單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路

單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)TheMainCircuitDesignofSingle-phasePhotovoltaicInverterSystem畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題目單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)內(nèi)容光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變系統(tǒng)是極其重要的環(huán)節(jié)，其可靠性直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。逆變系統(tǒng)主電路采用單相單極性SPWM全橋式逆變電路(單相全橋+輸出變壓器隔離)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)主電路及IGBT吸收電路原理進(jìn)行理論分析，并在MATLAB下進(jìn)行建模仿真。逆變系統(tǒng)主電路輸出電能有大量高頻諧波存在，而負(fù)載要求電能清潔無(wú)污染，因此，在主電路輸出端加一個(gè)低通濾波器，濾除高頻諧波。二、設(shè)計(jì)條件逆變系統(tǒng)主電路的各項(xiàng)參數(shù)為：輸入電壓：230VDC--270VDC輸出電壓：220VAC輸出額定電流：5A開(kāi)關(guān)頻率：17KHz最大輸出功率：1.1kW三、基本要求1.分析光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的工作原理，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；2.設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)主電路、參數(shù)計(jì)算、器件選型；3.主電路仿真實(shí)現(xiàn)；4.設(shè)計(jì)緩沖電路，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，緩沖電路仿真實(shí)現(xiàn)；5.輸出濾波器的設(shè)計(jì)。四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)[1]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.五、進(jìn)度計(jì)劃第1-2周開(kāi)題報(bào)告第3周搜集資料，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第4-6周設(shè)計(jì)主電路，參數(shù)計(jì)算，器件選型，主電路仿真實(shí)現(xiàn)第7周中期檢查第9-13周設(shè)計(jì)緩沖電路，參數(shù)計(jì)算，仿真實(shí)現(xiàn)，輸出濾波器的設(shè)計(jì)第14-15周答辯教研室主任簽字時(shí)間年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告題目單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)一、研究背景隨著全球人口的增加以及工業(yè)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求越發(fā)的增多，但是，自然界的一次能源儲(chǔ)量有限，能源危機(jī)迫在眉睫。就連近代才發(fā)展起來(lái)的核能發(fā)電的原料鈾的儲(chǔ)量也是有限的，而且還存在著安全與污染的難題，同樣不能解決長(zhǎng)期的穩(wěn)定的供電難題。同時(shí)，一次能源的開(kāi)采、運(yùn)輸及使用的過(guò)程中都會(huì)對(duì)人類(lèi)生存的環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。目前，由于大量使用一次能源，全世界每年產(chǎn)生約1億噸的溫室效應(yīng)氣體，已經(jīng)造成了特別嚴(yán)重的大氣污染，全秋表面氣溫逐年增高，造成冰山融化，海平面上升，如果再不加以控制，人類(lèi)的生存空間也將會(huì)受到限制。與此同時(shí)人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)也在不斷的提高，因此尋找清潔的可再生的代替能源變得越來(lái)越重要。通過(guò)研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能是一種綠色的清潔替代能源。并且太陽(yáng)能是取之不盡的可再生能源并且不需要開(kāi)采和運(yùn)輸。太陽(yáng)能作為一種新能源還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是清潔無(wú)污染，沒(méi)有任何物質(zhì)的排放，不會(huì)留下污染物。