光伏發(fā)電逆變器畢業(yè)設計論文

圖3-6不同溫度下太陽能電池的 I-U，P-U曲線太陽能電池的最大功率點跟蹤方法的研究恒定電壓跟蹤法 (CVT)恒定電壓法是一種最直接的最大功率跟蹤方法，在太陽能電池溫度一定時，光伏電池的輸出 P-U曲線上最大功率點電壓幾乎分布在一個固定電壓值的兩側。因此，CVT控制法思路即是將光伏電池輸出電壓控制在該電壓處， 此時光伏電池在整個工作過程中將近似工作在最大功率點處。采用 CVT控制的優(yōu)點是可以很方便地通過硬件或者軟件實現(xiàn)，具有控制簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但是這種跟蹤方式忽略了溫度對太陽電池開路電壓和輸出功率的影響， CVT方式并不能在所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤最大功率，即當系統(tǒng)外界環(huán)境條件改變時，對最大功率點變化適應性差。擾動觀察法( P&O)鑒于 CVT控制的局限性，擾動觀察法能有效地解決這一問題。它通過對太陽電池輸出電壓、電流的檢測，得到電池當前的輸出功率，再將它與前一時刻的記憶功率相比較，從而確定給定電壓調整的方向。若△ P>0，說明參考電壓調整的方向正確，可以繼續(xù)按原來的方向調整；若△ P<0，則說明參考電壓調整的方向錯誤，需要改變調整的方向。采用擾動觀察法的優(yōu)點是控制思路簡單，實現(xiàn)較為方便，可實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤，提高系統(tǒng)的利用效率。但其缺點是穩(wěn)態(tài)時只能在最大功率點附近振蕩運行；存在著因功率跟蹤過程中非單調性造成的誤差；存在著因自身算法的不嚴謹，而在日照強度變化時產(chǎn)生跟蹤錯誤。除了以上兩種方法，最大功率點跟蹤的方法還有很多：最優(yōu)梯度法、滯環(huán)比較法、間歇掃描法、實時監(jiān)控法、模糊控制法等等。這些方法都各具優(yōu)缺點，這罩就不再詳細介紹。最大功率點跟蹤方法的實現(xiàn)本文采用電導增量法來實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟隨，雖然此方法對硬件要求較高，其算法在跟蹤的過程中需花費相當多的時間去執(zhí)行 A／D轉換，但這對現(xiàn)在的快速 DSP芯片來說已不成為問題。電導增量法最大的優(yōu)點，是當太陽電池上的照度產(chǎn)生變化和表面溫度產(chǎn)生變化時，可以始終向后級負載提供最大功率，并同時滿足快速和高精度的要求。該子程序在周期中斷罩面實現(xiàn)，其程序流程圖如圖 3-7所示。圖3-7電導增量法的控制流程圖圖3-7中，通過采樣電壓、電流值 UPV， IPV然后計算當前的功率 PPV,再判斷電壓差值是否為零?（因后面做除法時分母不得為零 ）若為零則再判斷電流差值是否為零 ?若都為零則表示阻抗一致，擾動值 UREF不變。若電壓差值為零，電流差值不為零，則表示光照強度有變化，電流差值大于零 UREF值增加；電流差值小于零 UREF值減少。再來討論電壓差值不為零時，若成立則表示功率曲線斜率為零 (達最大功率點 )，若電導變化量大于負電導值，則表示功率曲線斜率為正， UREF值將增加，反之 UREF值將減少。逆變器控制電路設計逆變器的控制電路是采用 TMS320LF2407ADSP作為主控單元，其中還包括電流電壓采樣電路、 SPW電路、M IPM驅動電路和 CAN控制器通信電路。DSP電源設計TMS320LF2407ADS芯片采用高性能靜態(tài)P COM技術，使得供電電壓降到S 3．3V，而不是通常單片機所使用的 5V電源，減少了控制器的損耗。而現(xiàn)在常規(guī)的電源系統(tǒng)都是 5V電源，所以需要一個 DC／DC轉換電路將 5V電源轉換為可以給 DSP使用的 3．3V電源。本文采用 TPS7333Q芯片將 5V的直流電轉化為穩(wěn)定的 3．3V直流電供給 DSP。A／D轉換電路DSP基準電源TMS320LF2407的AA／D轉換模塊電源電壓為 DSP的供電電壓，一般—如轉換參考基準電壓也不大于 3.3V。本次設計選用 MAXIM公司的 MAX600為3A仍轉換建立參考基準電壓。 MAX600精度為3 1％，溫度系數(shù)為 100ppm／C，適用溫度范圍 40℃～ 85℃，輸出電壓為 3.000V。由于 A／D轉換的參考基準電壓為 3.0V,因此采樣模擬信號要處理調整成0～3V范圍內(nèi)的電壓信號，然后再輸入到模擬輸入通道進行轉換。