光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用 教學(xué)課件 第十章

第十章光伏逆變?cè)O(shè)計(jì)實(shí)例器光伏逆變器的設(shè)計(jì)，首先需要明確應(yīng)用于離網(wǎng)（獨(dú)立）還是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，在離網(wǎng)（獨(dú)立）發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的是離網(wǎng)逆變器，在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的是并網(wǎng)逆變器。光伏并網(wǎng)逆變器是將光伏電池板輸出的能量轉(zhuǎn)換成交流電后直接送到電網(wǎng)上，需要實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)的頻率和相位，此時(shí)的光伏發(fā)電系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)電流源；而光伏離網(wǎng)逆變器是將光伏電池板輸出的能量轉(zhuǎn)換成交流后，直接供給用電設(shè)備使用，自己建立起一個(gè)獨(dú)立的小電網(wǎng)，主要是控制自己的電壓和頻率，相當(dāng)于一個(gè)電壓源。這兩種逆變器輸出的波形應(yīng)該是干凈的正弦波。本章將重點(diǎn)介紹這兩種光伏逆變器的設(shè)計(jì)實(shí)例。第十章光伏逆變?cè)O(shè)計(jì)實(shí)例器光伏逆變器的設(shè)計(jì)，首先需10.1.1逆變器的電路構(gòu)成圖10-1逆變器的基本電路框圖10.1.1逆變器的電路構(gòu)成圖10-1逆變器的基本電各部分電路工作原理和作用如下所述。1．半導(dǎo)體功率開關(guān)器件逆變器的功率開關(guān)器件是逆變器實(shí)現(xiàn)逆變功能的核心器件，根據(jù)所設(shè)計(jì)的逆變器功率和輸入直流電壓的大小來(lái)選用合適的功率開關(guān)器件。常用的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件主要有：晶閘管可控硅又稱為（SiliconControlledRectifier，SCR）、大功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、靜電感應(yīng)晶閘管（場(chǎng)控晶閘管，SITH）和集成門極換流晶閘管（IGCT）等。2．逆變控制及驅(qū)動(dòng)電路傳統(tǒng)的逆變器電路由許多分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，這種電路組成元器件數(shù)量多、波形質(zhì)量差、控制電路繁瑣復(fù)雜。隨著微處理器的發(fā)展，控制及驅(qū)動(dòng)電路也從模擬集成電路發(fā)展到單片機(jī)控制和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制。各部分電路工作原理和作用如下所述。1．半導(dǎo)體功率開關(guān)器件1）逆變驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)功率開關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以便得到好的PWM脈沖波形。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多專用多功能集成電路陸續(xù)推出，給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大方便，同時(shí)也使逆變器的性能得到了極大提高。如各種開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路SG3525、TL494、IR2130、TLP250等，在逆變器電路中得到廣泛應(yīng)用。2）逆變控制電路：控制電路主要是對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提供符合要求的邏輯與波形，如PWM、SPWM控制信號(hào)等?？刂频暮诵膹?位微處理器到16位單片機(jī)，直至32位DSP等，使先進(jìn)的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、重復(fù)控制、模糊邏輯控制等在逆變領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在逆變器中常用的微處理器有MP16、PIC16C73、68HC16、MB90260、AVR系列等，常用的專用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）有TMS320F206、TMS320F240、M586XX、TMS320F28XX等。1）逆變驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)功率開關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)10.1.2逆變器設(shè)計(jì)的技術(shù)要求逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，有以下六點(diǎn)基本技術(shù)要求。1．高效率2．高可靠性3．對(duì)直流輸入電壓的適應(yīng)范圍寬4．能夠跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)5．防孤島效應(yīng)的能力6．輸出純正弦波10.1.2逆變器設(shè)計(jì)的技術(shù)要求逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的10.2.1純正弦逆變器的設(shè)計(jì)圖10-2純正弦光伏逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10.2.1純正弦逆變器的設(shè)計(jì)圖10-2純正弦光伏逆10.2.2高頻直流升壓電路設(shè)計(jì)1．高頻變壓器設(shè)計(jì)高頻直流升壓電路設(shè)計(jì)中變壓器磁心參數(shù)如下：根據(jù)系統(tǒng)樣機(jī)要求，變壓器輸入電壓幅值=12V，輸出電壓幅值=200V，最大工作比=0.45，二次繞組峰值電流=1.45A，二次繞組電流有效值

一次繞組峰值電流

=24.16A一次電流有效值

=16.2A因此變壓器的輸出功率為10.2.2高頻直流升壓電路設(shè)計(jì)

=189.8W=536.7W（變壓器效率取為1）取工作磁感應(yīng)強(qiáng)度=160mT，電流密度j取10，銅在窗口中的占空比系數(shù)Km（初選時(shí)取0.2～0.3），實(shí)際計(jì)算時(shí)取Km=0.25，則計(jì)算面積乘積

通過上述公式可知，選取EI33磁心即可滿足設(shè)計(jì)要求。變壓器繞組匝數(shù)計(jì)算如下：先確定最低電壓繞組的匝數(shù) （10-1）由式（10-1），取=8，一次繞組匝數(shù)

