1、光伏发电并网逆变器控制器系统的设计 本科毕业论文 光伏发电并网逆变控器制系统的设计THE RESERCH ON PHOTO VOLTAIC GRII-CONNECTED INVERTER题 目 光伏发电并网逆变控制器系统的设计 学生姓名 学 号 系 别 专 业 电气工程及其自动化 届 别 2012 指导教师 职 称 摘要 3第一章 绪论 41.1光伏发电并网逆变器的研究背景及现状 41.2光伏发电并网逆变器研究的目的 5第二章 光伏发电并网逆变控制系统的理论分析.7 2.1太阳能发电并网系统总拓扑图 72.2逆变器的电路原理 82.2.1 逆变器的电路原理 82.2.2 逆变器的逆变传统技术
2、8 2.2.3 逆变器的SPWM控制技术 .102.3 并网逆变 112.3.1 电路结构 112.3.2 系统的总体方案 11 2.3.3 前级boost电路的工作原理 112.3.4主电路参数的选取 13 2.2.5光伏系统最大功率跟踪的方法 152.3.6逆变器驱动电路 17第三章 硬件电路 19第四章 系统软件设计 214.1 基于AT89C51的系统软件设计 214.2 系统的主程序流程图 244.3逆变控制程序设计 244.4中断和键盘子程序设计 27参考文献 31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
3、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。本文根据逆变器结构以及光伏发电阵列特点，提出了基于DC-DC和DC-AC两级并网逆变器的结构。基于DC-DC和DC-AC电路的相对独立性，分别对DC-DC和DC-AC进行了分析，重点分析了DC-AC的工作原理。并网逆变控制器设计是本文的重点，包括逆变器驱动电路的设计、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。另外对主电路中各元件
4、参数的选取、系统最大功率跟踪方法做了详细的分析。为类似结构的光伏并网逆变器提供了设计参考。关键词 太阳能；光伏并网；逆变器；最大功率点跟踪 第一章 绪论光伏发电并网逆变器的研究背景及现状太阳能的转换利用方式有光-热转换、光-电转换和光-化学转换三种形式。光伏发电是将太阳的光能转换为电能的一种发电形式。利用光生伏打效应制成的太阳能电池，可将太阳的光能直接转、转换成为电能。 表1-2为光伏发电历史现状。年份 事 件1839法国物理学家A.E.贝克勒尔发现“光生伏打效应”（photovoltaic effect）1880Charles Frits 开发出以硒为基础的光伏电池1954贝尔实验室做出了光
5、电转换效率为5%的单晶硅光伏电池1961硅光伏电池技术研究重点为提高抗辐射能力和降低城北方面1972研制出用于空间的单晶硅光伏电池1976诺贝尔奖获得者莫特教授提出了非光品硅光伏电池1980世界光伏技术产业迅速发展起来1883美国建成1MW光伏电站1986美国建成6.5MW光伏电站1990德国提出“2000光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶安装3-5KW光伏电池；日本提出“新阳光计划”，到2010年将生产43亿兆瓦光伏电池1995高效聚光砷化镓电池效率达到32%1997美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，并计划在2020年完成；多晶硅光伏电池总产量第一次超过单晶硅光伏电池1999日本太阳能电
6、池总产量第一次超过美国居世界首位，其中85%用于太阳能光伏构建集成2000世界光伏电池总产量达到287MW；欧洲计划到2010年生产60亿W光伏电池；日本三洋公司研制的太阳能效率超过212005近5年的世界光伏电池产量年均增长速度超过40%，晶体硅太阳能电池产量占世界太阳能电池产量的90%以上国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA、Fronius、Sputnik、Sun Power和西门子等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA在欧洲市场中占有的50%的份额。除欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及日本在并网逆变器方面也都已经产品化。目前国外
