3KW单相并网光伏逆变器

1 HUNAN UNIVERSITY 毕 业 论 文论文题目屋顶太阳能并网发电系统的光伏逆变器设计学 生 姓 名 杨昶学 生 学 号 20100710421 专 业 班 级 电 气 工 程 及 其 自 动 化 1004 班学 院 名 称 电气信息工程学院指 导 老 师 刘波峰学 院 院 长 王耀南2014 年 5 月 21 日2 目录摘要 1ABSTRACT . 4第 1 章 绪论 51.1 光伏发电背景及意义 . 51.1.1 能源利用现状 . 51.1.2 太阳能利用的主要形式 . 61.1.3 光伏发电技术的优势及前景 . 61.2 光伏发电技术研究现状 71.2.1 国外光伏发电技术研究现状 . 71.2.2 国内光伏发电技术研究现状 . 71.3 本课题主要内容 8第 2 章 屋顶太阳能光伏并网发电系统设计及要求 82.1 光伏发电系统简介 82.1.1 光伏发电系统基本原理 . 82.1.2 光伏并网发电系统优点 . 92.2 光伏逆变器简介 92.2.1 逆变器分类 . 92.2.2 单级结构与两级结构的光伏逆变器 . 10 2.3 光伏逆变器的设计 10 2.3.1 逆变器设计要求 . 10 2.3.2 逆变器设计规格 . 10 2.3.3 主电路拓扑结构设计 . 11 2.3.4 主电路 DC/AC 拓扑结构设计 . 14 第 3 章 系统的硬件设计及软件设计 17 3.1 主电路参数设计 17 3.1.1 功率器件选取 17 3.1.2 DC/DC 部分主电路设计 19 3.1.3 DC/AC 部分主电路设计 . 20 3.2 驱动、采样电路设计 . 21 3.2.1 IPM 模块驱动电路 . 21 3.2.2 直流侧电压采样电路设计 21 3.2.3 直流侧电流采样电路设计 . 22 3 3.2.4 逆变器输出电压采样电路设计 22 3.2.5 逆变器输出电流采样电路设计 . 23 3.2.6 电网电压采样电路设计 . 24 3.2.7 过零捕获电路 . 25 3.2.8 死区生成电路 . 25 3.3 系统软件设计 . 26 3.3.1 主程序流程图 . 26 3.3.2 中断子程序流程图 . 27 3.3.3 孤岛故障检测程序 28 第 4 章 光伏并网发电系统的控制方法研究 29 4.1 逆变器并网控制方式与目标 29 4.1.1 逆变器并网控制方法 29 4.1.2 逆变器并网控制目标 30 4.2 逆变电路控制方式 30 4.2.1 电压瞬时值单环反馈控制方式 30 4.2.2 电流瞬时值单环反馈控制方式 31 4.2.3 电压电流双环反馈控制方式 33 4.3 孤岛效应简介 . 34 4.3.1 孤岛效应及其危害 34 4.3.2 孤岛效应检测策略 34 第 5 章 全文总结 35 参考文献 36 摘要在能源危机与环境污染等问题日益严重的今天 ,新能源的开发与利用越发受到重视 ,太阳能因为具有经济、 清洁等优点而倍受青睐 ,太阳能光伏发电技术作为新能源利用形式之一也在快速发展。 逆变器作为太阳能光伏发电系统中最主要的能量转换装置 ,其性能的好坏 ,将直接影响到太阳能发电系统的利用效率。本文针对单相并网运行的光伏逆变器 ,采用了电压外环、电流内环的双环控制方法 ,不仅保证了逆变器输出的误差为零 ,而且保证了逆变器具有良好的输出波形。本文还主要对光伏发电系统的电路拓扑结构、控制方法以及并网控制策略和孤岛效应等进行了详细的分析研究。本论文设计了一个 3kW 单相并网光伏逆变器。首先阐述了本课题的研究背景和意义 ,列出了太阳能光伏发电技术的优点 ,并介绍了光伏发电系统的有关部分；其次着重对4 光伏逆变器主要电路进行设计（包括硬件设计以及软件设计） ：硬件设计部分主要包括主电路拓扑结构的选择 ,相关器件的参数设计和选型 ,主电路的设计和外围相关电路的设计；软件设计包括相关算法的介绍及采用 ,主程序设计 ,相关中断子程序的设计等。同时对光伏逆变器的并网策略进行了研究 ,设计了本论文的控制方式。