FPGA逆變器.doc

青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文）第1章 課題背景1.1能源現(xiàn)狀能源是人類經濟及文化活動的動力來源。世界文明史上，人類不斷的從自然界索取、探求適合生存和發(fā)展所需的各種能源，能源的利用水平折射出人類文明的進步步伐。從原始社會開始，化石能源逐步成為人類所用能源的主要來源，這種狀況一直延續(xù)到科技發(fā)達的現(xiàn)代社會。隨著人類對能源需求的日益增加，化石能源的儲量正日趨枯竭。全球資源專家們呼吁：煤炭、石油等可貴的化石資源應該是留給子孫后代的“化工原料，而不該在我們這代人手中僅僅把它們作為燃料而消耗殆盡。此外，大量使用化石燃料已經給人類生存環(huán)境帶來了嚴重的后果。目前由于大量使用礦物能源，全世界每天產生約1億噸溫室效應氣體，已經造成極為嚴重的大氣污染。如果不加控制，溫室效應會將融化兩極的冰山，這可能會使海平面上升幾米，四分之一的人類生活空間將由此受極大威脅。當前人類文明的高度發(fā)展與地球生存環(huán)境的快速惡化已經形成一對十分突出的矛盾，它向全世界能源工作者提出了嚴峻的命題和挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下發(fā)展經濟已成為全球熱點問題，而能源問題將更為突出。因此，人類要解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模的開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有儲量的“無限性”、存在普遍性、開發(fā)利用清潔性及逐漸顯露的經濟性等優(yōu)勢，它的開發(fā)利用是最終解決常規(guī)能源，特別是化石能源帶來的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應等問題的有效途徑，是人類理想的替代能源llj。在可再生能源中，太陽能光伏發(fā)電產業(yè)是全球發(fā)展最快的新興產業(yè)之一，從1996年到2006年最近十年的平均年增長率為40，從2001年到2006年最近5年的平均年增長率為45，2006年世界太陽能電池產量達到了2790mw，總裝機容量達到了8gw。太陽能開發(fā)利用必將在21世紀得到長足的發(fā)展，并終將在世界能源結構轉移中擔當重任，成為21世紀后期的主導能源。1.2光伏發(fā)電產業(yè)的現(xiàn)狀1.2.1國外光伏發(fā)電產業(yè)的現(xiàn)狀光伏并網發(fā)電開始于上個世紀80年代初，美國、日本、德罔、意大利都為此做出了努力。按照當時認識，建造的都是較大型的光伏并網電站，而且都是政府投資的試驗性電站。試驗結果在發(fā)展相應的技術方面都是成功的，但在經濟性方面卻并不十分令人鼓舞，主要是由于太陽能電池成本過高，雖然具有明顯環(huán)境效益，但其發(fā)電成本卻很難讓電力公司接受。通過改進工藝、擴大規(guī)模和開拓市場等措施，大幅度的降低了太陽能電池成本。90年代以來，國外發(fā)達國家重新掀起了發(fā)展光伏并網系統(tǒng)的研發(fā)高潮，這次的重點并未放在建造大型并網光伏電站方面，而是側重發(fā)展“屋頂光伏并網系統(tǒng)”。人們認為，屋頂光伏并網系統(tǒng)不單獨占地，將太陽能電池安裝在現(xiàn)成的屋頂上，非常適合太陽能能量密度較低的特點，其靈活性和經濟性都大大優(yōu)于大型并網光伏電站，有利于普及，有利于戰(zhàn)備和能源安全。而且由于功率比較小，并網逆變器的體積也可以做的很小，因而可以直接安裝在太陽能電池板的背面，使并網發(fā)電系統(tǒng)的安裝和使用更加簡易。在各國的屋頂光伏并網系統(tǒng)發(fā)展中，德國的屋頂光伏并網系統(tǒng)發(fā)展速度始終是位于世界前列的。1993年，德國首先開始實施由政府補貼支持的“1000 個光伏屋頂計劃，同時制定了“可再生能源電力供應法”，規(guī)定光伏發(fā)電的上網電價為每度0.99馬克，極大的刺激了光伏發(fā)電市場。由此為契機，德國在1995年安裝了太陽能發(fā)電系統(tǒng)容量5mw，1996年增加了一倍，達到了10mw，1999年擴大為156mw。1997年在慕尼黑貿易展覽中心安裝了世界上最大的屋頂太陽能并網發(fā)電系統(tǒng)，容量為1016mw。1999年1月德國開始實施“十萬屋頂計劃。2000年安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)容量超過40mw。現(xiàn)在德國的太陽能發(fā)電市場已由探索階段發(fā)展為繁榮的專業(yè)市場。在技術方面，專用逆變設備和相關系統(tǒng)已經比較成熟，在歐洲光伏專用逆變器就有sma，fronius，sputnik，sun pwer和西門子等眾多的公司具有市場化的產品，其中sma在歐洲市場中占有50的份額。除歐洲外，美國、加拿大、澳大利亞、新西蘭以及亞洲的日本在并網型逆變器方面也都已經產品化。這些都表明光伏并網發(fā)電產業(yè)已經是世界范圍內一個蓬勃發(fā)展的高新技術產，它和光伏器件(主要是太陽能電池)同時并列為光伏產業(yè)的兩大支柱。總之，從能源利用的國際發(fā)展趨勢來看，光伏發(fā)電最終將以替代常規(guī)能源的角色進入電力市場，而并網發(fā)電將是光伏發(fā)電進入電力市場的必由之路。1.2.2國內光伏發(fā)電產業(yè)的現(xiàn)狀我國正處在經濟轉軌和蓬勃發(fā)展時期，但能源問題嚴峻，由于城市中大量使用化石能源，環(huán)境持續(xù)惡化。