7、光伏并网你变气产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单机能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要采用数字控制，注意系统的安全性、可靠性和扩展性，具备有各种完善的保护电路。国内对并网逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪额逆变部分相分离的两级能量变换结构，而且市场产品的种类还相对单一，系统构建死板，光伏并网发电系统在我国还没有真正投入商业化运行的应用，目前所建广发并网系统均为示范工程。作为光伏并网发电系统核心环节的并网型逆变器还主要依赖进口或者合作研究。在众多分布式发电功能技术中，太阳能产业是全世界公认的最有前途的能源产业，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。美国政府最早
8、制定光伏发电的发展规划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装是已达到3000兆瓦以上，连续三年光伏产业均以高于30%的年增长率上升；新任总统奥巴马更是把发展大规模分布式太阳能光伏发电作为其新能源的重要组成提上议程。日本也早在1974年就开始执行“阳光计划”，1992年电力公司收购光伏发电系统与电力制度开始实施，1994年提出“朝日七年计划”，到2000年已完成16.2万套太阳能光伏屋顶计划，1997年又宣布7万光伏屋顶计划，到2010年安装7600兆瓦太阳能电池。德国1990年提出1000屋顶发电计划，1998年进一步提出10万屋顶计划。到2007年5月为止，全球已建成容
9、量超过5兆瓦的光伏电站10座，容量在2兆瓦以上的瓜葛菲电站超过了50座，目前已经运行的容量最大的太阳能并网电站为2008年安装与西班牙的olmedilla,装机容量为60兆瓦。1.2光伏发电并网逆变器研究的目的 我国正处在经济转轨和蓬勃发张时期，但能源问题严峻，城市中由于大量使用化石能源，环境持续恶化。2000年世界卫生组织（WHO）公布世界上污染最严峻的十大城市中，中国占了八个，其中北京居于第七位。大力发展光伏并网发电将有助于今早解决这一问题。国家有关领导部门已经开始给予足够重视，首先是国家科技部已规划有步骤地推进相关的科技创新研究、示范及其产业化进程。“八五”和“九五”期间把“光伏屋顶并网
10、发电系统”列入了“国家科技公关计划”，在深圳和北京分别建成了一些光伏屋顶并网发电系统的示范工程。到目前为止，我国光伏并网发电的关键技术及设备仍主要来自进口，但面对如此巨大的国内需要，脚踏踏实实地发展具有自我知识产权的相关高技术，进而实现其产业化，已是刻不容缓的事情。在光伏并网发电系统中，其具体目的表现为：（1）实现高质量的电能转换，将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成220V、50Hz的单相、正弦波，其电流和电压的畸变率均小；（2）实现系统的安全保护要求，如输出过载保护输出短路保护、输入接反保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、“孤岛”保护及装置。1.3 光伏发电并网逆变器研究的意义随
11、着全球环境污染与能源紧缺问题的日益严重，寻找新能源已经是各国不得不面临的现实。进行光伏发电并网逆变器控制系统的研究对于解决全球日益面临的能源危机有深远的意义，不但可以在技术上进一步取得完善，取得工程经验，而且可以确定其经济的可行性，光伏发电只有进入电力规模的应用，才能真正对于缓解能源紧张和抑制环境污染起到积极作用，光伏发电并网逆变器控制系统研究的重点应该放到并网发电的经济政策研究和具有商业化前景的实用技术上。光伏并网发电的大规模推广除了节约能源与减少环境污染外，还能够刺激光伏工业的迅速壮大，达到能源可持续性发展的目的，同时还可以提供大量的就业机会。要实现光伏并网发电，光伏并网逆变器是关键。目前
12、，独立光伏电站所用的逆变器相对较成熟，并已大规模应用，但并网逆变器技术相对落后，国外的并网逆变器价格高昂，在国内推广应用十分困难。为了实现自主研发生产，国内一些企业与高校正开始做相关方面的研究，且均为示范系统，还没有实现产业化，为推动光伏并网发电系统的普及应用，自主研发光伏并网逆变器控制系是我们长期致力于研究的课题面对今天日益严重的环境危机，为了人类的生存和发展迫切需要我们去寻找新的替代能源，而太阳能便是我们理想的发展方向，它为我们提供干净、来源广泛可靠、无污染的清洁能源，为解决全球面对的诸多环境问题带了十分理想的解决方式。光伏发电并网逆变器的研究就是如何将光转换为电能，本课题着重研究其新的发
