太陽能光伏并網(wǎng)逆變器的分析與研究

第1章緒論的輻射強(qiáng)度為1367km/m2。我們生活的這個(gè)地球的赤道周長(zhǎng)為40000km,所以我們2040年將占到全球發(fā)電量的21%,2050年左右，太陽能將成為全球主力替代能源3)太陽能沒有資源短缺跟耗盡問題：用到的主要的硅材料儲(chǔ)存豐6)維護(hù)和管理問題：可實(shí)現(xiàn)無人化且維護(hù)成本低。(4)選取多轉(zhuǎn)換級(jí)帶高頻變壓器的逆變器結(jié)構(gòu)和最大功率控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)第2章光伏并網(wǎng)逆變器概述2.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)池陣列圖2-1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖濾波系統(tǒng)采用兩級(jí)式設(shè)計(jì)，二者相對(duì)獨(dú)立，由直流母線電壓產(chǎn)生聯(lián)系：前級(jí)DC-DC變路，為輸出電流受控的電壓型有源逆變器，逆變器的輸出側(cè)呈現(xiàn)受控電流源特link中間電壓穩(wěn)定并將電能轉(zhuǎn)換成220V,50Hz的正弦交流電。最終通過交流LC濾波電路濾除高頻分量，把與電網(wǎng)電壓同頻和同相的并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流并人電網(wǎng)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到外部故障時(shí)，可立即將DC/DC變換器與DC/AC逆變器從電路中切除，實(shí)現(xiàn)逆變器的可靠隔離和保護(hù)。2.2光伏并網(wǎng)逆變器的原理逆變器由IGBT等功率開關(guān)器件構(gòu)成，控制電路使開關(guān)元件有一定規(guī)律的連續(xù)開通或關(guān)斷，使輸出電壓極性正負(fù)交替，將直流輸入轉(zhuǎn)換為交流輸出。光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器一般使用脈沖寬度調(diào)制PWM方式來實(shí)現(xiàn)，將矩形波的交流電轉(zhuǎn)換為正弦波交流電。圖1為并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于太陽能電池一般是電壓源，因此逆變器的主電路采用電壓型，在與外電網(wǎng)相聯(lián)時(shí)，為電壓型電流控制方式。系統(tǒng)通常是兩級(jí)功率結(jié)構(gòu)：直流變換環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)構(gòu)成。c圖2-2并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)鋱D2.3光伏并網(wǎng)逆變器的分類及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為了能設(shè)計(jì)出符合上述要求的并網(wǎng)逆變器，多數(shù)人都集中于研究逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法。逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，常用的是全橋結(jié)構(gòu)。根據(jù)采用隔離變壓器的類型，并網(wǎng)逆變可分為低頻環(huán)節(jié)、高頻環(huán)節(jié)以及非隔離型并網(wǎng)逆變。(1)低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器是早期光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的逆變器。它由工頻或高頻逆變器、工頻變壓器以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)見圖2-3。濾波器濾波器工頻或高頻逆變器太陽能電池電網(wǎng)圖2-3低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)圖2-4低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2)高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變技術(shù)工頻逆變橋工頻逆變橋整流器高頻逆變器太陽能電池C圖2-5高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖橋式等，我們以全橋式為例(見圖2-6)。圖2-6高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)線性電路原理如圖2-7。圖7中負(fù)載上的功率為：電源有最大功率輸出。雖然太陽電池和DC-DC變換電路都是強(qiáng)非線性的，但在極短的時(shí)間內(nèi)，可認(rèn)為是線性電路。因此，只要調(diào)DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻使它始終等于太陽電池的內(nèi)阻，就可實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率輸出，也就實(shí)現(xiàn)了太陽電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。從圖2中可以看出，當(dāng)R?=R,時(shí)，兩端的電壓是這表明若R兩端的電壓等于Pp,同樣也是最大值。因此在實(shí)際應(yīng)用中，通過調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。2.5孤島效應(yīng)的檢測(cè)及控制逆變器直接并網(wǎng)時(shí)，除了應(yīng)具有基本的保護(hù)功能外，還應(yīng)具備防孤島效應(yīng)的特殊功能。從用電安全與電能質(zhì)量考慮，孤島效應(yīng)是不允許出現(xiàn)的孤島發(fā)生時(shí)必須快速、準(zhǔn)確地切除并網(wǎng)逆變器，由此引出了對(duì)于孤島效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)控制的研究。孤島效應(yīng)的檢測(cè)一般分成被動(dòng)式與主動(dòng)式。被動(dòng)式檢測(cè)是利用電網(wǎng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)(如電壓、頻率、相位等)作為判斷電網(wǎng)是否故障的依據(jù)。如果電網(wǎng)中負(fù)載正好與逆變器輸出匹配，被動(dòng)法將無法檢測(cè)到孤島的發(fā)生。主動(dòng)檢測(cè)法則是通過電力逆變器定時(shí)產(chǎn)生干擾信號(hào)，以觀察電網(wǎng)是否受到影響作為判斷依據(jù)，如脈沖電流注入法、輸出功率變化檢測(cè)法、主動(dòng)頻率偏移法和滑模頻率偏移法等。