毕业设计-单相光伏并网逆变器的控制原理及电路实现

1第一章 绪论1.1 光伏发电背景与意义作为一种重要的可再生能源发电技术，近年来，太阳能光伏(Photovoltaie，PV) 发电取得了巨大的发展，光伏并网发电已经成为人类利用太阳能的主要方式之一。目前，我国已成为世界最大的太阳能电池和光伏组件生产国，年产量已达到100万千瓦。但我国光伏市场发展依然缓慢，截至2007年底，光伏系统累计安装100MWp，约占世界累计安装量的1％，产业和市场之间发展极不平衡。为了推动我国光伏市场的发展，国家出台了一系列的政策法规，如《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《可再生能源十一五发展规划》等。这些政策和法规明确了太阳能发电发展的重点目标领域。《可再生能源中长期发展规划》还明确规定了大型电力公司和电网公司必须投资可再生能源，到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例要达到3％以上。对于这一目标的实现，光伏发电无疑会起到非常关键的作用。当下，我国地方和企业正积极共建兆瓦级以上光伏并网电站，全国已建和在建的兆瓦级并网光伏电站共 11 个（2008 年 5 月前估计），典型的如甘肃敦煌 10MW 并网光伏特许权示范项目，青海柴达木盆地的 1000MW 大型荒漠太阳能并网电站示范工程，云南石林 166MW 并网光伏实验示范电站。可以预见，在接下来的几年里，光伏并网发电市场将会为我国摆脱目前的金融危机提供强大的动力，光伏产业依然会持续以往的高增长率，光伏市场的前景仍然令人期待。光伏并网发电系统是利用电力电子设备和装置，将太阳电池发出的直流电转变为与电网电压同频、同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网馈电的有源逆变系统。按照系统功能的不同，光伏并网发电系统可分为两类：一种是带有蓄电池的可调度式光伏并网发电系统；一种是不带蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统。典型的不可调度式光伏并网发电系统如图 1-1 所示。2图 1-1 不可调度式光伏并网发电系统从图1-1 中可知，整个并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、连接组件、计量装置等组成，对于可调度式光伏并网发电系统还包括储能用的蓄电池组。并网逆变器是整个并网发电系统的核心设备，承担着光伏阵列的最大功率点跟踪、直流逆变、防孤岛效应等诸多功能。目前，光伏并网发电的成本已降至2元／KWH，但是对于大规模应用来说，成本依然过高，大多数国家主要靠政府补贴来推动光伏并网发电，对上网电价采取了差额补贴或固定上网电价的方式。而制约光伏发电成本进一步下降的主要原因是硅料和并网逆变器的成本过高。据专家预测，随着技术的进步，在今后的几年里光伏发电成本可望降至1元／KWH，甚至可望与常规发电成本持平，这对大规模推广光伏发电无疑是非常有利的一面。因此，开发高性能低价格的光伏并网逆变器不但对降低光伏发电成本具有积极作用，同时还具有极大的市场前景。另外，随着电力电子器件的高频化和微处理器性能的飞速提高，使得电力电子设备的全数字化控制日益增多，模拟控制己逐渐被数字控制取代，一些先进的数字控制技术也开始应用于各种电力电子设备的研发当中。与传统的采用模拟芯片控制的逆变器相比，光伏并网逆变器从一开始就采用全数字控制，除主电路变化不大以外，控制电路及控制方法都有很大的差别。目前，由于涉及到知识产权和商业化因素，国内外关于光伏并网的数字控制系统设计和数字控制方法研究的文献还比较少。同时，跟国外的光伏并网发电技术相比，我国的技术水平还有一定的差距，就并网逆变器而言，我国自主研发生产的知名品牌并不多，大部分的光伏示范工程都采用进口的国外品牌，导致光伏并网发电系统的造价高、依赖性强，制约了光伏并网系统在国内市场的发展和推广。因此开展对光伏并网逆变器的研究，掌握并网逆变器关键技术对推广光伏并网发电系统，实现节能减排有着十分重要的作用。31.2 光伏发电技术的应用和现状考虑到能源的持续发展和环境压力，上世纪 90 年代后期世界上许多国家都制定了大力发展新能源的计划。太阳能以其环保和不歇性得到了诸多国家的青睐。德国的光伏并网发电走在了世界的前列。