并網(wǎng)電流側電流采樣電路采樣并網(wǎng)輸出交流側的電流，電流信號首先要轉換成電壓信號才能對其進行處理。所以我們此次選用深圳迦威公司生產(chǎn)的 CSK3-100A的霍爾電流互感器，他可以將所采集到的電流直接轉化為 -4～+4V的電壓信號，從而減少使用串聯(lián)電阻所引起的人為損耗。再通過精密電壓放大器 INAll4，電壓偏執(zhí) 1.5V后，并使其輸出電壓滿足 A／D轉換所允許的電壓范圍 O～3V。直流輸入電壓采樣電路前端的輸入電壓為直流電壓，其采樣無需外加直流電壓偏置，但仍要保證采集的電壓在 0～3V以內(nèi)。本文選用森社電子生產(chǎn)的 CHV-25P霍爾電壓傳感器，其輸出范圍為 0～5V，我們采用分壓電阻 3VR2使其采集到的電壓信號控制在 0～3V之間。A／D轉換電路模塊還包括市電電壓采樣電路、并網(wǎng)電壓平均值采樣電路、太陽能電池輸出電流和電壓以及電壓和電流的相位檢測電路，這些電流電壓采集電路都和以上所介紹的電路基本類似，在此就不在詳細介紹。SPWM信號發(fā)生電路TMS320LF2407共有兩個事件管理模塊A (EVA,EVB)，共能控制輸出 16路PWM信號。由于設計中只需控制逆變器的 4個IGBT，因此只用到其中一個事件管理模塊 (EVA)的4路PW信號：M PWMl-PWM，其余4 8路留作擴展。要產(chǎn)生一個 PW信號，需要一個合適的定時器來重復產(chǎn)生一個與M PW周期相同的M計數(shù)周期，一個比較寄存器保持著調制值。比較寄存器的值不斷地與定時計數(shù)器的值相比較，當兩個值匹配時，在相應的輸出上就會產(chǎn)生一個變換 (從高到低或從低到高)。當兩個值之間的第一個匹配產(chǎn)生或一個定時周期結束時，相映的輸出上會產(chǎn)生又一個轉換 (從低到高或從高到低 )。在每個定時器周期中，這個過程都會出現(xiàn)，但每次比較寄存器中的調制值是不同的，這要由控制軟件根據(jù)每個采樣周期的反饋量實時計算得到。這樣在相應的輸出引腳就會產(chǎn)生一個 PW信號。詳細的M PW的產(chǎn)生過M程將在控制軟件的實現(xiàn)中進一步闡述 。逆變器驅動電路本次設計使用的 IPM模塊是使用 IGBT作為功率開關元件， IGBT的驅動條件與其特性密切相關。在設計門極驅動電路時應特別注意開通特性，負載短路能力和誤觸發(fā)等問題。對驅動電路總的要求包括以下方面：IGBT是電壓驅動，具有一個 2.5～5.0V的開啟電壓，有一個容性輸入阻抗，因此， IGBT對柵極電荷集聚敏感，故驅動電路必須很可靠，要保證有一低阻抗值的放電回路，即驅動電路與 IGBT的連線要盡量短；用內(nèi)阻小的驅動源對柵極電容放電， 以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿，使 IGBT的開關損耗盡量小， IGBT開通后，柵極驅動源應能夠提供足夠的功率；GBT的柵極驅動電路應盡可能簡單實用， 最好自身帶有對 IGBT的保護功能，并有極強的抗干擾能力。DSP芯片輸出的 PW信號驅動能力相當弱，不能直接驅動各功率管，必須先將此M信號送入到驅動電路，經(jīng)電氣隔離及放大后再去驅動功率器件 IPM模塊。本文選用了TLP250高速光耦作為放大隔離芯片。 TLP250輸出采用推拉結構，最大輸出電流為1.5A，開關頻率最高可達 25kHz，上升沿和下降沿時問只有 150ns，隔離電壓可達2500V。3.5.5CAN通信電路CAN(ControllerAreaNetwork)臣P控制器區(qū)域網(wǎng)，是主要用于各種設備監(jiān)測及控制的一種網(wǎng)絡。 CAN具有獨特的設計思想，良好的功能特性和極高的可靠性，現(xiàn)場抗干擾能力強。與傳統(tǒng)的通信方法 (232、485串口通信 )相比 CAN具有如下特點：結構簡單，只有兩根線與外部相連，且內(nèi)部含有錯誤探測和管理模塊；通信方式靈活，可以多主方式工作；直接通信距離最大可達 10km，最高通信速率可達 1Mb／s；CAN采用 CRC檢驗并可提供錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。為了保障逆變系統(tǒng)的正常運行而且可以實時的查看系統(tǒng)運行時的各種狀態(tài)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的智能化管理，系統(tǒng)設計中加入了通信電路模塊。本文設計中采用 DSP中的CAN通信接口。在實驗過程中，可以把控制系統(tǒng)與上位機相連，將系統(tǒng)運行過程中的各個單元的狀態(tài)發(fā)送給上位機，以便設計人員及時找到系統(tǒng)的不足加以改正。