并网逆变器实训系统指导书

并网逆变器实训系统 指导书 2014 年 9 月 北京海瑞克科技发展有限公司 实验一 并网逆变系统基本认识 一、实验目的 1、了解并网逆变系统基本知识。 2、了解并网逆变器的基本结构。 3、了解并网逆变的基本原理。 二、实验设备 光伏并网逆变实验箱一台。 3、实验原理 1.1 光伏并网逆变实训系统组成 光伏逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于 把直流电力转换成交流电力。 光伏并网逆变系统主要由升压回路和全桥逆变回路组成。 1、升压回路：升压回路包括 BOOST 升压电路、推挽升压电路 以及桥式整流电路。光伏组件输出电压（低压）经过 BOOST 升压 电路和推挽升压电路之后变为高频高压交流电压，再经过桥式整流 电路变为高压直流电压，为后级桥式逆变电路提供直流电压。 2、全桥逆变回路：高压直流电压经过全桥逆变电路后变为工频 的交流电压输出给电网。 1.2 并网逆变器原理 逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流 变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由 于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到 220V，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如 12V、24V，就必须设计升压电路。 中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升 压逆变电路三种。推挽电路将升压变压器的中性插头接于正电源， 两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功 光伏并网逆变器 率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一 定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是 变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。 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。该电路的缺点是 上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采 用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先 关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。 实验一 升压电路驱动波形的测量 1、实验目的 1、理解 BOOST 电路的工作原理。 2、理解推挽升压电路的工作原理。 3、学会硬件调节信号的脉宽及频率并学会使用示波器观察。 2、实验设备 并网逆变实验箱一台、示波器一台。 3、实验原理 BOOST 电路 1、BOOST 电路原理 BOOST 电路是一种开关直流升压电路，它可以使输出电压比输 入电压高。 1.1 基本电路图（下图） 假定那个开关已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态， 电容电压等于输入电压。 下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路 1.2 充放电过程 在充电过程中，开关闭合，等效电路如下图，开关处用导线代 替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输 入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率 跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。 放电过程如下图，这是当开关断开时的等效电路。当开关断开 时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为 0， 而是缓慢的由充电完毕时的值变为 0。而原来的电路已断开，于是 电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压 升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。 说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感 吸收能量，放电时电感放出能量。 如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一 个持续的电流。 如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输 入电压的电压。 2、BOOST 电路计算及元器件选型 2.1 占空比 Vi *Ton/L=(Vo-Vi)*Toff/L D = (Vo-Vi)/Vo D—占空比 2.2 电感选择 dIL= Vi*Ton/L dIL=0.2IL_ avg=0.2Iin Iin=Vo*Io/Vi IL_avg = Iin IL_peak = 1.1Iin IL_rms = ILavg*(1+0.22/12)0.5 L 电感量的选取原则使电感纹波电流为电感电流的 20%（可根据应用改变） dIL—电感纹波电流峰峰值 IL_avg—电感电流平均 值 IL_peak—电感峰值电流 IL_rms—电感电流有效值 2.3 肖特基二极管选择 Id_peak = 1.1Iin Vrd = Vo Id_peak—续流二极管峰值电流 Vrd—续流二级管反向耐压（Ton 期间） 2.4 开关管 Isw_peak = 1.1Iin Vsw = Vo Isw_peak—开关管峰值电流 Vsw_peak—开关管耐压（Toff 期间） 2.5 电容 Icin_rms = dIL/120.5 Ico_rms = [Io2D+(Iin-Io)2(1-D)]0.5 电容选取：耐压、纹波电流、电容量 Icin_rms—输入电容的纹波电流有效值 Ico_rms—是输出电容的 纹波电流有效值 推挽升压电路 1、推挽升压电路原理 推挽电路就是两个不同极性晶体管连接的输出电路。