（10-2）由式（10-2），取偶數(shù)=134，其中開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間=150ns，控制器輸出頻率f=20kHz。在繞制變壓器過程中，取較簡(jiǎn)單的夾層式繞法，一次繞組分兩層，每層繞4匝，為了避免趨膚效應(yīng)，一次繞組采用四線并繞，在一次繞組中間繞制二次繞組，一、二次層間墊1～2層絕緣紙。實(shí)際制作測(cè)量這樣繞制的變壓器一、二次側(cè)漏感值較小，僅有幾微亨。2．推挽升壓電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是小功率的逆變電源，綜合考慮系統(tǒng)成本以及對(duì)器件特性的要求，特別是MOSFET和變壓器的參數(shù)選擇等因素，升壓部分采用兩路對(duì)稱的推挽升壓電路輸出結(jié)果相疊加的升壓方式，具體電路如圖10-3所示。

圖10-3對(duì)稱的推挽升壓電路圖10-3對(duì)稱的推挽升壓電路3．PWM生成及穩(wěn)壓控制電路圖10-4PWM生成及穩(wěn)壓控制電路3．PWM生成及穩(wěn)壓控制電路圖10-4PWM生成及穩(wěn)壓控4．過電流與過載保護(hù)電路設(shè)計(jì)圖10-5過電流與過載保護(hù)電路4．過電流與過載保護(hù)電路設(shè)計(jì)圖10-5過電流與過載保護(hù)電5．系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-6系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警控制流程圖5．系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-6系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警控制流程圖10-7中斷服務(wù)程序流程圖圖10-7中斷服務(wù)程序流程圖10.2.3DC/AC逆變電路設(shè)計(jì)1．逆變主電路設(shè)計(jì)圖10-8系統(tǒng)的逆變橋電路10.2.3DC/AC逆變電路設(shè)計(jì)1．逆變主電路設(shè)計(jì)圖12．保護(hù)電路設(shè)計(jì)

逆變器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容就是保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，緩沖電路是保護(hù)電路的一種，與軟開關(guān)技術(shù)相比，具有電路簡(jiǎn)單、成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。如圖10-8所示，逆變電路緩沖電路采用變形的有損緩沖電路。由于器件的開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的增高成正比例上升，所以在高頻橋臂側(cè)引入了由R1、R2、C2、C3、VD1、VD2構(gòu)成的變形的有損緩沖電路，逆變電路開關(guān)管切換時(shí)產(chǎn)生的過沖電壓分量由緩沖電阻R1、R2吸收。一旦緩沖電路的損耗減小，會(huì)導(dǎo)致緩沖C2、C3電容的容量增大，因此緩沖電阻的損耗即使在較高的開關(guān)頻率下也很小。由于緩沖電路只吸收切換過程中的過沖分量，對(duì)du/dt沒有影響，所以為了限制功率開關(guān)管兩端電壓上升率du/dt在兩個(gè)橋臂端引入C1、C2。另外，緩沖電路中VD1、VD2用于抑制寄生振蕩。2．保護(hù)電路設(shè)計(jì)逆變器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容就是保護(hù)電路3．控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖10-9SPWM生成及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路3．控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖10-9SPWM生成及MOSFE4．逆變電路控制方案（1）基于DSP的控制方式圖10-10DSP主程序流程圖

圖10-11定時(shí)器0中斷子程序流程圖4．逆變電路控制方案（1）基于DSP的控制方式圖10-10（2）軟件生成SPWM控制

系統(tǒng)通過TMS320F28027中的EPWM（EnhancedPulseWidthModulator，即增強(qiáng)型PWM控制器）模塊，采用軟件方式生成SPWM控制信號(hào)。根據(jù)控制信號(hào)的要求，利用EPWM模塊中TB、CC、AQ、ET四個(gè)子模塊產(chǎn)生逆變變換所需的SPWM控制波形。配置EPWM1和EPWM2的TB、CC、AQ、ET四個(gè)子模塊，由EPWM1A/B輸出低頻臂所用的50Hz控制信號(hào)，而由EPWM2A/B輸出高頻臂所用的18kHzSPWM控制信號(hào)。（3）數(shù)字PI控制算法圖10-12增量式數(shù)字PI控制實(shí)現(xiàn)框圖（2）軟件生成SPWM控制（3）數(shù)字PI控制算法圖10-1210.2.4系統(tǒng)仿真和結(jié)果分析1．DC/DC升壓電路仿真分析（1）DC/DC直流升壓電路輸出特性仿真圖10-13DC/DC直流升壓電路輸出波形仿真10.2.4系統(tǒng)仿真和結(jié)果分析1．DC/DC升壓電路仿真（2）DC/DC升壓電路工作效率仿真圖10-14DC/DC升壓電路工作效率曲線（2）DC/DC升壓電路工作效率仿真圖10-14DC/D2．DC/AC逆變電路仿真分析（1）DC/AC逆變電路輸出特性仿真圖10-15逆變電路輸出濾波前的波形a)時(shí)域波形b)頻域波形2．DC/AC逆變電路仿真分析圖10-15逆變電路輸出濾圖10-16逆變電路輸出電壓波形a)時(shí)域波形b)頻域波形圖10-17逆變電路輸出電流波形a)時(shí)域波形b)頻域波形圖10-16逆變電路輸出電壓波形圖10-17逆變電路（2）加入閉環(huán)PI反饋控制仿真圖10-18引入諧波干擾后的輸出波形a)時(shí)域波形b)頻域波形（2）加入閉環(huán)PI反饋控制仿真圖10-18引入諧波干擾后圖10-19加入PI反饋后的輸出波形a)時(shí)域波形b)頻域波形圖10-19加入PI反饋后的輸出波形10.3.1并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)和工作原理1．并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)圖10-20DSP控制的單相雙級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)10.3.1并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)和工作原理1．并網(wǎng)逆變器的結(jié)2．工作原理（1）前級(jí)Boost電路的工作原理圖10-21Boost升壓電路圖2．工作原理圖10-21Boost升壓電路圖圖10-22Boost電路的工作過程a)VF1導(dǎo)通時(shí)工作電路b)VF1斷開工作電路（2）后級(jí)單相全橋逆變器的工作原理圖10-22Boost電路的工作過程（2）后級(jí)單相全橋逆

