光伏發(fā)電逆變器

PAGEPAGEIV摘要隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的推廣和普及，國(guó)內(nèi)對(duì)并網(wǎng)逆變器的需求必將越來(lái)越大，僅僅依靠進(jìn)口已很難解決日益增長(zhǎng)的巨大需要。因此，研制完全實(shí)用化、工程化的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變器成為該領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題，存在著廣闊的市場(chǎng)前景。在此背景下，本文對(duì)正弦波并網(wǎng)逆變器的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制算法研究和系統(tǒng)仿真等方面進(jìn)行了深入探索。首先介紹了國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和廣闊的前景，詳細(xì)分析了并網(wǎng)逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，討論了全橋逆變電路直流側(cè)和交流側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)思路，并推導(dǎo)出逆變電路關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算公式。其次分析了單相電壓控制和單相電流控制的不足，采用了基于DSP軟件算法的電流電壓雙閉環(huán)控制技術(shù)。比較幾種常用的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法，采用能夠快速、準(zhǔn)確跟蹤光伏電池最大輸出功率點(diǎn)的電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。為了使并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻、同相，需要使用鎖相環(huán)技術(shù)。本文詳細(xì)分析了軟件鎖相環(huán)的原理，并結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和繪制軟件流程圖。本文對(duì)孤島效應(yīng)的含義及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了說(shuō)明，分析了產(chǎn)生孤島效應(yīng)的原因和危害，證明了添加反孤島保護(hù)的必要性，并分別對(duì)孤島效應(yīng)的主動(dòng)和被動(dòng)檢測(cè)法進(jìn)行了比較，用MATLAB仿真工具對(duì)本文所采用的主動(dòng)頻率偏移法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。最后，根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，對(duì)并網(wǎng)逆變器控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并制作了基于DSP控制的3kW光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，所采用的控制策略和設(shè)計(jì)的硬件電路能夠滿足設(shè)計(jì)要求，統(tǒng)可安全、穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞光伏逆變器:DSP最大功率點(diǎn)跟蹤軟件鎖相環(huán)孤島效應(yīng)AbstractWiththepromotionandpopularizationofsolarphotovoltaic，therewillbeagreaterdemandforgrid-connectedinvertersinourcountry．Theincreasingdemandforgrid-connectedinvertershasbecomeaproblemwhichcannotbesolvedonlybymeansofimport．Anurgentproblemtobesolvedisthatthestudyanddesignofthephotovoltaicgrid-connectedinvertersmustbefullypracticalinuseandinmanufacture，andthereforetherearedesirablemarketprospectsoftheabove-mentionedproducts．Inthispaper,thegrid-connectedinverterisexploredinthehardwaredesign，controlalgorithmresearch，simulationandsoon．Firstofall，thepresentsituationandbroadprospectofphotovoltaicindustryathomeandabroadareintroduced．Thetopologyandworkingprincipleofgrid-connectedinvertercircuitareanalyzedindetail．AndthedesignideasandprocessesofthefiltersonbothDCandACsidesarediscussed；moreover,theformulasofthekeyparametersofthemaincircuitarederived．Next，thecurrentandvoltagedualclosed-loopcontrolbasedonsoftwarealgorithmsofDSPischosenbyanalyzingthedeficienciesofvoltagecontrolandcurrentcontro1．ThearithmeticofincrementalconductanceofMPPTofgrid-connectedsystemrealizesthetrackingofMPPTbycomparingwithseveralmethodsofMPPTofgrid-connectedsystem．APLL(PhaseLockedLoop)isneededinordertokeepthesamefrequencyandphasesynchronoustothegrid．Inthispaper,theSPLL(softPLL)principleisanalyzedindetail，thedesignschemeandsoftwareflowchartsaregivenbasedonpracticalsystem．Then，themeaningsandthecriteriaoftheanti-islandingareexplainedandthecausesanddisadvantagesofanti-islandingareanalyzed．Andittriestoprovethenecessitytoaddprotectionofanti—islandinginthispaper．Theactiveandpassivedetectingmethodsofanti—islandingareanalyzed；moreover,theanti-islandingofactivefrequencydriftmethodissimulatedandconfirmedbyMATLAB．Finally,accordingtotherequirementofsystemdesign，thegrid-connectedinvertercontrolcircuit，drivecircuitandprotectioncircuitaredesignedingreatdetailandasampleof3kWgrid-connectedphotovoltaicgeneratorbasedonDSPisdesignedandmade．Testresultsshowthatthecontrolstrategyandthedesignedcircuitcansatisfythedesignrequestsandthesystemcanworksafelyandstably．Keywordsphotovoltaicinverter；DSPmaximumpowerpointtrackingsoftPLLanti—islanding目錄摘要 IAbstract II緒論 11光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介 31.1國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電現(xiàn)狀 31.1.1世界光伏發(fā)電現(xiàn)狀 31.1.2我國(guó)光伏發(fā)電現(xiàn)狀 31.