆变器结构以及光伏发电阵电流源输出的特点，选用工频隔离型光伏并网逆变器结构，并在仿真软件PSCAD中搭建光伏电池和逆变器模型，最后通过仿真与实验验证了理论的正确性和控制策略的可行性。 ?近年来，应用于可再生能源的并网变换技术在电力电子技术领域形成研究热点。并网变换器在太阳能光伏、风力发电等可再生能源分布式能源系统中具有广阔发展前景。太阳能、风能发电的重要应用模式是并网发电，并网逆变技术是太阳能光伏并网发电的关键技术。在光伏并网发电系统中所用到的逆变器主要基于以下技术特点：具有宽的直流输入范围；具有最大功率跟踪（MPPT）功能；并网逆变器输出电流的相位、频率与电网电压同步，波形畸变小，满足电网质量要求；具有孤岛检测保护功能；逆变效率高达92％以上，可并机运行。逆变器的主电路拓扑直接决定其整体性能。因此，开发出简洁、高效、高性价比的电路拓扑至关重要。 ?1 逆变器原理 ?该设计为大型光伏并网发电系统，据文献所述，一般选用工频隔离型光伏并网逆变器结构，如图1所示。光伏阵列输出的直流电由逆变器逆变为交流电，经过变压器升压和隔离后并入电网。光伏并网发电系统的核心是逆变器，而电力电子器件是逆变器的基础，虽然电力电子器件的工艺水平已经得到很大的发展，但是要生产能够满足尽量高频、高压和低EMI的大功率逆变器时仍有很大困难。所以对大容量逆变器拓扑进行研究是一种具有代表性的解决方案。作为太阳能光伏阵列和交流电网系统之间的能量变换器，其安全性，可靠性，逆变效率，制造成本等因素对于光伏逆变器的发展有着举足轻
光伏逆变器概述 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IGB T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。 3、微型逆变器 在传统的PV系统中，每一路组串型逆变器的直流输入端，会由10块左右光伏电池板串联接入。当10块串联的电池板中，若有一块不能良好工作，则这一串都会受到影响。若逆变器多路输入使用同一个MPPT，那么各路输入也都会受到影响，大幅降低发电效率。在实际应用中，云彩，树木，烟囱，动物，灰尘，冰雪等各种遮挡因素都会引起上述因素，情况非常普遍。而在微型逆变器的PV系统中，每一块电池板分别接入一台微型逆变器，当电池板中有一块不能良好工作，则只有这一块都会受到影响。其他光伏板都将在最佳工作状态运行，使得系统总体效率更高，发电量更大。在实际应用中，若组串型逆变器出现故障，则会引起几千瓦的电池板不能发挥作用，而微型逆变器故障造成的影响相当之小。 4、功率优化器 太阳能发电系统加装功率优化器(Optimizer)可大幅提升转换效率，并将逆变器(Inverter)功能化繁为简降低成本。为实现智慧型太阳能发电系统，装置功率优化器可确实让每一个太阳能电池发挥最佳效能，并随时监控电池耗损状态。功率优化器是介于发电系统与逆变器之间的装置，主要任务是替代逆变器原本的最佳功率点追踪功能。功率优化器藉由将线路简化以及单一太阳能电池即对应一个功率优化器等方式，以类比式进行极为快速的最佳功率
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
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
单相双级式光伏并网逆变器 张厚升，赵艳雷 （山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049） 摘要：分析了单相双级式光伏并网系统的工作原理，使用直流电源加可变电阻来模拟太阳能电池的输出特性曲线，并对其可行性进行了理论分析。提出了一种改进的变步长占空比扰动法，提高了系统的快速性和高效性。详细分析了以DSP 为核心的单相光伏并网逆变器的并网策略，设计了并网逆变器的电压、电流双闭环控制系统。其中外环为直流电压控制，控制并网逆变器直流输入端电压稳定；内环为并网电流控制，控制并网逆变器的输出电流与电网电压同频、同相。在锁相跟踪控制中，提出了一种软硬件相结合的改进方法，可有效提高跟踪锁相的精度。实验结果表明所设计的并网逆变器能够实现最大功率点跟踪，并能实现输出电流精确跟踪电网电压，功率因数可达0.998。 关键词：太阳能电池；最大功率点跟踪；并网逆变器；锁相环；双闭环控制；DSP 中图分类号：TM 615文献标识码：A 文章编号：1006－6047（2010）08－0095－05收稿日期：2009－11－30；修回日期：2010－0 4－27 电力自动化设备 Electric Power Automation Equipment Vol．30No .8Aug.2010 第30卷第8期2010年8月 T R L L 2 太阳能图1DSP 控制的单相双级式光伏并网系统 Fig.1Single -phase double -stage photovoltaic grid -connected inverter controlled by DSP L 1 太阳能是当前世界上最清洁、最现实、大规模开发利用最有前景的可再生能源之一［1］。太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，必将得到快速的发展［2］。此外，高性能的数字信号处理器（DSP ）的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网逆变器成为可能。本文在此背景下，对太阳能并网发电系统中的核心部分即最大功率点跟踪MPPT （Maximum Power Point Tracking ）和并网控制策略进行了较为深入的研究。 太阳能电池是一种非线性电源，而且输出电能受光照强度和环境温度的影响，为了使太阳能电池能够最大效率地将太阳能转化为电能，需要对其进行MPPT ［3-4］。然而由于光照强度、环境温度等条件的不可控，变化周期长，在太阳能电池系统中研究MPPT 控制有众多不便［5-6］，而且直接使用太阳能电池进行实验存在时间长、费用高等缺点。如何用一种简单的方法模拟太阳能电池的输出特性，使其在实验室环境下也能方便、快捷地进行实验研究，同时控制太阳能电池的工作点以实现最大功率的输出是本文要解决的一个问题。