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/cd12451062.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。高频环节逆变技术不仅实现了微逆变输入输出电压大升压比匹配，同时初次级电气隔离解决不了不隔离系统漏电流问题；而且基于有源箝位技术吸收漏感能量，实现了开关管的ZVS。系统控制框图及流程表明采用变步长的扰动观察法能实现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。
2主电路拓扑
2.1拓扑选择
准单级式反激逆变器仅有一级的功率变换[4]，拓扑简单，尤其适合低成本应用场合的要求。在断续模式（DCM）及临界连续模式（BCM）下，其呈现电流源特性，控制系统设计简单，市目前光伏微逆变器的理想拓扑。由于反激变换器输出功率有限，在微逆变器系统结构中，这里采取如图1所示交错并联技术：将两路反激变换器输入并联，输出并联，原边的主管交错180度导通以减小输入输出电流纹波，同时公用一组输出极性翻转桥；考虑到反激变压器漏感的存在，进一步采取有源钳位技术回收漏感，并实现了主管和辅助管的ZVS，有效减小开关损耗，提高了电路效率。
图1交错并联反激型微逆变器拓扑结构
此时光伏组件经过反激变换器主开关SPWM高频调制，得到包络线为单极性工频正弦半波的输出电流。交流侧的工频换向桥驱动时序跟踪电网电压，将前面的单极性工频正弦半波翻转为正弦波并网电流，与电网电压同频同相。
2.2工作模式分析
根据变压器的磁通是否连续，可将反激变换器的工作模式分为电感电流连续模式（CCM）、DCM及BCM3种。CCM模式下反激逆变器相对稳定性较差，需要妥善处理。目前主流的反激逆变器以DCM及BCM为主，但由于在BCM模式下，需要采用变频控制，计算和控制都较为复杂，因此这里采用DCM。
相对BCM 及CCM，DCM 的优点是恒频工作，控制简单，且消除了次级二极管反向恢复问题；缺点是相比CCM 此时励磁电感较小，器件峰值电流应力较大。
为确保变换器工作在DCM，需其初级电感Lp 即励磁电感小于临界连续电感值。定义工频周期T grid 是高频开关周期的2k 倍，定义d p 为最大占空比，由于输入电流大小和占空比成正比，因此每个开关
周期的占空比也是正弦脉络d p sin(iπ/k )，则变压器原边电流i dc 的平均值为：
化简得
将P in =U dc *I dc,avg 带入上式可得变压器原边电感：
3控制系统
3.1控制框图
准单级式微逆变器需同时完成MPPT、锁相、孤岛检测和入网电流控制[5][6]。如图2所示，通过MPPT 计算提供得到的并网电流的基准幅值I o 大小，从而确保光伏组件以最大功率向电网传输能量。锁相提
供并网电流的相位信息，确保入网电流与电网电压同频同相。孤岛检测是并网逆变器所必须具备的功能，在电网异常情况下关闭逆变器，确保人员和设备的安全。入网电流控制是并网逆变器的核心控制部分，这里通过采样输出电流闭环控制，确保了高质量的并网电流（理论上在DCM 下，开环控制即可实现电流源并网，但其并网电流总谐波含量相对较高）。
图2控制系统
3.2准单级式系统MPPT及直流母线电压控制
MPPT是通过相应的算法，不断调整并网电流基准，调整逆变器输出功率，从而调节光伏组件的输出功率，使得光伏组件输出功率最大。
扰动观察法原理简单，易于实现，是MPPT算法中最常用的方法之一。其算法原理是当前次的输出功率与前一次的输出功率作比较，假设P(k+1)>P(k)，那么将光伏输出电压基准继续向着这一次变化的相同的方向进行扰动；反之，若输出功率变小，则在下个周期改变扰动的方向，如此进行反复扰动、比较直至光伏系统输出功率达到最大。算法流程如图3所示。扰动观察法步长的大小决定了算法跟踪的速度和系统在最高处附近来回振荡的幅度，因此，本文采取一种变步长的扰动观察法[7]，具体方式当功率较每小时，扰动值C取值加大；当功率较大后，适当减小扰动值C的取值。
图3扰动观察法算法流程
在准单级并网逆变系统中，单纯的MPPT环无法保证很好的动态性能，实现系统的稳定。当发生外界条件突变或者程序误判断时，直流母线电压会剧烈震荡甚至奔溃。如图3所示，在原有的控制基础上加一个输入电压环，防止在MPPT误判断时直流母线电压的剧烈震荡，可以有效防止母线电压的崩溃，实现系统的稳定运行。
4实验结果
为验证上述交错并联准单级高频环节光伏并网微逆变器方案，在实验室完成了基于DSP28035控制的220W 微逆变器样机研制。前级直流输入电压V pv =35VDC，并网电压V o =220VAC，电网频率fac =50Hz,