ABSTRACT Nowadays,on account of the problems of environmental pollution and the Energy Crisis becoming worse and worse,exploring and using of new energy become more and more important,solar energy is accepted widely for its advantages such as economical and cleanness,and photovoltaic grid generation technology, as one of the new energy utilization ways,,is developing rapidly.The inverter is the most important power converter in the PV generator system,whose performance will directly influence the efficiency of the use of solar power.This paper focus on single-phase grid-connected system which can work on the photovoltaic grid-connected system.The control method of virtual value outer loop and instantaneous value inner loop,which can eliminate the static error,as well as make the output wave well.So,this paper analyzed the topology of the system,control strategy and the key technology of grid-connected such as the inverter control method and anti-island. So the 3 kW single-phase photovoltaic inverter has been designed. Firstly the background and significance of this topic are elaborated, and the advantages of the PV grid generation technology are pointed out， and the related parts are introduced. Secondly This paper focuses on the photovoltaic inverter circuit s design,including the hardware s design and software s design, the hardware s design includes:the choice of the circuit s topological structure,the design of the related components parameters and the selection matching; the software s design includes:the introduction and the adoption of the related algorithm, the main program s design,the related interruption program. Finally the grid strategy of the inverter has been studied. 5 第 1章 绪论1.1 光伏发电背景及意义1.1.1 能源利用现状能源是包括人类在内的所有生物生存的能量来源 ,也是人类社会发展的前进动力。 在当今世界，能源问题和环境问题是全世界共同关注的问题，也是我国社会发展面临的主要问题。 由于传统能源消耗的急剧加大 ,传统化石能源枯竭的危机迫在眉睫。 能源危机与环境污染已经成为全世界亟待解决的问题，开发清洁的高效的可再生新能源势在必行。随着我国经济社会的迅速发展 ,我国能源消耗量远大于生产量。最近几年 ,能源短缺现象日益凸显 ,目前我国已经成为世界第二大能源消费国。在我国能源构成中 ,传统能源仍然占有较大比重 ,传统能源会产生诸如：大气污染、环境污染、气候变化等环境问题。