光伏发电系统逆变技术研究.docx
- 文档编号:10894591
- 上传时间:2023-05-28
- 格式:DOCX
- 页数:34
- 大小:360.89KB
光伏发电系统逆变技术研究.docx
《光伏发电系统逆变技术研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光伏发电系统逆变技术研究.docx(34页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
光伏发电系统逆变技术研究
题目光伏发电系统逆变技术研究
学院
专业光伏材料加工与应用
姓名学号
指导老师职称
2012年5月1日
【摘要】
由于全球能源的逐渐紧张和环境污染的日益严重,清洁的可再生的太阳能越来越受到人们是重视
太阳能既是一次能源,又是可再生能源。
它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。
为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。
光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置,由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。
由于没有活动的部分,故可以长时间操作而不会导致任何损耗。
简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源,较复杂的光伏系统可为房屋提供照明,并为电网供电。
我们主要研究光伏发电系统中的逆变电路而其中的电压型单相全桥逆变电路是我们所要详细研究的对象,.而其中本论文会涉及最大功率跟踪及PWM控制技术
全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点,功率晶体管调节输出脉冲宽度,输出交流电压的有效值即随之改变。
由于该电路具有续流回路,即使对感性负载,输出电压波形也不会畸变。
几种逆变器的主电路均需要有控制电路来实现一般有方波和正弱波两种控制方式,方波输出的逆变电源电路简单,成本低,但效率低,谐波成份大。
正弦波输出是逆变器的发展趋势,随着微电子技术的发展,有PWM功能的微处理器也已问世,因此正弦波输出的逆变技术已经成熟。
关键词:
太阳能;光伏系统;逆变器技术;正弦波输出
【Abstract】
Duetotightglobalenergyandenvironmentalpollutiongraduallygrowing,clean,renewablesolarenergymoreandmorepeopleareseriously.
Solarenergyisthefirsttime,butalsorenewableenergy.Itisrichinresources,canusefreeofcharge,andwithouttransportation,withoutanypollutiontotheenvironment.Formankindtocreateanewlife,sothatsocialandhumanenergyintoaeraofreducingpollution.
Isacomponentofphotovoltaicpanelsinthesunexposurewillgeneratedirectcurrentpowergenerationdevices,fromvirtuallyallsemiconductormaterials(egsilicon)aremadeofthinphotovoltaiccellscomposedofsolid.Becausethereisnopartofactivity,andwouldthusbealongtimeoperationwouldnotleadtoanyloss.Simplephotovoltaiccellsforwatchesandcomputerstoprovideenergy,andmorecomplexPVsystemstoprovidelightingforthehousingandpowersupply.
wealmostgodeeplyintothesourceinverterinPVsystems,andtheVoltageSingle-PhaseFull-BridgeControlledRectifieristhemostimportantsimpleforustoresearch,asthusitwillrelatetoMPPTandPWMcontrollertechnology,
Thebridgehaspush-pullinvertercircuittoovercometheshortcoming,powertransistorcircuitsoftheoutputpulsewidthadjustment;theoutputvoltageoftheRMSischanged.Becauseofthiscircuithasfree-wheelingloop,eventotheperceptualload,theoutputvoltagewaveformnordistortion.Thiscircuitfaultsisunderthearm,bridge,nopowertransistormustthereforebeadoptedbyisolatingcircuitorspecialdrivingpower.
Thesekindsofinvertercircuitareneededtocontrolcircuit,generalsquarewaveandareweakwavetwocontrolmode,theoutputpulseinvertercircuitissimple,lowcost,lowefficiency,harmoniccomponents.Sinewaveoutputisthedevelopmenttrendoftheinverter,alongwiththedevelopmentofmicroelectronicstechnology,PWMfunctionofmicroprocessorisalsoavailable,sothesinusoidaloutputinvertertechnologyhasmatured.