圖10-23Boost電路連續(xù)導(dǎo)電時(shí)的穩(wěn)態(tài)波形圖10-24單相全橋逆變器的拓?fù)鋱D10-23Boost電路連續(xù)圖10-3．主電路參數(shù)的選?。?）濾波電感的選取1）電流的紋波系數(shù)（10-9）式中，為電感兩端的電壓，考慮到當(dāng)輸出電壓處于峰值附近（即uo(t)=UNm)時(shí)，輸出電流紋波最大，若此時(shí)開關(guān)管的開關(guān)的周期為T，占空比為D(t)，則有（10-10）式中，為直流母線電壓；L為濾波電感。根據(jù)單級(jí)性SPWM原理，因?yàn)殚_環(huán)頻率遠(yuǎn)大于工頻頻率，所以得到（10-11）3．主電路參數(shù)的選取（1）濾波電感的選取1）電流的紋波系數(shù)（

則每個(gè)開關(guān)周期的占空比為（10-12）將式（10-12）代入式（10-10）中得當(dāng)時(shí)，紋波電流最大為T

(10-13)取（10-14）則每個(gè)開關(guān)周期的占空比為（10-12）將式

（2）開關(guān)管的選取

目前使用較多的功率器件有達(dá)林頓功率晶體管（BJT）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵極晶體管（IGBT）和可關(guān)斷晶閘管（GTO）等。在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET，因?yàn)镸OSFET具有較低的通態(tài)電壓降和較高的開關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用IGBT模塊，因?yàn)镸OSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大；IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)；而在特大容量（100kV·A以上）系統(tǒng)中，一般均采用GTO作為功率元件。隨著針對(duì)于光伏系統(tǒng)的功率模塊的發(fā)展，主電路元器件功率模塊的也有較大的選擇余地。針對(duì)本電路的特點(diǎn)，電路選用IGBT作為開關(guān)元件。（2）開關(guān)管的選取10.3.2DC／DC級(jí)電路的MPPT實(shí)現(xiàn)1．MPPT電路實(shí)現(xiàn)原理圖10-25系統(tǒng)控制原理圖10.3.2DC／DC級(jí)電路的MPPT實(shí)現(xiàn)1．MPPT電

2．基于改進(jìn)Fibonacci線性搜索算法仿真2．基于改進(jìn)Fibonacci線性搜索算法

10.3.3孤島檢測(cè)方法1．工作原理圖10-29APS檢測(cè)法的流程10.3.3孤島檢測(cè)方法1．工作原理圖10-29AP

2．仿真分析圖10-30Qf=2.5時(shí)，APS法的仿真結(jié)果a)APS法電壓、電流波形及頻率b)APS法的電流THD2．仿真分析圖10-30Qf=2.5時(shí)10.3.4DC/AC的控制方案1．恒開關(guān)頻率的電流控制方法圖10-31逆變器并網(wǎng)工作時(shí)的等效電路和電壓電流矢量圖a)等效電路圖b)矢量圖10.3.4DC/AC的控制方案1．恒開關(guān)頻率的電流控制

圖10-32恒開關(guān)頻率控制電路圖10-32恒開關(guān)頻率控制電路

圖10-33改進(jìn)型SPWM輸出電流跟蹤2．同步鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)圖10-33改進(jìn)型SPWM輸出電流跟蹤

3．仿真分析圖10-34輸出的電壓、電流波形3．仿真分析圖10-34輸出的電壓、電10.4微型逆變器的組成及其工作原理圖10-35MI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10.4微型逆變器的組成及其工作原理圖10-35MI10.4.1微型逆變器硬件電路設(shè)計(jì)1．主電路設(shè)計(jì)圖10-36微型逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖10.4.1微型逆變器硬件電路設(shè)計(jì)1．主電路設(shè)計(jì)圖10-

2．雙變壓器串聯(lián)推挽式DC/DC變換器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的MI屬于兩級(jí)式隔離系統(tǒng)，前級(jí)升壓采用雙變壓器串聯(lián)推挽式升壓結(jié)構(gòu)，為后級(jí)全橋逆變電路提供所需的高壓直流電。如圖10-36所示，4個(gè)開關(guān)管（VF1、VF2、VF3、VF4）兩個(gè)一組和變壓器T1、T2組成兩組典型的推挽升壓電路。兩個(gè)變壓器的二次繞組串接在一起，使升壓結(jié)果相疊加，輸出高壓交流電。高壓交流電再經(jīng)過全波整流及LC濾波電路生成高壓直流電。一次兩個(gè)獨(dú)立的推挽電路分別接入電源，且采用相同時(shí)序的高頻PWM開關(guān)控制信號(hào)，VF1和VF2交替導(dǎo)通工作。3．逆變控制器的設(shè)計(jì)圖10-37DSP控制及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路2．雙變壓器串聯(lián)推挽式DC/DC變換器的設(shè)