們?cè)趯?shí)際并網(wǎng)第3章系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)概述并網(wǎng)電路并網(wǎng)電路輸出電流相位頻率檢測(cè)液晶鍵盤中間直流驅(qū)動(dòng)陣列變換器不驅(qū)動(dòng)電路逆變器故障檢測(cè)圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖W直流電壓檢測(cè)電路4路SPWM電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路檢測(cè)電路C圖3-2逆變器的工作原理圖3.3控制裝置系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)初始化掃描A/D轉(zhuǎn)換引腳3.4安全性能設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要與配電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。所以，本逆變器在安全設(shè)計(jì)方面，不但要考慮操作者的人身安全和逆變器本身的故障保護(hù)，還要兼顧對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)。另外，當(dāng)由于太陽能供電的不穩(wěn)定性或操作人員的誤操作造成系統(tǒng)處于非正常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)可靠保護(hù)并具有自恢復(fù)能力。這些在本逆變器的設(shè)計(jì)中都作了全面(1)對(duì)異常電網(wǎng)條件的響應(yīng)通過對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)過壓、欠壓等電網(wǎng)電壓異常情況的監(jiān)測(cè)，并可以設(shè)定電壓高限、電壓低限和電壓異常消除后再并網(wǎng)的延遲時(shí)間等參數(shù)。通過對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)過頻率、欠頻率等電網(wǎng)頻率異常情況的監(jiān)測(cè)，并可以設(shè)定頻率高限、頻率低限和頻率異常消除后再并網(wǎng)延遲時(shí)間等參針對(duì)人身安全和設(shè)備安全的最大隱患“孤島”現(xiàn)象，特別采用了被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種檢出方式，完全滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中反“孤島”的相關(guān)要求。(2)直流電流分量檢出和抑制在SEE-104中采用了專門的直流分量檢出回路。針對(duì)直流電流分量相對(duì)于逆變器輸出的交流電流總量非常小的特點(diǎn)，通過硬件回路和軟件控制算法相結(jié)合的方法檢測(cè)直流分量的大小。通過直流分量抑制控制使直流分量小于一旦由于意外情況造成直流分量超過1%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。(3)裝置自身保護(hù)本裝置設(shè)計(jì)了多種自我保護(hù)功能，對(duì)操作者人身安全和產(chǎn)品自身的可靠性提供了完善的保護(hù)措施：?jiǎn)?dòng)自檢、直流輸入極性接反、輸出交流過電流、輸入輸出側(cè)浪涌抑制、過熱保護(hù)、直流接地和交流漏電流保護(hù)。第4章控制器控制策略與分析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器需要對(duì)電流和功率進(jìn)行控制，逆變器輸出電流主要采用各種優(yōu)化的PWM控制策略，對(duì)給定的電流波形進(jìn)行跟蹤；功率的控制則是通過對(duì)太陽能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤實(shí)現(xiàn)。4.1最大功率跟蹤MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤是當(dāng)前采用較為廣泛的一種光伏陣列功率點(diǎn)控制方式。從對(duì)光伏電池的分析可以看出，光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度的影響。在一定的外部條件下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但只有在某一電壓值下，輸出功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)光伏電池的工作點(diǎn)稱之為最大功率點(diǎn)。為了充分發(fā)揮光伏電池的效能，提高系統(tǒng)的整體效率，對(duì)光伏電池的輸出進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤就十分必要。4.2并網(wǎng)控制逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的主要控制目標(biāo)是逆變器輸出正弦波電流與電網(wǎng)電壓在頻率、相位上同步，并且能實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)參數(shù)的變化，且電流的總畸變失真要低，以減小對(duì)電網(wǎng)的諧波影響，使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出達(dá)到最大，功率因數(shù)近似為1。目前，逆變器交流輸出的控制方法可分為：電壓控制方法和電流控制方法。由于電壓控制不能使系統(tǒng)同時(shí)保證響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的要求，所以其控制通常采取電流控制方式。電流控制方式又可分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制以電壓矢量圖為基礎(chǔ)，基波電壓向量可由圖4表示，它表示出了逆變器的輸出電壓Us、輸出電流IN以及電網(wǎng)電壓UN之間的關(guān)系。利用控制手段使逆變器的輸出電流IN始終和電網(wǎng)電壓UN同向，使輸出功率因數(shù)為1。對(duì)輸出電流的控制包括幅值控制和相位控制，設(shè)逆變器輸出功率為P,由圖11的三角函數(shù)關(guān)系可知可見在電感數(shù)值和電網(wǎng)電壓確定的條件下，依據(jù)給定的功率，可以確定超前角度B,即可以確定逆變器控制信號(hào)的相位。輸出電壓滿足對(duì)于SPWM逆變器來說，輸出電壓基波滿足從而調(diào)制比可得(2)直接電流控制目前有多種控制方式，它們都是PWM非線性控制方法，主要有瞬時(shí)值滯環(huán)比較方式、定時(shí)比較方式和三角波比較方式。圖5所示的瞬時(shí)值滯環(huán)比較方式，把電流參考值與實(shí)際輸出電流相比較，偏差經(jīng)過滯環(huán)比較產(chǎn)生控制逆變橋各開關(guān)管通斷的PWM信號(hào)，去觸發(fā)或關(guān)斷主電路功率開關(guān)器件，使輸出電流圍繞著給定的正弦波電流作鋸齒形變化，從而控制電流的變化。這種方式硬件電路簡(jiǎn)單，具有電流跟蹤精度高，響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。如果逆變器的開關(guān)器件有足夠的開關(guān)頻率，則逆變器的輸出電流就能很快地調(diào)節(jié)其幅值和相位，使逆變器的輸出電流得到高品質(zhì)的動(dòng)態(tài)控制。但是缺i電網(wǎng)超過時(shí)鐘頻率的一半。缺點(diǎn)是電流跟隨誤差·A(3)反孤島控制孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時(shí)，光伏并網(wǎng)第5章光伏并網(wǎng)逆變器的仿真與研究選取500組光伏電池組件串聯(lián)