由于传统能源的种种弊端 ,因此寻求新的可替代能源将是世界经济发展的唯一途径 ,在所有替代能源中 ,太阳能被认为是主要替代能源之一。6 1.1.2 太阳能利用的主要形式太阳能是所有可再生能源中最重要的基本能源 ,风能、 生物质能、 水能、 海洋能等都来自太阳能 ,某种意义上说 ,太阳能包含以上所有可再生能源。太阳能利用主要有太阳能热发电、太阳能光发电、太阳能热利用等。太阳能热利用技术是通过转换装置把辐射太阳能转换成热能的技术 ,而利用热能来进行发电的技术称为太阳能热发电技术。 太阳能光发电技术是通过转换装置把辐射太阳能转换成电能利用的技术 ,光电转换装置通常是利用光伏效应原理来进行光电转换 ,因此它又称做太阳能光伏技术。1.1.3 光伏发电技术的优势及前景在可持续发展的能源战略中 ,太阳能光伏发电技术在太阳能热发电、 海洋发电、 生物质能发电、风力发电、生物质能发电等可再生能源发电技术中占有重要的地位。这是因为太阳能光伏发电拥有其它发电技术无可比拟的优点 : 一、太阳能取之不尽 ,用之不竭。根据估算 ,一年之中地球接收到的太阳能总能量相当于 137 万亿吨标准煤燃烧所产生的热量 ,约为全球一年各种能源产生能量总和的两万倍；二、太阳能在转换过程中清洁无污染；三、太阳能资源分布广遍及全球 ,可以根据环境进行分散地、区域性地利用；四、光伏发电系统是静态运行 ,使用寿命长 ,极少需要维护。五、 光伏系统可以模块化 ,方便安装在接近电力消耗的地方 ,安装在远离电网的地区，可以有效降低供配电成本 ,增加供电设施可靠性。太阳能光电利用技术主要形式是光伏发电技术 ,而太阳能光热利用技术主要形式是太阳能热发电技术。未来大规模利用太阳能的主要形式还是光伏发电技术。就设备能量转换效率以及设备成本和转换后能量价格而言 ,光伏发电技术均要强于太阳能热发电技术。并且随着太阳能光伏电池组件价格的不断下降 ,光伏转换设备的规模化生产 ,以及相关技术日趋成熟等有利条件 ,光伏发电技术的应用前景更加乐观 ,从而能够促进光伏发电规模的不断扩大 ,因此光伏发电技术不可避免的成为了主要的发展趋势。7 1.2 光伏发电技术研究现状1.2.1 国外光伏发电技术研究现状上世纪五十年代 ,第一块单晶硅光伏电池问世 ,光伏电池技术取得重大突破，伴随着光伏电池技术的突破 ,光伏发电技术也得到了广泛关注。 西方国家提出了一系列的具有重要意义的光伏并网项目。 进入二十世纪九十年代 ,太阳能光伏发电技术成为全球温室效应调控的重要技术手段 ,很多发达国家开始实施以并网的太阳能光伏发电技术为基础的太阳能光伏发电屋顶计划 ,这是一种创新的把太阳能技术与建筑设计紧密结合的光伏并网发电技术。 1997 年日本京都会议之后 ,美国宣布了百万光伏屋顶计划 ,预计在 10 年内安装总容量约为 3GW。随后 ,德国也提出了 10 万户的光伏屋顶计划 ,日本紧随其后提出了朝日 7 年光伏屋顶计划 ,计划到 2010 年光伏发电总容量超过 5GW。 由德国西门子太阳能公司在慕尼黑贸易中心建成的 1MW 太阳能光伏屋顶系统 ,则是大功率太阳能光伏并网屋顶发电系统的典型代表。 2006 年 ,美国加州正式出台了 3000MW 光伏发电计划。 2009 年日本恢复了对光伏电池行业的所有补贴政策 ,预计到 2020 年日本光伏发电系统装机总容量累计接近 14GW。 西欧北美等发达国家的光伏并网发电系统快速发展的同时 ,印度、 马来西亚等发展中国家也提出了类似的光伏发电计划。1.2.2 国内光伏发电技术研究现状我国在光伏并网发电技术领域的研发起步较晚， 1960 年成功研制出了我国首块多晶硅电池 ,效率约为 1%。 1964 年研制的单晶硅电池的效率逐步提高到了 12%-13%。 2007年我国光伏电池以 1088MW 的年产量跃居世界首位， 且在世界排名前 25 家光伏企业中 ,我国就已占据了 8 家。1987 年 ,我国首次引进太阳能光伏电池生产设备 ,利用国外先进技术开始生产光伏电池 ,且在同年七五计划中 ,将太阳能单晶硅的研究列入专题。 1994 年中国科学院电工研究所建成了 100KW 的光伏发电系统。 1997 年开始实施中国的“光明工程”计划。 2007 年首次在内蒙古建设了 205kW 光伏发电示范系统。 2009 年 ,甘肃敦煌开始招标当时国内最大的太阳能发电站 10MW 光伏并网电站。同年财政部及住房和城乡建设部共同提出了到 2020 年需要建成全年总发电量为 30GW 的光伏发电站计划。