其 10 万屋顶光伏计划及最近通过的新可再生能源法规定光伏电价为 0.99 马克/KWh （高于常规电价 0.6 马克/KWh）的电价，对德国的光伏发展起到巨大推动作用。日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做出了十几年的努力，1994 年 1 月通产省宣“朝日七年计划” ，计划到 2000 年推广 16.2 万套太阳能屋顶住房，总功率达到 185MWp；1997 年又宣布“七万屋顶计划” 。美国在上世纪 80 年代初就开始实施计划，即作为规模公共电力应用的光伏发电计划，首批建造了 100KW 以上的大型并网光伏电站 4 座，其中容量最大的为 6MW（原计划为 10MWp） 。1997 年 6 月,克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划” ，计划到 2010 年安装 100 万套太阳能屋顶，总装机容量为3025MWp，所产生的电力相当于 3-5 座大型燃煤电站，每年可望减排二氧化碳35 亿吨，相当于减少 85 万辆汽车的尾气排放，同时，通过该计划的实施将使光伏发电的成本由 1997 年的 22 美分度下降到 7.7 美分/度。许多其它发达国家也都有类似的光伏屋顶并网发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英、加拿大等。属于发展中国家的印度也在 1997 年 12月宣布到 2020 年将建成 150 万套太阳能屋顶并网发电系统。目前为止，世界范围内的并网系统己经占光伏系统总量的 50%以上，整个光伏并网市场在蓬勃发展。中国的光伏市场在近些年发展也很迅速，但主要集中在边远地区的独立逆变系统，如在国家支持下 1999 年底分别在西藏的个无电县城安装了光伏系统，“中国光明工程”2000 年起又开始了无电乡村的光伏电站建设，另外光伏水泵、光伏照明等方面也有所发展。光伏并网系统的发展受市场和技术的限制，目前在整个光伏产业中所占比重有限，在 2003 年为 4%。但随着世界光伏市场的变化趋势，中国的光伏并网产业也越来越受到人们关注，预计到 2050 年，光伏并网市场份额要占总光伏市场的 80%。4第二章 太阳能光伏发电系统概述太阳能光伏发电系统包括离网光伏发电系统（独立光伏发电系统）和并网光伏发电系统。而光伏发电应用已经开始由边远农村地区逐步向并网发电和建筑结合的常规供电方向发展，最终将走向并网运行，因此本文则重点介绍并网光伏发电技术。2.1 太阳能光伏并网发电系统的组成并网光伏发电系统包括建筑光伏系统（BIPV）、地面光伏系统（包括盐碱地、荒漠地、大型荒漠光伏电站等）和并网光伏系统。光伏并网发电系统就是把太阳能电池产生的直流电通过逆变器变成220V的交流电并接入商业电网。如图2-1所示 ,光伏并网发电系统由光伏阵列、光伏系统控制器、光伏系统逆变器、光伏系图2-1 并网光伏系统的组成统平衡部分和电网五个部分组成。2.2 光伏阵列2.2.1 太阳能电池简介光伏阵列是由一个个太阳能电池组成。太阳能电池作为光伏系统中不可缺少的关键部件，它的特征性能对整个系统都有着非常重要的影响，分析太阳能电池的特性，了解其电气特性，是开发一个光伏系统中的一个必要的步骤。它是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的一种固态器件，在光伏发电中占有极其重要的位置，对它的研究是太阳能利用中最具发展潜力的研究课题之一。太阳能电池的伏安特性受到环境温度和阳光辐照度的影响，是一个5非线性元件，它可等效为一个电压随日照强度，环境温度变化且其等效内阻随外接负载电阻变化的电压源表示。2.2.2 太阳能电池组件模型图2-2所示硅型光伏电池板的理想电路模型。光伏电池的理想模型可由（2-1）式表示：(2-1) 其中， Iph——光生电流，I ph值与光伏电池的面积、入射光的辐射度以及环境温度相关，ID——暗电流（暗电流是指光伏电池在没有光照条件下，在外电压的作用下PN结流过的单向电流） ，v——开路电压，RS——串联电阻（一般小于1欧姆） ，RSH——旁路电阻（一般几十千欧） ，vt——电池板热电势。图 2-2 光伏电池的等效电路图图2-3表述在特定光照条件下电池板的伏安特性。阴影部分是电池板在相应条件下所能够输出的最大功率。