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，而且太陽(yáng)能發(fā)電本身不向外界排放廢物，沒(méi)有機(jī)械噪聲。因此太陽(yáng)能是一種非常理想的替代能源。隨著電力電子的技術(shù)的不斷完善，越來(lái)越多的國(guó)家大力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏應(yīng)用仍然以獨(dú)立供電系統(tǒng)為主，并網(wǎng)系統(tǒng)剛剛起步，但是也取得了不少成果。例如:提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的一種新方案，即一種應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的直接電流跟蹤滯環(huán)控制方法;通過(guò)應(yīng)用狀態(tài)反饋線性化方法設(shè)計(jì)了一種非線性控制器，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器有功、無(wú)功分量的獨(dú)立控制;小功率、高效率等光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn);最大功率點(diǎn)跟蹤得以研究。高校研究方面，教育部在合肥工業(yè)大學(xué)成立教育部光伏工程系統(tǒng)研究中心，取得了一系列可喜成果。中科院電工所也致力于光伏發(fā)電的研究并于1998年10月在西藏安多縣建成100KW光伏電站，這是目前我國(guó)發(fā)電容量最大、設(shè)備配套最先進(jìn)、最完善的大型光伏電站。此外，清華大學(xué)和浙江大學(xué)以及武漢大學(xué)也在光伏發(fā)電方面取得了一定的成果。2.國(guó)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，并網(wǎng)發(fā)電逐漸成為太陽(yáng)能光伏發(fā)電的主要應(yīng)用領(lǐng)域，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸形成，并持續(xù)高速發(fā)展。目前國(guó)外并網(wǎng)逆變器技術(shù)發(fā)展十分迅速，其研究主要集中在數(shù)字鎖相技術(shù)、數(shù)字DSP控制技術(shù)、孤島檢測(cè)技術(shù)，和運(yùn)用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，以及綜合考慮以上方面的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等，解決了最大功率點(diǎn)跟蹤及逆變器設(shè)計(jì)問(wèn)題，在一定程度上提高了太陽(yáng)能光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率。此外，國(guó)外有些并網(wǎng)逆變器同時(shí)具有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行功能。綜上所述，目前國(guó)外光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的研發(fā)主要集中在最大功率跟蹤和逆變環(huán)節(jié)集成的單級(jí)能量變換上，功率主要為幾百瓦到五千瓦的范圍,控制電路主要采用數(shù)字控制，注重系統(tǒng)的安全性、可靠性和擴(kuò)展性，均具有各種完善的保護(hù)電路。三、主要技術(shù)指標(biāo)1.主要工作本設(shè)計(jì)主要就是進(jìn)行單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的主電路的設(shè)計(jì)。逆變系統(tǒng)是極其重要的環(huán)節(jié)。其中逆變系統(tǒng)主電路采用單相單極性SPWM全橋式逆變電路(單相全橋+輸出變壓器隔離)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要對(duì)其進(jìn)行參數(shù)計(jì)算以及器件選型，也要對(duì)IGBT緩沖電路進(jìn)行詳細(xì)的理論分析計(jì)算，并在MATLAB下進(jìn)行了仿真研究。在此基礎(chǔ)上完成主電路的設(shè)計(jì)調(diào)試，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.采用的方法、手段根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸入電壓為230VDC--270VDC，輸出電壓為220VAC，光伏發(fā)電就是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，此時(shí)的轉(zhuǎn)換的電為直流電，再將得到的直流電轉(zhuǎn)換成為220V的交流電。分析光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的工作原理，逆變系統(tǒng)的主電路采用單相單極性SPWM全橋式逆變電路，還需設(shè)計(jì)一個(gè)IGBT的緩沖電路起到保護(hù)作用。