《電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)【畢業(yè)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述 開題報(bào)告】小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)【畢業(yè)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述 開題報(bào)告】小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計(jì)（48頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)【畢業(yè)設(shè)計(jì)+文獻(xiàn)綜述+開題報(bào)告】小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計(jì) （20_ _屆） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計(jì) 摘 要 隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益減少，新能源的開發(fā)利用越來越引起人們的關(guān)注。太陽能作為新能源的一種是非常理想的清潔能源，近年來，由于能源問題和氣候問題日益突出，太陽能的應(yīng)用與普及得到了很大的發(fā)展。我國的太陽能資源豐富，為太陽能的開發(fā)利用創(chuàng)造了有利條件。為了充分利用太陽能電池的輸出能量，應(yīng)采用高效的電力電子裝置，對(duì)太陽能電池輸出地能量形式進(jìn)行變換。 本文在直流升

2、壓環(huán)節(jié)采用Boost電路，在逆變環(huán)節(jié)SPWM全橋逆變技術(shù)，有助于降低系統(tǒng)體積并調(diào)高系統(tǒng)效率。整個(gè)設(shè)計(jì)分為硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分，其中硬件分為直流升壓環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。最后，本設(shè)計(jì)給出了仿真電路和仿真結(jié)果，得到了預(yù)期的結(jié)果。 關(guān)鍵字：光伏發(fā)電，逆變器，SPWM，升壓電路 The design of inverters in small stand-alone PV systems Abstract With the increasing decrease of main energy such as oil, coal and gas, the development and utiliza

3、tion of new energy draw people’s more and more attentions. Solar energy as one of new energies is a very desirable clean energy. Recent years, because of the energy and climate problems becoming outstanding, the utilization and popularization of solar energy acquire amazing development. The rich sol

4、ar energy in our country creates advantages for the development and utilization of solar energy. In order to fully utilize the output energy of solar batteries, so we should use high efficient power electrics devices and invert the output of solar batteries. The paper used the Boost circuit as dir

5、ect current boosting part and used the SPWM full bridge invert technology in inverting part in order to decrease the system size and improve the efficiency. The whole design can divide two parts, one is the hardware, the other is software. In the hardware part, we can divide direct current booting p

6、art and inverting part. At last, I got the simulation results and predictable outcome. Keywords: photovoltaic system, inverter, SPWM, Boost circuit 目錄 摘 要 III Abstract IV 1 緒論 1 1.1太陽能及其開發(fā)背景 1 1.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 3 1.3國內(nèi)外光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 3 1.4逆變技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 6 1.5 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù) 7 2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)概念 8 2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的

7、分類 8 2.2獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 9 3 逆變器的工作原理及其控制 11 3.1 逆變電源基本工作原理 11 3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器主電路的基本形式 12 3.3 逆變器控制方案比較 13 3.4 SPWM控制技術(shù)及其原理 14 3.4.1 SPWM控制的基本原理 14 3.4.2 單極性和雙極性SPWM控制方式 15 4 逆變電源的軟硬件設(shè)計(jì) 18 4.1 光伏發(fā)電逆變電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 18 4.2 直流升壓電路設(shè)計(jì) 19 4.2.1 Boost升壓環(huán)節(jié)主電路 19 4.2.2 控制電路的設(shè)計(jì) 19 4.2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 22 4.3 逆變電路設(shè)計(jì)

8、 24 4.4 控制電路設(shè)計(jì) 25 4.5 輸入過欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 26 4.6 逆變電源的軟件設(shè)計(jì) 27 5 仿真結(jié)果 31 5.1 仿真電路 31 5.2 仿真結(jié)果 32 6 結(jié)論與展望 33 參考文獻(xiàn) 34 致謝 35 1 緒論 進(jìn)入21世紀(jì)，人類對(duì)能源的關(guān)注越來越大，能源成為制約人類社會(huì)快速發(fā)展的一個(gè)重要原因。太陽能作為未來的能源是一種非常理想的可利用新能源，近年來由于人們對(duì)能源、環(huán)境問題的日益關(guān)注，太陽能的應(yīng)用與普及越來越受到人們的重視，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。我國的太陽能資源豐富，為太陽能的利用創(chuàng)造了有利條件。根據(jù)太陽能的特點(diǎn)和世紀(jì)應(yīng)用的需要，目前太陽能發(fā)電分