太阳能电池板在高输出电压区域，具有低内阻特性，可以视为一系列不同等级的电压源；在低输出电压区域内，该电源有高内阻特性，可以视为不同等级的电流源。电压源与电流源的交汇处便是电池板在相应条件下的最大输出功率。在电池板的温度保持不变的情况下，这个极大6功率值会随着光照强度的变化而变化，最大功率跟踪要求能够自动跟踪电池板的工作在输出功率极大的条件。图2-3 硅电池伏安特性2.3 光伏系统控制器2.3.1 控制器的作用在光伏系统中，控制器也是一个很重要的组成部分。光伏控制器是协调系统各部分正常工作,确保系统安全、可靠运行的电气装置。近些年来，随着计算机技术的发展，电气自动化技术也随之快速发展，出现了各种各样的自动化装置。现在很多光伏系统都引入了这种多功能的、智能化的自动化控制装置，也就是我们常说的光伏系统控制器。在光伏系统中，光伏系统控制器能够自动地对光伏系统的多路模拟信号进行采集处理，从而达到对整个系统的工作状态进行检测和保护的功能。它能够对系统运行中出现的偏差进行自诊断、分析、自校正，使系统自动调整工作状态，也可以监视某些关键器件的工作状况，避免因为某些器件工作出现问题而影响整个系统的情况出现。除了基本的功能以外，现在很多控制器都设计得非常全面周到，在起到普通控制器作用的同时，也是一个系统和人机信息交换的中介。在一些要求比较高的系统中的控制器，例如光伏电站中用的控制器，能够对整个系统的运行状态进行优化调整，对工作状态进行实时监控、报告；也7可以很好地对人为指令进行理解、执行和回复;自动协调系统各部分正常工作 ,确保系统安全、可靠运行的功能。现在的光伏系统中，根据用的场合以及系统对控制器的作用、功能等的具体要求，往往开发适合自己的控制器。2.3.2 Boost 电路的工作原理Boost电路由开关管 Q1，二极管 D，电感L，电容C组成，完成将太阳能电池输出的直流电压场v升压到Vdc, 如下图2-4所示:图2-4 Boost电路图当开关管Q1导通时，二极管反偏，于是将输出级隔离，由输入端向电感器供应能量;当开关管Q1断开时，输出级吸收来自电感器和输入端的能量。如下图2-5所示：(a) (b)图2-5 Boost电路的工作过程根据电感电流在周期开始是否从零开始，是否连续，可分为连续的工作状态或不连续的工作状态两种模式。由于电路在断续工作时电路，电感电流的不连续，就意味着太阳能输出的电能在每个周期内都有一部分被浪费掉了，而且纹波也会大些。因此电路的参数的选择应让电路工作在连续导电的模式下。82.4 光伏系统逆变器2.4.1 逆变器的概念逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波） 。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（ AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 。2.4.2 逆变器的分类逆变器主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的40－60％，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。逆变器根据发电源的不同，又可分为煤电逆变器，太阳能逆变器，风能逆变器，核能逆变器。根据用途不同，分为独立控制逆变器，并网逆变器。 2.4.3 逆变器的作用简单地说，逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏9交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。2.4.4 逆变器的效率逆 变 器 在 工 作 时 其 本 身 也 要 消 耗 一 部 分 电 力 ， 因 此 ， 它 的 输 入 功 率 要 大于 它 的 输 出 功 率 。 逆 变 器 的 效 率 即 是 逆 变 器 输 入 功 率 与 输 出 功 率 之 比 ， 即 逆变 器 效 率 为 输 出 功 率 比 上 输 入 功 率 。 如 一 台 逆 变 器 输 入 了 100瓦 的 直 流 电 ，输 出 了 90瓦 的 交 流 电 ， 那 么 ， 它 的 效 率 就 是 90％ 。2.4.5 逆变器的重要性在光伏系统中逆变器是将太阳能电池的直流输出电能转变为交流。