2000年世界衛(wèi)生組織公布的世界上污染最嚴重的十大城市中，中國占了8個。另一方面，我國具有豐富的太陽能資源，尤其是西部地區(qū)有很大的潛力。在這些地方發(fā)展并網發(fā)電計劃， 對于緩解當?shù)氐哪茉簇毞η闆r，提高當?shù)厝藗兩钏接兄鴺O其重要的意義。我國在20世紀50年代開始研究太陽能電池，于1971年首次成功應用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星。我國光伏產業(yè)發(fā)展經歷了2個重要時期，第一個是在20世紀80年代中期，引進4條總計5mw的光伏電池生產線，光伏產業(yè)初步形成。第二個發(fā)展時期是在新世紀初，國家發(fā)改委在2002年啟動了“送電到鄉(xiāng)工程”，該工程光伏系統(tǒng)容量為20mw，極大的拉動了我國光伏市場的需求。國內光伏系統(tǒng)主要采用單位功率因數(shù)并網，不具備電能質量控制功能。因此，研究具有電能質量調節(jié)功能的光伏并網系統(tǒng)有重要意義，其研究主要放在并網逆變器的控制方法上，相同的拓撲電路，采用不同的控制方法能夠產生不同的控制效果。對逆變器建立模型并進行分析，采用先進的控制策略對于光伏并網系統(tǒng)的性能是必不可少的。同時采用先進的控制算法是提高逆變器效率的方法之一。第2章 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)簡介2.1光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的組成 典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、電力電子變換器、儲能裝置、負載等組成，其構成如2-1圖所示。圖2-1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成fig.2-1 solar photovoltaic power generation system2.2光伏陣列2.2.1 光伏陣列的結構 光伏發(fā)電系統(tǒng)，是利用光生伏打效應原理制成的光伏電池將太陽能直接轉化為電能。光伏電池單體是用于光電轉換的最小單元，一個單體產生的電壓大約為0.45v，工作電流約為,將光伏電池進行串、并聯(lián)封裝后，就成為光伏電池組件。實際光伏發(fā)電系統(tǒng)可根據需要，將若干光伏電池組進行串、并聯(lián)，排列組成光伏陣列，滿足光伏系統(tǒng)實際電壓電流的需要。光伏組件串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量，串聯(lián)后的陣列輸出電壓為各光伏組件輸出電壓之和，相同電流容量光伏電池串聯(lián)后輸出電流不變；光伏電池組件并聯(lián)要求所有并聯(lián)的光伏組件具有相同的輸出電壓等級，并聯(lián)后的陣列輸出電流為各個光伏電池輸出電流之和，而電壓保持不變。2.2.2光伏陣列的保護在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的光伏組件，將被當做負載消耗其他有光照的光伏電池組件所產生的能量。被遮蔽的光伏電池組件此時會發(fā)熱，這就是熱斑效應。這種效應能嚴重破壞光伏電池，有光照的光伏電池所長生的部分或全部能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止光伏電池由于熱斑效應而遭受破壞，需要在光伏電池組件的正負極兩端并聯(lián)一個旁路二極管，實現(xiàn)電流的旁路保護光伏陣列。為了避免由于光伏電池在陰雨天和夜晚不發(fā)電時或者出現(xiàn)故障時，蓄電池通過光伏方陣放電，這就需要在方陣中加入防反充二極管，又稱為阻塞二極管。除了電方面的保護，還要考慮機械方面的保護，如如防風、防雨、防雹能力，另外，為了防止鳥糞玷污光伏電池表面引起熱斑反應，還需要在方陣頂上特別安裝驅鳥器。2.3電力電子變換器 變換器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵部件，變換器分直流變換器和交流變換器兩種。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的變換器一般要具備幾種功能：最大功率點跟蹤、蓄電池充電、直流電的升壓或降壓以及逆變。 最大功率點跟蹤控制器。通過調劑負載功率，改變光伏電池板的輸出電壓和電流，是光伏電池板輸出功率最大化。 蓄電池充電控制器。通過調劑控制器的輸出電壓和電流，實現(xiàn)對蓄電池策略的充電控制，有利于有效的利用太陽能以及對蓄電池的保護。 升降壓變換器。因為光伏陣列實際的工作電壓跟負載或者后端逆變器所需電壓不匹配，所以需要對光伏陣列的輸出電壓進行調節(jié)，或升獲降，以滿足負荷的使用要求。 逆變器。因為光伏電池發(fā)出的電視直流電，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)是并交流電網運行或者給交流負載供電，那么就需要逆變器進行直流交流的變換。2.4 儲能裝置 在獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲能裝置是必不可少的。因為光伏電池的輸出功率隨光照強度在變化，當夜間或陰雨天時，光伏電池的輸出功率很小，不能滿足負載的要求；而白天陽光充足時，光伏電池發(fā)出的電相對負載可能有多余的。