8 1.3 本课题主要内容针对 3-5KW 家庭屋顶太阳能并网发电系统， 采用单片机对太阳能发电系统的过充、过放、电子短路、过载保护、防反接保护等全自动控制。要求完成充电方法及充放电控制电路、故障检测电路采样与电源控制电路硬件设计及相关软件设计。全文共分五章，每章内容安排如下：第 1 章，绪论。介绍光伏发电系统的背景及意义，分析了国内外光伏发电技术研究的现状。第 2 章，屋顶太阳能光伏并网发电系统设计及要求。首先对光伏发电系统和光伏逆变器做了简介， 然后主要围绕本文所采用的 DC/DC 和 DC/AC 电路结构进行拓扑结构分析。第 3 章，系统的硬件设计及软件设计。结合本课题所研制单相光伏并网系统的设计过程，介绍了逆变器系统的核心电路的设计、功率器件的选型以及主电路电感电容参数的设计，软件程序的整体结构图以及各核心子程序的流程图。第 4 章，屋顶太阳能光伏并网发电系统的控制方法研究。本文给出了数字控制策略的具体实现手段： 输出频率可调、 闭环负反馈控制以及控制脉冲的产生 ,阐述了一般数字控制策略的实现过程。第 5 章，对全文进行总结。第 2章 屋顶太阳能光伏并网发电系统设计及要求2.1 光伏发电系统简介2.1.1 光伏发电系统基本原理光伏发电系统是通过光伏效应将福射太阳能直接转换为电能的系统。 光伏发电系统一般由光伏电池阵列、蓄电池、控制器、逆变器以及负载等组成。光伏发电系统结构图如图 2.1 所示。图 2.1 光伏发电系统原理图光伏阵列 控制器 逆变器 负载蓄电池9 光伏发电系统首先通过光伏电池阵列 ,收集太阳光辐射能 ,并通过光伏效应将辐射太阳能转化为电能 ,控制器控制光伏阵列的电能输出 ,将光伏电池阵列产生的直流电经过逆变器转换成交流电供负载使用。 如果光伏阵列发出的电能高于负载消耗的电能时 ,控制器控制将多余的能量存储进蓄电池中 ;若光伏阵列所发出的电能少于负载消耗的电能时 ,控制器控制蓄电池将电能送入逆变器供负载使用。2.1.2 光伏并网发电系统优点根据系统是否并网可以将光伏系统分为独立型光伏系统以及并网型光伏系统 （以下简称独立型与并网型） 。独立型系统指与电网不连接的光伏系统 ,又称离网型光伏系统。独立型系统亦可分为集中式与住户用系统。并网型系统则是与电网直接相连接。并网型系统可分为集中式大型光伏并网系统 (太阳能电站 )和分散式小型光伏并网系统 ;根据其是否带有蓄电池也可以分为可调度式发电系统和不可调度式发电系统。光伏并网发电系统具有离网型系统所不具有的一些优点 ,具体特点如下：1.系统中无蓄电池等储能设备 ,可以降低系统造价 ,节约成本。2.没有庞大的蓄电池组 ,可以节约占地面积。3.没有废旧蓄电池污染环境的问题。4 没有蓄电池充放电过度的问题 ,控制器的控制策略更加简单 ,对控制器设计要求降低 ,提高了整个发电系统的稳定性和供电的可靠性。5.可以向电网提供有功功率和无功功率 ,对电网起到调峰的作用。鉴于光伏并网发电系统具有的诸多优点 ,光伏并网发电系统是未来光伏发电技术的主要发展趋势 ,尤其是屋顶光伏发电技术领域 ,在国内外发展迅猛 ,逐步成为了当今光伏发电技术中的热点 ,今后还会向大型光伏并网发电系统发展。因此 ,研究光伏并网发电系统和相关重要内容具有重要应用价值。2.2 光伏逆变器简介2.2.1 逆变器分类逆变是指将直流电通过变换装置转换成交流电的过程 ,而完成逆变过程的装置称为逆变器。由于光伏发电系统可以分为并网型和离网型 ,逆变器也可以分成并网型逆变器和离网型逆变器。根据逆变器输出交流电的相数可以将逆变器分为单相逆变器和三相逆变器。 直接与负载相连而不与电网连接的逆变器称为无源逆变器 ;直接与电网相连的逆变器10 称为有源逆变器。依据光伏逆变器能量转换级数可将其分为单级逆变器和两级逆变器。根据光伏并网逆变器隔离变压器的有无可分为隔离型变压器和非隔离型变压器。2.2.2 单级结构与两级结构的光伏逆变器直接实现逆变过程的逆变器是单级式光伏逆变器 ,它没有直流升压部分电路。 这种逆变器仅有一个能量转换环节 ,系统的最大功率点跟踪、 并网控制、 逆变控制都需要控制在这一能量转换环节 ,因此控制方式比较复杂 ,所以这种结构在应用上并不常见。两级式光伏逆变器分为两个部分： DC/DC 直流升压电路部分和 DC/AC 逆变电路部分。 直流升压电路部分负责最大功率点跟踪和直流升压 ,逆变电路部分负责将直流电逆变为交流电并实现并网等。 