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介 41.2.1獨(dú)立系統(tǒng) 51.2.2并網(wǎng)系統(tǒng) 61.3課題的主要研究?jī)?nèi)容 61.3.1主要研究?jī)?nèi)容 61.3.2逆變器的性能指標(biāo) 72光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 82.1系統(tǒng)組成 82.2逆變主電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 82.3全橋逆變電路的工作原理 102.4逆變電路開(kāi)關(guān)器件選擇 112.5逆變電路的吸收保護(hù) 122.5.1直流側(cè)電容的選擇 122.5.2逆變器輸出濾波電路設(shè)計(jì) 123光伏逆變器的控制系統(tǒng)分析與電路設(shè)計(jì) 143.1并網(wǎng)逆變器的控制實(shí)現(xiàn) 143.2并網(wǎng)逆變器輸出控制 153.3逆變電源控制方法 153.3.1電壓反饋控制 153.3.2電流反饋控制 163.3.3基于DSP的PWM電流電壓雙環(huán)控制 173.4MPPT控制方法 183.4.1太陽(yáng)能電池輸出特性 183.4.2太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究 203.4.3最大功率點(diǎn)跟蹤方法的實(shí)現(xiàn) 213.5逆變器控制電路設(shè)計(jì) 223.5.1DSP電源設(shè)計(jì) 223.5.2A／D轉(zhuǎn)換電路 223.5.3SPWM信號(hào)發(fā)生電路 233.5.4逆變器驅(qū)動(dòng)電路 233.5.5CAN通信電路 244光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島效應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)研究…………254.1孤島效應(yīng)的分析………………………254.2孤島效應(yīng)檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)………………26結(jié)論 28致謝 29參考文獻(xiàn) 30緒論21世紀(jì)，人類將面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在環(huán)境污染和資源短缺的雙重制約下，能源問(wèn)題更加突出，而太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量大、普遍存在、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此太陽(yáng)能的利用越來(lái)越受到人們的廣泛重視，成為理想的替代能源。中國(guó)的常規(guī)能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，約為世界總儲(chǔ)量10%。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，太陽(yáng)能將是未來(lái)人類主要能源來(lái)源，可以無(wú)限期的使用，因此世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家和部分發(fā)展中國(guó)家都十分重視太陽(yáng)能在未來(lái)能源供應(yīng)中的重要作用。太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)發(fā)展很快，特別是70年代爆發(fā)的世界性的石油危機(jī)有力的促進(jìn)了太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)努力，太陽(yáng)能光熱利用技術(shù)及其企業(yè)異軍突起，成為能源工業(yè)的一支生力軍。利用太陽(yáng)能的方式很多，主要有太陽(yáng)能發(fā)電，太陽(yáng)能熱利用，太陽(yáng)能動(dòng)力利用等，出于電能是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的直接能源，因此太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能是太陽(yáng)能利用中的最具有前景景的方式，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電是最重要的形式。太陽(yáng)能光伏發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：⑴數(shù)量巨大。每年到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能約為18x1014t標(biāo)準(zhǔn)煤，即約為目前全世界所消費(fèi)的各種能量總和的lxl04倍。⑵清潔干凈。太陽(yáng)能安全衛(wèi)生，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，不損害生態(tài)環(huán)境，是當(dāng)之無(wú)愧的清潔能源。⑶獲取方便。太陽(yáng)能分布廣泛，既不需開(kāi)采和挖掘，又不用運(yùn)輸，對(duì)解決邊遠(yuǎn)山區(qū)以及交通不便的鄉(xiāng)村、海島的能源供應(yīng)具有很大的優(yōu)越性。⑷時(shí)間長(zhǎng)久。只要有太陽(yáng)，就有太陽(yáng)輻射能，因此是取之不盡，用之不竭的能源。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，2020年光伏發(fā)電在世界電力生產(chǎn)中所占比例將達(dá)1％左右，2050年約占25％?？梢詳嘌裕夥l(fā)電正在快速進(jìn)入電力能源結(jié)構(gòu)，并且將逐步成為其重要的組成部分。誰(shuí)掌握了可再生能源和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，誰(shuí)就掌握了未來(lái)發(fā)展的主動(dòng)權(quán)。1光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.1國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電現(xiàn)狀1.1.1世界光伏發(fā)電現(xiàn)狀世界光伏發(fā)電正在由邊遠(yuǎn)農(nóng)村和特殊應(yīng)用向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑結(jié)合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電己由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡。近幾年，世界光伏發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展迅速。近10年太陽(yáng)能電池組件的年平均增長(zhǎng)率為33％，近5年的平均增長(zhǎng)率為43％，2004年比上一年增長(zhǎng)61．2％，光伏發(fā)電已成為當(dāng)今發(fā)展最迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。2004年世界光伏電池組件產(chǎn)量達(dá)到1200MW，其中日本生產(chǎn)610MW，歐洲320MW，美國(guó)135MW，其他國(guó)家135MW。2004年世界光伏系統(tǒng)的總裝機(jī)容量超過(guò)4GW?，F(xiàn)在世界實(shí)力大國(guó)都制定了雄心勃勃的光伏發(fā)電近期發(fā)展規(guī)劃：到20lO年日本計(jì)劃累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到5GWp，歐盟3GWp(其中德國(guó)2.7GWp)，美國(guó)4.7GWp，澳大利亞0.75GWp，印度、中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家估計(jì)為1.5～2GWp。統(tǒng)計(jì)資料表明至2010年，世界光伏系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將達(dá)至14～16GWp。世界光伏發(fā)展目標(biāo)見(jiàn)表1-1。1.1.2我國(guó)光伏發(fā)電現(xiàn)狀中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，90年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期。太陽(yáng)電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。到2005年底，中國(guó)光伏電池總產(chǎn)量超過(guò)250MW，光伏組件總產(chǎn)量超過(guò)400MW。