同時加入通信接口也是為了以后多臺逆變系統(tǒng)并機運行，共同并網(wǎng)發(fā)電時系統(tǒng)之間傳輸一個統(tǒng)一的輸出控制，保證各個并聯(lián)的逆變系統(tǒng)均流輸出。4光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島效應的仿真實驗研究孤島效應的分析孤島效應是當電網(wǎng)的部分線路因故障或維修停電時， 停電線路由所連的并網(wǎng)系統(tǒng)繼續(xù)供電，并連同周圍負載構成一個自給供電的孤島情況。孤島效應的檢測和防止一般是通過監(jiān)控并網(wǎng)系統(tǒng)輸出端電壓的幅值和頻率實現(xiàn)的。當電網(wǎng)斷開時，由于并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率和負載功率之間的差異會引起并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓的幅值或頻率發(fā)生相當?shù)母淖?，這樣通過監(jiān)控系統(tǒng)輸出的電壓就可以很方便地檢測出孤島效應。然而，當負載消耗的功率與光伏系統(tǒng)相匹配的時候，通過這種被動的檢測方法檢測孤島效應就會變得困難。當有許多光伏系統(tǒng)同時向電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電時，甚至很多主動檢測的方法也失去了效果。實際并網(wǎng)系統(tǒng)中，雖然發(fā)生孤島效應的概率不高，但在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模越來越大的情況下，這種可能性仍然存在。逆變器并網(wǎng)運行時，輸出電壓是由電網(wǎng)電壓控制的，并網(wǎng)逆變器能控制的只是并網(wǎng)電流，包括電流幅值、相位和頻率。其中頻率和相位與電網(wǎng)電壓相同，實際系統(tǒng)中一般都是通過與公共耦合點電壓過零點同步來實現(xiàn)的，幅值都是根據(jù)實際系統(tǒng)來可調的。因為在研究孤島檢測技術時，關心的只是逆變電源的輸出特性。所以，在研究孤島檢測技術時，逆變電源可以等效為一個幅值可調、頻率和相位都跟蹤電網(wǎng)的受控電流源。孤島效應的檢測和防止一般是通過監(jiān)控并網(wǎng)系統(tǒng)輸出端電壓的幅值和頻率實現(xiàn)的。當電網(wǎng)斷電時，通常由于并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率和負載功率之間的巨大差異會引起系統(tǒng)輸出電壓的幅值或頻率發(fā)生很大改變，這樣通過監(jiān)控系統(tǒng)輸出的電壓可以很方便地檢測出孤島效應。圖 4-1是用于檢測并網(wǎng)逆變器孤島效應的示意圖，它由光伏并網(wǎng)系統(tǒng)、本地負載 （使用并聯(lián)的 RLC電路組成 ）以及電網(wǎng)組成。4-1逆變器孤島效應示意圖孤島效應檢測仿真實驗根據(jù)本文設計的系統(tǒng)，選用主動頻率偏移法來檢測孤島效應。通過周期性擾動系統(tǒng)輸出電壓頻率，當電網(wǎng)斷電時，由于沒有固定的電網(wǎng)頻率，整個系統(tǒng)的輸出頻將一直升高， 最終導致超過頻率保護的上限值。 在此，我們每個周期給輸出電壓 0．IHz的擾動。整個系統(tǒng)的反孤島效應的仿真圖如圖 4-2所示。4-2孤島仿真模型

4-2孤島仿真模型4-3反孤島效應仿真結果圖從結果我們可以看出，系統(tǒng)在 0．1s與電網(wǎng)斷開后，輸出電壓由于沒有電網(wǎng)的穩(wěn)定頻率，導致頻率越來越大，經(jīng)過 lOOms達到 50．5Hz，此時系統(tǒng)的高頻保護將檢測出系統(tǒng)的頻率異常，而將并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)斷開。結論本文針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的核心問題，對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的關鍵技術進行了深入的研究，并在此基礎上建立起一套相對完善的光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器實驗平臺?