9、為光熱發(fā)電的光伏發(fā)電。通常說的太陽能發(fā)電是指太陽能光伏發(fā)電[1,2]。 1.1太陽能及其開發(fā)背景 太陽的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)由熾熱氣體構(gòu)成的球體，主要有氫和氦組成，其中氫占80%，氦占19%。太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。據(jù)計(jì)算，太陽輻射每秒抵達(dá)地球表面的能量高達(dá)8.0×1013kW，相當(dāng)于550萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的能量。地球每年接收的太陽能相當(dāng)于目前地球上每年燃燒的固、液、氣體燃料產(chǎn)生的能量的2000倍左右，太陽能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用能源的1萬多倍。 地球上的風(fēng)能、誰能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、

10、天然氣等），從根本上說也是自遠(yuǎn)古以來儲(chǔ)存下來的太陽能。廣義的太陽能所包括的范圍非常廣，下一的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換[3,4]。 在20世紀(jì)的世界能源結(jié)構(gòu)中，人類所利用的一次能源主要是石油、天然氣和煤炭等化石能源。這些化石能源本質(zhì)上是數(shù)萬年前甚至更長(zhǎng)時(shí)間以來太陽能輻射到地球上的一部分能源儲(chǔ)存到古生物中，經(jīng)滄海桑田的變化而演化成今天地球上的能源礦藏。它們是古生物化石的特殊形態(tài)。經(jīng)過人類數(shù)千年，特別是近百年的消費(fèi)，這些化石能源已被消耗了相當(dāng)比例。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加和社會(huì)生活水平的提高，未來世界能源消費(fèi)量將持續(xù)增長(zhǎng)，世界上的化石能源消費(fèi)總量總有一天將達(dá)到極限。隨

11、著化石能源的逐步消耗，能源危機(jī)已展現(xiàn)在人類面前。在21世紀(jì)初進(jìn)行的關(guān)于世界能源儲(chǔ)量數(shù)據(jù)的調(diào)查顯示：石油可采量為39.9年，天然氣可采量為61年煤炭可采量為227年?？梢?，化石能源的可開采量已經(jīng)是屈指可數(shù)了。 中國的能源資源儲(chǔ)量情況更是危機(jī)逼人。按2000年底的統(tǒng)計(jì)，探明經(jīng)濟(jì)可開發(fā)能源總儲(chǔ)量約占世界總量的10.1%。中國能源剩余可開采總儲(chǔ)量的結(jié)構(gòu)為：原煤占58.8%，原油占3.4%，天然氣占1.3%，水資源占36.5%。我國能源經(jīng)濟(jì)可開發(fā)剩余可采儲(chǔ)量的資源保證程度僅為129.7年。中國各種一次能源的探明剩余儲(chǔ)量 以儲(chǔ)/采比表示 與世界的比較見圖1-1所示 圖1-1 一次能源的探明剩余儲(chǔ)量比較

12、 由此可見，除太陽能以外，中國各種一次能源資源均低于世界平均水平，中國的能源需求面臨更嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[4,6,7,8]。 研究和時(shí)間表明，太陽直接輻射到地球的能量豐富，分布廣泛，可以再生，不污染環(huán)境，是國際社會(huì)公認(rèn)的理想替代能源。根據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)50年代，即2050年，全球直接利用太陽能的比例將會(huì)發(fā)展到世界能源結(jié)構(gòu)中的13%~15%之間，而整個(gè)可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例將大于50%，如表1-1所示 表1-1 可再生能源和太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中的比例 % 時(shí)段 2000 2010 2020 2030 2040 2050 日本預(yù)測(cè) 可再生能源 19.4 20.2 23

13、.5 33.6 42.7 53.4 太陽能 - - - 1.9 7.9 13.5 Shell預(yù)測(cè) 可再生能源 18.3 22.2 20.9 32.3 43.3 54.6 太陽能 - - - 2.6 8.4 14.9 平均 可再生能源 18.9 21.2 22.2 33 43 54 太陽能 - - - 2.3 8.2 14.2 可以看到，太陽能將是目前大量應(yīng)用的化石能源的主要替代能源之一，所以要大力開發(fā)太陽能，緩解人類的能源危機(jī)[1,2]。 1.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池陣列、蓄電池組、MPPT控制器、逆變器、直流負(fù)載、交流負(fù)載等主要部分組成。