对于需要向交流负载供电或者需要将电能馈送到交流电网的光伏发电系统来说，逆变器成为系统中不可缺少的重要部分，并且太阳能发电最终将走向并网运行，并网光伏发电系统的核心是并网逆变器，从而本文第三章主要讨论光伏并网逆变器。并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，一部分给当地负载供电，剩余的电力将馈入商业电网。并网型逆变器通过内部的功率调节器将太阳能电池发出的电力最大限度地回馈给电网。2.5 光伏系统平衡部分(连接部分)光伏系统平衡部件（BOS）指光伏系统中除光伏阵列以外的部分，主要包括控制器、逆变器、最大功率跟踪器、工程数据采集、显示和远程监控、蓄电池、配电系统、支架和电缆等，控制器和逆变器在前面已经涉及。平衡部件性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。加速百千瓦级控制器、逆变器的国产化进程，研制高效、低成本的最大功率跟踪器和聚光系统，并在大规模并网光伏示范项目中应用,是平衡部件制造业的任务之一。10第三章 并网逆变器的工作原理3.1 并网逆变器的分类并网逆变器的分类方法有多种，按照直流侧输入电源性质的不同可分为电压型逆变器和电流型逆变器。电压型逆变器直流侧为电压源，或并联有大电容，直流回路呈现低阻抗；电流型逆变器直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流回路呈现高阻抗，相对于电压型逆变器，其系统动态响应差。按照逆变器与市电并联运行的输出控制方式可分为电压控制逆变器和电流控制逆变器。输出采用电流控制时，其控制方法相对简单，只需控制逆变器的输出电流与电网电压同频同相，即可达到并网运行的目的。因此，目前世界上的绝大多数光伏并网逆变器产品都采用电流源输出的控制方式。按照主电路结构的不同，光伏并网逆变器还可以分为工频和高频两种。典型的工频逆变器结构如图3-1所示，太阳电池发出的直流电经DC/AC逆变过后，通过工频变压器与电网相连。工频变压器起到隔离电网、匹配电压的作用，而正是由于带有工频变压器导致整个逆变器体积大、质量重。图3-1 工频逆变器结构图高频逆变器又可分为隔离型和非隔离型两种。1.隔离型并网逆变器中含有高频变压器，其结构如图3-2所示，它首先通过DC/AC变换器将太阳电池发出的直流电转换为高频交流电，接着利用高频变压器隔离升压，在副边经AC/DC整流，最后通过逆变电路与电网相连。由于使用了高频变压器，使整个逆变器的体积小、重量轻、结构紧凑、工作噪声小。11图 3-2 隔离型高频逆变器结构图2.非隔离型并网逆变器典型结构如图图3-3所示，它首先通过DC ．DC变换器将太阳电池的直流电升压或者降压转化为满足并网要求的直流电压，然后经逆变电路、输出滤波器和电网直接相连。图3-3 非隔离型高频逆变器结构图另外，按照主电路的拓扑级数，光伏并网逆变器还可以分为单级式并网逆变器、两级式并网逆变器、多级式并网逆变器等。123.2 电路的基本工作原理3.2.1 系统电路拓扑图 3-4 系统主电路的拓扑结构系统采用无变压器的两级结构(如上图3-4所示)，前级DC ／DC变换器和后级的DC ／AC逆变器，两部分通过DClink相连。前级 DC／DC变换器，可选择的型式有半桥式、全桥式、推挽式和Boost式，考虑到输入电压较低，如采用半桥式则开关管电流变大，输出电压太低；而采用全桥式则控制复杂，开关管功耗增大，因此这里采用结构简单，控制方便的Boost升压电路，它根据电网电压的大小使在不同天气条件下的输入电压达到一个合适的水平，同时在低压情况下实行最大功率点的跟踪，增大光伏系统的经济性能。后级的DC／AC 逆变器，采用单相逆变全桥，作用是将DClink直流电转换成 220V／50Hz正弦交流电，实现逆变向电网输送功率。DClink的作用除了连接DC／DC变换器和DC ／AC逆变器，还实现了功率的传递。控制电路的核心芯片是TI 公司的TMS320F2407 。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频同相。