Keyword:
Solarenergy;PVsystems;thetechnologyofinverter;Sinewaveoutput
目录
一.引言1
(一)光伏电池的历史及其工作原理1
(二)光伏发电系统的国外与国内发展2
(三)光伏发电系统形式3
(四)光伏发电系统中逆变器的架构及类型4
1.电压型单相全桥逆变电路4
2.电压型单相全桥逆变电路4
3.电流型单相全桥逆变电路5
二.光伏系统的组成5
三.光伏并网系统的工作原理6
(一)电压型单相全桥逆变电路分析6
(二)滤波器的设计8
(三)工频隔离变压器8
(四)控制电路-----PWM逆变电路9
四.PWM型逆变电路9
(一)PWM控制算法9
(二)PWM控制方式10
1.单极性PWM控制方式10
2.双极性PWM控制方式10
(三)PWM调制方法10
(四)本设计的主要电路及其分析11
1.交流采样电路11
2.采样信号输入与控制信号的输出12
3.TLC5615的信号控制13
4.PWM波形信号处理13
5.逆变电路的IGBT控制14
6.反馈信号的处理15
7.滤波电路15
五.软件部分16
(一)MCS-51单片机内部结构16
(二)主程序流程图17
(三)SPWM波生成18
(四)电路中频率与相位的控制19
(五)存在问题及见解和建议20
结论21
参考文献22
致谢23
一.引言
据记载,人类利用太阳能已经有3000年的历史,但是将太阳能作为一种能源和动力加以利用只有300多年的历史。
真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”,“未来能源结构的基础”,则是近来的事。
20世纪70年代以来,太阳能科技突飞猛进,太阳能利用日新月异。
自从实用性的硅太阳能电池问世以来,世界上很快就开始太阳能光伏发电的应用。
随着太阳能电池技术的提高和价格的下降,光伏发电逐渐在地面得到硬功,规模也日益矿大。
本课题主要研究光伏发电系统中的逆变器,逆变器是一种将直流电能变换成交流电能的变流装置。
我们将讨论光伏发电系统中各种类型的逆变器,并对其中某一至两种类型进行详解。
(一)光伏电池的历史及其工作原理
自从1954年第一块实用光伏电池问世以来,太阳光伏发电取得了长足的进步。
但比计算机和光纤通讯的发展要慢得多。
其原因可能是人们对信息的追求特别强烈,而常规能源还能满足人类对能源的需求。
1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳光伏发电的发展。
光伏电池的早期应用主要局限于科学研究及军事,航空等特殊领域。
受20世纪70年代的石油危机和90年代的环境污染问题影响,人们对能源和环境问题的认识不断提高,光伏发电越来越受到各国政府的重视,科研投入不断加大,鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。
太阳能是一种辐射能,它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。
这种把光能转换成电能的能量转换器,就是光伏电池。
太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能功能电池组件就是将数十个太阳能电池单元进行耐候性封装。
把太阳能电池组件内的太阳能电池单元以适当方式相连接能得到规定的电压和输出功率。
太阳能电池组件的转换效率,单晶硅太阳能电池为12%-15%,多晶硅太阳能电池为10%-13%,非晶硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池是6%-9%,由于实验的限制,我们大多采用第三者。
因为太阳能电池单元本身产生的电压约低于0.5V,所以使用时必须串联接作为电池组件使用。
太阳能电池镇流是有太阳能电池组件集合体的太阳能电池组件串、防止逆流元件、旁路元件和接线箱等构成的。
这里所谓太阳能电池组件串,是指由太阳能电池组件串联连接构成的太阳能电池阵列满足所需输出电压的电路。
在电路中各太阳能电池组件串通过防止逆流元件相互并联连接。
PV系统的容量是标准太能能电池阵列输出功率来表示的。
PV系统的输出功率受辐射照度的强烈影响,也受太阳能电池组件内的太阳能电池单元的温度影响,因此用在日照强度为1kw/m2、单元温度为25摄氏度的标准条件下的最大输出功率表示标准太阳能电池阵列的输出功率。
图1-1太阳能电池阵列结构图
(二)光伏发电系统的国外与国内发展