4．電流電壓檢測(cè)電路（1）光伏組件的電壓檢測(cè)圖10-38PV電壓檢測(cè)電路（2）光伏組件的電流檢測(cè)4．電流電壓檢測(cè)電路圖10-38PV電

圖10-39PV電流檢測(cè)電路（3）MI輸出電流、電網(wǎng)電壓及過零點(diǎn)檢測(cè)電路圖10-40過零點(diǎn)檢測(cè)電路圖10-39PV電流檢測(cè)電路（3）MI

5．過電流過載保護(hù)電路圖10-41過電流過載保護(hù)電路5．過電流過載保護(hù)電路圖10-41過電

6．報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-42系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警控制流程圖圖10-43中斷服務(wù)程序流程圖6．報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-42系統(tǒng)保護(hù)10.4.2微型逆變器的控制策略圖10-44MI控制策略結(jié)構(gòu)圖1．最大功率點(diǎn)跟蹤閉環(huán)控制這里采用的是改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，即將定電壓跟蹤法與擾動(dòng)觀察法結(jié)合起來(lái)，在尋優(yōu)初期快速地定位在最大功率點(diǎn)附近，控制精確、響應(yīng)速度快。10.4.2微型逆變器的控制策略圖10-44MI控制

2．電網(wǎng)跟蹤控制設(shè)計(jì)（1）滯環(huán)電流控制瞬時(shí)值控制2．電網(wǎng)跟蹤控制設(shè)計(jì)（1）滯環(huán)電流控制瞬時(shí)

（2）PI電流控制方法圖10-47PI電流控制方法（3）小慣性電流跟蹤控制方式圖10-48MI的輸出模型（2）PI電流控制方法圖10-47PI

3．SPWM波形產(chǎn)生及并網(wǎng)控制的實(shí)現(xiàn)

通過配置TMS320F28027中的EPWM模塊，采用軟件方式生成單極性SPWM控制信號(hào)。而并網(wǎng)控制利用增強(qiáng)型捕獲功能ECAP來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖10-50SPWM低頻信號(hào)生成時(shí)序圖圖10-51SPWM高頻信號(hào)生成時(shí)序圖3．SPWM波形產(chǎn)生及并網(wǎng)控制的實(shí)現(xiàn)10.4.3系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1．DC/AC逆變電路仿真（1）DC/AC逆變電路輸出特性仿真10.4.3系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1．DC/AC逆變電路

（2）DC/AC逆變電路工作效率仿真圖10-56DC/AC逆變電路效率（2）DC/AC逆變電路工作效率仿真圖10

（3）PI控制仿真圖10-57引入干擾后的輸出波形圖10-58加入PI反饋后輸出波形（3）PI控制仿真圖10-57引入干擾

（4）過零點(diǎn)檢測(cè)電路仿真圖10-59過零點(diǎn)檢測(cè)電路仿真圖圖10-60過零點(diǎn)檢測(cè)電路仿真效果圖（4）過零點(diǎn)檢測(cè)電路仿真圖10-59過

（5）MPPT算法仿真圖10-61MPPT模型仿真（5）MPPT算法仿真圖10-61MP

圖10-62MPPT算法仿真結(jié)果圖10-62MPPT算法仿真結(jié)果10.5離/并網(wǎng)雙模式逆變器目前所使用的逆變器除了前面介紹的并網(wǎng)逆變器和離網(wǎng)逆變器，還有一種在分布式發(fā)電系統(tǒng)中常用的雙模式切換逆變器，即具有獨(dú)立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電兩種工作模式。在能源充足的情況下，系統(tǒng)工作在并網(wǎng)模式。除了保證本地負(fù)載正常工作外，還可以把多余的電能輸送給電網(wǎng)，以高效率地利用能源；在能源不充裕的情況下，系統(tǒng)切換到獨(dú)立工作模式，給本地負(fù)載供電。實(shí)現(xiàn)了分布式發(fā)電與電網(wǎng)的交互利用，增加了對(duì)負(fù)載供電的可靠性。雙模式并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)工作模式下，輸出電壓被電網(wǎng)電壓鉗位而不可控，需要由電流環(huán)來(lái)控制進(jìn)網(wǎng)電流，此時(shí)為電流控制方式；在獨(dú)立工作模式下，雙模式并網(wǎng)逆變器的輸出電壓由電壓環(huán)控制，此時(shí)為電壓控制方式。因此，雙模式逆變器在技術(shù)面臨的問題是：在兩種工作模式切換瞬間，并網(wǎng)逆變器必須準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)兩種控制方式的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還要保證切換時(shí)刻，逆變器的輸出電壓幅值和相位不能與電網(wǎng)電壓幅值和相位相差太大，實(shí)現(xiàn)兩種工作模式間10.5離/并網(wǎng)雙模式逆變器目前所使用的逆變器除了前