中國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)的發(fā)展為：90年代初期，光伏發(fā)電主要應(yīng)用在通信和工業(yè)領(lǐng)域，包括微波中繼站、衛(wèi)星通信地面站、程控電話交換機(jī)、水閘和石油管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)等。從1995年丌始主要應(yīng)用在特殊應(yīng)用領(lǐng)域和邊遠(yuǎn)地區(qū)，逐步建立了較大型的光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)，建成各種規(guī)模的縣、鄉(xiāng)、村級(jí)光伏電站40多座，推廣應(yīng)用家用光伏電源系統(tǒng)約15萬(wàn)套。2000年以后，中國(guó)的光伏技術(shù)已步入大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電階段，開(kāi)始建造100kWp級(jí)的光伏并網(wǎng)示范系統(tǒng)。雖然我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，但與世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相比，國(guó)內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)還處于規(guī)模小、基礎(chǔ)薄弱的階段，應(yīng)用市場(chǎng)不夠穩(wěn)定，同時(shí)還缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定的激勵(lì)政策和長(zhǎng)效發(fā)展機(jī)制；太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用還不多；光伏系統(tǒng)和相關(guān)部件的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平還有待進(jìn)一步提高；光伏發(fā)電成本還需不斷降低。在2004年10月中國(guó)可再生能源發(fā)展項(xiàng)目辦公室所作《中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告》中，對(duì)國(guó)內(nèi)太陽(yáng)級(jí)多晶硅的描述是“我國(guó)光伏專用太陽(yáng)級(jí)硅材料的研制和生產(chǎn)是空白”。在系統(tǒng)工程方面，由于受到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多種因素的制約，許多具有市場(chǎng)潛力的應(yīng)用領(lǐng)域，光伏或風(fēng)一光一柴互補(bǔ)電站系統(tǒng)、光伏海水淡化系統(tǒng)、太陽(yáng)能水泵滴灌工程、太陽(yáng)能電動(dòng)車、光伏制氧系統(tǒng)以及較大規(guī)模的光伏并網(wǎng)發(fā)電等都還沒(méi)有真正發(fā)展起來(lái)。因此，我國(guó)的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)還有大量工作亟待完成。國(guó)家（地區(qū)）2010年2020年2030年日本53072歐盟31530美國(guó)4.71525其它國(guó)家31023總計(jì)15.77070表1-1世界光伏發(fā)展目標(biāo)(累計(jì)裝機(jī)容量，GWp)1.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)按與電力系統(tǒng)的關(guān)系分類，通常分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與常規(guī)電力系統(tǒng)相連而獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)，通常建設(shè)在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)或作為野外移動(dòng)式便攜電源。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電力系統(tǒng)連接在一起的光伏發(fā)電系統(tǒng)，像其他類型發(fā)電站一樣，可為電力系統(tǒng)提供有功和無(wú)功電能。1.2.1獨(dú)立系統(tǒng)獨(dú)立型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)載的種類、用途的不同，系統(tǒng)的構(gòu)成也不同。獨(dú)立系統(tǒng)一般都由太陽(yáng)能電池、充放電控制器、蓄電池、逆變器以及負(fù)載（直流負(fù)載、交流負(fù)載)等構(gòu)成。其工作原理是：如果負(fù)載為直流負(fù)載，太陽(yáng)能電池的電力可以直接供給直流負(fù)載；如果為交流負(fù)載太陽(yáng)能電池的電力則通過(guò)逆變器將直流變換成交流后供給交流負(fù)載。蓄電池則用來(lái)儲(chǔ)存電能，當(dāng)夜間、陰雨天等太陽(yáng)能電池?zé)o法供電或供電不足時(shí)，則由蓄電池向負(fù)載供電。圖1-2獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立系統(tǒng)由于負(fù)載只有太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)供電，且太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電受諸如日照、溫度等氣象條件的影響，因此當(dāng)供給負(fù)載的電力不足時(shí)需要適用蓄電池來(lái)解決這一問(wèn)題。由于太陽(yáng)能電池發(fā)電為直流，一般可直接接用于直流負(fù)載。當(dāng)負(fù)載為交流時(shí)，還需要適用逆變器，將直流變成交流供給交流負(fù)載。由于蓄電池在充放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)損壞且維護(hù)檢修成本較高，因此，獨(dú)立型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般容量較小，主要用于時(shí)鐘、無(wú)線機(jī)、路標(biāo)以及山區(qū)無(wú)電地區(qū)等領(lǐng)域。1.2.2并網(wǎng)系統(tǒng)圖1-3并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上與其它類型的發(fā)電站一樣，可為整個(gè)電力系統(tǒng)提供電能，與獨(dú)立運(yùn)行的太陽(yáng)能光伏電站相比，并入大電網(wǎng)可以給太陽(yáng)能光伏發(fā)電帶來(lái)諸多好處。首先，不必考慮負(fù)載供電的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量問(wèn)題；其次，光伏電池可以始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處，由大電網(wǎng)來(lái)接納太陽(yáng)能所發(fā)出的全部電能，提高了太陽(yáng)能發(fā)電的效率；再其次，省略了蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，降低了蓄電池充放電過(guò)程中的能量損失，免除了由于存在蓄電池而帶來(lái)的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)也消除了處理廢舊蓄電池帶來(lái)的間接污染。并網(wǎng)光伏逆變系統(tǒng)由光伏陣列、變換器和控制器組成，如圖1-3所示，變換器將光伏電池發(fā)出的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中，控制器控制光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的波形和功率，使向電網(wǎng)轉(zhuǎn)送的功率與光伏陣列所發(fā)的最大功率電能相平衡。1.3課題的主要研究?jī)?nèi)容1.3.1逆變器的性能指標(biāo)(1)額定功率3kW，峰值功率4kW：(2)并網(wǎng)電氣方式：?jiǎn)蜗喽€制；(3)額定輸出電壓：AC220V；(4)電能轉(zhuǎn)換效率(額定)：=93％；(5)絕緣方式：工頻絕緣變壓器；(6)MPPT控制范圍：DCl35～350V；(7)保護(hù)功能：“孤島”保護(hù)、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、太陽(yáng)能電池欠壓保護(hù)；(8)質(zhì)量：=10kg：(9)安裝場(chǎng)所：室內(nèi)。