14、 圖1-2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成圖 1.3國內(nèi)外光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 國際上太陽電池的研究與開發(fā)具有領(lǐng)先地位的主要是德國、日本、美國、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家。澳大利亞以新南威爾士大學(xué)的馬丁教授為代表，在單晶硅太陽電池研究上居世界領(lǐng)先地位，近年來首次提出了第三代太陽電池的概念，為太陽電池的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。從太陽電池產(chǎn)業(yè)和利用來看，日本、德國、英國、美國和西班牙發(fā)展很快。2004年世界十大太陽電池廠名單可見表1-2。中國有兩家企業(yè)并列第十名[5]。 其中日本的太陽電池產(chǎn)業(yè)實(shí)力雄厚，有4家企業(yè)名列其中，其中兩家企業(yè)分享第一、第二位置。德國有兩家企業(yè)，分別處于并列第四和第八名。美國的AP（G

15、E收購）和法國的Photowatt（加拿大收購）已經(jīng)不在十大名單之列。德國的Q-Cells是非常成功的企業(yè)之一，該廠只生產(chǎn)太陽電池，而且一開始就定位于大尺寸、超薄的多晶硅片，同時(shí)保持較高的電池轉(zhuǎn)換效率。我國的尚德（Suntech）是發(fā)展歷史較短的企業(yè)，但已急起直追，在2004年生產(chǎn)了35MW太陽電池，為我國太陽電池工業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。 表1-2 世界十大太陽電池廠2003~2005年產(chǎn)量與排名 生產(chǎn)廠 2003年 2004年 2005年 2003~2004年 Sharp 1,197.9 26.4% 1,324.0 25.8% 排名不變比例下降 Kyocera 2,72.0

16、 9.6% 2,105.0 8.3% 排名不變比例下降 BP Solar 3,69.3 9.2% 3,84 6.8% 排名不變比例下降 Mitsubishi Electric 6,42.0 5.6% 4,75 6.0% 上升2名比例上升 Q-Cells 9,28.2 3.8% 4,75 6.0% 170 上升5名比例上升 Shell Solar 4,62.0 8.3% 6,,72.0 5.7% 下降2名比例下降 Sanyo 8,35.0 4.7% 7,65.0 5.4% 下降1名比例上升 RWE Schott Solar 5,44.0 5.9% 8

17、,63.0 5.0% 82 下降3名比例下降 Isofoton 7,35.2 4.7% 9,53.3 4.2% 75 下降2名比例下降 Motech 10,17.0 2.3% 10,35.0 2.8% 88 排名不變比例上升 Suntech 16,8.0 1.1% 10,35.0 2.8% 100 上升6名比例上升 合計(jì) 81.6% 78.8% 從1995年以后，世界太陽電池一直保持高速的發(fā)展，主要是德國和日本兩國在光伏利用方面采取了一系列的措施，通過政策的推進(jìn)達(dá)到了很好的效果。2004年世界太陽電池生產(chǎn)總量1256MW，而日本占了將近一

18、般的產(chǎn)量，歐洲占了近三分之一。從表3可見，我國太陽電池產(chǎn)量在2003年還不足印度產(chǎn)量的一半，到2004年已經(jīng)超出印度15MW的產(chǎn)量，這是很了不起的事情。但從所占比例來看，2004年我國太陽電池僅占世界總產(chǎn)量的4%左右，因此我國應(yīng)加大太陽電池工業(yè)發(fā)展的步伐。 表1-3 太陽電池產(chǎn)量地區(qū)分布 國家或地區(qū) 2003年 2004年 日本 365.4 48.7% 594.1 47.3% 歐洲 202.3 27.0% 344.1 27.4% 美國 96.3 12.8% 141.5 11.3% 中國 14 1.9% 51.8 4.1% 印度 26.1 3.5% 36.3 2