主管V1开关频率fs =135Khz，滤波电感L1=1mH，光伏组件及交流电网采用光伏模拟器及交流电源模拟。图4a，b 分别为轻载与满载时并网电流i o 的输出波形，可见i o 与ug 同频同相，且i o 波形质量都
较好；由图5c 可见，V1在开通与关闭前，漏源极电压为零，实现了V1的ZVS；图4e 给出了变压器初级电压up、次级电压us 和电流is，ug 的波形，验证了工频翻转桥的可行性。
(a)轻载输出
(b)满载输出
(c)主开关管波形
(d)箝位管波形
(e)变压器原副边电压波形
图4实验波形
图5给出光伏模拟器测试的MPPT效果，MPPT效率为99.5%。
图5I-U和P-U曲线
图6a效率测试曲线进一步表明微逆变器整机在整个负载范围内均达到了较高的效率，满载最大效率达到了94%，图6b为在不考虑辅助电源损失下功分析仪测试结果，最高效率为95%，并网电流THD 小雨1.5%，验证了微逆变器方案的可行性。
图6效率曲线及THD测试
5结论
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。该微型逆变器具有以下特点：基于高频环节逆变技术，有效实现了初次级电气隔离，解决了不隔离系统漏电流问题；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，减小开关损耗；采用变步长的扰动观察法实现最大功率点跟踪，基于输入电压前馈方法解决准单级式微逆母线电压崩溃问题；220W样机整机最大功率跟踪效率为99.5%，满载最高效率达到94%。不考虑辅助电源时，最高效率为95%，并网电流总谐波畸变率小于1.5%。
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/cd12451062.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
500kW光伏发电并网逆变器技术规范 1 概述 本技术规范规定了500kW光伏发电并网逆变器(以下简称光伏逆变器)的环境条件、基本参数、技术要求、检验规则、验收规范等。 本技术规范适用于500kW光伏发电并网逆变器(以下简称光伏逆变器)的制造、出厂检验及验收。 2 引用标准 GB/T 191-1990 包装储运图示标准 GB/T 3859.1-93 半导体变流器基本要求的规定 GB/T 3859.2-93 半导体变流器应用导则 GB/T 3859.3-93 半导体变流器变压器和电抗器 GB/T 12325-2008 电能质量供电电压偏差 GB/T 12326-2008 电能质量电压波动和闪变 GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波 GB/T 15543-2008 电能质量三相电压允许不平衡度 GB/T 15945-2008 电能质量电力系统频率偏差 GB/T 18481-2001 电能质量暂时过电压和瞬态过电压 GB/T 13422-1992 半导体电力变流器电气试验方法 GB/T 18479-2001 地面用光伏(PV)发电系统概述和导则 GB/T 19064-2003 家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法 GB-Z 19964-2005 光伏发电站接入电力系统技术规定 GB/T 19939-2005 光伏系统并网技术要求 GB/T 20046-2006 光伏(PV)系统电网接口特性 CNCA/CTS 0004-2009 《400V以下低压并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法》
3使用环境条件 光伏逆变器的使用环境条件如表1所示。 表1 使用环境条件 4 基本参数 光伏逆变器的基本参数如表2所示。 表2 基本参数 5 技术要求 a)输出电压变化范围：不应超过额定值的±10%; b)输出频率范围：光伏逆变器应与电网同步运行，输出频率偏差不应超过±0.5Hz; c)输出电压波形畸变率及各次谐波满足国标GB/T14549-1993《电能质量-公用电网谐波》的要求;
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
光伏发电逆变器技术规范
500kW光伏发电并网逆变 器 技术规范 （试验中心用）