因此，需要一個儲能裝置，既可以作為太陽能不足時候的補充，又可以作為多余太陽能的存儲?，F(xiàn)在可選的儲能方法有很多，如電容器儲能，飛輪儲能，超能儲能等等，但從方便、可靠價格等綜合因素考慮，多數(shù)大中型光伏發(fā)電系統(tǒng)都采用免維護鉛蓄電池作為儲能元件。但選用鉛蓄電池也有不足之處，鉛蓄電池比較昂貴，初期投資能夠占到整個發(fā)電系統(tǒng)的1/3左右，而鉛蓄電池又是整個系統(tǒng)中較薄弱的環(huán)節(jié)，因此如果管理不當，會使蓄電池提前失效，增加整個系統(tǒng)的運營成本。2.5 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)缺點光伏發(fā)電是利用太陽能電池這種半導體電子器件有效的吸收太陽光輻射能，并使之轉變成電能的直接發(fā)電方式。光伏發(fā)電具有以下明顯的優(yōu)點：1)無污染：零排放，無任何物質及聲、光、電、磁、機械噪音等“排放”；2)可再生：資源無限，可直接輸出高品質電能，有理想的可持續(xù)發(fā)展屬性；3)資源的普遍性：基本不受地域限制，只是地區(qū)之間有豐富與欠豐富之別；4)機動靈活：發(fā)電系統(tǒng)可按需要以模塊方式集成，可大可小，擴容方便；5)通用性、可存儲型：電能可以方便的通過輸電線路傳輸、使用和存儲；6)分布式電力系統(tǒng)：將提高整個能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別是從抗御自然災害和戰(zhàn)備的角度看，它更具有明顯的意義；7)資源、發(fā)電、用電同一地域：可大幅度節(jié)省遠程輸變電設備的投資費用；8)太陽能發(fā)電系統(tǒng)建設周期短，由于是模塊化安裝，因此可用于小到幾個毫瓦的太陽能計算器，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站； 9)光伏建筑集成：節(jié)省發(fā)電基地使用的土地面積和費用，是目前國際上研究及發(fā)展的前沿，也是相關領域科技界最熱門的話題之一。但目前光伏發(fā)電系統(tǒng)也存在以下幾個問題： 1)光伏陣列發(fā)電效率低； 2)系統(tǒng)的造價成本高；3)發(fā)電運行受氣候環(huán)境因素影響大。4)光伏并網發(fā)電系統(tǒng)作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，對傳統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)的電網會產生不良的影響，如諧波污染、孤島效應等。第3章 并網逆變器的設計及系統(tǒng)的工作原理3.1光伏并網發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求作為光伏陣列和交流電網系統(tǒng)間進行能量交換的逆變器，其安全性、可靠性、逆變效率、制造成本等因素對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的整體投資和收益具有舉足輕重的作用。因此，光伏并網發(fā)電系統(tǒng)對并網逆變器有如下要求： 1)實現(xiàn)高質量的電能轉換。并網逆變器輸出的電流頻率和相位與電網的必須嚴格一致，以使輸出功率因數(shù)盡可能的達到1。2)實現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護要求。如輸出過載保護、輸出短路保護、輸入反接保護、直流過壓保護、交流過壓和欠壓保護、孤島保護及裝置自身保護等，從而確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。3)具有較高的可靠性。目前光伏并網發(fā)電系統(tǒng)主要在一些自然條件惡劣的地區(qū)，所以逆變器應在長時間的工作條件下保證低故障率，并具有較強的自我診斷能力，因此所設計的逆變器應具有合理的電路結構、嚴格的元器件篩選。4)最大功率的跟蹤。最大限度的利用光伏陣列，提高逆變器的效率。3.2并網逆變器的選擇3.2.1并網逆變器結構的選擇光伏并網逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制、電流源電流控制四種方式。以電流源為輸入的逆變器， 直流側需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會導致系統(tǒng)動態(tài)響應差，因此當前并網逆變器普遍采用以電壓源輸入為主的方式。按照輸入直流電源的性質，可以將逆變器分為電流型逆變器和電壓型逆變器，結構如圖3-1所示。圖3-1 電流型、電壓型并網逆變器結構圖fig.3-1 current model, the voltage type grid inverter structure市電電網可視為容量無窮大的定值交流電壓源，光伏并網逆變器的輸出可以控制為電壓源或電流源。如果光伏并網逆變器的輸出采用電壓控制，則光伏并網系統(tǒng)和電網實際上就是兩個交流電壓源的并聯(lián)運行，這種情況下要保證光伏并網發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行，則必須采用鎖相控制技術實現(xiàn)與市電電網同步。在穩(wěn)定運行的基礎上，可通過調整并網逆變器輸出電壓的幅值與相位來控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。