3.2.2 单相全桥逆变器的工作原理工作原理图：13图3-5 单相全桥逆变器的拓扑结构上图3-5 为以绝缘栅双极性晶体管(IGBT) 为主开关器件的单相全桥逆变器主电路图，其中 为交流输出电感，Cd为直流侧支撑电容，也即前级Boost电路NL的输出电容，T1-T4是主开关管IGBT ，D1-D4是其反并联二极管，对四个开关管进行适当的PWM控制，就可以调节输出电流 为正弦波，并且与网压)(tiN保持同相位，达到输出功率因数为l的目的。它是由两个桥臂并联组成的，)(tuN因此这种桥式拓扑，仍属于升压式结构。其启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于电网电压的峰值，否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全可控。3.3 单相光伏逆变器的控制方法3.3.1 电压瞬时值单环反馈图3-6为单相全桥式逆变电路平均值反馈控制框图，这是一种曾经广泛应用的反馈控制策略，其特点是单电压反馈环，逆变输出电压经电压互感器PT降压后进入平均值电路，其输出与电压给定相比较，产生的误差信号经PI电压调节器，其输出信号用以调节正弦调制信号的幅值，再将该调制信号与三角波载波信号通过比较器进行比较，产生SPWM信号，经驱动电路加到逆变桥，通过输出电压平均值闭环维持输出电压的恒定。14图3-6 电压反馈控制框图上述控制电路其结构相对较为简单，对输出电压的幅值可连续调节并保证一定的静差，但也存在以下缺点：系统动态响应速度缓慢，由于包含LC 输出滤波器，单环电压反馈系统是一个二阶系统，只有在PI 电压调节器加入大的补偿电容才能保证系统稳定工作，加上平均值电路中的滤波电容增大系统惯性，当直流侧电压或负载产生突变，系统的动态响应速度很慢，常需经历几个输出周期；负载适应性差，对于SPWM 逆变电源，经常面对一些非线性负载，电流冲击度很高。从而使输出电压波形产生畸变，总失真度升高，甚至超过允许值。3.3.2 电流瞬时值单环反馈电流反馈控制是一种新颖的控制方法，具有其独特的优点，原有电压型控制存在的局限性以及电流型控制自身的优点，使这种控制方式得到重视和应用，实现电流型控制策略的电路拓扑很多，下面仅介绍常用的电流滞环跟踪控制和恒开关频率的电流控制。1．电流滞环跟踪控制具有电流滞环跟踪控制的单相桥式逆变电路的控制电路如图3-7所示，设电路初态为T1、T4导通，则 线性增加, 相应增长，当 时，滞环比较器Lifi 2Rfi输出电压改变，使T1、T4关断，T2、T3导通，但为了维持 连续，电流通过二L极管D2、D3续流， 相应下降，当电流 时，使T1、T4 再次导通，使电Li 1Rfi流增大，保持电流在曲线 和 之间变化。环宽 决定了开关频率 ，环宽1R2iicf越小则 越高，电流脉动度越低， 越接近于正弦，电流失真度THD越小，但cf L15随着开关频率的不断增加，电路开关损耗越高，将导致电路效率越低，设计时需折中考虑。（1）系统具有快速的瞬态响应：由于电流反馈作用，当输入直流电压波动或负载突变引起输出电压变化时，都将引起电感电流的变化，使功率器件的开关状态产生变化，从而改变输出电压的波形。（2）系统具有较高的稳定性：前述具有电压单环反馈控制系统是一个二阶系统，是一种有条件的稳定系统，需要对电路做精心的校正设计；而电流单环反馈控制系统则是一个一阶系统，是一种无条件稳定系统。（3）电流型全桥电路容易产生失控：电流脉宽不等固然可以维持电感端压的伏秒值平衡。但却会导致电容电荷的安秒值不平衡，在全桥电路结构中，这种不平衡会导致直流侧分压电容端压不等，电源中点漂移，恶性循环的结果将使电路失控。（4）开关频率不固定：由于器件的开关点完全取决于电流到达上下限值的时间，因此滞环控制的开关频率并不固定，这与电压型控制下载波频率恒定的PWM控制有很大不同。由于开关频率是变化的，电路工作可靠性下降，输出电压的频谱特性变差，所有这些对系统性能都是不利的。图 3-7 电流滞环跟踪控制电路2．恒开关频率的电流控制为了克服滞环电流控制方式存在的缺点，图3-8所示为一种具有恒开关频率的电流控制方案，该控制电路与滞环控制电路的不同之处在于增加了频率发生器，频率发生器输出方波信号，其重复频率f为恒值，方波信号作为时钟脉冲加到锁存器的CP口，正弦给定电流 与反馈电流 ，在比较器的输入端进行比较，Rifi根据差值电流 的极性决定锁存器的输出电平，例如：当 >O时，使fRii i16T1、T4导通，则电流上升，当 <0时，使T2、T3 导通，则电流下降，上述控i制脉冲的转变是由锁存器的输出电平决定的，而锁存器只有在时钟脉冲到来时才转换状态，于是每个切换点在时间上等距，因为时钟脉冲的重复频率是恒定的，因此有的文献称之为同步开关控制方式。