的平滑切換，否則會(huì)有較大的電壓電流突變，對(duì)逆變器、負(fù)載和電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，造成本地負(fù)載電壓突變問題，對(duì)其產(chǎn)生損害。另外，現(xiàn)有電網(wǎng)故障檢測(cè)存在檢測(cè)盲區(qū)或檢測(cè)延時(shí)，會(huì)造成電網(wǎng)斷電。但并網(wǎng)逆變器仍處于電流控制方式時(shí)，也會(huì)使輸出電壓處于失控狀態(tài)。為了解決上述問題，在設(shè)計(jì)雙模式并網(wǎng)逆變器時(shí)，提出了許多解決方案。1）針對(duì)該切換瞬間的特性，通過在并網(wǎng)前，使輸出電壓跟蹤電網(wǎng)電壓的幅值和相位，在斷網(wǎng)時(shí)刻采用斷網(wǎng)前負(fù)載電壓相位幅值作為電壓基準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。但是，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，并網(wǎng)開關(guān)即雙向晶閘管只有在并網(wǎng)電流過零點(diǎn)才能斷開，因而從故障到斷開這段時(shí)間仍為電流控制模式，所以本地負(fù)載電壓會(huì)受到故障電網(wǎng)電壓的影響而突變。2）針對(duì)方案1存在的問題，在給出晶閘管關(guān)斷信號(hào)的同時(shí)，從電流控制模式轉(zhuǎn)換到電壓控制模式。通過控制此時(shí)逆變器的輸出電壓幅值和相位，加快并網(wǎng)雙向開關(guān)的斷開速度，從而改善上述問題，但在電網(wǎng)故障瞬間，電網(wǎng)電壓很難測(cè)定且無(wú)規(guī)律，加速關(guān)斷的控制的平滑切換，否則會(huì)有較大的電壓電流突變，對(duì)

規(guī)律可能不成立，甚至?xí)夯P(guān)斷時(shí)間。3）通過在切換時(shí)外加電壓環(huán)來(lái)保證輸出電壓的連續(xù)。其思路與方案2一致。上述控制策略都存在電流與電壓兩種控制方式之間的轉(zhuǎn)換，控制器結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，所采取的措施也是為了減小控制器結(jié)構(gòu)變化時(shí)對(duì)輸出性能的影響。4）在并網(wǎng)工作模式下，通過間接電流控制，將電流控制轉(zhuǎn)換為電壓控制，與獨(dú)立控制模式的電壓控制方式相結(jié)合，避免了控制模式的切換，從而實(shí)現(xiàn)了逆變方式的無(wú)縫切換。由于雙模式切換逆變器在結(jié)構(gòu)上與并網(wǎng)逆變器幾乎相同，差別主要集中在切換模式的控制方案上，本章不再敘述。規(guī)律可能不成立，甚至?xí)夯P(guān)斷時(shí)間。第十章光伏逆變?cè)O(shè)計(jì)實(shí)例器光伏逆變器的設(shè)計(jì)，首先需要明確應(yīng)用于離網(wǎng)（獨(dú)立）還是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，在離網(wǎng)（獨(dú)立）發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的是離網(wǎng)逆變器，在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的是并網(wǎng)逆變器。光伏并網(wǎng)逆變器是將光伏電池板輸出的能量轉(zhuǎn)換成交流電后直接送到電網(wǎng)上，需要實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)的頻率和相位，此時(shí)的光伏發(fā)電系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)電流源；而光伏離網(wǎng)逆變器是將光伏電池板輸出的能量轉(zhuǎn)換成交流后，直接供給用電設(shè)備使用，自己建立起一個(gè)獨(dú)立的小電網(wǎng)，主要是控制自己的電壓和頻率，相當(dāng)于一個(gè)電壓源。這兩種逆變器輸出的波形應(yīng)該是干凈的正弦波。本章將重點(diǎn)介紹這兩種光伏逆變器的設(shè)計(jì)實(shí)例。第十章光伏逆變?cè)O(shè)計(jì)實(shí)例器光伏逆變器的設(shè)計(jì)，首先需10.1.1逆變器的電路構(gòu)成圖10-1逆變器的基本電路框圖10.1.1逆變器的電路構(gòu)成圖10-1逆變器的基本電各部分電路工作原理和作用如下所述。1．半導(dǎo)體功率開關(guān)器件逆變器的功率開關(guān)器件是逆變器實(shí)現(xiàn)逆變功能的核心器件，根據(jù)所設(shè)計(jì)的逆變器功率和輸入直流電壓的大小來(lái)選用合適的功率開關(guān)器件。常用的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件主要有：晶閘管可控硅又稱為（SiliconControlledRectifier，SCR）、大功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、靜電感應(yīng)晶閘管（場(chǎng)控晶閘管，SITH）和集成門極換流晶閘管（IGCT）等。2．逆變控制及驅(qū)動(dòng)電路傳統(tǒng)的逆變器電路由許多分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，這種電路組成元器件數(shù)量多、波形質(zhì)量差、控制電路繁瑣復(fù)雜。隨著微處理器的發(fā)展，控制及驅(qū)動(dòng)電路也從模擬集成電路發(fā)展到單片機(jī)控制和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制。各部分電路工作原理和作用如下所述。1．半導(dǎo)體功率開關(guān)器件1）逆變驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)功率開關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以便得到好的PWM脈沖波形。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多專用多功能集成電路陸續(xù)推出，給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大方便，同時(shí)也使逆變器的性能得到了極大提高。如各種開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路SG3525、TL494、IR2130、TLP250等，在逆變器電路中得到廣泛應(yīng)用。2）逆變控制電路：控制電路主要是對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提供符合要求的邏輯與波形，如PWM、SPWM控制信號(hào)等?？刂频暮诵膹?位微處理器到16位單片機(jī)，直至32位DSP等，使先進(jìn)的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、重復(fù)控制、模糊邏輯控制等在逆變領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在逆變器中常用的微處理器有MP16、PIC16C73、68HC16、MB90260、AVR系列等，常用的專用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）有TMS320F206、TMS320F240、M586XX、TMS320F28XX等。1）逆變驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)功率開關(guān)器件進(jìn)行驅(qū)10.1.2逆變器設(shè)計(jì)的技術(shù)要求逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，有以下六點(diǎn)基本技術(shù)要求。1．高效率2．高可靠性3．對(duì)直流輸入電壓的適應(yīng)范圍寬4．能夠跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)5．防孤島效應(yīng)的能力6．輸出純正弦波10.1.2逆變器設(shè)計(jì)的技術(shù)要求逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的10.2.1純正弦逆變器的設(shè)計(jì)圖10-2純正弦光伏逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10.2.1純正弦逆變器的設(shè)計(jì)圖10-2純正弦光伏逆10.2.2高頻直流升壓電路設(shè)計(jì)1．高頻變壓器設(shè)計(jì)高頻直流升壓電路設(shè)計(jì)中變壓器磁心參數(shù)如下：根據(jù)系統(tǒng)樣機(jī)要求，變壓器輸入電壓幅值=12V，輸出電壓幅值=200V，最大工作比=0.45，二次繞組峰值電流=1.45A，二次繞組電流有效值