但由于鎖相回路的響應較慢，并網逆變器輸出電壓值不易精確控制，系統(tǒng)可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，同樣功率等級的電壓源并聯(lián)運行方式不易獲得優(yōu)異性能。因此光伏并網逆變器的輸出常采用電流控制，此時光伏并網系統(tǒng)和電網實際上是交流電流源和電壓源的并聯(lián)，只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網電壓，即可達到并聯(lián)運行的目的。這種控制方式相對簡單，使用比較廣泛。綜上所述，本文設計的光伏并網逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即電壓型逆變器。采用電壓型逆變主電路，可以同時實現(xiàn)有源濾波和無功補償?shù)目刂疲趯嶋H中已經得到了廣泛的研究和應用，可以有效的進行光伏發(fā)電、提高供電質量和減少功率損耗，而且可以節(jié)省相應設備的投資。3.2.2并網逆變器回路方式的選擇逆變器的主電路結構按照輸出的絕緣形式分為：工頻變壓器絕緣方式、高頻變壓器絕緣方式、無變壓器方式3種。1)工頻變壓器絕緣方式采用一級dc/ac主電路，在輸出端接工頻變壓器并網。這種方式既可與電網隔離，同時又可以將逆變器輸出波形中的直流分量濾去，從而減少對電網的污染，并且具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能，電路簡單。缺點是工頻變壓器體積大，重量重，效率較低。這種方式的逆變器主要用于獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)。2)高頻變壓器絕緣方式是通過兩級變換實現(xiàn)并網逆變。前級將直流電壓斬波為高頻脈沖，通過高頻變壓器升壓后整流，最后通過逆變器并網。這種方式的優(yōu)點是高頻變壓器體積小，重量輕，大大減小了逆變器的體積和重量。缺點是經過了兩級結構，效率比較低，且電路和控制方式復雜。由于高頻電磁干擾嚴重，需要采用濾波和屏蔽等抑制措施。3)無變壓器方式是只采用一級dc/ac變換直接并網。這種方式對逆變器輸出波形要求較高，直流電壓范圍比較小，但是逆變器整機的效率卻比較高， 并進一步降低了成本。由以上的討論得出，逆變器無變壓器無絕緣方式主電路比工頻變壓器絕緣方式復雜一些，比高頻變壓器絕緣方式簡單，效率高。此外這種方式沒有變壓器，體積小、重量輕、成本較低，是到目前為止比較好的一種主電路方式。并且對于小功率的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，光伏電池陣列的輸出電壓比較低，適合采用無變壓器方式。3.2.3并網逆變器控制策略的選擇要成功實現(xiàn)并網，使光伏并網逆變器在工作時的功率因數(shù)接近于1，即要求輸出電流為正弦波且與電網電壓同頻同相，輸出電流的控制方式一般有兩種： 電流滯環(huán)瞬時控制方式和固定開關頻率控制方式。1)電流滯環(huán)瞬時控制方式電流滯環(huán)瞬時控制方式示意圖如圖3-2所示的雙閉環(huán)結構，其外環(huán)是電壓反饋控制環(huán)，內環(huán)是電流控制環(huán)。將電壓pi調節(jié)器輸出電流幅值指令乘以表示網壓的單位正弦信號后，得到交流的電流指令，將它與實際檢測到的電流信號進行比較，當電流誤差大于指定的環(huán)寬時，滯環(huán)比較器產生相應的開關信號來控制逆變器增大或減小輸出電流，使其重新回到滯環(huán)內。這樣，使實際電流圍繞著指令電流曲線上下變化，并且始終保持在一個滯環(huán)帶中。這種方式中，滯環(huán)的寬度對電流的跟蹤性能有較大的影響。當滯環(huán)寬度較大時，開關頻率較低，對開關器件的開關頻率要求不高，但跟蹤誤差較大，輸出電流中的高次諧波含量較大；當滯環(huán)寬度較小時，跟蹤誤差較小，器件的開關頻率提高，對器件的開關頻率要求較高。電流滯環(huán)瞬時控制方式有以下特點： (1)控制方法簡單，實時控制，電流響應快； (2)沒有斬波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量； (3)若滯環(huán)的寬度固定，電流跟蹤的誤差范圍就會固定，但電力開關器件的開關頻率是變化的，這將導致電流頻譜較寬，增加了濾波器設計的難度，可能會引起間接的諧波干擾。圖3-2電流滯環(huán)瞬時控制方式示意圖fig.3-2 current hysteresis instantaneous control mode schemes2)固定開關頻率控制方式固定開關頻率控制方式在保留電流跟蹤的動態(tài)性能好的基礎上，克服了滯環(huán)控制的開關頻率不固定的缺點，控制框圖如圖3-3所示。這種控制方法與電流滯環(huán)控制的區(qū)別在于從電流誤差信號得到最終控制逆變器的pwm信號的方式不同。該控制技術的基本思想是：對給定參考電壓和逆變器輸出電壓反饋誤差信號經電壓調節(jié)器后得到逆變器輸出電流參考控制信號，然后根據電流參考信號和逆變器反饋電流的誤差經過比例放大和三角波進行交截可得到正弦脈寬調制(spwm)信號，控制功率器件的導通或關斷。由此可知，該方法中逆變器開關器件的工作頻率等于三角波載波頻率，因此它的工作頻率是固定的。由于載波頻率固定，因此逆變器輸出諧波是固定的，濾波器設計相對于電流滯環(huán)瞬時控制方式控制簡單，控制效果較好。