500kW光伏发电并网逆变器技术规范 1 概述 本技术规范规定了500kW光伏发电并网逆变器（以下简称光伏逆变器）的环境条件、基本参数、技术要求、检验规则、验收规范等。 本技术规范适用于500kW光伏发电并网逆变器（以下简称光伏逆变器）的制造、出厂检验及验收。 2 引用标准 GB/T 191-1990 包装储运图示标准 GB/T 3859.1-93 半导体变流器基本要求的规定 GB/T 3859.2-93 半导体变流器应用导则 GB/T 3859.3-93 半导体变流器变压器和电抗器 GB/T 12325-2008 电能质量供电电压偏差 GB/T 12326-2008 电能质量电压波动和闪变 GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波 GB/T 15543-2008 电能质量三相电压允许不平衡度 GB/T 15945-2008 电能质量电力系统频率偏差 GB/T 18481-2001 电能质量暂时过电压和瞬态过电压 GB/T 13422-1992 半导体电力变流器电气试验方法 GB/T 18479-2001 地面用光伏（PV）发电系统概述和导则 GB/T 19064-2003 家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法 GB-Z 19964-2005 光伏发电站接入电力系统技术规定 GB/T 19939-2005 光伏系统并网技术要求 GB/T 20046-2006 光伏（PV）系统电网接口特性 CNCA/CTS 0004-2009 《400V以下低压并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法》 3使用环境条件
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。
目录 第一章绪论 - 1 - 1.1太阳能及其光伏产业 - 1 - 1.2太阳能光伏发电的发展史 - 1 - 1.3光伏发电并网逆变器研究的目的 - 2 - 1.4光伏发电并网逆变器研究的意义 - 3 - 第二章光伏发电并网逆变控制器系统的理论分析 - 4 - 2.2逆变器的电路原理 - 4 - 2.2.1 逆变器的电路原理 - 4 - 2.2.2 逆变器的逆变传统技术 - 5 - 2.2.3 逆变器的SPWM控制技术 - 7 - 2.3 并网逆变 - 7 - 2.3.1电路结构 - 7 - 2.3.2 系统的总体方案 - 7 - 2.3.3 前级电路的工作原理 - 8 - 2.3.4主电路中参数的选取 - 9 - 2.3.5光伏系统最大功率跟踪的方法 - 10 - 2.3.6 逆变器驱动电路 - 11 - 第三章硬件电路的设计 - 12 - 3.1直流侧欠电压检测电路 - 12 - 3.2直流侧过电压检测电路 - 12 - 3.2直流侧过电压检测电路 - 13 - 第四章系统软件设计 - 14 - 4.1 软件设计的目的 - 14 - 4.2 基于AT89C51的系统软件设计 - 14 - 4.3 系统的主程序流程图 - 14 - 4.4 市电检测和光伏发电系统投切程序设计 - 15 - 4.5 逆变电路控制程序设计 - 16 -
4.6 中断与键盘子程序的设计 - 17 - 结论 - 19 - 参考文献 - 20 - 致谢 - 21 - 附录 - 22 - 光伏并网发电逆变控制器的设计 摘要 恶化的环境和世界传统能源的枯竭，促进了新能源的研究和发展。太阳能资源具有可持续发展的特点受到了很多国家的重视，为了发挥太阳能的作用，刺激太阳能产业的发展，许多国家出台了新能源法。其中，太阳能发电有深刻的理论意义和现实意义，仅在过去五年，数千兆瓦的太阳能并网电站得以安装。光伏并网逆变器、光伏阵列和太阳能电池是整个光伏并网发电系统的核心。 本文根据光伏发电阵列和逆变器结构特点，提出了依赖于DC-DC与DC-AC两级并网逆变器结构。由于DC-DC和DC-AC电路的相互具有独立的特性，分别分析了DC-DC和DC-AC，其中，重点分析的是DC-AC的工作原理。本文的重点是对并网逆变控制器进行设计，包括有逆变器的驱动电路设计、逆变器驱动电路的软件编程以及并网过程中直流侧欠电压、直流侧过电压、交流侧电流等硬件电路的设计。此外，该设计对主电路元件的参数的选择、系统的最大功率跟踪方法进行了详细的分析。 