同时，为了实现逆变器输出电流与 电网电压完全同相，达到功率因数为1的目的，文中分析了光伏并网逆变器的控制方式及其电压、电流双闭环控制的原理，同时对改进的同步锁相环进行了分析，最后给出了实验结果。 1单相双级式光伏并网系统 图1为所设计的以TMS320LF2407型DSP 为控制核心的双级式光伏并网系统。系统由光伏阵列、DC ／DC 变换环节、DC ／AC 逆变环节、隔离变压器以及负载（电网）组成。其中，DC ／DC 变换环节完成光伏阵列的MPPT 控制，而DC ／AC 环节完成直流到交流的逆变，对于并网系统而言，还要完成系统的并网运行。前级DC ／DC 变换器采用Boost 升压电路，由开关管V T1、二极管V D1、电感L 1、电容C 1组成。在开关管V T1导通时，二极管V D1反偏，太阳能电池阵列向电感L 1存储电能，电感电流逐渐增加；当开关管V T1关断时，二极管V D1导通，由电感L 1和电池阵列共同提供能量，向电容C 1充电，电感电流逐渐减小。直流母线电压U o 、电池阵列输出电流I i 的调节，只要根据输入电压调节开关管V T1的占空比d 即可完成。后级
小功率光伏并网逆变器控制的设计 摘要：阐述了一种小功率光伏并网逆变器的控制系统。该光伏并网逆变器由DC/DC变换器与DC/AC变换器两部分组成，其中DC/DC 变换器采用芯片SG3525来控制，DC/AC变换器采用数字信号处理器TMS320F240来控制。由于DSP实时处理能力极强，采用合适的算法能确保逆变电源的输出功率因数非常接近1，输出电流为正弦波形。该控制方案已经在实验室得到验证。 1 引言 21世纪，人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战。在有限资源和保护环境的双重制约下能源问题将更加突出，这主要体现在：①能源短缺；②环境污染；③温室效应。因此，人类在解决能源问题，实现可持续发展时，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点，因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视，成为理想的替代能源。文中阐述的功率为200W太阳能光伏并网逆变器，将太阳能电池板产生的直流电直接转换为220V/50Hz的工频正弦交流电输出至电网。 2 系统工作原理及其控制方案 2.1 光伏并网逆变器电路原理
太阳能光伏并网逆变器的主电路原理图如图1所示。在本系统中，太阳能电池板输出的额定电压为62V的直流电，通过DC/DC 变换器被转换为400V直流电，接着经过DC/AC逆变后就得到220V/50Hz的交流电。系统保证并网逆变器输出的220V/50Hz正弦电流与电网的相电压同步。 图1 电路原理框图 2.2 系统控制方案 图2为光伏并网逆变器的主电路拓扑图，此系统由前级的DC/DC 变换器和后级的DC/AC逆变器组成。DC/DC变换器的逆变电路可选择的型式有半桥式、全桥式、推挽式。考虑到输入电压较低，如采用半桥式则开关管电流变大，而采用全桥式则控制复杂、开关管功耗增大，因此这里采用推挽式电路。DC/DC变换器由推挽逆变电路、高频变压器、整流电路和滤波电感构成，它将太阳能电池板输出的62V的直流电压转换成400V的直流电压。
微型光伏发电逆变器的设计 摘要 目前，人类社会发展迅速，对能源的需求不断加大，能源危机和环境保护成了21世纪的主题。太阳能具有无限性，清洁性等特点，如果能加以利用，对人类以后的发展和延续由很重要的意义。在此背景下，本设计基于TMS320F240对光伏发电并网逆变器做出了分析和研究。 本设计首先介绍了国内外光伏发电的现状，分析了光伏发电的工作原理，然后对主电路结构进行分析和选择，最终确定前级采用Boost升压电路以及后级采用全桥逆变电路，逆变主电路采用无变压器绝缘的两级拓扑结构。控制方法采用滞环反馈调节。分析了太阳能电池的工作原理，确定了采用扰动观测法实现最大功率点跟踪（MPPT）的方法。接着论述了孤岛效应的产生原因和危害，确定了采用周期性扰动正反馈频率漂移(AFDPF)孤岛检测方法。对系统进行了软硬件的设计，最后利用MATLAB软件对系统部分指标进行了仿真，满足了部分要求。本次设计能够部分解决地区供电难，社会能源短缺问题，对社会发展和稳定有重大现实意义。 关键词：太阳能，光伏并网逆变器，最大功率点跟踪，孤岛检测，MATLAB
The Design of Photovoltaic Inverter ABSTRACT At present, the development of human beings growing demand for energy, the energy crisis and environmental pollution have become the theme of this century. In this background, this paper use the solar energy, based on TMS320F240 is designed 800 w miniature grid-connected photovoltaic inverter. At first, this paper analyzes the main circuit structure of system, before the final level using the Boost booster circuit, and the latter adopts full bridge inverter circuit working principle of inverter main circuit adopts the two levels of topological structure of transformer insulation. Then analyzed the working principle of solar cells, determines the disturbance observation method is used to achieve maximum power point tracking (MPPT) method. Then discusses