推挽电路 采用两个参数相同的 BJT 管或 MOSFET 管，以推挽方式存在于电路 中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功 率管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以 向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。 上图为推挽变换器原理图。推挽变换器有两个功率管在交替开 关，以此达到比单管工作电路搞得输出功率，由于初级线圈的中心 抽头接在输入电源的正极，这样当一边功率管导通时，另外一边的 三极管要承受的耐压力为两倍的电源电压，这对功率管的要求较高。 推挽电路的优点是： 结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只 对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。 缺点是： 变压器带有中心抽头，而且开关管的承受电压较高；由于变压 器原边漏感的存在，功率开关管关断的的瞬间，漏源极会产生较大 的电压尖峰，另外输入电流纹波较大，因此输入滤波器的体积较大。 PWM 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”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。 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 调制晶体管基极或 MOS 管栅极的偏置，来实现晶体管或 MOS 管导 通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。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 字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM 控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成 为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由 于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制 理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的 主要方向之一。 四、实验步骤 1、观察 BOOST 电路的驱动波形 1、接线：将面板上的端子 100 接到 105，将端子 101 接到 106。 2、把光伏组件对向光源，打开控制开关。 3、用示波器测量端子 107 和 201 之间的波形并记录。 2、观察推挽升压电路的驱动波 1、接线：将面板上的端子 100 接到 105，将端子 101 接到 106。 2、把光伏组件对向光源，打开控制开关。 3、用示波器测量端子 108 和 201 以及 109 与 201 之间的波形并 记录。 实验二 全桥逆变电路驱动波形的测量 一、实验目的 1、理解全桥逆变电路的工作原理。 2、理解 SPWM 波的具体意义。 3、学会硬件调节信号的脉宽及频率并学会使用示波器观察。 二、实验设备 光伏并网逆变实验箱一台。 三、实验原理 太阳能逆变器的电路拓扑如下图所示，a 图是单相并网逆变器 电路拓扑，b 图是三相并网逆变器电路拓扑。从电路拓扑结构上看 属于电压型控制逆变电路。从控制方式上属于电流控制型电路。 电路的基本工作原理： 以下图的单相光伏逆变电路分析。 图 2 单相光伏逆变器电路 图 3 单相光伏逆变器运行向量图 按照正弦波和载波比较方式对 S1-S4 进行控制，交流侧 AB 处 产生 SPWM 波 uAB， uAB 中含有基波分量和高次谐波，在 LS 的滤 波作用下高次谐波可以忽略，当 uAB 的频率与电网一致时，is 也是 和电网一致的正弦波。在电源电压一定的条件下，is 的幅值和相位 仅有 uAB 的基波的幅值和相位决定，这样电路可以实现整流、逆变 以及无功补偿等作用。图 3 所示是电路的运行向量图，其中 3-a)是 整流运行，3-b)是逆变运行，3-c)是无功补偿运行，3-d)是 Is 超前 φ 角运行。单相光伏逆变器工作在 3-b)状态。 电路的基本控制方法： 光伏逆变器对于功率因数有较高要求，为了准确实现高功率因 数逆变，需要对输出电流进行控制，通常的电流控制方式有两种： 其一是间接电流控制，也称为相位幅值控制，按照图 3 的向量关系 控制输出电流，控制原理简单，但精度较差，一般不采用；其二是 直接电流控制，给出电流指令，直接采集输出电流反馈，这种控制 方法控制精度高，准确率好，系统鲁棒性好，得到广泛应用。 SPWM PWM 的全称是 Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是 通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电 动机调速和阀门控制，比如电动车电机调速就是使用这种方式。 所谓 SPWM，就是在 PWM 的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲 宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可 以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一 些的 UPS 就是一个例子。三相 SPWM 是使用 SPWM 模拟市电的三 相输出，在变频器领域被广泛的采用。 SPWM 正弦波逆变原理 直流电压分两路：一给前级 IC 供电产生一个 KHZ 级的控制信 号；一路到前级功率管由控制信号推动功率管不断开关使高频变压 器初级产生低压的高频交流电（此时的交流电虽然电压低，但是频 率相当高，目的就是为了能让变压器后级产生一个高的电压，前级 的频率和后级输出的电压成正比，当然也要在功率管所能承受的频 率范围） 通过高频变压器输出高频交流电再经过快速恢复二极管全 桥整流输出一个高频的几百 V 直流电到后级功率管 然后再由后级 IC 产生 50HZ 左右的控制信号来控制后级的功率管工作然后输出 220V50HZ 的交流电。 四、实验步骤 1、接线：将面板上的端子 100 接到 105，将端子 101 接到 106。 2、把光伏组件对向光源，打开控制开关。 3、打开并网开关。 4、用示波器分别测量端子 110、111、112、113 对信号地 202 的 波形并记录。 实验三 并网逆变器效率的测量 一、实验目的 1、理解全桥逆变电路的工作原理。 2、理解逆变器效率的具体意义。 3、学会效率的计算方法。 二、实验设备 光伏并网逆变实验箱一台。 三、实验原理