固定開關頻率控制方式的特點： (1)跟隨誤差較大；(2)硬件實現(xiàn)相對復雜；(3)輸出電壓中諧波量較少，含有與三角波相同頻率的諧波；(4)開關器件的開關頻率固定的等于三角載波的頻率；圖3-3固定開關頻率電流控制示意圖fig.3-3 fixed switching frequency current control schemes3)改進型固定開關頻率控制方式改進型固定開關頻率電流控制方式的控制框圖如圖3-4所示。此方法保留了原來控制策略的優(yōu)點，同時電流的跟蹤誤差顯著減小。通過調整電源電壓的比例系數(shù)來減小直至消除電源電壓對電流跟蹤偏差的影響，從而顯著改善了逆變器中電流跟蹤控制的性能。圖3-4改進型固定開關頻率控制示意圖fig.3-4 improved fixed switching frequency control schemes3.2.4系統(tǒng)的總體方案經過方案的比較論證，本論文決定采用無變壓器的兩級結構，即前級的dc/dc變換器和后級的dc/ac逆變器，兩部分通過dclink連接。系統(tǒng)的控制部分由以fpga為核心的控制單元完成，另外系統(tǒng)設計了輔助電源為控制電路提供電源。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的結構圖如圖2-5所示。圖3-5光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的結構圖fig.3-5 photovoltaic (pv) grid power system structure前級dc/dc變換器，可選擇的形式有降壓式變換電路(buck converter)， 升壓式變換電路(boost converter)，升降壓式變換電路(boostbuck converter)， 庫克式變換電路(cuk converter)等。由于buck電路的輸入工作在斷續(xù)狀態(tài)下，若不加入儲能電容，光伏陣列的工作時斷時續(xù)，不能工作在最佳工作狀態(tài)，加入了儲能電容后，buck電路功率開關斷開時光伏陣列對儲能電容充電，使太陽能電池始終處于發(fā)電狀態(tài)，此時調節(jié)buck電路占空比才能有效跟蹤最大功率點，因此儲能電容對于利用buck電路實現(xiàn)mppt功能是必不可少的，然而在大負荷情況下，儲能電容始終處于大電流充放電的狀態(tài)，對其可靠工作不利，同時由于儲能電容通常為電解電容，增大了mppt裝置的體積，使整個系統(tǒng)變得笨重。此外，后級dc/ac 電路為了能得到正常的輸入工作電壓，前級的輸出電壓不能太低，而光伏陣列的電壓隨著日照等因素變動較大，其輸出電壓低時若通過buck電路降壓，則逆變器無法工作，所以不采用buck電路。相比之下，boost變換器可以始終工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，只要輸入電感足夠大，電感上的紋波電流小到接近平滑的直流電流，因此只需加入通量較小的無感電容甚至不加電容，避免了加電容帶來的弊端。boost電路簡單， 功率開關器件的驅動設計方便，因此，選用boost升壓電路。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)主電路的拓撲結構圖如圖3-6所示。光伏陣列輸出的額定直流電壓為之間，通過變換器轉換為dclink的直流電。后級的dc/ac逆變器，采用逆變全橋，作用是將dclink直流電轉換為的正弦交流電，實現(xiàn)逆變向電網輸送功率。dclink的作用除了連接dc/dc變換器和dc/ac逆變器，還實現(xiàn)了功率的傳遞。圖3-6系統(tǒng)主電路的拓撲結構fig.3-6 system of main circuit topology structure3.3光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的工作原理3.3.1前級電路的工作原理1)電路原理圖boost電路的原理圖如圖3-7所示。boost電路由開關管q1，二極管d，電感，電容c組成。boost電路的作用是將電壓升壓到。，其中，是光伏陣列的輸出電壓，是boost電路的輸出電壓。 圖3-7 boost電路原理圖fig.3-7 boost circuit principle diagram2)工作過程在每個斬波周期內，開關管ql導通、關斷各一次。開關管q1導通時，等效電路如圖3-8(a)所示，流過電感l(wèi)的電流為，在電感未飽和前，電流線性增加，電能以磁能的形式儲存在電感l(wèi)中。此時，由于二極管陽極接在電源負極，二極管關斷，電容c只能向電阻姓放電，提供電阻電流。當二極管關斷時，其等效電路如圖2-8(b)所示，由于流過電感的電流不能突變，電感l(wèi)兩端的電壓極性改變，此時，電源和電感串聯(lián)，向電容和電阻供電。簡言之，開關管q1導通時，二極管反偏，輸出級隔離，由輸入端向電感提供能量；開關管q1斷開時，輸出級吸收來自電感和輸入端的能量。圖3-8 boos電路的工作過程fig.3-8 the working process of the boos circuit根據上述分析，列出工作過程中的關系表達式如下： (3-1)式中，為開關管的開關周期；為占空比；為開關管的導通時間；為開關管的截止時間。整理后得 (3-2) 3)工作原理根據電感電流在周期開始是否從零開始，是否連續(xù)，可分為連續(xù)的工作狀態(tài)或不連續(xù)的工作狀態(tài)兩種模式。由于電路在斷續(xù)工作時，電感電流的不連續(xù)意味著光伏陣列輸出的電能在每個周期內都有一部分被浪費了，而且紋波也會大些。因此一般把boost電路設計為連續(xù)導通的工作狀態(tài)。