并且由于逆變系統(tǒng)主電路輸出電能有大量高頻諧波存在，而負(fù)載要求電能清潔無(wú)污染，因此，在主電路輸出端加一個(gè)低通濾波器，濾除高頻諧波，以達(dá)到預(yù)期的效果，并在MATLAB下進(jìn)行建模仿真。四、預(yù)期達(dá)到的結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析計(jì)算及仿真結(jié)果吻合，主電路輸出波形良好，緩沖電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，主電路及IGBT緩沖電路研究方案正確可行有效。指導(dǎo)教師簽字時(shí)間年月日摘要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的依賴(lài)日益加重，能源短缺和環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的矛盾日益突出。人類(lèi)為尋求經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，不斷在探索可再生的環(huán)保的新能源。太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的可再生的環(huán)保能源，成為人類(lèi)研究及開(kāi)發(fā)利用的熱點(diǎn)，并已經(jīng)取得了顯著的成果。本文以光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)為研究對(duì)象，逆變系統(tǒng)的主電路采用單相全橋+輸出變壓器隔離，IGBT緩沖電路采用的是RCD緩沖電路，進(jìn)行了輸出濾波器的設(shè)計(jì)。并且對(duì)主電路、IGBT緩沖電路以及輸出濾波器進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和器件選型，最后在MATLAB環(huán)境下完成建模與仿真。最終，在MATLAB中完成建模，單相全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡敵鲭妷簽?20V和輸出電流為5A。緩沖電路消除了尖峰電壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT的保護(hù)。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路MATLABAbstractWiththerapiddevelopmentofsocialeconomy,thehumandependenceonenergyincreasing,energyshortageandenvironmentalpollutionandrapideconomicdevelopmentofincreasinglyprominentcontradictions.Humanbeingstoseekfortheeconomicsustainabledevelopment,andconstantlyexploringrenewablenewenergyofenvironmentalprotection.Solarenergyasaninexhaustible,inexhaustiblerenewablegreenenergy,isbecomingahotspotofresearchanddevelopmentandutilizationofhuman,andhasmadesignificantprogress.Photovoltaicinvertersystemastheresearchobjectinthispaper,TheSingle-phasefull-bridgeandtheisolationofoutputtransformertopologyisselectedinmaincircuitofinvertersystem.TheIGBTbuffercircuitisusedinRCDbuffercircuit.Butalsotocompletetheoutputfilterdesign.Andcompletethemaincircuit,IGBTbuffercircuit,anoutputfilterparametercalculationanddeviceselection.Finally,completedmodelingandsimulationintheMATLABenvironment.Finally,CompletedthemodelinMATLAB,Single-phasefull-bridgeinvertercircuitsachievetheDCintotheAC,theoutputvoltageis220Vandtheoutputcurrentis5A.BuffercircuiteliminatesthevoltagespiketoprotecttheIGBT.Keywords:PhotovoltaicinvertersystemThemaincircuitMATLAB應(yīng)用光伏學(xué)所謂光伏，是指以太陽(yáng)能電池為媒介，將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。