关键词光伏并网；逆变器；太阳能；最大功率点跟踪 PV grid power inverter controller design Abstract Deteriorating world environment and traditional energy depletion, prompted the development of new energy and development.Sustainable development of solar energy resources by the national attention, countries have introduced new energy law play a role in fueling the development of solar energy.Among them, grid-connected PV has profound theoretical and practical significance, in the past five years alone, the photovoltaic power station installed total has reached thousands of MW. Connected PV array and grid photovoltaic grid-connected inverter is the key to the entire grid-connected PV system. Based on the inverter structure and array of photovoltaic power generation characteristics, based on the structure of the DC-DC and DC-AC two grid inverter.Based on the relative independence of the DC-DC and
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
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
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。
并网逆变器选型细则 并网逆变器就是将太阳能直流电转换为可接入交流市电的设备,就是太阳能光伏发电站不可缺少的重要组成部分。以下对光伏电站设计过程中并网逆变器及其选型做比较详细的介绍与分析。 1. 并网逆变器在光伏电站中的作用 光伏发电系统根据其应用模式一般可分为独立发电系统、并网发电系统以及混合系统,而并网发电系统的基本特点就就是太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。 1、1 并网光伏电站的基本结构 1、2 并网逆变器功作用与功能 并网逆变器就是电力、电子、自动控制、计算机及半导体等多种技术相互渗透与有机结合的综合体现,它就是光伏并网发电系统中不可缺少的关键部分。并网逆变器的主要功能就是: ◆最大功率跟踪 ◆DC-AC转换 ◆频率、相位追踪 ◆相关保护 2. 并网逆变器分类 并网逆变器按其电路拓扑结构可以分为变压器型与无变压器型逆变器,其中变压器型又分为高频变压器型与低频变压器型。变压器型与无变压器型逆变器的主要区别在于安全性与效率两个方面。以下对三种类型逆变器做简单介绍: ◆高频变压器型 采用DC-AC-DC-AC的电路结构,设计较为复杂,采用较多的功率开关器件,因此损耗较大。 ◆低频变压器型 采用DC-AC-AC的电路结构,电路简单,采用普通工频变压器,具有较好的电气安全性,但效率较低。 ◆无变压器型 采用DC-AC的电路结构,无电气隔离,电压范围较窄,但就是损耗小、效率高。
3. 并网逆变器主要技术指标 a、使用环境条件 逆变器正常使用条件:包括工作温度、工作湿度以及逆变器的冷却方式等相关指标。 b、直流输入最大电流 c、直流输入最大电压 d、直流输入MPP电压范围 逆变器对太阳能电池部分进行最大功率追踪(MPPT)的电压范围,一般小于逆变器允许的最大直流输入电压,设计电池组件的输出电压应当在MPP电压范围之内。 e、直流输入最大功率 大于逆变器的额定输出功率,即通常所说的“逆变器功率”。为了充分利用逆变器的容量,设计接入并网逆变器的电池组件的标称功率可以等于直流侧输入最大功率。 f、最大输入路数 指逆变器直流侧可接入的直流回路数目。 g、额定输出电压 在规定的输入条件下,逆变器应输出的电压值。电压波动范围一般应:单相220V±5%,三相380±5%。 h、额定输出功率 在规定的输出频率与负载功率因数下,逆变器应输出的额定电流值。 i、额定输出频率 在并网系统中,额定输出频率要对应所并入的电网频率,而且当电网的频率与相位有微小波动时,逆变器输出的交流电应自动追踪电网的频率与相位。当检测到电网频率波动过大,逆变器将自动切离电网。我国的市电频率为50Hz,并网逆变器频率波动范围一般在±3%以内。 j、最大谐波含量 正弦波逆变器,在阻性负载下,输出电压的最大谐波含量应≤10%。 k、过载能力 在规定的条件下,在较短时间内,逆变器输出超过额定电流值的能力。逆变器