1.3.2主要研究?jī)?nèi)容通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較為深入的理論分析和研究，主要關(guān)鍵技術(shù)如下：(1)高功率密度無(wú)源諧振軟開(kāi)關(guān)全橋逆變器主電路拓?fù)涞难芯浚?2)基于TMS320ULF407ADSP的逆變器空間矢量控制算法及其全數(shù)字化控制研究；(3)太陽(yáng)能電池伏一安曲線與逆變器最大功率跟蹤技術(shù)之間耦合關(guān)系研究；(4)基于DSP的軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)與限脈沖響應(yīng)法鎖相環(huán)算法的研究；(5)采用主動(dòng)頻率偏移法實(shí)現(xiàn)逆變器“孤島”保護(hù)功能的研究。2光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究逆變技術(shù)是一門(mén)實(shí)用技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，大量高功率開(kāi)光器件相繼出現(xiàn)，可以滿足各行各業(yè)對(duì)逆變技術(shù)的需求，逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。2.1系統(tǒng)組成光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池、主電路、控制電路和負(fù)載組成。主電路包括DC／DC電路、DC／AC電路、濾波電路和隔離變壓器?？刂齐娐凡捎肈SP作為主控單元，其中還包括逆變器的SPWM信號(hào)發(fā)生、閉環(huán)控制和最大功率點(diǎn)跟蹤電路。本章將著重介紹逆變器的主電路，對(duì)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選取合適的電路結(jié)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)器件。光伏系統(tǒng)的控制電路將在下一章再做介紹。2.2逆變主電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常單相電壓型逆變器主要分為推挽式、半橋和全橋逆變電路三種。這三種方式根據(jù)其不同的特點(diǎn)應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。推挽式逆變電路的主電路簡(jiǎn)單，如圖2-1所示。只需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，基極驅(qū)動(dòng)電路不需要隔離，驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，但是開(kāi)關(guān)管需要承受2倍的線路峰值電壓，所以適合于低輸入電壓的場(chǎng)合應(yīng)用。同時(shí)變壓器存在偏磁現(xiàn)象，初級(jí)繞組有中心抽頭，流過(guò)的電流有效值和銅損較大，初級(jí)繞阻兩部分應(yīng)緊密耦合，繞制工藝復(fù)雜。圖2-1單相推挽式逆變電路與推挽式逆變電路相比半橋式逆變器在電路中所使用的功率開(kāi)關(guān)晶體管的耐壓要求較低，決不會(huì)超過(guò)線路峰值電壓，其次，晶體管的飽和壓降也減少到最小，不在是重要的影響因素。再者，對(duì)其輸入濾波電容使用電壓的要求也較低。由于半橋逆變電路的特殊結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，其不存在直流偏磁問(wèn)題，可以廣泛應(yīng)用于數(shù)百瓦一數(shù)千瓦的開(kāi)關(guān)電源中。但是其晶體管導(dǎo)通時(shí)，集電極電流增加一倍，電流的增大的局限性對(duì)于中、小功率的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，不會(huì)構(gòu)成影響，但是對(duì)于大功率的開(kāi)關(guān)電源，由于能夠承受高電壓，大電流的晶體管價(jià)格昂貴，就難以實(shí)現(xiàn)了。圖2-2單相半橋逆變器全橋式逆變電路既保持了半橋式逆變電路的電壓性質(zhì)有兼有推挽式的電流性質(zhì)。在逆變電路中，采用相同電壓、電流容量的開(kāi)關(guān)器件時(shí)，全橋式逆變電路可以達(dá)到最大功率輸出，因此該電路常用于中大功率電源中，電路結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。并且與半橋式逆變電路相比，它具有較好的逆變輸出波形。圖2-4單相全橋式逆變電路所以本文設(shè)計(jì)的單相光伏并網(wǎng)逆變器采用全橋逆變電路，如圖2-4所示，功率器件VT1～VT4組成逆變橋，VD1～VD4是對(duì)應(yīng)的反并聯(lián)二極管。單相光伏并網(wǎng)逆變電源是將太陽(yáng)電池發(fā)出的直流電變換為正弦波交流電，經(jīng)過(guò)隔離變壓器后輸送到電網(wǎng)。在逆變器運(yùn)行過(guò)程中，本文采用帶有電流、電壓瞬時(shí)值反饋的單極性控制SPWM控制方案。2.3全橋逆變電路的工作原理在圖2-4所示電路中，首先令VT2和VT3的控制電壓UG2和UG3為負(fù)值，使VT2和VT3截止；令VTl和VT4的控制電壓UG1和UG4為正值，使VTl和VT4導(dǎo)通，如圖2．5中tl～t2時(shí)間段。在t1時(shí)刻，VT1和VT4導(dǎo)通，電流的流通路徑為：E+→VTl→變壓器初級(jí)→VT4→E-。如果忽略VTl和VT4導(dǎo)通后的管壓降，則變壓器初級(jí)電壓為Uin=E，變壓器次級(jí)電壓為Uout=EN2／N1(N1、N2分別為T(mén)的初級(jí)、次級(jí)匝數(shù))。在t2時(shí)刻，VTl和VT4關(guān)斷，此后四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件均截止。圖2-5控制電壓及輸出電壓波形在t3時(shí)刻，VT2和VT3導(dǎo)通，電流的流通路徑為：E+→VT3→變壓器初級(jí)→VT2→E-。在忽略VT2和VT3的導(dǎo)通壓降情況下，變壓器初級(jí)電壓Uin=-E，變壓器次級(jí)電壓Uout=-EN2／N1。在t4時(shí)刻，VT2和VT3關(guān)斷，此后四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件均截止。電路按照上述方式工作，則可在變壓器次級(jí)獲得交變的電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流變交流的功能。2.4逆變電路開(kāi)關(guān)器件選擇在逆變系統(tǒng)中要求系統(tǒng)的響應(yīng)快，保護(hù)功能強(qiáng)，可靠性高，對(duì)于逆變電路來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)器件應(yīng)該具有合適的導(dǎo)通電流、關(guān)斷承受反壓以及盡量小的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷時(shí)的拖尾電流、盡量短的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間、盡量小的開(kāi)關(guān)損耗和可靠穩(wěn)定的導(dǎo)通和關(guān)斷性能。目前，新型的IPM智能模塊以優(yōu)良的性能越來(lái)越得到人們的賞識(shí)。IPM智能模塊內(nèi)部具有低功耗、軟開(kāi)關(guān)、高性能及擁有過(guò)熱保護(hù)的高可靠性IGBT，內(nèi)置有過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)、控制電壓欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)及外部輸出報(bào)警端口。用這樣的模塊做逆變器的功率器件，能夠大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，縮小電源的體積，簡(jiǎn)化了接線，大大縮短開(kāi)發(fā)周期。所以本次設(shè)計(jì)選用三菱公司出產(chǎn)的IPM模塊。IPM模塊的型號(hào)選擇可以從器件的電壓等級(jí)和電流等級(jí)兩方面加以考慮。橋式逆變器的最大輸入電壓為400V，所以各開(kāi)關(guān)管所承受的最高電壓為400V，考慮電壓尖峰和電壓裕量，可選擇耐壓為600V的器件等級(jí)。逆變器輸出的額定功率為3000W，輸出電流峰值為20A，隔離變壓器變比為1：l，考慮到系統(tǒng)的余量，則逆變橋中每只IGBT中耐流值為30A以上。所以本次設(shè)計(jì)選用IPM模塊的型號(hào)為PM200CLA60，他的耐壓值和耐流值分別為600V和200A。2.5逆變電路的吸收保護(hù)2.5.1直流側(cè)電容的選擇對(duì)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)電容器的選擇需要滿足下式試中P——太陽(yáng)能電池陣輸出功率，取3kWK——波紋系數(shù)，取0.1U——直流母線電壓，取400VW——電網(wǎng)角頻率，取314取C=2200，采用500V／2200的電解電容。