开题报告--800W微型光伏发电并网逆变器设计

本科毕业设计（论文）开题报告题目： 800W 微型光伏发电并网逆变器设计学生姓名 学 号教学院系 电气信息学院专业年级 电气工程及其自动化 2008 级指导教师 职 称 教授单 位800W 微型光伏发电并网逆变器设计1 1 设计目的与意义1.1 目的与意义逆变器是把直流电能转变成交流电（一般为 220v/50Hz 正弦或方波） 。中小功率逆变器是户用独立交流光伏系统中重要的环节之一，其可靠性和效率对推广光伏系统、 有效用能、 降低系统造价至关重要， 因而各国的光伏专家们一直在努力开发适于户用的逆变电源，以促使该行业更好更快地发展。本论文根据光伏发电并网系统的特点， 设计一台额定功率为 800W 的微型光伏发电并网逆变器。 该并网逆变器能实现最大功率点跟踪和实现反孤岛效应控制功能， 控制部分采用 TMS320F240 型 DSP 作为电流跟踪方案，实现与电网电压同步的正弦电流输出。1.2 现状目前我国在小功率逆变器上与国际处于同一水平， 在大功率并网逆变器上， 合肥阳光电源大功率逆变器 2005 年已经批量向国内、 国际供货。 该公司 250KW、 500KW等大功率产品都取得了国际、 国内认证， 部分技术指标已经超过国外产品水平， 并在国内西部荒漠、世博会、奥运场馆等重点项目上运行，效果良好。逆变器不仅具有直交流变换功能， 还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。 根据采用隔离变压器的类型， 并网逆变可分为低频环节、 高频环节以及非隔离型并网逆变低频环节并网逆变器采用工频变压器作为与电网的接口， 因此存在体积和重量大、 音频噪音大的缺点； 而非隔离型并网在一些国家禁止使用， 因此现在普遍采用直接挂在电网上运行的高频环节并网逆变器。光伏发电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电流波形的质量。 逆变器的拓扑有很多种， 其中最常用的是全桥结构。 为了降低光伏发电系统的成本， 现在许多国家都在不遗余力的对高效逆变器进行研究。 目前国际上一些知名公司的逆变器产品整机效率已经可以达到 93%~95%。2 设计任务概况任务要求（ 1）完成电气原理图设计；西南石油大学本科毕业设计开题报告2 （ 2）完成元器件参数计算和选型，列出设备选择清单；（ 3）利用实验室现有的条件完成部分安装调试实验；（ 4）完成设计报告，提交装订规范的书面设计报告和电子文档。技术指标逆变器额定输出功率： 800NP W ；逆变器输出单相交流电压： 220onU V ；逆变器输出单相交流电压： 50N Zf H ；光伏发电系统输入直流电压： 100 ~170inU V 。3 设计方案与论证3.1 逆变器主电路设计太阳能蓄电池一般是电压源， 因此逆变器的主电路采用电压型。 在与外网相联时，为电压型电流控制方式。在外电网停电时，独立运行为电压型电压控制方式。已经进入实用的光伏并网逆变器回路方式主要有 3 种： 工频变压器绝缘方式、 高频绝缘变压器和无变压器形式。 根据这 3 种回路方式， 可以将现在的光伏并网逆变器的拓扑结构分为 3 类， 即工频变压器绝缘的单级拓扑结构、 高频变压器绝缘的多级拓扑结构和无变压器的两级拓扑结构。 本报告设计两种逆变器拓扑结构： 工频变压器绝缘的单级拓扑结构、 无变压器绝缘的两级拓扑结构， 通过方案论证决定最终满足设计要求的最佳 800W 微型光伏发电并网逆变器设计方案。方案一采用工频变压器形式主电路设计的逆变器主电路如图 1 所示。IpvaV1V2 V4UabUbV3单相桥式逆变电路U PV C1 C2 ~ACVD PVVD1VD2VD3VD4工频变压器 L图 1 工频变压器形式逆变器主电路这种工频变压器形式的逆变器是在单相电压型全桥逆变电路输出加一个变压器，800W 微型光伏发电并网逆变器设计3 然后并入电网。光伏发电的系统输入直流电压为 100~170V，二极管 VD 的单向导通特性可以防止光伏发电系统断电后电流逆流。电容 C1 起到平波作用，使得直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。单相桥式逆变电路，共有四个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成， 功率器件为全控型开关器件。 二极管起到反馈与续流的作用。 把桥臂 1 和 4 作为一对， 桥臂 2 和 3 作为另一对， 成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 180o。单级式逆变器在逆变环节实现 MPPT 的功能，由于逆变电路产生的交流电压过低，需要变压器来升压，以达到合适的并网电压。