恒开关频率方式虽然避免滞环控制时频率变化的缺点，但电流波形失真度在相同条件下比滞环高。图3-8 恒开关频率控制电路3.3.3 电压电流双环反馈采用电压电流双环瞬时值控制方案的逆变器，拥有输出电压波形质量好、控制简单及动态响应好等特点。目前采用的双环反馈，其外环为输出电压反馈，电压调节器一般采用比例积分（PI）形式，其输出作为内环的给定，内环为电流反馈。双闭环控制方案中的电流内环加大了逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减少，非线性负载适应能力增强。图3-9为具有电压外环和电流内环的电压源型全桥逆变电路，图3-10为电路的方框图。由图3-10可见，电压外环采用瞬时值反馈，对输出电压的瞬时误差给出调节信号，该信号经PI调节后作为电流控制给定 ；电流内环由电感电流Ri或电容电流瞬时值与电流给定 比较产生误差信号，经PI调节，所得信号与三Ri角形载波比较后产生SPWM 信号控制功率管的开通。在实际应用中采用电流内环之外还设置电压外环的目的在于对不同负载实现给定电流幅值的自动控制，电压瞬时值外环能及时、快速的校正输出电压波形，使系统在不同负载的情况下均具有良好的电压输出波形。17图3-9 电压电流双环反馈控制图3-10 电压电流双闭环控制系统方框图3.4 逆变器的元件选择3.4.1 用于升压级的开关管和二极管图 3-4 所 示 的 所 有 拓 扑 都 需 要 快 速 转 换 的 功 率 开 关 。 升 压 级 和 全 桥 变 换级 需 要 快 速 转 换 二 极 管 。 此 外 ， 专 门 为 低 频 (100Hz) 转 换 而 优 化 的 开 关 对 这些 拓 扑 也 很 有 用 处 。 对 于 任 何 特 定 的 硅 技 术 ， 针 对 快 速 转 换 优 化 的 开 关 比 针对 低 频 转 换 应 用 优 化 的 开 关 具 有 更 高 的 导 通 损 耗 。 升 压 级 一 般 设 计 为 连 续 电 流 模 式 转 换 器 。 根 据 逆 变 器 所 采 用 的 阵 列 中 太阳 能 模 块 的 数 量 ， 来 选 择 使 用 600V 还 是 1200V 的 器 件 。 功 率 开 关 的 两 个 选择 是 MOSFET 和 IGBT。 一 般 而 言 ， MOSFET 比 IGBT 可 以 工 作 在 更 高 的 开关 频 率 下 。 此 外 ， 还 必 须 始 终 考 虑 半 导 体 二 极 管 的 影 响 ： 在 升 压 级 的 情 况 下18并 没 有 什 么 问 题 ， 因 为 正 常 工 作 模 式 下 二 极 管 不 导 通 。 MOSFET 的 导 通 损 耗可 根 据 导 通 阻 抗 RDS(ON)来 计 算 ， 对 于 给 定 的 MOSFET 系 列 ， 这 与 有 效 裸片 面 积 成 比 例 关 系 。 当 额 定 电 压 从 600V 变 化 到 1200V 时 ， MOSFET 的 传导 损 耗 会 大 大 增 加 ， 因 此 ， 即 使 额 定 RDS（ ON） 相 当 ， 1200V 的 MOSFET 也 不 可 用 或 是 价 格 太 高 。 对 于 额 定 600V 的 升 压 开 关 ， 可 采 用 超 结 MOSFET。 对 高 频 开 关 应 用 ，这 种 技 术 具 有 最 佳 的 导 通 损 耗 。 目 前 市 面 上 有 采 用 TO-220 封 装 、RDS（ ON） 值 低 于 100 毫 欧 的 MOSFET 和 采 用 TO-247 封 装 、RDS（ ON） 值 低 于 50 毫 欧 的 MOSFET。 对 于 需 要 1200V 功 率 开 关 的 太 阳能 逆 变 器 ， IGBT 是 适 当 的 选 择 。 较 先 进 的 IGBT 技 术 ， 比 如 NPT Trench 和 NPT Field Stop， 都 针 对 降 低 导 通 损 耗 做 了 优 化 ， 但 代 价 是 较 高 的 开 关 损 耗 ，这 使 得 它 们 不 太 适 合 于 高 频 下 的 升 压 应 用 。 