2.5.2逆變器輸出濾波電路設(shè)計(jì)濾波器是影響輸出波形質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在輸入電壓和輸出電壓確定的情況下，輸出濾波電感的最小值主要由設(shè)定的電感電流紋波大小來(lái)決定。電流紋波一般取15％～20％的額定電流。本文取18％設(shè)計(jì)，輸出為220V／3kVA，逆變器效率設(shè)為95％，可得：式中——紋波電流——紋波電流系數(shù)——輸出功率——輸出電壓有效值為了確保電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，逆變器能向電網(wǎng)中有效回饋電流，取=400V，關(guān)頻率fc=20000kHz，=2.53A得電感和電容構(gòu)成的LC低通濾波器，對(duì)高于其諧振頻率的高次諧波將以40dB／decade衰減，設(shè)計(jì)其諧振頻率為基波頻率的10～20倍，取12。式中f——基波頻率取電感為2mH，電容為40uF。3光伏逆變器的控制系統(tǒng)分析與電路設(shè)計(jì)逆變器的控制系統(tǒng)部分是逆變器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分，采用先進(jìn)的控制技術(shù)是提高逆變電源性能不可或缺的方法。包括逆變器輸出電壓、電流采樣和濾波，正弦波發(fā)生，輸出波形控制，接收功率器件發(fā)出的過(guò)流、過(guò)壓等保護(hù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)功能等等。3.1并網(wǎng)逆變器的控制實(shí)現(xiàn)隨著逆變電源對(duì)輸出波形質(zhì)量的不斷提高，傳統(tǒng)的模擬控制型正弦波逆變器已經(jīng)漸漸的不能滿足用戶的要求，同時(shí)，隨著各種高性能微處理器的出現(xiàn)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，使逆變電源的數(shù)字控制成為可能，圖3-1為以DSP為控制核心的逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。與傳統(tǒng)的模擬控制方式相比，采用DSP為核心的控制方法具有如下特點(diǎn)：(1)控制靈活、方便，可以在線設(shè)置參數(shù)，實(shí)時(shí)完善系統(tǒng)。(2)易于采用先進(jìn)的控制方法和控制策略，使逆變器的性能更完美。(3)可以應(yīng)用通訊接口實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)或與上位機(jī)的通訊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。(4)用軟件實(shí)現(xiàn)不同功能，減少硬件電路。(5)系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力進(jìn)一步提高。圖3-1逆變器控制系纜結(jié)構(gòu)框圖3.2并網(wǎng)逆變器輸出控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽(yáng)能電池板發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電，從而向用戶以及電網(wǎng)供電的一個(gè)裝置。并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)為：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的、高品質(zhì)的正弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻、同相，同時(shí)希望通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電流的幅值使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)。目前逆變器的輸出控制模式主要有兩種：電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為受控量，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻很小的受控電壓源；電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為受控目標(biāo)，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電流信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻較大的受控電流源。由于電網(wǎng)可視為容量無(wú)窮大的交流電壓源，如果光伏并網(wǎng)逆變器輸出采用電壓控制，則實(shí)際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用鎖相控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)與市電同步。在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過(guò)調(diào)整逆變器輸出電壓的大小和相移來(lái)控制系統(tǒng)的有功輸出和無(wú)功輸出，但是這種控制方式逆變器輸出電壓值不易精確控制，并且可能出現(xiàn)環(huán)流等問(wèn)題，不易獲得優(yōu)異性能。3.3逆變電源控制方法3.3.1電壓反饋控制電壓反饋控制技術(shù)是以輸出電壓作為控制對(duì)象，其控制原理如圖3-2所示。將逆變器輸出電壓Uout與基準(zhǔn)電壓相比較后得到誤差Ue，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與三角載波信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器比較，產(chǎn)生占空比變化的SPWM信號(hào)去驅(qū)動(dòng)逆變器，這是電壓型控制技術(shù)的基本原理。圖3-2電壓瞬時(shí)值反饋原理框圖如果反饋采用輸出電壓的平均值與一個(gè)電壓平均值基準(zhǔn)相比較進(jìn)行的控制叫做電壓平均值反饋控制；而如果反饋電壓為輸出電壓的瞬時(shí)值，與一個(gè)電壓瞬時(shí)值基準(zhǔn)進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)的控制稱為電壓瞬時(shí)值反饋控制。這兩種控制策略中，電壓平均值控制是恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是輸出可以達(dá)到無(wú)靜差，缺點(diǎn)為是響應(yīng)快速性較差，而電壓瞬時(shí)值反饋控制策略是一個(gè)隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于積分環(huán)節(jié)存在的相位滯后，系統(tǒng)不可能達(dá)到無(wú)靜差，但相對(duì)平均值反饋控制，其快速性較好。電壓型反饋控制設(shè)計(jì)和分析較為簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但當(dāng)輸入電源電壓、負(fù)載、功率電路元器件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，只有等到輸出電壓變化后才能起到調(diào)節(jié)作用，故其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。3.3.2電流反饋控制電流反饋控制是一種新穎的控制方法，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于電壓型的電流反饋系統(tǒng)，當(dāng)交流側(cè)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，若PWM開(kāi)關(guān)頻率固定，則電流跟蹤偏差大小也發(fā)生波動(dòng)。然而當(dāng)交流側(cè)電壓發(fā)生波動(dòng)的同時(shí)，若PWM的開(kāi)關(guān)頻率也作相應(yīng)的波動(dòng)時(shí)，則電流跟蹤的偏差幾乎不變。滯環(huán)控制是一種應(yīng)用廣泛的閉環(huán)電流反饋控制方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖3-3為采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式原理圖。圖中將指令電流和實(shí)際并網(wǎng)電流，進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的通斷，從而控制并網(wǎng)電流的變化。