从上世纪70年代开始,各国政府都投入了很大的力量来支持太阳能电池的发展。
美国于1973年首先制定了政府光伏发电发展计划,明确了近、中、远期的发展战略目标;日本于1974年开始执行“阳光计划”,投资5亿美元,迅速发展成为世界太阳能电池的生产大国。
自上世纪80年代以来,其他发达国家,如德国、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等,也纷纷制定了光伏发展计划,并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化进程。
近年来世界太阳能光伏一直保持着快速发展,十世纪九十年代后期世界光伏市场更是出现了供不应求的局面,进一步促进了发展速度。
综观进入新世纪后世界太阳电池的总产量,年增长率达到30-40%。
充分开发利用包括太阳能在内的可再生能源、实现能源工业的可持续发展具有重大的战略意义。
随着对太阳能和可再生能源的广泛的大规模的利用,全球的能源结构必将发生根本性的变化。
我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期,但能源问题严峻,由于城市中大量使用化石能源,环境持续恶化。
另一方面,我国具有丰富的太阳能资源,日照时数大于2000h,太阳能总辐射量高于5016MJ/(m2a)的地方约占全国总面积的三分之二以上,尤其是西部地区有很大的潜力。
在这些地方发展并网发电计划,对于缓解当地的能源贫乏情况,提高当地人们生活水平有着极其重要的意义。
我国在20世纪50年代开始研究太阳能电池,于1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星。
此后,光伏发电就不断摸索中发展。
在新世纪初,国家发改委在2002年启动了“送电到乡工程”,该工程光伏系统容量为20MW,极大地拉动了我国光伏市场的需求。
尽管我国研制太阳能电池始于1958年,中国的光伏技术经过了50年的努力,已经具有一定的水平和基础,但是与世界先进国家相比仍有不小的差距。
近几年来,我国的光伏发电技术己经具有了一定的市场潜力和市场吸引力,但光伏并网发电的关键技术和设备主要依靠进口,光伏并网发电的技术更是刚刚起步,因此,并网型光伏系统的造价高,依赖性强,制约了并网型光伏发电系统在国内的发展和推广。
掌握并网型光伏系统的核心——并网逆变技术对发展并网型光伏发电系统具有至关重要的作用。
国内光伏系统主要采用单位功率因数并网,不具备电能质量控制功能。
因此,研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统有重要意义,其研究主要放在并网逆变器的控制方法上,相同的拓扑电路,采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。
对逆变器建立模型并进行分析,采用先进的控制策略对于光伏并网系统的性能是必不可少的。
同时采用先进的控制算法是提高逆变器效率的方法之一。
(三)光伏发电系统形式
典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成,而光伏发电系统按工作条件分为独立型,并网型和介于两者之间的可调度型。
独立型:
没有与电力公司的配电线并网的系统成为独立型系统。
独立型光伏发电多用于边远山区,因为这些地方需要的电能容量小,建变电站成本昂贵,宜用独立型光伏发电。
这种系统中要把使用的电量限制在PV系统的发电量以下,考虑到夜间和雨天PV系统不能发点,此时需要由蓄电池供给电力,西电池必须预先充电。
此外,在通信基站等需要小量维持供电的情况下独立型光伏发电也有应用价值,在独立型光伏发电系统中储能部件是损耗最快,维护最频繁的组件。
如下图1-2
图1-2独立型光伏发电系统
并网型:
并网型系统分为逆潮流系统和非逆潮流系统两种。
我国现在多数是非逆潮流系统,并网光伏发电多见于城市供电系统,区域内的电力需求通常比PV系统的输出电力大,是城市电网的补充,可以实现用电时段的消峰填谷。
与独立型光伏发电系统比较,并网型没用蓄电池,在没有太阳能光照条件下不能独立对用户供电,但极大的节约设备成本,简化了控制结构。
如下图1-3
图1-3并网型光伏发电系统
可调度型:
可调度式光伏发电系统是带有储能部件且可以并网的光伏发电系统。
当电网断电也没有太阳光照时,蓄电池等部件提供一定时间的能量供给,而在电网正常或有光照能量输入时,可对蓄电池补充能量。
在蓄电池充满电且又有光照的情况下,则应由光伏电池直接给负载供电或是并入电网。