，F(xiàn)將本文的主要研究工作總結如下：分析了全橋逆變電路的工作原理，研究了直流側和交流側濾波器的設計依據(jù)，推導并提供了主電路關鍵參數(shù)的計算公式。針對逆變器并網(wǎng)運行特點，結合電流控制和電壓控制的優(yōu)點，選用基于 DSP的PW電流電壓雙閉環(huán)控制方法。M研究了太陽能電池伏．安曲線與逆變器最大功率跟蹤技術之間耦合關系，選用電導增量法來實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤。選用主動頻率偏移法作為本系統(tǒng)的孤島防止方法，并用 MATLAB7．0中Simulink仿真工具對該方法進行了仿真。從仿真結果可知，此方法能夠達到反孤島。根據(jù)系統(tǒng)總體設計要求，開發(fā)了基于 TMS320LF2407ADS芯片并網(wǎng)逆變器樣機，P對其硬件電路及軟件程序進行了分模塊調試，給出了實驗結果。通過分析實驗波形，證明了所設計的樣機系統(tǒng)在設計思想、實際應用上都是可行的。但一些功能和參數(shù)方面仍需許多實驗進一步驗證和完善，有待于后續(xù)者進一步研究和改進。致謝首先我要由衷地感謝我的導師武漢理工大學張立炎副教授，本文是張老師的精心指導和親切關懷下完成的。在最后一學期期間里，張老師一直在學習、科研、生活各個方面都給予我極大的關懷。在論文的選題、研究方向和研究方案的確立以及撰寫的過程中，始終凝聚著張立炎副教授的悉心指導和親切教誨。導師為人和藹而不失嚴格，其淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、高度的責任心、精益求精的工作作風、豐富的實踐經(jīng)驗給我留下了深刻的印象，半年里一直是激發(fā)我奮發(fā)向上的動力源泉。在此，謹向導師張立炎副教授表示衷心的感謝和崇高的敬意!在課題準備和研究過程中，還得到了郭磊老師、徐春燕老師、梅秋艷老師的熱心指點，為論文的撰寫打下了堅實的基礎。對幾位老師在百忙之中給予的無私幫助表示深深的謝意。此外，還要感謝季凱健等同學的幫助和支持，和你們分享的不僅僅是學習的進步，同時還有生活中的快樂。在這一學期的時間里他們在生活中始終給予了我無微不至的關心、鼓勵我專心完成學業(yè)。他們一直是我精神上不竭的動力。感謝所有幫助過我的老師們、同學們和朋友們!參考文獻李春鵬，張廷元，周封．太陽能光伏發(fā)電綜述． 電工材料 .2006，(3)：45-47.馬勝紅，趙玉文．光伏發(fā)電在我國電力能源結構中的戰(zhàn)略地位和未來發(fā)展向． 太陽能.2005，(4)：10-16.M．AGREEN．ThirdGenerationPhotovoltaicsComparativeEvaluationofAdvancedSolarConverSionOptions，29mIEEEPhotovoltaicSpecialistsConL2002：39-43.王長貴．新能源和可再生能源的現(xiàn)狀和展望． 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇論文集 .2003.(9)：4-7.蔡宣三．太陽能光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢．電力電子 .2007，(2)：3-6.楊軍．太陽能光伏發(fā)電前景展望．沿海企業(yè)與科技 .2005，(8)：37-42.車孝軒．太陽能光伏系統(tǒng)概論．武漢：武漢大學出版社， 2006.H．C．MAO．ReviewofHigh-performanceThree-phasePower-Factorcorrectioncircuits．IEEETIE，1997，(4)：437-6.郭沽，丁麗，劉向陽．太陽能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢． 許呂學院學報 .2006，：13-19.張耀明．中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與前景．能源研究與利用 .2007，：51-54.X.S.CAI.AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy．RenewableNnrgiesPresent&Future.2005,24(1):25-28.李文婷，劉宏，陳慧玲．國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電發(fā)展綜述．青海電力 .2004，：17-21.宮白強，季福坤．我國太陽能應