圖3-3采剛滯環(huán)比較器的電流瞬時(shí)值比較原理圖電流滯環(huán)跟蹤控制方式特點(diǎn)有：系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)：由于電流反饋?zhàn)饔?，?dāng)輸入直流電壓波動(dòng)或負(fù)載突變引起輸出電壓變化時(shí)，都將引起電感電流的變化，使功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生變化，從而改變輸出電壓波形。系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性：前述具有電壓?jiǎn)苇h(huán)反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)二階系統(tǒng)，是一種有條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，需要對(duì)電路作精心的校正設(shè)計(jì)；相反具有電流單環(huán)反饋控制系統(tǒng)則是一個(gè)一階系統(tǒng)，是一種無(wú)條件穩(wěn)定系統(tǒng)。電流型全橋電路容易產(chǎn)生失控：電流脈寬不等固然可以維持電感端壓的伏秒值平衡。但卻會(huì)導(dǎo)致電容電荷的安秒值不平衡，在全橋電路結(jié)構(gòu)中，這種不平衡會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)分壓電容端壓不等，電源中點(diǎn)漂移，惡性循環(huán)的結(jié)果將使電路失控。開(kāi)關(guān)頻率不固定：由于器件的開(kāi)關(guān)點(diǎn)完全取決于電流到達(dá)上下限值的時(shí)間，因此滯環(huán)控制的開(kāi)關(guān)頻率并不固定，這與電壓型控制下載波頻率恒定的PWM控制有很大不同。由于開(kāi)關(guān)頻率是變化的，電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜特性變差，所有這些對(duì)系統(tǒng)性能都是不利的。除了上面介紹的電流滯環(huán)跟蹤控制法，還有很多電流型控制策略的電路拓?fù)洌?，定時(shí)控制的電流瞬時(shí)值比較法，三角波比較方式的電流跟蹤法等等，在此就不在詳細(xì)介紹。3.3.3基于DSP的PWM電流電壓雙環(huán)控制單獨(dú)的采用電壓控制和電流控制都有其各自的不足，而采用電壓電流多環(huán)瞬時(shí)值控制方案的逆變器，因?yàn)槠漭敵鲭妷翰ㄐ钨|(zhì)量好、控制簡(jiǎn)單及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)，受到了人們很大的關(guān)注。目前采用較多的瞬時(shí)值控制一般采用雙環(huán)反饋，其外環(huán)為輸出電壓反饋，電壓調(diào)節(jié)器一般采用比例積分(PI)形式，其輸出作為內(nèi)環(huán)的給定，內(nèi)環(huán)為瞬時(shí)值電流反饋。雙閉環(huán)控制方案中的電流內(nèi)環(huán)加大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減少，非線性負(fù)載適應(yīng)能力增強(qiáng)。電壓外環(huán)采用瞬時(shí)值反饋，對(duì)輸出電壓的瞬時(shí)誤差給出調(diào)節(jié)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)后作為電流控制給定L，電流內(nèi)環(huán)由電感電流或電容電流瞬時(shí)值與電流給定，，比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，經(jīng)PI調(diào)節(jié)，所得信號(hào)與三角形載波比較后產(chǎn)生SPWM信號(hào)控制功率管的開(kāi)通。在實(shí)際應(yīng)用中采用電流內(nèi)環(huán)之外還設(shè)置電壓外環(huán)的目的在于對(duì)不同負(fù)載實(shí)現(xiàn)給定電流值的自動(dòng)控制，電壓瞬時(shí)值外環(huán)能及時(shí)、快速的校正輸出電壓波形，使系統(tǒng)在各種負(fù)載情況下均具有良好的電壓輸出波形。3.4MPPT控制方法太陽(yáng)能電池昂貴的價(jià)格限制了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在努力降低制造成本的同時(shí)，但是如何使太陽(yáng)能電池的輸出功率最大化一直是人們研究的熱點(diǎn)。3.4.1太陽(yáng)能電池輸出特性如圖3-4所示，I-U特性是指在某一確定的同照強(qiáng)度和溫度下，太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系I-U特性曲線表明：太陽(yáng)能電池既非恒壓源，也非恒流源，它不可能為負(fù)載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相對(duì)恒定，最終在大于某一個(gè)電壓之后，電流迅速下降至零。圖3-4太陽(yáng)能電池的I-U特性曲線圖中Isc——在給定溫度照度下所能輸出的最大電流Uoc——在給定溫度照度下所能輸出的最大電壓Im——在給定溫度照度下最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流Um——在給定溫度照度下最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓Pm——在給定溫度照度下所能輸出的最大功率，Pm=Um×Im影響太陽(yáng)能電池的輸出特性的主要因素為日照強(qiáng)度和表面溫度。當(dāng)溫度不變時(shí)，日照強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)太陽(yáng)能電池的I-U曲線見(jiàn)圖3-5(a)，其中P-U曲線見(jiàn)圖3-5(b)。由此兩圖中可知當(dāng)表面溫度不變?nèi)照諒?qiáng)度增加時(shí)，其短路電流ISC幾乎與日照強(qiáng)度成正比地增加，而太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓UOC隨著日照強(qiáng)度的增大而略微增加，所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì)隨之改變。同照強(qiáng)度的增加，總體效果會(huì)造成太陽(yáng)能電池的輸出功率增加。當(dāng)同照強(qiáng)度不變而溫度發(fā)生改變時(shí)太陽(yáng)能電池的I-U曲線如圖3-6(a)，P-U曲線如圖3-6(b)。由這兩個(gè)圖可知，當(dāng)同照強(qiáng)度不變表面溫度升高時(shí)，太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓UOC下降，短路電流ISC則輕微增大。表面溫度的升高，總體效果會(huì)造成太陽(yáng)能電池的輸出功率下降。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)要求太陽(yáng)能電池能夠始終工作在當(dāng)前環(huán)境下的最大功率點(diǎn)，以最大效率的輸出功率，但是由于太陽(yáng)能電池在不同表面溫度和同照強(qiáng)度下的輸出特性不同，并且輸出功率隨著工作電壓的改變而改變，因此需要對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MaximumPowerPointTracking，MPPT)。圖3-5不同日照強(qiáng)度下太陽(yáng)能電池的I-U，P-U曲線圖3-6不同溫度下太陽(yáng)能電池的I-U，P-U曲線3.4.2太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究(1)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(yáng)能電池溫度一定時(shí)，光伏電池的輸出P-U曲線上最大功率點(diǎn)電壓幾乎分布在一個(gè)固定電壓值的兩側(cè)。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(shí)光伏電池在整個(gè)工作過(guò)程中將近似工作在最大功率點(diǎn)處。采用CVT控制的優(yōu)點(diǎn)是可以很方便地通過(guò)硬件或者軟件實(shí)現(xiàn)，具有控制簡(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但是這種跟蹤方式忽略了溫度對(duì)太陽(yáng)電池開(kāi)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(dāng)系統(tǒng)外界環(huán)境條件改變時(shí)，對(duì)最大功率點(diǎn)變化適應(yīng)性差。