3.3.2后級電路的工作原理1)電路原理圖光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的逆變器采用單相全橋逆變器結構，其拓撲結構圖如圖3-9所示。圖3-9單相全橋逆變器的拓撲結構fig.3-9 single-phase bridge inverter topological structure2)工作原鯉如圖3-9所示是單相全橋并網逆變器主電路結構圖，其中是電網電壓，是輸入的恒定的直流電壓，是逆變器的輸出電壓，是從逆變器輸出到電網的電流。為交流輸出電感，為直流測支撐電容，即前級boost 電路的輸出電容，是主開關管，是其反并聯(lián)二極管。對四個開關管進行適當?shù)目刂?，就可以調節(jié)電流為正弦波，并且與電網電壓保持同相位。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)要求在并網逆變器的輸出側實現(xiàn)功率因數(shù)為1，波形為正弦波，輸出電流與網壓同頻同相，其控制策略與一般獨立的電壓型逆變器的控制策略有所不同，如圖3-9中，每個開關器件上都反并聯(lián)一個二極管，起著續(xù)流的作用。交流側電感的作用在于： (1)有效抑制輸出電流的過分波動； (2)將開關動作所產生的高頻電流成分濾除； (3)由于輸出電感的存在，輸出電流的基波分量式。在其上產生一個電壓，這樣，變換器的輸出電壓的基波和電網電之間將產生一個位移量，通過pwm控制開關器件使變換器的輸出電壓滿足上述的矢量關系，這樣在理論上可以實現(xiàn)輸出電流與電網電壓同頻同相。本論文采用脈寬調制方式，通過控制開關器件的導通和關斷時間， 實現(xiàn)能量從并網逆變器向電網傳遞，達到輸出功率因數(shù)為l的目的。第4章 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的設計逆變部分是整個光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，逆變部分包括：主電路、控制電路和保護電路、驅動電路及輸出濾波電路四部分。其中主電路主要完成能量變換，吸收電路軟化開關器件的開關曲線；控制電路完成對輸出電流的控制以滿足并網的要求；保護電路主要對各種故障進行保護；驅動電路是功率主電路和控制電路的接口電路；輸出濾波電路主要濾除高次諧波，提高輸出波形的質量。系統(tǒng)的設計參數(shù)是：輸入電壓范圍為10v21v，額定輸出電流為1a，額定功率為20w，太陽能電池板典型工作電壓16.5v，并網電壓為220v。4.1主電路的設計并網逆變器的主電路采用單相全橋主電路，通過對逆變器進行適當?shù)目刂疲?可使交流側電流接近于正弦波，功率因數(shù)可為單位功率因數(shù)。開關管mos管的選擇主要考慮以下幾個方面： 1)電壓容量：在mos晶體管工作過程中，d、s兩端的電壓峰值不應超過mos管的最高耐壓值，否則，器件將被過壓擊穿而損壞； 2)電流容量：在mos管工作時，集電極峰值電流必須處在mos管開關安全工作區(qū)以內(小于2到3倍額定電流)； 3)散熱要求：mos管在開關過程中會產生大量的開關損耗而使器件發(fā)熱， 因而在考慮選擇器件時必須綜合考慮裝置的散熱條件。分別從以上三個方面考慮，在本系統(tǒng)中mos管的ds兩端承受的電壓為直流20v，考慮到器件開關過程中電壓峰值的影響，選取一定的電壓裕量，因而選取mos管的耐壓值為600v；電流方面，單相全橋的額定工作電流為1a，因而為了保護系統(tǒng)的工作安全，對開關管電流選取了較大的裕量， 取額定電流為5a；散熱方面，為了保證開關管的充分散熱，采用添加散熱器的措施。4.2控制電路及保護電路的設計4.2.1電流采樣電路電流采樣方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻采樣。采用霍爾元件采樣，控制和主功率電路有隔離，可以檢測出直流信號，信號還原性好，但有延遲，并且價格比較貴；電流互感器具有能耗小、頻帶寬、信號還原性好、價格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點，但是磁芯容易飽和；采用電阻采樣價格非常便宜，還原性好，在小功率的情況下，由于檢測電阻小，功耗也就比較小。圖4-1為電流采樣電路圖，足上的電壓經過一個同相比較放大器，得到了檢測出的電壓信號的表達式： (4-1）式(4-1)中，為需要檢測的電流，為檢測出的電壓信號。圖4-1電流采樣電路圖fig.4-1 current sampling circuit diagram4.2.2并網同步的實現(xiàn)根據電流控制型并網逆變器原理，為使光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的有功功率輸出達到最大，必須控制輸出電流的頻率和相位，使它們與電網電壓嚴格同步。所以電網相位的跟蹤是必須解決的問題，一般采用鎖相環(huán)(pll)實現(xiàn)。1)鎖相環(huán)的原理與實現(xiàn)鎖相環(huán)是指能夠自動跟蹤輸入信號頻率與相位的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。目前傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)(analog plslapll)主要由鑒相器(pd)、環(huán)路濾波器(lf) 和壓控振蕩器(vco)組成。鑒相器的輸入是電網電壓的采樣信號和壓控振蕩器的輸出，鑒相器的輸出為誤差信號，該信號為和相位差的線性函數(shù)。