在本文设计的光伏并网系统中，太阳能光伏阵列输出的直流电压在 100~170V。然后通过单相桥式逆变电路实现逆变， 将直流母线的电压转换成正弦波电流， 向电网输送功率，并在逆变环节实现最大功率跟踪控制的功能。控制芯片采用 Ti 公司的TMS320F240 数字信号处理器，其高速的计算能力可以保证实时跟踪最大功率点， 并向电网输出高品质电流。方案二采用无变压器形式主电路设计的逆变器电路图如图 2 所示。I pvC2aV 1V 2 V4U abUbV3UpvBOOST电路 单相桥式逆变电路~220V 50HzC1VDPV VDBVD1VD2VD3VD4L图 2 无变压器形式逆变器主电路无变压器形式逆变器主电路由两级电路组成， DC-DC 电路和 DC-AC 逆变电路。在 DC-DC 变换器中， Buck 和 Boost 电路的效率最高，而效率对于光伏并网逆变器是非常重要的，所以在此升压部分选择 Boost 电路， Boost 电路负责最大功率跟踪控制并把太阳能光伏阵列的输出电压升高至某一数值， 确保逆变部分输入电压的稳定和降低损耗。 。 DC-AC 部分仍采用单相桥式逆变电路，桥式逆变电路共有四个桥臂，每个桥臂由一个可控期间和一个反并联二极管组成， 二极管起到反馈与续流的作用； 功率器件为全控型开关器件。 把桥臂 1 和 4 作为一对， 桥臂 2 和 3 作为另一对， 成对的两个桥臂同时导通， 两对交替各导通 180o， 将直流电逆变为合适的交流电， 输出与电网同频同相的电流。西南石油大学本科毕业设计开题报告4 在本文设计的光伏并网系统中，太阳能光伏阵列输出的直流电压在 100~170V，经 Boost 电路升至合适值，并实现最大功率跟踪功能。然后通过单相桥式逆变电路实现逆变，将直流母线的电压转换成正弦波电流，向电网输送功率。控制芯片采用 Ti公司的 TMS320F240 数字信号处理器， 其高速的计算能力可以保证实时跟踪最大功率点，并向电网输出高品质电流。方案比较与选择工频变压器形式逆变器优点：由于只有一个环节，结构简单，效率高；采用工频变压器进行绝缘和变压， 具有良好的抗雷击和消除尖波的性能。 缺点主要有： 为了追求效率、减少空载损耗，工频变压器的工作磁通密度选的比较低，因此质量大，约占逆变器的总质量的 50%左右，逆变器外形尺寸也比较大；系统需要较高的直流输入，提高了系统成本； 对最大功率点的跟踪没有设立独立的控制操作， 使得系统可靠性降低、 音频噪音大； 由于单级式拓扑结构要在逆变环节中实现最大功率跟踪控制和逆变并网，控制对象之间的相互耦合增加了算法的设计难度。无变压器形式逆变器优点： 由于没有采用工频变压器进行隔离， 这种拓扑具有体积小、重量轻，效率高，成本低的优点；不采用变压器进行输入与输出绝缘，只要采取适当措施， 同样可以保证主电路和控制电路运行的安全性； 比工频变压器形式主电路要复杂一些， 但是适应输入直流电压范围宽， 有利于与太阳蓄电池匹配； 尽管由于天气等因素使太阳蓄电池输出电压发生变化， 但有了升压部分， 可以保证逆变器部分输入电压比较稳定。缺点主要是在某些要求隔离的场合不适宜使用。本论文是设计一个 800W 微型光伏发电并网逆变器， 是一个小功率并网应用， 由于太阳能电池阵列的输出电压较低，不便于直接进行逆变并网，在 Boost 升压电路更易于实现最大功率跟踪控制。 通过比较两种设计方案各自的特点， 决定采用无变压器形式的逆变器设计方案。3.2 最大功率跟踪控制 MPPT最大功率跟踪是当前采用较为广泛的一种光伏阵列功率点控制方式。 MPPT 的实质是通过实时检测光伏阵列的输出效率， 采用一定的控制算法， 以跟踪光伏阵列最大功率工作点，实现系统的最大功率输出。目前 MPPT 控制有很多实现方式，如定电压跟踪法、扰动观测法、导纳增量法、最有梯度法、 模糊逻辑控制方法等， 它们实现 MPPT 控制的基本原理都是类似的， 但算法各有差异。采用定电压跟踪法的优点：控制简单，易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，800W 微型光伏发电并网逆变器设计5 有很好的稳定性。 采用定电压跟踪法的缺点： 控制精度差， 特别是对于四季温差变化剧烈的地区；必须人工干预才能良好运行，更难以预料风、沙等因素的影响。采用扰动观测法的优点：概念清晰，易于实现，算法简单；对参数检测的精度要求也不高， 在日照变化不是很剧烈的情况下具有较好的 MPPT 控制效果。 采用扰动观测法的缺点： 由于该方法始终对 MPPT 电路施加扰动， 因此光伏器件的输出功率只能工作在最大功率点附近，这样的振荡将会带来持续的功率损失。通过比较两种方案的优缺点，决定采用扰动观测法来实现 MPPT 控制。