(2)擾動(dòng)觀察法（P&O）鑒于CVT控制的局限性，擾動(dòng)觀察法能有效地解決這一問(wèn)題。它通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池輸出電壓、電流的檢測(cè)，得到電池當(dāng)前的輸出功率，再將它與前一時(shí)刻的記憶功率相比較，從而確定給定電壓調(diào)整的方向。若△P>0，說(shuō)明參考電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來(lái)的方向調(diào)整；若△P<0，則說(shuō)明參考電壓調(diào)整的方向錯(cuò)誤，需要改變調(diào)整的方向。采用擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)是控制思路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為方便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，提高系統(tǒng)的利用效率。但其缺點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)時(shí)只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行；存在著因功率跟蹤過(guò)程中非單調(diào)性造成的誤差；存在著因自身算法的不嚴(yán)謹(jǐn)，而在日照強(qiáng)度變化時(shí)產(chǎn)生跟蹤錯(cuò)誤。除了以上兩種方法，最大功率點(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)控法、模糊控制法等等。這些方法都各具優(yōu)缺點(diǎn)，這罩就不再詳細(xì)介紹。3.4.3最大功率點(diǎn)跟蹤方法的實(shí)現(xiàn)本文采用電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率跟隨，雖然此方法對(duì)硬件要求較高，其算法在跟蹤的過(guò)程中需花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間去執(zhí)行A／D轉(zhuǎn)換，但這對(duì)現(xiàn)在的快速DSP芯片來(lái)說(shuō)已不成為問(wèn)題。電導(dǎo)增量法最大的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)太陽(yáng)電池上的照度產(chǎn)生變化和表面溫度產(chǎn)生變化時(shí)，可以始終向后級(jí)負(fù)載提供最大功率，并同時(shí)滿足快速和高精度的要求。該子程序在周期中斷罩面實(shí)現(xiàn)，其程序流程圖如圖3-7所示。圖3-7電導(dǎo)增量法的控制流程圖圖3-7中，通過(guò)采樣電壓、電流值UPV，IPV然后計(jì)算當(dāng)前的功率PPV,再判斷電壓差值是否為零?(因后面做除法時(shí)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(dòng)值UREF不變。若電壓差值為零，電流差值不為零，則表示光照強(qiáng)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(lái)討論電壓差值不為零時(shí)，若成立則表示功率曲線斜率為零(達(dá)最大功率點(diǎn))，若電導(dǎo)變化量大于負(fù)電導(dǎo)值，則表示功率曲線斜率為正，UREF值將增加，反之UREF值將減少。3.5逆變器控制電路設(shè)計(jì)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、SPWM電路、IPM驅(qū)動(dòng)電路和CAN控制器通信電路。3.5.1DSP電源設(shè)計(jì)TMS320LF2407ADSP芯片采用高性能靜態(tài)COMS技術(shù)，使得供電電壓降到3．3V，而不是通常單片機(jī)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(gè)DC／DC轉(zhuǎn)換電路將5V電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3．3V直流電供給DSP。3.5.2A／D轉(zhuǎn)換電路(1)DSP基準(zhǔn)電源TMS320LF2407A的A／D轉(zhuǎn)換模塊電源電壓為DSP的供電電壓，一般—如轉(zhuǎn)換參考基準(zhǔn)電壓也不大于3.3V。本次設(shè)計(jì)選用MAXIM公司的MAX6003為A仍轉(zhuǎn)換建立參考基準(zhǔn)電壓。MAX6003精度為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(zhuǎn)換的參考基準(zhǔn)電壓為3.0V,因此采樣模擬信號(hào)要處理調(diào)整成0～3V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，然后再輸入到模擬輸入通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(2)并網(wǎng)電流側(cè)電流采樣電路采樣并網(wǎng)輸出交流側(cè)的電流，電流信號(hào)首先要轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)才能對(duì)其進(jìn)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(zhuǎn)化為-4～+4V的電壓信號(hào)，從而減少使用串聯(lián)電阻所引起的人為損耗。再通過(guò)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(zhuǎn)換所允許的電壓范圍O～3V。(3)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(wú)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(hào)控制在0～3V之間。A／D轉(zhuǎn)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(yáng)能電池輸出電流和電壓以及電壓和電流的相位檢測(cè)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(xì)介紹。3.5.3SPWM信號(hào)發(fā)生電路TMS320LF2407A共有兩個(gè)事件管理模塊(EVA,EVB)，共能控制輸出16路PWM信號(hào)。由于設(shè)計(jì)中只需控制逆變器的4個(gè)IGBT，因此只用到其中一個(gè)事件管理模塊(EVA)的4路PWM信號(hào)：PWMl-PWM4，其余8路留作擴(kuò)展。要產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)，需要一個(gè)合適的定時(shí)器來(lái)重復(fù)產(chǎn)生一個(gè)與PWM周期相同的計(jì)數(shù)周期，一個(gè)比較寄存器保持著調(diào)制值。比較寄存器的值不斷地與定時(shí)計(jì)數(shù)器的值相比較，當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)，在相應(yīng)的輸出上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變換(從高到低或從低到高)。當(dāng)兩個(gè)值之間的第一個(gè)匹配產(chǎn)生或一個(gè)定時(shí)周期結(jié)束時(shí)，相映的輸出上會(huì)產(chǎn)生又一個(gè)轉(zhuǎn)換(從低到高或從高到低)。在每個(gè)定時(shí)器周期中，這個(gè)過(guò)程都會(huì)出現(xiàn)，但每次比較寄存器中的調(diào)制值是不同的，這要由控制軟件根據(jù)每個(gè)采樣周期的反饋量實(shí)時(shí)計(jì)算得到。這樣在相應(yīng)的輸出引腳就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)。詳細(xì)的PWM的產(chǎn)生過(guò)程將在控制軟件的實(shí)現(xiàn)中進(jìn)一步闡述。3.5.4逆變器驅(qū)動(dòng)電路本次設(shè)計(jì)使用的IPM模塊是使用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件，IGBT的驅(qū)動(dòng)條件與其特性密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)特別注意開(kāi)通特性，負(fù)載短路能力和誤觸發(fā)等問(wèn)題。