在 旧 有 NPT 平 面 技 术 的 基 础 上 开 发 了 一 种 可 以 提 高 高 开 关 频 率 的 升 压 电路 效 率 的 器 件 FGL40N120AND， 具 有 43uJ/A 的 EOFF， 比 较 采 用 更 先 进 技术 器 件 的 EOFF 为 80uJ/A， 但 要 获 得 这 种 性 能 却 非 常 困 难 。FGL40N120AND 器 件 的 缺 点 在 于 饱 和 压 降 VCE（ SAT） 较 高 ， 不 过 它 在 高升 压 开 关 频 率 下 开 关 损 耗 很 低 的 优 点 已 足 以 弥 补 这 一 切 。 该 器 件 还 集 成 了 反并 联 二 极 管 。 在 正 常 升 压 工 作 下 ， 该 二 极 管 不 会 导 通 。 然 而 ， 在 启 动 期 间 或瞬 变 情 况 下 ， 升 压 电 路 有 可 能 被 驱 使 进 入 工 作 模 式 ， 这 时 该 反 并 联 二 极 管 就会 导 通 。 由 于 IGBT 本 身 没 有 固 有 的 体 二 极 管 ， 故 需 要 这 种 共 封 装 的 二 极 管来 保 证 可 靠 的 工 作 。 对 升 压 二 极 管 ， 需 要 Stealth™ 或 碳 硅 二 极 管 这 样 的 快速 恢 复 二 极 管 。 碳 硅 二 极 管 具 有 很 低 的 正 向 电 压 和 损 耗 。 不 过 目 前 它 们 的 价格 都 很 高 昂 。 在 选 择 升 压 二 极 管 时 ， 必 须 考 虑 到 反 向 恢 复 电 流 （ 或 碳 硅 二 极管 的 结 电 容 ） 对 升 压 开 关 的 影 响 ， 因 为 这 会 导 致 额 外 的 损 耗 。 在 这 里 ， 新 推出 的 Stealth II 二 极 管 FFP08S60S 可 以 提 供 更 高 的 性 能 。 当 VDD=390V、 ID=8A、 di/dt=200A/us， 且 外 壳 温 度 为 100℃ 时 ， 计 算 得 出 的 开 关 损 耗 低 于FFP08S60S 的 参 数 205mJ。 而 采 用 ISL9R860P2 Stealth 二 极 管 ， 这 个 值 则 达225mJ。 故 此 举 也 提 高 了 逆 变 器 在 高 开 关 频 率 下 的 效 率 。 3.4.2 用于桥接和专用级的开关管和二极管MOSFET 全 桥 滤 波 之 后 ， 输 出 桥 产 生 一 个 50Hz 的 正 弦 电 压 及 电 流 信 号 。一 种 常 见 的 实 现 方 案 是 采 用 标 准 全 桥 结 构 (图 3-4)。 图 中 若 左 上 方 和 右 下 方的 开 关 导 通 ， 则 在 左 右 终 端 之 间 加 载 一 个 正 电 压 ； 右 上 方 和 左 下 方 的 开 关 导19通 ， 则 在 左 右 终 端 之 间 加 载 一 个 负 电 压 。 对 于 这 种 应 用 ， 在 某 一 时 段 只 有 一个 开 关 导 通 。 一 个 开 关 可 被 切 换 到 PWM 高 频 下 ， 另 一 开 关 则 在 50Hz 低 频下 。 由 于 自 举 电 路 依 赖 于 低 端 器 件 的 转 换 ， 故 低 端 器 件 被 切 换 到 PWM 高 频下 ， 而 高 端 器 件 被 切 换 到 50Hz 低 频 下 。 这 应 用 采 用 了 600V 的 功 率 开 关 ，故 600V 超 结 MOSFET 非 常 适 合 这 个 高 速 的 开 关 器 件 。 由 于 这 些 开 关 器 件 在开 关 导 通 时 会 承 受 其 它 器 件 的 全 部 反 向 恢 复 电 流 ， 因 此 快 速 恢 复 超 结 器 件 如600V FCH47N60F 是 十 分 理 想 的 选 择 。 它 的 RDS(ON) 为 73 毫 欧 ， 相 比 其 它同 类 的 快 速 恢 复 器 件 其 导 通 损 耗 很 低 。 当 这 种 器 件 在 50Hz 下 进 行 转 换 时 ，无 需 使 用 快 速 恢 复 特 性 。 这 些 器 件 具 有 出 色 的 dv/dt 和 di/dt 特 性 ， 比 较 标 准超 结 MOSFET 可 提 高 系 统 的 可 靠 性 。 另 一 个 值 得 探 讨 的 选 择 是 采 用 FGH30N60LSD 器 件 。 它 是 一 种 饱 和 电 压VCE(SAT) 只 有 1.1V 的 30A/600V IGBT。 