可调度式光伏发电系统比并网型和独立型有更大的灵活性,但成本更高,系统控制也较复杂。
如下图:
1-4
图1-4可调度式光伏发电系统
(四)光伏发电系统中逆变器的架构及类型
将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或DC-AC变换,实现逆变的主电路称为DC-AC变换电路。
通常将DC-AC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DC-AC逆变电源称为逆变器(Inverter)。
根据输入直流电源的性质、逆变器的直流输入波形和交流输出波形,可以把逆变器分成电压型逆变器(也可以称为电压源逆变器)和电流型逆变器(也可以称为电流源逆变器)。
1.电压型单相全桥逆变电路
直流母线电容滤波,直流电压Ud经C1、C2分压,VT1、VT2交替导通/关断;负载上的电压幅值为Ud的一半,功率为全桥逆变器的四分之一;开关管VT1、VT2上承受的最大电压为Ud;控制方式主要是PWM脉宽调制控制,移相控制等如图1-5
图1-5电压型单相半桥逆变电路
半桥逆变电路的优点是简单,使用器件少。
其缺点是输出交流电压的幅值Um仅仅为Ud/2,且直流侧需要两个电容串联,工作时还要控制两个电容器电压的均衡。
因此,半桥电路常常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。
2.电压型单相全桥逆变电路
图1-6电压型单相全桥逆变电路
直流母线电容Cd滤波,VT1、VT4和VT2、VT3交替导通/关断;加在负载上的电压幅值为Ud,输出功率为半桥逆变器的四倍;开关管VT1~VT4上承受的最大电压为Ud;控制方式有单极、双极式PWM脉宽调制控制,移相控制,调频控制等方式。
如图1-6
3.电流型单相全桥逆变电路
直流母线电感Ld滤波,VT1、VT4和VT2、VT3交替导通/关断;负载上的电流波形为方波,幅值为Id;开关管VT1~VT4上承受的电压为负载上的电压。
负载上的电压幅值和相位取决于负载阻抗大小和性质。
如图1-7
由于电流型不太常用,因此对其不作详细的讨论。
图1-7电流型单相全桥逆变电路
二.光伏系统的组成
光伏系统是由太阳能等设备组成。
其各部分设备的作用是:
(1)太阳能电池方阵:
在有光照情况下,电池吸收光能,电池两端出现异号电荷的积累,即产生"光生电压",这就是"光生伏打效应"。
在光生伏打效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,是能量转换的器件。
太阳能电池一般为硅电池,分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
(2)蓄电池组:
其作用是储存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。
(3)控制器:
自动控制电力的选择,在市电、太阳能电、蓄电池电之间选择,对蓄电池充电。
(4)逆变器:
是将直流电转换成交流电的设备。
三.光伏并网系统的工作原理
(一)电压型单相全桥逆变电路分析
用直流稳压电源Us和电阻Rs模拟光伏电池,而逆变器部分我们将使用电压型单相全桥逆变电路。
我们先来分析一下下面的电路如下图3-1
电压型的逆变电路有以下要特点:
1.直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗。
2.由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,并且与负载阻抗角无关,交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
3.当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容器缓冲武功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各手臂都并联上反馈二极管。
全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。
两个半桥电路的组合。
1和4一对,2和3另一对,成对桥臂同时导通,交替各导通180°。
uo波形同图5-6b。
半桥电路的uo,幅值高出一倍Um=Ud。
io波形和图5-6b中的io相同,幅值增加一倍,单相逆变电路中应用最多的。