一次繞組峰值電流

=24.16A一次電流有效值

=16.2A因此變壓器的輸出功率為10.2.2高頻直流升壓電路設(shè)計(jì)

=189.8W=536.7W（變壓器效率取為1）取工作磁感應(yīng)強(qiáng)度=160mT，電流密度j取10，銅在窗口中的占空比系數(shù)Km（初選時(shí)取0.2～0.3），實(shí)際計(jì)算時(shí)取Km=0.25，則計(jì)算面積乘積

通過上述公式可知，選取EI33磁心即可滿足設(shè)計(jì)要求。變壓器繞組匝數(shù)計(jì)算如下：先確定最低電壓繞組的匝數(shù) （10-1）由式（10-1），取=8，一次繞組匝數(shù)

（10-2）由式（10-2），取偶數(shù)=134，其中開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間=150ns，控制器輸出頻率f=20kHz。在繞制變壓器過程中，取較簡(jiǎn)單的夾層式繞法，一次繞組分兩層，每層繞4匝，為了避免趨膚效應(yīng)，一次繞組采用四線并繞，在一次繞組中間繞制二次繞組，一、二次層間墊1～2層絕緣紙。實(shí)際制作測(cè)量這樣繞制的變壓器一、二次側(cè)漏感值較小，僅有幾微亨。2．推挽升壓電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是小功率的逆變電源，綜合考慮系統(tǒng)成本以及對(duì)器件特性的要求，特別是MOSFET和變壓器的參數(shù)選擇等因素，升壓部分采用兩路對(duì)稱的推挽升壓電路輸出結(jié)果相疊加的升壓方式，具體電路如圖10-3所示。

圖10-3對(duì)稱的推挽升壓電路圖10-3對(duì)稱的推挽升壓電路3．PWM生成及穩(wěn)壓控制電路圖10-4PWM生成及穩(wěn)壓控制電路3．PWM生成及穩(wěn)壓控制電路圖10-4PWM生成及穩(wěn)壓控4．過電流與過載保護(hù)電路設(shè)計(jì)圖10-5過電流與過載保護(hù)電路4．過電流與過載保護(hù)電路設(shè)計(jì)圖10-5過電流與過載保護(hù)電5．系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-6系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警控制流程圖5．系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-6系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警控制流程圖10-7中斷服務(wù)程序流程圖圖10-7中斷服務(wù)程序流程圖10.2.3DC/AC逆變電路設(shè)計(jì)1．逆變主電路設(shè)計(jì)圖10-8系統(tǒng)的逆變橋電路10.2.3DC/AC逆變電路設(shè)計(jì)1．逆變主電路設(shè)計(jì)圖12．保護(hù)電路設(shè)計(jì)