不同于单级式逆变器 ,两级式逆变器更容易实现最大功率点跟踪控制 ,并能够保证直流电压的较宽范围输入和直流电压的高电压输入 ,也就可以提高装置的效率，并且容易满足并网要求。2.3 光伏逆变器的设计2.3.1 逆变器设计要求逆变器的设计要求如下：1.光伏并网逆变器能够输出稳定正弦交流电。交流电要符合国家电网对并网的相关要求 ,即实现逆变器输出电流与电网电压同频同相 ,功率因数接近 1,且不含直流分量 ,降低高次谐波的含量和具有较高的可靠性等。2.要求有较高的逆变效率。 较大功率的逆变器满载时 ,效率要求达到 90%或者 95%以上 ,而中小型功率的逆变器的满载时也要求达到 85%或者 90%以上。3.要求具有较宽的直流输入电压范围。光伏并网系统中太阳能电池可能受到光照强度和天气因素的影响 ,其直流输出端的输出直流电压会有较大变化。2.3.2 逆变器设计规格本论文设计了一台 3kW 的太阳能光伏逆变器。光伏电池阵列的输出直流电压取200V；逆变器额定功率 3KW ，额定输出电压为 220V，频率 50HZ，输入直流电压范围125V~600V， 最大输入电流 15A； DC/DC 开关频率取 20kHz,DC/AC 开关频率取 16kHz。11 2.3.3 主电路拓扑结构设计光伏逆变器主电路部分主要包括两部分： DC/DC 直流升压变换器以及 DC/AC 逆变器。 两部分拓扑结构的选择对光伏逆变系统性能有重要影响 ,因此两者电路的选择尤为重要。本文系统 DC/DC 直流升压部分采用 Boost 电路， DC/AC 逆变部分采用单相全桥逆变电路。如图 2.1 为主电路拓扑结构图 2.1 主电路拓扑结构图2.3.3.1 主电路 DC/DC 拓扑结构设计Boost 电路拓扑结构如图 2.2， Boost 电路由开关管 Q，二极管 D1，电感 L，电容C2 组成，完成将太阳能电池产生的直流电压升压到逆变所需的稳定输入电压。 Boost 直流升压斩波电路共有两个工作工程：储能过程和放电过程。储能过程：开关管 Q 导通，二极管 D1 反偏 ,将输出级隔离，由输入端光伏电池向电感 L 充电；放电过程：开关管 Q断开，太阳能电池板的电能和存储在电感 L 里的能量传递给下一级的全桥逆变器。图 2.2 Boost 电路拓扑结构图Boost 电路工作原理：错误！ 未找到引用源。 中， 对于 Boost 升压电路而言， 太阳能电池等效于电压源 pvU ，12 后级全桥逆变电路等效为负载 R，等效电路如图 2.所示。将 pvU 升压为 dcU 是经由控制功率管 0Q 的关断来实现。图 2.3 Boost 等效电路假设电感 0L 足够大能保证电流连续，电容 dcC 足够大能稳定输出电压。 0Q 导通和关断时，等效电路分别如图 2.所示。图 2.（ b）中电阻 DR 是二极管的等效导通电阻。图中各变量的波形如图 2.1 所示。13 2.4（ a） Q0 导通2.4（ b） Q0 关断图 2.4 Boost 电路导通和关断工作状态时等效电路图TTON TOFFUQ0UL0UpvI L000000IL0maxIL0minIVD0IL0maxIL0minUdcttttt图 2.1 Boost 电路各变量波形14 当 0Q 导通时，二极管 D 反偏， pvU 向电感 0L 供电，供电电流为：tpvL0 L0min00dtUI I L （ 2.1）上式中， L0minI 是流经电感 0L 的电流最小值。为了便于分析， L0I 可认为是线性的，当开关管导通时间 ONT 结束时，流经电感 0L 的电流值达到最大 L0maxI ：pvL0max L0min ON0UI I TL （ 2.2）当 0Q 关断时， pvU 和 0L 共同向 dcC 供电，并给负载 R 提供能量， 0L 端电压 L0U 为：L0L0 dc pv 0dIU U U Ldt （ 2.3）当开关管的关断时间 OFFT 结束时，流经电感 0L 的电流将降到最小 L0minI ：dc pvL0min L0max OFF0U UI I TL （ 2.4）只有在开关管导通时间 ONT 内，流经电感 0L 增加的电流量与关断时间 OFFT 内 0L 减少的电流量相等时，电路才会达到稳定状态，即 L0min L0minI I ，由上式（ 2.2） 、 （ 2.4）得：pv dc pvON OFF0 0U U UT TL L （ 2.5）则 dcU ：ON OFFdc pv pv pvOFF ON11T T TU U U UT T T D （ 2.6）式中 T 是开关周期， ON /D T T 为占空比。