13、展方向，更为方便的利用太阳能解决发电问题是我们今后长期发展的课题，也是世界今后大体走向。太阳能光伏并网发电工程的实际效果看出，采用太阳能光伏发电技术，对太阳能并网发电的推广应用在技术是可行的，经济上是可取的，对社会环保和人类可持续发展更是具有深远的影响和重要意义。第二章 光伏发电并网逆变控器制系统的理论分析2.1太阳能发电并网系统总拓扑图图2-1系统总拓扑图由总拓扑图可以看到，PV板产生的直流电压经过DC/DC变换器升压，MPPT追踪最大功率点控制后，经过逆变器变成三相交流电，通过单片机控制下的电压检测，负载过电流检测，在辅助电源和SA4828驱动的作用下，使得电能最终送到电网。2.2逆变器的
14、电路原理2.2.1 逆变器的电路原理 为了设计并网逆变器控制系统，必须先介绍逆变器的电路原理以图2-2的单相桥式逆变电路为例说明最基本的逆变工作原理。图中SI-一 S4是桥式电路的四个臂，S1S4为开关管。当开关Sl、S4闭合，S2、S3断开，负载电压Uo为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，“o为负，其波形如图 2-3所示。这样，就把直流电变成了交流电，而改变两组开关的切换频率，就可以改变输出交流电的频率。 图2-2 单相桥式逆变电路 图2-3 单相桥式逆变电路的输出电压波形2.2.2 逆变器的逆变传统技术在三相逆变电路中，应用最多的是三相桥式逆变电路。电压型三相桥式逆变电路如图2-
15、4所示 三相电压型逆变电路传统的多数采用的工作方式如下：逆变电路基本工作方式是180度导电方式，即每个桥臂的导电角度为180度，同一相上下两个臂交替导电，每相开始导电的时间依次相差120度，如此每一瞬间，将有三个桥臂同时导通。对于U相，当V1导电时，UUN =Ud/2，当V4导电时，UuN ，=-Ud /2。UuN 的波形是幅度为Ud/2的矩形波。V相和W相的情况和U相相似，只是相位依次差120度。UuN 、UvN 、UwN 的波形如图2-5所示 图2-4电压型三相桥式逆变电路 图2-5 UuN 、UvN 、UwN 的波形 设负载中性点N和直流电源假想中性点之间的电压为UNN ，则负载各相的相
16、电压可以由下式求出： 整理可得： UNN =1/3( UNN +UVN +UWN )-1/3（UUN+UVN+UWN）设负载三相对称，即UUN+UVN+UWN=0，则： UNN =1/3( UNN +UVN +UWN ) （2-2） 图2-5的e)给出了UNN 的波形，它是幅度为Ud/2，频率为UNN 频率三倍的矩形波。由式(2-1)和式(2-2)可以作出UUN的波形如图25的f所示，UVN和UWN的波形形状一样，只是相位相差1200、2400。 由图可见，负载相电压的波形为六拍阶梯波，通过傅立叶分析可知，此种波形含有很大的谐波分量，对负载(尤其是交流电动机负载)的工作性能带来很不利的影响。
17、图2-6UNN 和UNN的波形图 2.2.3 逆变器的SPWM控制技术 PWM技术的理论基础是面积等效原理，即冲量(面积)相等而形状不同的窄脉 冲加在具有惯性的环节上时，其效果(环节的输出响应波形)基本相同。例如：如图27所示,有三个窄脉冲，(a)为矩形脉冲,(b)为三角形脉冲，(c)为正弦半 波脉冲，它们形状不同，但它们的面积(冲量)都等于1。当它们分别作为图2 -8(a)具有惯性环节的R-L电路的输入时，设其电流f(D为电路的输出，图28(b)给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。由图中波形可知，在i(t)的上升段，脉冲波形不同i(t)略有不同，但其下降段几乎完全相同。脉冲越窄则其输出响应
18、波形差异也越小。如果是周期性的施加上述脉冲，则其响应波形也是周期性的。用傅立叶级数分解后可以看出，各f(n在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同。 图2-7波形不同而冲量相同的各种窄脉冲 图2-8冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 本文的SPWM信号由单片机控制的SA4828产生，下文将作详细介绍。2.3 并网逆变 2.3.1电路结构 并网逆变器结构如图2-1所示，该电路结构由工频或者高频逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成。2.3 .2 系统的总体方案经过方案的比较论证，本设计决定采用无变压器的两级结构，前级DC-DC变换器和后级的DC-AC逆变器，两部分通过DClink相连。前级DC