1839年，19歲的法國(guó)年輕科學(xué)家埃德蒙·貝克勒爾在其父親的實(shí)驗(yàn)室中成功研制了世界上第一枚光伏器件。然而.對(duì)于光伏效應(yīng)的理解與探索，則是基于20世紀(jì)最為至關(guān)重要的兩項(xiàng)科技進(jìn)步之上。其一，是作為20世紀(jì)人類(lèi)重大智慧成果的量子力學(xué)的發(fā)展。其二，是以量子論為基石的半導(dǎo)體技術(shù)，成就了磅礴的電子工業(yè)革命，并引導(dǎo)了光子技術(shù)的新興。對(duì)于現(xiàn)代光伏科技的發(fā)展史，Loferski(1993)作出了饒有趣味的描述。對(duì)于追溯到1839年的一些早期的歷史，Crossley(1968)等幾位學(xué)者則記述了更偏重于技術(shù)性的細(xì)節(jié)。值得慶幸的是，不僅擁有完備的理論基礎(chǔ)，太陽(yáng)能電池在使用上的簡(jiǎn)潔與可靠同樣是該技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)之一。在本書(shū)的最初幾個(gè)章節(jié)中，將著重于探索光伏過(guò)程中最重要的兩個(gè)組成部步分一一作為能量源泉的太陽(yáng)光以及通過(guò)精巧的內(nèi)部機(jī)制，將光能轉(zhuǎn)化為電能的太陽(yáng)能電池本身的性質(zhì)，接下來(lái)則會(huì)提及太陽(yáng)能電池和組件的生產(chǎn)工藝，其后是各類(lèi)光伏系統(tǒng)的介紹，包括太陽(yáng)能汽車(chē)、住房的獨(dú)立電源供給或水泵系統(tǒng)以及大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電站等?！稇?yīng)用光伏學(xué)》一書(shū)的主旨，是向有關(guān)從業(yè)人員提供光伏系統(tǒng)操作原理的一些基本借息，使之了解光伏的各種應(yīng)用并能從事簡(jiǎn)單的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本書(shū)是基于澳大利亞新南威爾士大學(xué)光伏與太陽(yáng)能工程、再生能源工程與電氣工程的本科生課程教學(xué)資料而編寫(xiě)的，并將繼續(xù)被用作標(biāo)準(zhǔn)敏材。作者期望，隨著掌握光伏概念及應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的畢業(yè)生的逐年增加，能夠?yàn)樯鐣?huì)提供優(yōu)秀的工程師，以參與并推選全球光伏工業(yè)的高速發(fā)展。1.光伏動(dòng)力運(yùn)輸相時(shí)于機(jī)動(dòng)交通工具的巨大功率和能量需求而言，太陽(yáng)能電池的受光面積十分有限。因此由太陽(yáng)能直接向交通工具提供載人載貨的能源較難實(shí)現(xiàn)。但是太陽(yáng)能能夠作為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的一個(gè)補(bǔ)充，它使用現(xiàn)有的電網(wǎng)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)，比如德國(guó)的電車(chē)。在卡爾斯魯厄媒體和藝術(shù)中心屋頂上安裝的光伏組件(100kW)披用于驅(qū)動(dòng)卡爾斯魯厄城市有軌電車(chē)系統(tǒng)。組件所產(chǎn)生的能量作為通常的電網(wǎng)供電的補(bǔ)充，直提供給有軌電車(chē)。系統(tǒng)連接了巨大直流負(fù)載，因此并不需要安裝儲(chǔ)電設(shè)備或逆變器。與此相類(lèi)似地，在漢諾威有一個(gè)250kW的系統(tǒng)也正在運(yùn)行中。在瑞士伯爾尼，一個(gè)固定的地面安裝的24kW的光伏陣列為國(guó)會(huì)建筑旁邊的索道鐵路提供了充足的電力的補(bǔ)充。這個(gè)系統(tǒng)于1992年安裝，分別在1993年和1994年為鐵路提供了其所需的105%和95%的電能。在意大利利沃諾附近，一個(gè)36kW的系統(tǒng)提供了索道所需要的所有電能。隨車(chē)攜帶的太陽(yáng)能電力補(bǔ)充對(duì)運(yùn)輸來(lái)說(shuō)也十分的實(shí)用。一些小型城市用車(chē)已經(jīng)在車(chē)頂裝上了太陽(yáng)能電池并走向市場(chǎng)。但其銷(xiāo)售額并不大，在英國(guó)一輛太陽(yáng)能公共汽草的革頂上組成安裝了15個(gè)光伏組件，專(zhuān)門(mén)用于英國(guó)皇家植物園內(nèi)為傷殘參觀者提供運(yùn)輸服務(wù)。還有一個(gè)連鎖超市，在運(yùn)貨卡車(chē)的車(chē)頂上安裝光伏組件，用于提供車(chē)載冷庫(kù)的能源。同樣地，在美國(guó)卡車(chē)上的光伏組件被用于給車(chē)上的蓄電池充電，即使卡車(chē)停止不啟動(dòng)引擎，蓄電池也能始終保持充滿(mǎn)狀態(tài)。在歐洲，公路噪音隔離護(hù)欄需要在價(jià)格高昂的結(jié)構(gòu)隔離材料上投入巨額資金，這就給并網(wǎng)光伏組件提供了應(yīng)用空間。此外，這種應(yīng)用也為太陽(yáng)能提供了一個(gè)向公眾展示與宣傳的平臺(tái)。