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路總的要求包括以下方面：(1)IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)，具有一個(gè)2.5～5.0V的開(kāi)啟電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此，IGBT對(duì)柵極電荷集聚敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短；(2)用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)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(kāi)關(guān)損耗盡量小，IGBT開(kāi)通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能夠提供足夠的功率；(3)GBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，并有極強(qiáng)的抗干擾能力。DSP芯片輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力相當(dāng)弱，不能直接驅(qū)動(dòng)各功率管，必須先將此信號(hào)送入到驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)電氣隔離及放大后再去驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)，最大輸出電流為1.5A，開(kāi)關(guān)頻率最高可達(dá)25kHz，上升沿和下降沿時(shí)問(wèn)只有150ns，隔離電壓可達(dá)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(shè)備監(jiān)測(cè)及控制的一種網(wǎng)絡(luò)。CAN具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想，良好的功能特性和極高的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)。與傳統(tǒng)的通信方法(232、485串口通信)相比CAN具有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有兩根線與外部相連，且內(nèi)部含有錯(cuò)誤探測(cè)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(dá)10km，最高通信速率可達(dá)1Mb／s；CAN采用CRC檢驗(yàn)并可提供錯(cuò)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(yùn)行而且可以實(shí)時(shí)的查看系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的智能化管理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了通信電路模塊。本文設(shè)計(jì)中采用DSP中的CAN通信接口。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以把控制系統(tǒng)與上位機(jī)相連，將系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各個(gè)單元的狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，以便設(shè)計(jì)人員及時(shí)找到系統(tǒng)的不足加以改正。同時(shí)加入通信接口也是為了以后多臺(tái)逆變系統(tǒng)并機(jī)運(yùn)行，共同并網(wǎng)發(fā)電時(shí)系統(tǒng)之間傳輸一個(gè)統(tǒng)一的輸出控制，保證各個(gè)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(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)研究4.1孤島效應(yīng)的分析孤島效應(yīng)是當(dāng)電網(wǎng)的部分線路因故障或維修停電時(shí)，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(fù)載構(gòu)成一個(gè)自給供電的孤島情況。孤島效應(yīng)的檢測(cè)和防止一般是通過(guò)監(jiān)控并網(wǎng)系統(tǒng)輸出端電壓的幅值和頻率實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，由于并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率和負(fù)載功率之間的差異會(huì)引起并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓的幅值或頻率發(fā)生相當(dāng)?shù)母淖?，這樣通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)輸出的電壓就可以很方便地檢測(cè)出孤島效應(yīng)。然而，當(dāng)負(fù)載消耗的功率與光伏系統(tǒng)相匹配的時(shí)候，通過(guò)這種被動(dòng)的檢測(cè)方法檢測(cè)孤島效應(yīng)就會(huì)變得困難。當(dāng)有許多光伏系統(tǒng)同時(shí)向電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，甚至很多主動(dòng)檢測(cè)的方法也失去了效果。實(shí)際并網(wǎng)系統(tǒng)中，雖然發(fā)生孤島效應(yīng)的概率不高，但在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大的情況下，這種可能性仍然存在。逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，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(shí)際系統(tǒng)中一般都是通過(guò)與公共耦合點(diǎn)電壓過(guò)零點(diǎn)同步來(lái)實(shí)現(xiàn)的，幅值都是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)可調(diào)的。因?yàn)樵谘芯抗聧u檢測(cè)技術(shù)時(shí)，關(guān)心的只是逆變電源的輸出特性。所以，在研究孤島檢測(cè)技術(shù)時(shí)，逆變電源可以等效為一個(gè)幅值可調(diào)、頻率和相位都跟蹤電網(wǎng)的受控電流源。孤島效應(yīng)的檢測(cè)和防止一般是通過(guò)監(jiān)控并網(wǎng)系統(tǒng)輸出端電壓的幅值和頻率實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，通常由于并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率和負(fù)載功率之間的巨大差異會(huì)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(guò)監(jiān)控系統(tǒng)輸出的電壓可以很方便地檢測(cè)出孤島效應(yīng)。圖4-1是用于檢測(cè)并網(wǎng)逆變器孤島效應(yīng)的示意圖，它由光伏并網(wǎng)系統(tǒng)、本地負(fù)載(使用并聯(lián)的RLC電路組成)以及電網(wǎng)組成。圖4-1逆變器孤島效應(yīng)示意圖4.2孤島效應(yīng)檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)根據(jù)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，選用主動(dòng)頻率偏移法來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng)。通過(guò)周期性擾動(dòng)系統(tǒng)輸出電壓頻率，當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，由于沒(méi)有固定的電網(wǎng)頻率，整個(gè)系統(tǒng)的輸出頻將一直升高，最終導(dǎo)致超過(guò)頻率保護(hù)的上限值。在此，我們每個(gè)周期給輸出電壓0．IHz的擾動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)的反孤島效應(yīng)的仿真圖如圖4-2所示。圖4-2孤島仿真模型圖4-3反孤島效應(yīng)仿真結(jié)果圖從結(jié)果我們可以看出，系統(tǒng)在0．1s與電網(wǎng)斷開(kāi)后，輸出電壓由于沒(méi)有電網(wǎng)的穩(wěn)定頻率，導(dǎo)致頻率越來(lái)越大，經(jīng)