根据上述分析知，可以由改变开关管 0Q 的占空比 D 控制 Boost 电路的输出电压。2.3.4 主电路 DC/AC 拓扑结构设计单相全桥逆变电路拓扑结构如图 2.3， 全桥逆变由 V1~V4 四个开关管以及和开关管并联的 D1~D4 四个二极管组成， 其中 V1、 V4， V2、 V3 分别构成逆变电路的两组桥臂。通过单片机控制开关管的开断，实现将 Boost 电路输出的直流电转换成交流电。为控制输出正弦波选取以下四种有效状态模式 S1~S4，其电路等效图如下 2.4~2.7。15 图 2.3 单相全桥逆变电路拓扑结构图模式 S1：如图 2.4， V1l 和 V4 导通，太阳电池所输出的电能和电容 C2 所储存的能量输送给电网。电流通过 V1— L2—电网— V4，在此过程中太阳电池所产生的能量一部分输送到电网，另一部分能量在电感 L2 中储存起来。模式 S2：如图 2.5， V4 继续导通 ,V1 关断，由于电感 L2 中的电流无法突变， V2 暂时不能导通，二极管 D2 先导通续流，电感电流流过 V4 及 D2 向电网馈电 ,电感端电压极性与 S1 相反 ,电感电流逐渐减小。图 2.4 模式 S1（ V1 、 V4 导通）16 图 2.5 模式 S2（ V4 导通， V1 关断）模式 S3：如图 2.6， V2 和 V3 导通，太阳电池所产生的电能和电容 C2 所储存的能量输送给电网，电流通过 V3—电网一 L2— V2 ，在此过程中电流增加 (但方向与 S1、 S2相反 )，即太阳电池所产生的能量一部分馈送到电网，另一部分能量在电感 L2 中储存起来。模式 S4：如图 2.7， V3 继续导通 ,V2 关断，由于电感 L2 的电流无法突变， V1 暂时不能导通，二极管 D1 先导通续流，电感电流流过 V3 及 D1 向电网馈电 ,电感两端的电压极性与模式 S3 相反 ,电感电流减小。图 2.6 模式 S3（ V2 、 V3 导通）图 2.7 模式 S4（ V3 继续导通， V2 关断）电路按这种方式周而复始的工作 ,从而在负载两端获得交变的电压 ,实现直流变交流的功能。17 第 3章 系统的硬件设计及软件设计3.1 主电路参数设计3.1.1 功率器件选取功率器件的选取对电路的性能效果有着重大影响。 通常使用的功率开关器件有电力双极型晶体管（ GTR，亦作 BJT） ，门极可关断晶闸管（ GTO） ，绝缘栅极双极性晶体管（ IGBT ）和电力场效应晶体管（ Power-MOSFET） 。门极可关断晶闸管（ GTO）主要应用场合为兆瓦级以上的大功率，开关频率低；电力双极型晶体管（ GTR）主要应用于较大功率等级场合，但它需要的驱动电流较大，耐浪涌电流能力差；电力场效应晶体管（ MOSFET）具有较低的通态压降和较高的开关频率，然而它功率容量小，耐压低；绝缘栅极双极性晶体管（ IGBT ） 综合了 GTR 和 MOSFET 的优点，不仅有电流容量大、 耐高压的特点，而且有开关频率高、驱动电流较小的特点，而被广泛应用。本文的设计采用 IGBT。IPM 模块是先进的混合集成功率元件，由高速功耗低的 IGBT 、快速的保护电路、优化的门极驱动电路组成。 使用该 IPM 模块可以有效减少器件数量， 提高集成度， 降低系统故障率，缩短研发周期。 只是因为 IPM 集成了过压保护、短路保护、过流保护等功能。本文并网逆变器选用三菱公司的第五代 IPM 模块 PM50B5LA060， 如图 .1 所示为实物图。图 3.1 三菱公司 PM50B5LA060 模块实物内部功能模块结构如图 .2 所示。含有 5 个单元 IGBT 功率管，每个功率管都有对应的门极驱动电路和短路、 过温、 过流、 过压的检测保护和状态指示电路。 FO、 VFO、 UFO是故障信号， UP、 VP、 UN、 VN 、 WN 是 5 个 IGBT 功率管的门极驱动信号。18 GNDGNDSC OT OUTIN Fo VccGNDGNDSC OT OUTIN Fo VccGNDGNDSC OT OUTIN Fo VccGNDGNDSC OT OUTIN Fo VccGNDGNDSC OT OUTIN Fo Vcc1.5k 1.5k1.5kB N W V U PNC Fo V NC WN NCV N1 VN UN NCNC NC V VPCVPVFoV VP1V UPCUPUFoV UP1图 3.2 PM50B5LA060 内部模块结构使用该 IPM 模块可以减少器件使用数量， 提高系统集成度， 降低系统故障概率， 缩短开发周期。