環(huán)路濾波器濾除中的高頻信號后得到，再由來控制壓控振蕩器來改變輸出信號的頻率和相位來逼近的頻率和相位。當環(huán)路鎖定時， 輸出信號和輸入信號同頻同相。2)同步信號檢測電路設計在進行逆變器輸出電流和電網電壓同步的過程中，fpga需要采集電網電壓信號的相位，由于fpga芯片只能采集ttl電平信號，所以需要輔助的硬件電路將電網的正弦波電壓信號轉換為幅值為3.3v的方波信號，該方波信號和正弦波電壓信號具有相同的過零點，即在電網電壓上升過零點處，方波信號變成高電平。本論文采用的硬件電路如圖4-2所示。圖4-2中的電壓傳感器將電網電壓變成同相位的弱電信號，該信號經過比較器，即可得到與電網電壓同相位的ttl方波信號，如圖4-2所示。得到的方波信號經過光電隔離和電平轉換后，將幅值為3.3v的方波信號送到fpga芯片的捕獲引腳cap4上，捕獲單元在檢測到上升沿時觸發(fā)中斷，進行鎖相。實驗波形圖如圖4-3所示。圖4-2電網電壓轉換成ttl脈沖信號的硬件電路fig.4-2 the network voltage conversion to ttl pulse signal of the hardware circuit圖4-3電網電壓及ttl脈沖信號波形fig.4-3 the network voltage and pulse signal waveform ttl4.2.3 spwm波的產生1)spwm波生成的流程圖spwm波的產生可以通過硬件電路生成或通過軟件編程生成。通過硬件電路實現(xiàn)spwm波的方法往往電路復雜，控制精度難以保證。而用軟件編程的方法由于是采用數(shù)字控制方式，可以獲得調節(jié)靈活、穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)越的控制效果，但是要求中央處理器的運算速度快，運算能力強。fpga具有高速優(yōu)異的運算功能和功能強大的pwm波發(fā)生模塊，本論文采用軟件編程的方法生成spwm波。spwm調制信號生成說明如圖4-4所示。圖4-4 spwm調制信號生成說明fig.4-4 modulation signal generation instruction通過軟件編程的方法來生成spwm波，其原理是基于正弦控制波和三角載波相交以確定開關通斷時刻。用軟件生成spwm波一般有兩種方法：查表法和計算法。查表法，即離線計算出對應的脈寬數(shù)據，寫入eprom，實際控制時， 由fpga通過查表和加減運算得到脈寬和間隔時間，以此控制功率器件的開通時間。計算法，即根據理論推導出脈寬函數(shù)表達式，由fpga在實際控制時實時在線計算，以獲得相應的脈寬和間隔時間。一般來說，前者將占用大量存儲空間， 而后者則需大量的運算時間。本論文采用的是查表法來生成spwm波。2)死區(qū)的概念及生成在電機控制和功率電子應用場合中，兩個功率器件(上臂和下臂)被串聯(lián)放在一個功率轉換支路中，為避免直通，兩器件的開通周期必須不能重疊，這就需要一對非重疊的pwm輸出來正確的控制這兩個器件。在一個開關管的關斷和另一個開關管導通之間要插入一個時間間隔，即死區(qū)時間。這段延遲是由開關管的開關特性和負載特性決定的。設計死區(qū)單元的目的是在任何情況下，確保上臂器件和下臂器件的開通時間沒有重疊。對每一個輸入信號phx，會產生兩個輸出信號dtphx和dtphx， 波形圖如圖4-5所示。當比較單元和相關輸出的死區(qū)未被使能時，這兩個信號是相同的。當死區(qū)被允許用于比較單元時，這兩個信號的轉換邊沿被一個稱為死區(qū)的時間間隔分開，這個時間間隔稱為死區(qū)時間，大小由死區(qū)控制寄存器dbtcon中的相應位設定。圖4-5死區(qū)功能波形圖fig.4-5 dead zone function waveform figure1)過熱保護通過功率開關器件的電流雖沒有超過其額定電流，但若散熱條件變差，其結溫同樣會急劇上升。若結溫超過其額定結溫，功率開關器件也會燒壞。因此有必要設置結溫保護。一方面給開關管加散熱片和給系統(tǒng)加裝風扇，以降低開關管和系統(tǒng)溫度。另一方面，在散熱片靠近功率器件的地方加裝一個常閉繼電器，當散熱片溫度超過允許溫度時，繼電器觸點斷開，控制電路檢測到觸點斷開就使主電路停止工作。由于溫度變化比較慢，故可以在主程序中采用查詢方式進行處理。 2)短路電流保護當出現(xiàn)短路電流時，要求系統(tǒng)能快速保護。本論文中對大于3倍額定電流的大電流采用硬件過流保護，對于小于3倍額定電流的電流在軟件中做過載保護處理。4.3驅動電路驅動電路是指將fpga輸出的pwm進行放大、隔離，從而可以安全驅動開關器件的電路。驅動電路采用ir公司的專用驅動芯片ir2110。ir2110是一款高電壓、高速的功率mosfet驅動芯片，邏輯輸入與標準cmos或lsttl集成電路兼容。4.4輸出濾波電路輸出濾波器采用電路，作用是濾除逆變橋輸出spwm波中的高次諧波分量。表面看起來好像濾波參數(shù)越大，系統(tǒng)輸出波形越好，實際上，濾波時間常數(shù)越大，不僅濾波電路的體積和重量過大，而且濾波電路引起的相位滯后變大，采用閉環(huán)波形反饋控制時，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。相反，濾波參數(shù)選的過小，系統(tǒng)中的高頻分量反而起不到很好的抑制，輸出電壓不能滿足波形失真度的要求。因此，選擇濾波器參數(shù)時，要綜合考慮這兩方面的因素，分別確定濾波電感和濾波電容的值。