其 关 断 损 耗 EOFF 非 常 高 ， 达10mJ ， 故 只 适 合 于 低 频 转 换 。 一 个 50 毫 欧 的 MOSFET 在 工 作 温 度 下 导 通阻 抗 RDS（ ON） 为 100 毫 欧 。 因 此 在 11A 时 ， 具 有 和 IGBT 的VCE（ SAT） 相 同 的 VDS。 由 于 这 种 IGBT 基 于 较 旧 的 击 穿 技 术 ，VCE（ SAT） 随 温 度 的 变 化 不 大 。 因 此 ， 这 种 IGBT 可 降 低 输 出 桥 中 的 总 体损 耗 ， 从 而 提 高 逆 变 器 的 总 体 效 率 。 FGH30N60LSD IGBT 在 每 半 周 期 从 一种 功 率 转 换 技 术 切 换 到 另 一 种 专 用 拓 扑 的 做 法 也 十 分 有 用 。 IGBT 在 这 里 被用 作 拓 扑 开 关 。 在 较 快 速 的 转 换 时 则 使 用 常 规 及 快 速 恢 复 超 结 器 件 。 对 于1200V 的 专 用 拓 扑 及 全 桥 结 构 ， 前 面 提 到 的 FGL40N120AND 是 非 常 适 合 于新 型 高 频 太 阳 能 逆 变 器 的 开 关 。 当 专 用 技 术 需 要 二 极 管 时 ， Stealth II、 Hyperfast™ II 二 极 管 及 碳 硅 二 极 管 是 很 好 的 解 决 方 案 。 逆 变 器 把 直 流 电转 换 为 交 流 电 的 效 率 ， 目 前 ， 欧 洲 逆 变 器 效 率 普 遍 较 高 ， 可 达 到 97.2%。 20第四章 并网逆变器的工作仿真4.1 并网逆变器的仿真模型为了对所设计的系统性能有更加直观的认识，在对光伏并网逆变器的设计中，本文采用了Matlab7.0/Simulink中的SimPower Systems 工具箱。用这种方法搭建的单相光伏并网逆变器和那些通过将电路转化为传递函数的方法相比，具有更加接近于实际电路的结果。更能为实际工作获得较真实的数据。完整的系统仿真如图4-1所示。21图4-1 电路仿真模型系统主参数设置为： VDC=24V， C=0.47μF, 功率管采用IGBT，容量为50A、600V，In1～4输入信号为方波。4.2 仿真结果仿真结果如图4-2：图4-2 并网逆变器输出电压的仿真波形图4-2是稳态工作时并网逆变器电压的仿真波形，从图中可以看出逆变器输出的电压为方波，电压幅值约为90V。本次仿真成功的完成了直流到交流的逆变。22第五章 论文小结与展望5.1 论文小结光伏系统中逆变器是非常重要的部件，决定着系统的效率以及输出波形的质量。光伏并网发电系统在我国还没形成商业化运行，目前正在运行的光伏并网发电系统均为示范工程，并网逆变技术还主要进口或合作，使得整个的并网发电系统造价高，大规模推行困难。同时为了追求更高的效率等原因，逆变器控制也是人们研究的重点。本文以并网逆变器为主要研介绍对象，同时讲述了其控制方法。本文介绍的主要内容：1.介绍了光伏并网发电系统背景和意义。2.论述了光伏发电系统的基本工作原理。3.介绍了逆变器的一些基本情况及其分类。4.对单相光伏并网逆变器工作原理进行了详细分析。5. 完成了并网逆变器的仿真。5.2 展望光伏并网发电技术是光伏应用领域一项非常重要的技术，被认为将是21世纪最重要、最具活力的新能源。在并网逆变器及其控制方面，世界各个国家的23专家学者已经对其进行了大量的研究工作，也取得了相当多的成果。但是我国对并网逆变器的研究还相当不足，目前还处于实验研究阶段，真正广泛地应用于实践还需要相当漫长的过程。并网逆变器及其控制方法的研究，还有许多方面有待于进一步深入探讨：1.继续研究并网逆变器的并网电流控制，寻找好的方法进行改善；2.研究光伏发电技术中最大功率跟踪方法。综合上述，逆变器及其控制技术在电力电子学领域中的应用具有广阔的情景，同时也面临极大的挑战。参考文献【1】 邱昌容，王乃庆．电工设备局部放电及其测试技术。北京：机械工业出版 社，1994【2】 黄俊,王兆安．电力电子变流技术机械工业出版社，1997【3】 陈道炼．逆变技术及其应用机械工业出版社，2003【4】 郑诗程．光伏发电系统及其控制的研究合肥工业大学研究生部，2005.4【5】 赵为．太阳能光伏并网发电系统的研究合肥工业大学，2003.4【6】 赵玉文．21世纪我国光伏产业发展战略思考中国工程科学，2001.