PM50B5LA060 的 IPM 模块功率部分和控制部分的参数如PWMf PWM 的频率 — 20k Hz 表 .3 所示。符号 参数名称 等级值 推荐值 单位V CES 集电极 -射极电压 600 450 V TJ 结区温度 -20~150 — ℃IC 集电极电流 50 — A TD 控制电源电压 20 15± 1.5 V deadT 死区时间 — 2.0 us PWMf PWM 的频率 — 20k Hz 表 3.3 PM50B5LA060 主要参数由PWMf PWM 的频率 — 20k Hz 表 .3， IPM 模块最佳工作条件为电压 450V、工作电流 50A 以及最大可达的开关频率 20kHz。使用 PM50B5LA060 时，需注意：（ 1） PM50B5LA060 模块内部有布线电感，开关时会产生浪涌电压，在 P、 N 端子处安装缓冲电路可以消除浪涌电压。使用 600V/1uF 的无感吸收电容连接在 P、 N 端子19 之间，达到消除浪涌电压的作用；（ 2）系统通电时，为了防止因保护功能失效而引起的 IGBT 被损坏，需要先接通控制电源，再加主电源；（ 3）由于 IPM 模块工作在高频状态下，当电流较大时温度上升比较快，要使模块正常连续的工作，需要考虑散热问题。3.1.2 DC/DC 部分主电路设计3.1.2.1 Boost电路电感 L1 的设计：为了便于电感设计 ,假定所有器件均为理想。 且电感可以工作在连续状态和不连续状态两种工作状态。 当电感在不连续的状态时 ,太阳能输出的电能在每个周期内会有一部分被浪费 ,并且纹波较大。所以电感的设计应尽量使其工作在连续导电状态下。 Boost 电路在连续导电状态时，由稳态时电感 L1 上的电压对时间的积分在一个周期内为零，即s* s+ s- c - s =V DT （ V V ） * （ 1 DT ） 0 （ 3-1）其中： SV 是太阳能电池的输出电压 , CV 是 Boost 电路直流侧的输出电压。 Ts是 Q 管的开关周期， D 为占空比， sDT 表示 Q 管的导通时间， - s（ 1 DT ） 表示 Q 管的关断时间。由式 3-1 整理得：c 1=s 1-DVV （ 3-2）假设电路无损耗：V RP P （ 3-3）其中： VP 是太阳能电池阵列的输出功率。 = *V S VP V I 。RP 是直流侧的输出功率。 *R R CP I V 。则有： 1RVI DI （ 3-4）由 itd*dLV L （ 3-5）可得*i S SLV DTL （ 3-6）综合以上各式可得：2 2(1 D) DVC SRTLP （ 3-7）太阳能电池板的电压输出范围为 125 ~ 600SV V ,中间直流电压为 400CV V ,由 (3-2)式可得占空比 D=0~0.6875, 3000RP W ,取开关管的开关频率 fs=20 zKH ,则计算得1.5mL H 。因此电感 L1 的参数为： m =11I A， 1.5mL H 。20 3.1.2.2 直流支撑电容 C2 的设计：由ddtVI C可得， 2R SCI DTVC （ 3-8）设v =CCVV 可得， 2 2R SV CP DTCV （ 3-9）根据逆变器设计的条件： 400CV V ， 1%V ， 3000RP W 计算可得2 1200C F在设计过程中，选择三组电容并联，每组由两个 1 000μ F/300V 的电解电容串联，总容量可达 1200μ F。3.1.3 DC/AC 部分主电路设计3.1.3.1 交流侧滤波电感 L2 的设计：本文采用脉宽调制方式 (亦称 PWM), 通过控制开关管 V1~V4 的导通或关断的时间，来实现逆变过程。因而 ,电感 L2 值的选取直接影响系统的工作性能。滤波电感值可直接影响纹波电流 i 的大小。根据纹波电流的要求，设 2L 端电压为 2LU ，当输出电压接近峰值，即 2LU 等于交流电网电压峰值 maxNU 时，输出电流纹波达到最大，有：max d max2(U U )N NdU TLiU （ 3-10）式中： T 为开关管的开关周期。