如果電感選取過大，可以減小流過電感的電流紋波，相應減小了流過功率管的峰值電流，減小了開關器件的功率損耗，此外還會影響輸出電流的跟蹤速度，使得系統(tǒng)動態(tài)響應過慢，降低穩(wěn)態(tài)精度；而電感選取過小，則使得輸出電流的開關紋波加大，必然增大磁滯損耗，同時也使波形變差，增大輸出電流波形的thd。電感設計首先滿足電流上升率的要求：，其中為電流輸出的最大變化率；根據電流最大紋波的限制，可以得到電感量的最小值， 通過這兩個約束條件可得出最佳的電感量。濾波電容選得大可以減小波形的thd，但會相應增加電感中的紋波電流， 而濾波電容太小則會影響輸出波形的thd。實際設計過程中，先根據上面提到的方法確定濾波電感值，再按照濾波器截止頻率的的原則，來確定濾波電容的值，并且在調試過程中再做調整，多憑經驗和實驗選取。4.5輔助電源設計為了給光伏并網逆變器的控制電路、信號采集電路及開關管驅動電路等提供各種工作電源，需要設計一個與主逆變電路隔離的輔助電源。輔助電源的輸入電壓為光伏陣列輸出的直流電，輸出的電壓分別為+15v、-15v、+5v、5v。輔助電源的設計要求1)輸入電壓：50170v 2)輸出電壓：+15v、15v、+5v、3)輸出電壓波動小于根據上述的設計要求，實際可用選擇采用采用hv9120芯片進行輔助電源設計。超科公司開發(fā)的hv9120芯片是開關電源控制器子系統(tǒng)， 可以啟動和運行幾乎所有的直接直流輸入，例如由220v的交流電經過整流和濾波后得到的12v直流電。除了開關、磁組、輸出整流和濾波器，hv9120芯片包含了構造單管開關轉換器所需的基本元件。hv9120芯片主要用于控制具有任何拓撲結構和型號的單管開關轉換器，這類轉換器一般是低功耗，工作在不連續(xù)狀態(tài)的回掃式轉換器。4.6系統(tǒng)的電磁兼容設計逆變器工作本身會產生很強的電磁干擾，這些干擾通過電磁場輻射形式或通過供電線路耦合至控制系統(tǒng)中，不僅會對周邊的電子設備產生很大的影響， 而且會造成輸出的正弦波形畸變，使電能質量下降，給發(fā)電和供電設備及用戶用電設備帶來嚴重危害。因此，必須采取相應的抗干擾措施。電磁兼容(electromagnetic compatibilityemc)是指電子設備和電源在一定的電磁干擾環(huán)境下正?？煽抗ぷ鞯哪芰?，同時也是電子設備和電源限制自身產生電磁干擾和避免干擾周圍其它電子設備的能力。本論文從硬件和軟件兩方面考慮，采取措施來解決電磁干擾問題。4.6.1硬件方面考慮綜合來說，電子電路所受干擾的程度有以下三個方面決定： 1)干擾源的強度； 2)干擾傳播途徑的耦合因素； 3)電子電路的抗干擾能力。這給我們提供一個解決問題的指導思想：抑制干擾源；切斷傳播途徑；提高電子電路的抗干擾能力。首先，從干擾源的抑制開始。對于外界電氣設備產生的干擾，我們無法抑制，只能減少自身產生的干擾。采取的措施有： 1)選擇較大的柵極驅動電阻，增加mosfet的開通和關斷時間； mosfet集電極、發(fā)射極之間接有吸收電路。這些措施大大降低了mosfet開通關斷時的電壓電流變化率，從而減少了干擾源的強度。2)在控制電路中使用了磁珠和磁環(huán)。磁珠和磁環(huán)專用于抑制信號線、電源線上的噪聲和尖峰干擾。它們的吸收能力是用其阻抗特性來表征的。在低頻段， 它們呈現(xiàn)出非常低的感性阻抗值，不影響數(shù)據線或信號線上的有用信號的傳輸。在高頻段，從100mhz左右開始，阻抗增大，其感抗分量仍保持很小，電阻分量卻迅速增加，將高頻段電磁干擾能量以熱能形式吸收并耗散。3) 部分逆變得到的交流電，在經過變壓器后，需要整為直流，整流二極管為快恢復二極管，但在開關的過程中，仍舊有電壓尖峰的出現(xiàn)。因此，在變壓器的原邊和副邊加吸收電路，抑制了過電壓的同時，也削弱了干擾源。4.6.2軟件方面考慮1)在硬件的濾波措施存在的情況下，軟件中采取邏輯判斷措施對電壓同步信號濾波； 2)對于系統(tǒng)計算的中間變量和結果都進行范圍限制，不允許關鍵數(shù)據出錯， 以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 3)系統(tǒng)開始正常工作后，在同步中斷子程序中，對同步進行軟件濾波，如果不滿足條件，正弦表的偏移地址不允許復位； 4)在讀取采樣結果時，增加等待時間，并且查看采樣狀態(tài)寄存器的狀態(tài)，以確保讀取正確的采樣結果。4.7光伏并網逆變器的仿真建模經過第三章的分析，本文確定了光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的逆變器控制采用固定開關頻率的pwm控制方法，電壓反饋信號與給定的電壓參考信號比較產生誤差信號，經過pi調節(jié)后作為給定電流參考信號，電流反饋信號與給定的電流參考信號比較產生誤差信號，經pi調節(jié)后與固定頻率的三角波比較產生spwm 控制脈沖后，經隔離、放大后作為開關管的門極脈沖。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)采用的雙閉環(huán)方式，外環(huán)為電壓環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)，由電壓環(huán)和電流環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)有效的保證了對輸出電壓、電流波形和幅值的要求，具有控制的物理意義明確，易于軟件實現(xiàn)，動態(tài)響應快等優(yōu)點。為了防止橋臂發(fā)生直通，在電路中設置了相應的死區(qū)。三角波的載波頻率是10khz，而逆變器本身的輸出頻率比較低，因此在忽略開關延遲時間的前