3.3 反孤岛效应控制孤岛效应是指当电网由于电气故障、 误操作或自然因素等原因中断供电时， 光伏发电系统未能及时检测出停电状态而脱离电网， 使太阳并网发电系统和周围的负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。 一般来说， 孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户造成不利影响， 包括并网逆变器持续供电可能危及电网线路的维护人员的生命安全。孤岛效应的检测方法一般分为两类， 即被动检测法和主动检测法。 被动检测法一般是利用检测电网的某些状态参量 (电压、频率等 )作为电网是否故障的判断依据。电网失电后， 负载电压及频率均不稳定， 从而可以判断孤岛效应是否发生。 但是在源负载功率基本接近时， 断电后负载的电压和频率变化很小， 被动检测法就会失效。 主动检测法是由并网逆变器定时产生扰动信号， 然后观察电网是否受影响作为判断电网是否故障的依据。 当发生孤岛情况时， 主动扰动将造成系统的不稳定。 即使光伏电源的功率与局部电网负载的功率平衡时，也会通过扰动破坏功率平衡，造成系统的电压、频率有明显变化而检测出孤岛效应。通过比较选择主动检测法来实现反孤岛效应。4 预期结果（ 1）如期完成开题报告、开题答辩和答辩以后的整改；（ 2）按照任务要求完成 800W 微型光伏发电并网逆变器的电气原理图设计及其参数计算、元器件的参数和型号选择；（ 3）提出设备需要清单，根据实验室现有实验设备和条件完成部分电路的安装和调试；（ 4）按照《西南石油大学本科毕业设计（论文）撰写规范》的要求和格式，按时完成设计报告，完成设计报告，提交按照要求装订规范的报告和电子文档。西南石油大学本科毕业设计开题报告6 5 可能的遇到的困难与对策对于并网逆变器的了解还不够深入， 其中的许多概念、 理论、 技术知识和注意事项没有全面了解， 这就可能造成在对逆变器电路元件的参数及型号确定时考虑不够周全， 造成参数计算错误和型号错用。 针对这个问题， 在设计过程中多查阅关于光伏发电系统的相关书籍资料， 向老师请教和多与进行同种类型设计题目的同学交流、 相互学习。根据设计任务要求，设计的逆变器控制部分要采用 TMS320F240 型 DSP 作为电流跟踪方案， 但自己对 TMS320F240 型 DSP 不够了解， 对于其具体工作原理不清楚，在对逆变器控制电路的设计时可能会造成很多困扰； 设计任务还要求实现最大功率点跟踪 MPPT 控制， 对于控制方法的具体实现不清楚； 任务还要求实现反孤岛效应对于实现反孤岛效应的具体控制方法不清楚，所以要自学相关内容，及时向老师请教。任务要求对设计方案完成电路的安装调试， 但由于实验条件限制和本人设计过程中的元器件参数计算可能出现较大误差， 安装调试效果可能不会很好。 针对这个问题，在设计过程中尽力将电路结构和元件参数及其型号确定误差降到最小， 尽最大努力完成部分电路的安装和调试。6 时间进程安排根据学校和专业对毕业设计的总体要求， 通过对体目设计内容的分析和自己的实际情况，对毕业设计做如下安排，见表 1。表 1 设计（论文）的进程安排序 号 设计（论文）各阶段内容 起止日期1 根据开题答辩结果完成整改， 参考中外文资料完成逆变器电气原理图设计和相关参数计算，提出元器件采购清单 2012.4.16--2012.4.232 修改完善设计， 制定安装制作方案并根据元器件采购到货情况开始硬件电路安装，完成外文资料翻译 2012.4.24--2012.5.5 3 根据实验室现有条件，完成安装调试，解决调试过程中的问题，记录安装调试结果 2012.5.6--2012.5.12 800W 微型光伏发电并网逆变器设计7 4 测试调试结果并与设计指标比较， 修改参数或者测试方案完善调试，达到设计要求，整理设计资料，撰写设计报告 2012.5.13--2012.5.23 5 修改完成设计报告， 打印装订全部设计文件， 按照规定和要求提交毕业设计资料（含电子文档） ，准备毕业设计答辩和答辩，根据答辩结果整改完善全部设计资料2012.5.24--2012.6.7 7 参考文献[1] 王兆安，刘进军 .电力电子技术 (第 5 版 ).北京：机械工业出版社， 2009．[2] 周志敏，周继海，纪爱华 .逆变电源实用技术—设计与应用 .北京：中国电力出版社， 2005．[3] 杨海柱，金新民 .500W 光伏并网逆变器设计 .国外电子元器件， 2006， （ 3） 50-52．[4] 王守仁，金新民，杨海柱 .小功率光伏并网逆变器 .电气时代， 2006， （ 3） 112-114．[5] 马幼捷， 程德树， 陈岚等 .光伏并网逆变器的分析与研究 .电气传动， 2009， 39（ 4） ．[6] N. 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