19、.9% 澳大利亞 26.2 3.5% 33.1 2.6% 中東 1.4 0.1% 其他亞洲國家 19.4 2.6% 53.5 4.3% 合計(jì) 750 1256 從太陽電池的種類來看，硅材料太陽電池占主導(dǎo)地位，特別是晶體硅太陽電池。從表1-4可見，加上單晶硅、多晶硅和帶硅電池，2004年晶體硅電池所占比例超過94%，非晶硅電池從1999年的12%降到2004年的4%。其他兩種薄膜電池發(fā)展也極為緩慢，因此有人認(rèn)為薄膜太陽電池廠停產(chǎn)或減產(chǎn)。一些戲劇性的發(fā)展變化令人深思，一般認(rèn)為多晶硅電池所占比例將越來越多，但2004年單晶硅電池比例上升，而多晶硅電

20、池比例下降。這主要是由于多晶硅材料材料的來源受到限制，此外單晶硅電池的生產(chǎn)技術(shù)也在繼續(xù)發(fā)展：一是單晶硅可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效率電池生產(chǎn)，如日本Sanyo和美國Sunpower都實(shí)現(xiàn)了20%單晶硅電池的規(guī)模化生產(chǎn)；二是單晶硅更容易向超薄片電池工藝路線發(fā)展，德國研究機(jī)構(gòu)可將單晶硅制成40um的厚度，所制成的電池的效率也達(dá)到了20%左右。這些都促使人們繼續(xù)大力發(fā)展單晶硅太陽電池。 表1-4 1999~2004年各類太陽電池產(chǎn)量百分比/% 電池種類 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Mono-Si 40.8 37.4 34.6 36.4 32.2 36.4 Poly-Si

21、 42.1 48.2 50.2 51.6 57.2 54.7 Si-sheets 4.1 4.3 5.6 4.6 4.4 3.3 a-Si 12.3 9.6 8.9 6.4 4.5 4.4 CdTe 0.5 0.3 0.5 0.7 1.1 1.1 CIS 0.2 0.2 0.2 0.2 0.6 0.4 從現(xiàn)有的發(fā)展來看，硅材料太陽電池在10年以至更長(zhǎng)的時(shí)間里主導(dǎo)地位不會(huì)改變。因此，晶體硅太陽電池應(yīng)當(dāng)在我國得到重點(diǎn)發(fā)展。一些關(guān)于硅材料太陽電池，特別是晶體硅太陽能電池已經(jīng)很成熟無需繼續(xù)研究的觀點(diǎn)應(yīng)該改變[9,10]。 德國2003年圓滿完成10萬屋頂計(jì)劃，2000年首先頒布可再生能

22、源法，2003年又公布可再生能源促進(jìn)法，由此引發(fā)了德國光伏發(fā)展的新一輪高峰期。2004年德國發(fā)電總量達(dá)到601TW??H，其中可再生能源發(fā)電占9.3%各種可再生能源發(fā)電所占比例可參見表1-5。 表1-5 2004德國可再生能源發(fā)電統(tǒng)計(jì) 風(fēng)能 水力 生物質(zhì)能 光伏 合計(jì) 25TE??h 21 9.4 0.5 55.9 德國政府在推廣光伏發(fā)電方面采取了一系列有力措施，主要是銀行貸款和上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼等。在德國，自家屋頂上安裝一套發(fā)電設(shè)備相當(dāng)于辦一個(gè)企業(yè)，發(fā)出的電輸入公共電網(wǎng)，國家最高給予57.4cent/kW??h的補(bǔ)貼，而從公共電網(wǎng)用電的電價(jià)少于30cent/kW??h，也就是說，安裝光伏

23、發(fā)電設(shè)備可以得到高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。因此，目前德國光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一個(gè)非?；钴S的經(jīng)濟(jì)行業(yè)。2004年德國光伏安裝總量首次超過日本，走在了世界的前列，這也為我國的光伏發(fā)展提供了許多值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)對(duì)德國的可再生能源的政策和技術(shù)進(jìn)行深入的了解，這對(duì)我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義[3]。 中國是世界最大的發(fā)展中國家，人口眾多。國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，人民生活水平的提高，社會(huì)各項(xiàng)事業(yè)的進(jìn)步，必將對(duì)能源的供應(yīng)提出更多、更高的要求。中國光伏發(fā)電的需求量巨大，市場(chǎng)廣闊。各方面的預(yù)測(cè)表明，21世紀(jì)中葉太陽能將成為中國能源直接供應(yīng)的一支主力軍[11,12,13,14,15]。 光伏發(fā)電已成為現(xiàn)實(shí)，并在