设电流纹波系数为 ir ，为了保证实际电流纹波 maxi Ni r I ,则滤波电感要满足：m a x d m a x21 m a x( U U )N NN dU TLr I U （ 3-11）根据并网矢量关系 2 2 22( L i )N N su u （ 3-12）设 是调制比， 1，有： S du U得出，2 22 / ( i )d N NL U u （ 3-13）由 3-11 和 3-13 得滤波电感取值范围，2 2max d max21 max(U U ) d NN NN d NU uU T Lr I U i21 本文中 max 311NU V ， max 22NI A ，开关频率取 16kHz，设 0.15ir有， 20.13 71mH L mH实际设计过程中，由于滤波电感的成本、体积等因素的影响，一般只需考虑 电感值稍大于下限即可，最终选取 2 0.15L mH 。3.2 驱动、采样电路设计3.2.1 IPM 模块驱动电路如图 3.4 所示， PWM1 信号通过反相器和死区电路产生驱动 IPM 模块 V1 和 V3 管的信号， PWM2 信号通过反相器和死区电路产生驱动 IPM 模块 V2 和 V4 管的信号，由于 4 路信号高电平均为 5V， 与 IPM 模块 15V 电平不兼容， 且 IPM 模块控制信号的地与51 单片机的地不能直接相连，要用光耦隔离。驱动电路的作用是将控制器产生的 PWM信号的电平和功率放大。图 3.4 IPM 模块驱动电路另外 IPM 模块输出的故障信号 FOUT 也经过光耦转换成 5V 信号， 该信号一面用于封锁 5 路 PWM （包括 Boost 电路 PWM 信号） ，另一面输入 51 单片机的 I/O 口。22 3.2.2 直流侧电压采样电路设计设计中采用电压电流双环控制 ,因此需要对 DC/DC 直流升压后输出的直流电压进行采样 ,从而完成双环控制。设计采用电压传感器对直流电压进行采样。电压传感器采用 LEM 公司的电压传感器 LV100。 LV100 电压传感器是基于霍尔效应原理研发的电压传感器 ,用于闭环控制 ,原、副边相隔离。 LV100 的电压测量范围广 ,约在100V~2500V 之间 ,而且具有较强的抗干扰能力 ,可靠性高 ,有出色的精度 ,较强的电流过载能力 ,带宽线性好等优点。如图 3.5 为直流侧电压采样电路：图 3.5 直流侧电压采样电路3.2.3 直流侧电流采样电路设计本设计通过在直流端接入电流传感器 ,经过电流采样电路输送给单片机。 如图 3.6 为直流侧电流采样电路：图 3.6 直流侧电流采样电路电流传感器的实际输出同采样输出的比例为 1000:1,R6为采样电阻 ,将输出直流电流23 信号转化为直流电压信号。再通过稳压二极管进行稳压 ,输出接单片机的 P1.2 管脚。3.2.4 逆变器输出电压采样电路设计本设计的逆变器输出电压采样电路的采样器件采用霍尔电压传感器。 通过 UIC 输入端为传感器的输出信号。 采用一个运算放大器构成的电压跟随器把传感器的输出信号减半 ,然后使用加法器将输入的正负信号变换为单极性信号 ,再采用一个运算放大器构成的电压跟随器将信号减半 ,信号接入 51 单片机 P1.3 管脚。电路原理图如图 3.7 所示：图 3.7 逆变器输出电压采样电路3.2.5 逆变器输出电流采样电路设计同样 ,逆变器输出采样电路也采用霍尔电流传感器（ DT50-P） ，电流采样原理图如图3.8 所示。电流通过霍尔传感器和采样电阻后 ,变成 5V 的电压信号。再通过运算放大器的电压并联反馈转换成 -5V~+5V 之间 ,通过 5V 电平抬升电路和平均处理 ,电压跟随器的输入为 0~5V 举极性信号。 最后使用两个串联二极管限幅 ,确保输入单片机的信号电压稳定在 0~5V。图 3.8 逆变器输出电流采样电路24 3.2.6 电网电压采样电路设计在控制逆变器输出电流和电网电压同步的过程中 , 单片机需要采集电网电压值和电网电压信号的频率以及相位来实现逆变器输出电流与电网电压同频同相。 通过单片机来捕获电网电压的上升沿 , 产生同步中断 , 并重新设定逆变器输出电流频率。 电网电压采样电路如图 3.9 所示：25 图 3.9 电网电压采样电路3.2.7 过零捕获电路设计过零捕获的目的是为了检测电网电压过零点， 同时产生和电网电压同步的波形信号。如图 .10 ，电网电压信号 _ac adU 先经电压跟随提高了输入阻抗，一级 RC滤波去掉信号毛刺， D3、 D4两个二极管的反向并联可以将交流信号控