uo正半周,V1通,V2断,V3和V4交替通断,负载电流比电压滞后,在电压正半周,电流有一段为正,一段为负,负载电流为正区间,V1和V4导通时,uo等于Ud,V4关断时,负载电流通过V1和VD3续流,uo=0,负载电流为负区间,io为负,实际上从VD1和VD4流过,仍有uo=Ud,V4断,V3通后,io从V3和VD1续流,uo=0,uo总可得到Ud和零两种电平。
图3-1电压型单相全桥逆变电路
基波幅值
Uo1m=4Ud/3.14=1.27Ud3-1-1
基波有效值Uo1=
=0.9
3-1-2
uo为正负各180º时,要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。
单相半桥和全桥PWM整流电路,半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联,其中点和交流电源连接。
全桥电路直流侧电容只要一个就可以。
交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感,是电路正常工作所必须的。
移相调压方式。
可采用移相方式调节逆变电路的输出电压,称为移相调压。
各栅极信号为180º正偏,180º反偏,且V1和V2互补,V3和V4互补关系不变。
V3的基极信号只比V1落后q(0 我们还来讨论在纯电阻负载的情况,采用上述移相方法也可以得到相同的结果,只是VD1-VD4不再导通不起续流作用。 在 为零的期间,4各峭壁均不导通,负载也没有电流。 显然,上述移相调压方式并不适用也半桥电流,不过在纯电阻负载时,仍可以采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压。 这时,上下两桥臂的栅极信号不再是各为108度正偏、180度反偏并且互补,而是正偏的宽度为x,反偏的宽度为306度-x,二者相位差为180度。 这时输出电压 也是正负脉冲的宽度各位x。 正弦信号波和三角波相比较的方法对V1~V4进行SPWM控制,就可在交流输入端AB产生SPWM波uAB。 uAB中含有和信号波同频率且幅值成比例的基波、和载波有关的高频谐波,不含低次谐波。 由于Ls的滤波作用,谐波电压只使is产生很小的脉动。 当信号波频率和电源频率相同时,is也为与电源频率相同的正弦波。 us一定时,is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定。 改变uABf的幅值和相位,可使is和us同相或反相,is比us超前90°,或is与us相位差为所需角度。 图3-2单相全桥逆变电路的移相调压方式 (二)滤波器的设计 在滤波器的参数选择过程中,要注意在电容与电感的选择上是需要折衷考虑的,电容越大,流入电容的无功电流就越大,则电感上的电流和开关管的电流也就越大,从而降低系统的效率。 电容越小,则电感需要增大,使得电感上的压降增大。 .在电感一定的情况下,不同的电容参数值并不改变其低频特性,只是随着电容C的增大其谐振频率向减小方向移动。 C=0.15* (一定量的无功功率的电容公式) 3-2-1 图3-3简单的滤波电路 并网运行模式的滤波结构都是一个振荡环节,这将会影响其相应的系统闭环控制设计,故在作闭环系统设计之前,必须在其滤波结构中加入抑止环节来减小其谐振尖峰的影响。 而滤波器的详细作用我们将在PWM控制电路进一步探讨。 (三)工频隔离变压器 在使用蓄电池储能的太阳能PVS中,蓄电池组的公称电压一般是12V,24V或48V,因此,逆变电路一般都需进行升压来满足220V常用交流负载的用电需求。 首先把直流电逆变成工频低压交流电;再通过工频变压器升压成220V,50Hz的交流电供负载使用,。 它的优点是结构简单,各种保护功能均可在较低电压下实现。 因其逆变电源与负载之间存有工频变压器,故逆变器运行稳定、可靠、过负荷能力和抗冲击能力强,且能够抑制波形中的高次谐波成分。 然而,工频变压器也存在笨重和价格高的问题,而且其效率也比较低。 按目前水平制作的小型工频逆变器,其额定负荷效率一般不超过90%,同时因工频变压器在满负荷和轻负荷下运行时铁损基本不变,因而使其在轻负荷下运行的空载损耗较大,效率也较低。 我们往后对其将不作深入的讨论和研究。 (四)控制电路-----PWM逆变电路 脉冲宽度调制(PWM),是英文“PulseWidthModulation”的缩写,简称脉宽调制,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 发电 系统 技术研究