19、-DC变换器，可选择的型式有半桥式、全桥式、推挽式和Boost式，考虑到输入电压较低，如采用半桥式则开关管电流变大，输出电压太低；而采用全桥式则控制复杂，开关管功耗增大，因此这里采用结构简单，控制方便的Boost升压电路，它根据电网电压的大小使在不同天气条件下的输入电压达到一个合适的水平，同时在低压情况下实行最大功率点的跟踪，增大光伏系统的经济性能。后级的DC-AC逆变器，采用单相逆变全桥，作用是将DClink直流电转换成220V-50Hz正弦交流电，实现逆变向电网输送功率。DClink的作用除了连接DC-DC变换器和DC-AC逆变器，还实现了功率的传递。控制电路的核心芯片是TI公司的TMS3
20、20F2407。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频同相。系统主电路的拓扑电路如图2-1所示：2.3.3 前级Boost电路的工作原理电路原理图：Boost电路由开关管v，二极管VD，电感L，电容C组成，完成将太阳能电池输出的直流电压场v升压到Vdc，其原理图如图29所示。 ab2-9升压斩波电路的工作原理图升压斩波电路的原理图及工作波形如图2-9所示。该电路中也是使用一个全控型器件。分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大，当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1同时电容C上的电压向负载R供电。因此C值很大，基本保持输出
21、电压uo为恒值，记为Uo。设V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量(U0-E)I1toff。当电路工作与稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即 (2-3)化简得 (2-4)式中，T/Toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路式（2-4）中T/Toff表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压U0的大小，调节的方法与3.1.1中介绍的改变占空比的方法类似。将升压比的倒数记作，即。则和占空比有如下关系 (2-5)因此式（2-4）可表示为 (2-6)升压斩波电路之所以能是输出电压高于电源电压，关键
22、有两个因素：一是电感L储存的能量之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V处于通态期间的电容C的作用使得输出电压U0不变，但实际上C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，U0必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式（2-4）所得结果。不过在电容C值足够大时，误差很小，可以忽略不计。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 (2-7) 该式表明，与降压斩波电路一样，升压斩波电路也可看成是直流变压器根据电路结构并结合（3-23）得出电流的平均值I0为 (2-8)由式（3-24）即可得出电流I1为 (2-9) 2.3.4主电路参数的选取(1)滤波电
23、感的选取在全桥逆变器中，输出滤波电感是一个关键性的元件，并网系统要求在逆变器的输出侧实现功率因数为1，波形为正弦波，输出电流与电网电压同频同相。因而，电感值选取的合适与否直接影响电路的工作性能。对于电感值的选取，可以从以下两个方面来考虑：a)电流的纹波系数输出滤波电感的值直接影响着输出纹波电流的大小。由电感的基本伏安关系综上，滤波电感的取值范围为8.3mHL37.4mH。在实际设计过程中，由于电感的体积、成本等因素的影响，一般只需考虑电感的下限值，即取稍微大于下限值即可。另外需要特别指出的是，以上的计算是建立在额定输出电压，即VN=220V的基础上，考虑到实际情况下网压的波动范围，在设计电感时
24、最终可选取电感值Lf=9mH.(2)开关管的选取逆变电源的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管(BJT)，功率场效应管(MOSFET)，绝缘栅极晶体管(IGBT)和可关断晶闸管(GTO)等，在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量(100kVA以上)系统中，一般均采用GTO作为功率元件。随着针对于光伏系统的功率模块的发展，主电路元器件选择功率模块也是一个比较