逆變器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容就是保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，緩沖電路是保護(hù)電路的一種，與軟開關(guān)技術(shù)相比，具有電路簡(jiǎn)單、成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。如圖10-8所示，逆變電路緩沖電路采用變形的有損緩沖電路。由于器件的開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的增高成正比例上升，所以在高頻橋臂側(cè)引入了由R1、R2、C2、C3、VD1、VD2構(gòu)成的變形的有損緩沖電路，逆變電路開關(guān)管切換時(shí)產(chǎn)生的過沖電壓分量由緩沖電阻R1、R2吸收。一旦緩沖電路的損耗減小，會(huì)導(dǎo)致緩沖C2、C3電容的容量增大，因此緩沖電阻的損耗即使在較高的開關(guān)頻率下也很小。由于緩沖電路只吸收切換過程中的過沖分量，對(duì)du/dt沒有影響，所以為了限制功率開關(guān)管兩端電壓上升率du/dt在兩個(gè)橋臂端引入C1、C2。另外，緩沖電路中VD1、VD2用于抑制寄生振蕩。2．保護(hù)電路設(shè)計(jì)逆變器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容就是保護(hù)電路3．控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖10-9SPWM生成及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路3．控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖10-9SPWM生成及MOSFE4．逆變電路控制方案（1）基于DSP的控制方式圖10-10DSP主程序流程圖

圖10-11定時(shí)器0中斷子程序流程圖4．逆變電路控制方案（1）基于DSP的控制方式圖10-10（2）軟件生成SPWM控制

系統(tǒng)通過TMS320F28027中的EPWM（EnhancedPulseWidthModulator，即增強(qiáng)型PWM控制器）模塊，采用軟件方式生成SPWM控制信號(hào)。根據(jù)控制信號(hào)的要求，利用EPWM模塊中TB、CC、AQ、ET四個(gè)子模塊產(chǎn)生逆變變換所需的SPWM控制波形。配置EPWM1和EPWM2的TB、CC、AQ、ET四個(gè)子模塊，由EPWM1A/B輸出低頻臂所用的50Hz控制信號(hào)，而由EPWM2A/B輸出高頻臂所用的18kHzSPWM控制信號(hào)。（3）數(shù)字PI控制算法圖10-12增量式數(shù)字PI控制實(shí)現(xiàn)框圖（2）軟件生成SPWM控制（3）數(shù)字PI控制算法圖10-1210.2.4系統(tǒng)仿真和結(jié)果分析1．DC/DC升壓電路仿真分析（1）DC/DC直流升壓電路輸出特性仿真圖10-13DC/DC直流升壓電路輸出波形仿真10.2.4系統(tǒng)仿真和結(jié)果分析1．DC/DC升壓電路仿真（2）DC/DC升壓電路工作效率仿真圖10-14DC/DC升壓電路工作效率曲線（2）DC/DC升壓電路工作效率仿真圖10-14DC/D2．DC/AC逆變電路仿真分析（1）DC/AC逆變電路輸出特性仿真圖10-15逆變電路輸出濾波前的波形a)時(shí)域波形b)頻域波形2．DC/AC逆變電路仿真分析圖10-15逆變電路輸出濾圖10-16逆變電路輸出電壓波形a)時(shí)域波形b)頻域波形圖10-17逆變電路輸出電流波形a)時(shí)域波形b)頻域波形圖10-16逆變電路輸出電壓波形圖10-17逆變電路（2）加入閉環(huán)PI反饋控制仿真圖10-18引入諧波干擾后的輸出波形a)時(shí)域波形b)頻域波形（2）加入閉環(huán)PI反饋控制仿真圖10-18引入諧波干擾后圖10-19加入PI反饋后的輸出波形a)時(shí)域波形b)頻域波形圖10-19加入PI反饋后的輸出波形10.3.1并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)和工作原理1．并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)圖10-20DSP控制的單相雙級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)10.3.1并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)和工作原理1．并網(wǎng)逆變器的結(jié)2．工作原理（1）前級(jí)Boost電路的工作原理圖10-21Boost升壓電路圖2．工作原理圖10-21Boost升壓電路圖圖10-22Boost電路的工作過程a)VF1導(dǎo)通時(shí)工作電路b)VF1斷開工作電路（2）后級(jí)單相全橋逆變器的工作原理圖10-22Boost電路的工作過程（2）后級(jí)單相全橋逆

圖10-23Boost電路連續(xù)導(dǎo)電時(shí)的穩(wěn)態(tài)波形圖10-24單相全橋逆變器的拓?fù)鋱D10-23Boost電路連續(xù)圖10-3．主電路參數(shù)的選?。?）濾波電感的選取1）電流的紋波系數(shù)（10-9）式中，為電感兩端的電壓，考慮到當(dāng)輸出電壓處于峰值附近（即uo(t)=UNm)時(shí)，輸出電流紋波最大，若此時(shí)開關(guān)管的開關(guān)的周期為T，占空比為D(t)，則有（10-10）式中，為直流母線電壓；L為濾波電感。根據(jù)單級(jí)性SPWM原理，因?yàn)殚_環(huán)頻率遠(yuǎn)大于工頻頻率，所以得到（10-11）3．主電路參數(shù)的選?。?）濾波電感的選取1）電流的紋波系數(shù)（