the causes and harm of islanding, determines the periodic disturbance using positive feedback frequency drift island (AFDPF) detection method. Finally, the system hardware and software design, and on the part of the performance of the MATLAB simulation, to verify the part of the performance of the system. KEY WORDS:The solar energy，Photovoltaic grid-connected inverter，Maximum power point tracing，Island detection，MATLAB
https://www.doczj.com/doc/908740878.html, Abstract :A photovoltaic (PV )grid ?connected microinverter suitable for a single PV module and the topological structure mainly consists of interleaved flyback converter ,full ?bridge inversion circuit and LC filter circuit.The working principle and realization conditions of flyback converter is analyzed ;the digital signal controller is adopted to realize soft switching control of the interleaved flyback inverter ,reduce the switching loss of power devices and improve the conversion efficiency of electrical energy of inverter ;the improved perturbation and observation (P &O )method based on variable step size is employed to resolve the conflict between tracking velocity and control precision.The prototype test is conducted to verify that the single ?stage grid ?connected PV microinverter has the following advantages :small volume ,low output harmonic content ,high power density and good electromagnetic compatibility (EMC ),etc.Key words :distributed generation ;PV module ;PV grid ?connected inverter ;flyback converter ;full ?bridge inversion circuit ;LC filter circuit ;digital signal controller ;maximum power point tracking (MPPT ) 摘要:设计一种适用于单个光伏组件的光伏并网微型逆变器,拓扑结构主要包括交错并联反激变换器、全桥反转电路和LC 滤波电路。分析反激逆变器的工作原理和实现条件;采用数字信号控制器实现交 错并联反激逆变器的软开关控制,可减小功率器件开关损耗,提高逆变器电能转换效率;改进的变步长扰动观察法,解决跟踪速度与控制精度之间的矛盾。通过样机实验验证设计的单级式光伏并网微型逆变器具有体积小、输出谐波含量低、功率密度高和电磁兼容性好等优点。关键词:分布式发电;光伏组件;光伏并网逆变器;反激变换器;全桥反转电路;LC 滤波电路;数字信号控制器;最大功率点跟踪中图分类号:TM464文献标识码:A doi :10.3969/j.issn.1003-8493.2018.10.0090引言随着传统能源的日益枯竭,环境污染的加剧,促进了新能源的快速发展,其中光伏发电是新能源应用领域的重要形式之一[1]。传统的组串式光伏发电系统是由多个光伏组件构成的光伏阵列产生高压直流电,再经过光伏并网逆变器转换为交流电并入电网,当部分光伏组件被遮挡时,会引起光伏组件的热斑效应,降低整个光伏发电系统的效率,并且这种逆变器体积较大,还要为系统 散热增加风扇[2,3]。分布式光伏并网发电是每块光伏组件连接一个光伏并网微型逆变器组成的光伏发电系 统,独立的最大功率点跟踪可降低由于光伏组件和逆Design of Single ?phase Photovoltaic Grid ?connected Microinverter JI Deming (Zhejiang Envertech (Shanghai )Corporation Limited ,Shanghai 201100,China )REN Yifeng LI Xin (School of Electrical and Control Engineering ,North University of China ,Taiyuan 030051,China ) 汲德明(浙江恩沃新能源科技(上海)有限公司,上海市 201100)任一峰李昕(中北大学电气与控制工程学院,太原市030051)单相光伏并网微型逆变器设计 *:中北大学研究生科技立项项目,项目名称:非隔离双向充放电储能装置设计,项目编号:20171473。作者信息 汲德明,男,浙江恩沃新能源科技(上海)有限公司,工程师。 任一峰,男,中北大学电气与控制工程学院,教授,副院长。 李昕,男,中北大学电气与控制工程学院。 * *