25、有前景的。因此针对本电路的特点，在此选用IGBT作为开关元件。2.3.5光伏系统最大功率跟踪的方法日照强度和温度对太阳能电池阵列的开路电压和短路电流有很大的影响，当前光伏电池的光电能量转换效率在实验室条件下最高不超过百分三十，为了最大限度的提高光伏发电系统的发电效率，使其功率输出最大化，需要对光伏电池的最大功率点进行跟踪。根据前面的太阳能电池阵列的输出特性功率一电压曲线，可知当阵列工作电压小于最大功率点电压时，阵列输出功率随太阳能电池端电压上升而增加：当阵列工作电压大于最大功率点电压U时，阵列输出功率随输出电压上升而减少。因此最大功率点跟踪的实现实质是一个自寻优过程，即通过控制阵列端电压，使阵
26、列能在各种不同的日照和温度环境下智能的输出最大功率。图2-10最大功率跟踪原理框图从直流侧采集电压U和电流I，通过MPPT算法并与三角波比较，产生PWM波，经过驱动来控制V（IGBT）的开关，从而达到最大功率点的控制。（1）固定电压法在日照强度较高时，各曲线的最大功率点所对应的太阳能电池工作点电压变化不大。这说明阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计，即仅需从生产厂商处获得U数据，并使阵列的输出电压钳位于U值即可。实质是把MPPT控制简化为稳压控制。采用固定电压式的MPPT控制比不采用MPPT控制的太阳能系统获多至20的电能。固定电压法优点是控制简单，
27、易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性。但忽略了温度对阵列最大功率点电压的影响，控制精度差，特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区；必须人工干预才能良好运行，更难以预料风、沙等的缺点。（2） 扰动观察法扰动观察法算法简单，易实现等特点广泛用于最大功率点的跟踪上。扰动观察法的主要思想是通过周期性的给太阳能电池的输出电压U加扰动U，比较其输出功率P（k）与前一周期的输出功率P(k-1)的大小，如果功率增加则在下一个周期以同样方向加扰动，否则U改变扰动的方向。其具体的控制算法如图3-4所示。寄存器存放每一周期矾肋调整值。首先计算太阳能电池的输出功率P(k)，并与上一周期的输出功率P(k-
28、1)=L较。若只P(k)P(k-1)，则按照相同的方向进行电压调整，从而调整输出电压Uref(k)的大小。反之亦然。在实际应用中，也可以通过调节占空比来调节太阳能发电系统输出电压，使系统有最大功率点输出。图3-4扰动法的控制流程图采用扰动控制方法实现MPPT，虽然可以动态的跟踪光伏系统的最大功率点输出，较固定电压法有更好的光伏系统利用率，但是却存在一定的缺点。1) 即使电池的工作点已经在Pm它也会一直振荡，而无法稳定工作在最大功率点上。在这过程中就造成了部分功率损失。如图2-12，Um是对应于Pm的工作电压。假设参考电压调整步长UO，系统当前工作点在Um左侧附近的U1点。根据扰动法原理，系统将
29、增大电压：U2=UI+U。调整后系统工作点位于Um右侧，若经检测，计算得到的P2P2(假设环境暂时不发生改变)，将导致电压继续减小到U4，使得P4 P3，系统才改变调整方向。这样系统就在点P4-P3(Pl)-P2之间循环振荡，直至外部条件发生变化。每个周期由于振荡造成的功率损失为图2-12扰动法在最大功率点附近来回振荡的情形。2) 当有云经过时，日照强度发生快速变化，参考电压调整方向发生错误造成系统误判。假设日照强度为1000Wm2时，系统工作点U1在U2左边，对应功率为P1P2*。这就变成系统在向功率减少的方向调整，系统出现误判。 图2-12扰动法在最大功率点附近来回振荡的情形 图2-13扰
30、动法误判断的情形2.3.6 逆变器驱动电路 如图2-14所示，逆变器驱动电路是采用AT89C51单片机控制SA4828产生SPWM调制信号，其中SA4828是产生三相SPWM信号的专用芯片。驱动电路的主要作用是：当电压不正常时，自动产生50HZ两路矩形脉冲电压，这两路矩形脉冲电压相位相差1800,分别驱动两个IGBT。脉宽调制和驱动电路逆变时的电路如图所示，通过改变驱动信号的频率、占空比，就可以改变控制逆变电路的工作情况，实现输出电压的调节。当电压不正常时，此时AT89C51单片机也发控制信号，使得SA4828开始工作，发六路脉冲信号控制IGBT的开通和关断，同一时刻有三个管子导通，而同一桥臂的上下两个管子轮流导通1800，根据PWM脉宽调制技术，逆变器将输出频率为50HZ的交流电。2-14 逆变器驱动电路 2-13逆变器驱动信号产生电路第三章 硬件电路 3-1欠电压检测电路当太阳能电池板正常工作时，输出电压为96V，加在分压电阻R10，R11上，比较器“+”端电压U+近似为2.4V，“”端电压近