最好的一個(gè)例子就是在阿姆斯特丹機(jī)場(chǎng)附近的A9高速公路上安裝了220kW的系統(tǒng)，該系統(tǒng)延伸了1.65km。太陽(yáng)能船對(duì)于那些限制燃料溢出的區(qū)域，比如湖泊，還有對(duì)于那些限制噪音的場(chǎng)所，比如自然保護(hù)區(qū)，是十分具有吸引力的。瑞士的日內(nèi)瓦湖上，從洛桑到圣敘爾皮斯區(qū)有兩艘太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)往返客運(yùn)船自1997年開(kāi)始投入了使用，每艘船可以乘坐24名乘客。船的電動(dòng)馬達(dá)由覆蓋在船頂?shù)膶⒔?4的太陽(yáng)能電池組件驅(qū)動(dòng)。這樣提供一種公用的無(wú)環(huán)境污染的運(yùn)輸方式。在陰天光照不足的情況下，這些船可以停在碼頭上進(jìn)行充電。在瑞士的湖上有一艘長(zhǎng)達(dá)27.5m的“沙錐號(hào)”，它能承載60名乘客，該船由一個(gè)1.8kW的光伏陣列驅(qū)動(dòng)。能量存儲(chǔ)采用的是一個(gè)180V、72Ah的蓄電池。悉尼港的“太陽(yáng)水手號(hào)”是一艘觀光游船，該船由太陽(yáng)能、風(fēng)能以及一個(gè)高效安靜的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。船的“帆”由許多塊玻璃纖維翼板構(gòu)成，板的上表面安裝有太陽(yáng)能電池。這些翼板可以旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整到最佳的風(fēng)動(dòng)以及最佳的接收太陽(yáng)能的狀態(tài)。太陽(yáng)能飛艇是一個(gè)很活躍的研發(fā)領(lǐng)域，利用飛艇的巨大表面安裝輕型光伏組件，用于貨物運(yùn)輸、通信、遠(yuǎn)程傳感以及大氣測(cè)量的太陽(yáng)能飛行器的構(gòu)想方案已經(jīng)被提出。美國(guó)國(guó)家航空航天局的太陽(yáng)能無(wú)人駕駛飛機(jī)在2003年不幸失事，但是歷時(shí)20天的單人駕駛的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)飛機(jī)的環(huán)球飛行正在計(jì)劃中。如果蓄電池存儲(chǔ)容量沒(méi)有重大突破的話，這次飛行中途至少需要7次降落補(bǔ)給。2.太陽(yáng)能汽車(chē)太陽(yáng)能汽車(chē)賽為太陽(yáng)能電池尤其是高效率太陽(yáng)能電池提供了一個(gè)規(guī)模不大但不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)，近期的太陽(yáng)能汽車(chē)賽包括從1987年在澳大利亞開(kāi)始的以及在20世紀(jì)90年代早期在美國(guó)、日本和歐洲舉行的賽事。由于太陽(yáng)能電池在賽車(chē)上的安裝面積受到限制，在汽車(chē)賽中太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是至關(guān)重要的。在這些賽事中，為追求設(shè)計(jì)上的極限，車(chē)隊(duì)經(jīng)營(yíng)會(huì)不計(jì)成本地投入，目前最好的用于該賽事的電池是600美元每瓦。世界上是近的太陽(yáng)能汽車(chē)挑戰(zhàn)賽中最好的賽車(chē)使用極其昂貴的砷化鎵電池，通常這樣的電池只用在空間領(lǐng)域，然而很多名列前茅的大學(xué)生車(chē)隊(duì)使用的是普通太陽(yáng)能電池，這是因?yàn)檫@項(xiàng)賽事同樣強(qiáng)調(diào)汽車(chē)效率的設(shè)計(jì)，包括：(1)空氣動(dòng)力學(xué)(比車(chē)體重量更關(guān)鍵的設(shè)計(jì))；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)效率(通常使用兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī))；(3)功率調(diào)控和控制電路；(4)蓄電池儲(chǔ)能密度以及蓄電池的效率。目前，在市場(chǎng)上出現(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)可能還需要很多年，是由于需要：(1)降低成本；(2)和其他交通工具的道路的兼容性，比如卡車(chē)；(3)運(yùn)輸部門(mén)的認(rèn)可，尤其在安全性方面；(4)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性設(shè)計(jì){盡管這在快速地發(fā)展)；(5)消費(fèi)者的認(rèn)可；(6)大批量生產(chǎn)的輕型太陽(yáng)能電池組件；(7)制動(dòng)能量回饋，在頻繁停車(chē)發(fā)生的情況下保持效率(現(xiàn)在此技術(shù)已經(jīng)成熟，并在混合動(dòng)力汽車(chē)上得以應(yīng)用)；(8)建立充電站(這些充電站也可能使用太陽(yáng)能提供電力)。交通工具的零排放或低