則每個(gè)開關(guān)周期的占空比為（10-12）將式（10-12）代入式（10-10）中得當(dāng)時(shí)，紋波電流最大為T

(10-13)?。?0-14）則每個(gè)開關(guān)周期的占空比為（10-12）將式

（2）開關(guān)管的選取

目前使用較多的功率器件有達(dá)林頓功率晶體管（BJT）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵極晶體管（IGBT）和可關(guān)斷晶閘管（GTO）等。在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET，因?yàn)镸OSFET具有較低的通態(tài)電壓降和較高的開關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用IGBT模塊，因?yàn)镸OSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大；IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)；而在特大容量（100kV·A以上）系統(tǒng)中，一般均采用GTO作為功率元件。隨著針對(duì)于光伏系統(tǒng)的功率模塊的發(fā)展，主電路元器件功率模塊的也有較大的選擇余地。針對(duì)本電路的特點(diǎn)，電路選用IGBT作為開關(guān)元件。（2）開關(guān)管的選取10.3.2DC／DC級(jí)電路的MPPT實(shí)現(xiàn)1．MPPT電路實(shí)現(xiàn)原理圖10-25系統(tǒng)控制原理圖10.3.2DC／DC級(jí)電路的MPPT實(shí)現(xiàn)1．MPPT電

2．基于改進(jìn)Fibonacci線性搜索算法仿真2．基于改進(jìn)Fibonacci線性搜索算法

10.3.3孤島檢測(cè)方法1．工作原理圖10-29APS檢測(cè)法的流程10.3.3孤島檢測(cè)方法1．工作原理圖10-29AP

2．仿真分析圖10-30Qf=2.5時(shí)，APS法的仿真結(jié)果a)APS法電壓、電流波形及頻率b)APS法的電流THD2．仿真分析圖10-30Qf=2.5時(shí)10.3.4DC/AC的控制方案1．恒開關(guān)頻率的電流控制方法圖10-31逆變器并網(wǎng)工作時(shí)的等效電路和電壓電流矢量圖a)等效電路圖b)矢量圖10.3.4DC/AC的控制方案1．恒開關(guān)頻率的電流控制

圖10-32恒開關(guān)頻率控制電路圖10-32恒開關(guān)頻率控制電路

圖10-33改進(jìn)型SPWM輸出電流跟蹤2．同步鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)圖10-33改進(jìn)型SPWM輸出電流跟蹤

3．仿真分析圖10-34輸出的電壓、電流波形3．仿真分析圖10-34輸出的電壓、電10.4微型逆變器的組成及其工作原理圖10-35MI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10.4微型逆變器的組成及其工作原理圖10-35MI10.4.1微型逆變器硬件電路設(shè)計(jì)1．主電路設(shè)計(jì)圖10-36微型逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖10.4.1微型逆變器硬件電路設(shè)計(jì)1．主電路設(shè)計(jì)圖10-

2．雙變壓器串聯(lián)推挽式DC/DC變換器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的MI屬于兩級(jí)式隔離系統(tǒng)，前級(jí)升壓采用雙變壓器串聯(lián)推挽式升壓結(jié)構(gòu)，為后級(jí)全橋逆變電路提供所需的高壓直流電。如圖10-36所示，4個(gè)開關(guān)管（VF1、VF2、VF3、VF4）兩個(gè)一組和變壓器T1、T2組成兩組典型的推挽升壓電路。兩個(gè)變壓器的二次繞組串接在一起，使升壓結(jié)果相疊加，輸出高壓交流電。高壓交流電再經(jīng)過全波整流及LC濾波電路生成高壓直流電。一次兩個(gè)獨(dú)立的推挽電路分別接入電源，且采用相同時(shí)序的高頻PWM開關(guān)控制信號(hào)，VF1和VF2交替導(dǎo)通工作。3．逆變控制器的設(shè)計(jì)圖10-37DSP控制及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路2．雙變壓器串聯(lián)推挽式DC/DC變換器的設(shè)

4．電流電壓檢測(cè)電路（1）光伏組件的電壓檢測(cè)圖10-38PV電壓檢測(cè)電路（2）光伏組件的電流檢測(cè)4．電流電壓檢測(cè)電路圖10-38PV電

圖10-39PV電流檢測(cè)電路（3）MI輸出電流、電網(wǎng)電壓及過零點(diǎn)檢測(cè)電路圖10-40過零點(diǎn)檢測(cè)電路圖10-39PV電流檢測(cè)電路（3）MI

5．過電流過載保護(hù)電路圖10-41過電流過載保護(hù)電路5．過電流過載保護(hù)電路圖10-41過電

6．報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-42系統(tǒng)保護(hù)報(bào)警控制流程圖圖10-43中斷服務(wù)程序流程圖6．報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)圖10-42系統(tǒng)保護(hù)10.4.2微型逆變器的控制策略圖10-44MI控制策略結(jié)構(gòu)圖1．最大功率點(diǎn)跟蹤閉環(huán)控制這里采用的是改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，即將定電壓跟蹤法與擾動(dòng)觀察法結(jié)合起來(lái)，在尋優(yōu)初期快速地定位在最大功率點(diǎn)附近，控制精確、響應(yīng)速度快。10.4.2微型逆變器的控制策略圖10-44MI控制

2．電網(wǎng)跟蹤控制設(shè)計(jì)（1）滯環(huán)電流控制瞬時(shí)值控制2．電網(wǎng)跟蹤控制設(shè)計(jì)（1）滯環(huán)電流控制瞬時(shí)

（2）PI電流控制方法圖10-47PI電流控制方法（3）小慣性電流跟蹤控制方式圖10-48MI的輸出模型（2）PI電流控制方法圖10-47PI

3．SPWM波形產(chǎn)生及并網(wǎng)控制的實(shí)現(xiàn)

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