24、全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展。如果說石化能源是20世紀(jì)的能源主體，那么可以說以太陽能為主體的新能源將成為21世紀(jì)人類能源的主體，掌握了未來的能源就掌握了人類未來的命運(yùn)，光伏發(fā)電的時(shí)代正在向我們走來 1.4逆變技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 DC/AC逆變器是將直流電能變換成交流電能的變流裝置，供交流負(fù)載用電或與交流電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電[3]。如果是通過直流電動(dòng)機(jī)―交流發(fā)電機(jī)組來實(shí)現(xiàn)這種電能的逆變，則稱為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)；如果是通過功率半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)這種電能的逆變，則稱為靜止變流器。由于靜止變流器在體積、重量、變換效率、可靠性、電性能等方面均比旋轉(zhuǎn)變流機(jī)優(yōu)越，因此，靜止變流器必將并且正在逐步取代旋轉(zhuǎn)變流機(jī)。 按照交流用電負(fù)載

25、與輸入直流電源的電氣隔離元件的工作頻率，逆變技術(shù)可分為低頻環(huán)節(jié)和高頻環(huán)節(jié)兩大類。而非電氣隔離型逆變器，可以看成是電氣隔離 SPWM逆變器具有如下特點(diǎn)：（1）電路拓?fù)浜?jiǎn)明，單級(jí)功率變換DC-LFAC，雙向功率流，變換效率高；（2）變壓器仍工作在工頻，體積大且笨重，其體積與重量?jī)H和輸出電壓的頻率有關(guān)，與逆變器的開關(guān)頻率無關(guān)，提高逆變器開關(guān)頻率并不能減小變壓器的體積和重量；（3）輸出電壓THD小且輸出濾波器的體積小、重量輕；（4）對(duì)于輸入電壓和負(fù)載的波動(dòng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好；（5）變壓器和輸出濾波電感產(chǎn)生的音頻噪聲得到改善；（6）功率器件的開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗增加，降低了變換效率[16,17,1

26、8,19,20]。 1.5 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù) 主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的高性能、純正弦波輸出的逆變電源。功能是將升壓得到的高壓直流電經(jīng)SPWM全橋逆變，變成220V的SPWM電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為220V、50Hz正弦交流電壓輸出，基本要求： 1 能輸出一個(gè)電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定的交流電，無論是輸入電壓發(fā)生波動(dòng)還是負(fù)載發(fā)生變換，都要能達(dá)到一定的電壓精度； 2 具有一定的過載能力，一般能過載125%~150%； 3 輸出電壓波形含的諧波成分應(yīng)盡量少； 4 具有短路、過載、過熱、過電壓、欠電壓等保護(hù)功能和報(bào)警功能，且具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 2

27、光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)概念 2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 利用光伏發(fā)電原理，可以將太陽能通過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娔軆?chǔ)存起來，通過各種調(diào)節(jié)控制技術(shù)，將儲(chǔ)存起來的電能轉(zhuǎn)換為滿足負(fù)載所需要的用電要求，以滿足不同的負(fù)載需要，本文所設(shè)計(jì)的小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器正是為了滿足這些要求而展開設(shè)計(jì)的。單從結(jié)構(gòu)上來看，光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三種基本類型：獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。 （1） 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示，在獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池組作為儲(chǔ)存電能的單元在系統(tǒng)中是不可或缺的，它將有陽光時(shí)光伏電池陣發(fā)出的富于的電能儲(chǔ)存起來來供陽光不足

28、或是沒有陽光時(shí)使用。為了盡可能地使蓄電池的使用壽命延長(zhǎng)，在直流控制環(huán)節(jié)中應(yīng)具有一個(gè)調(diào)節(jié)控制環(huán)節(jié)和保護(hù)控制環(huán)節(jié)來優(yōu)化蓄電池充放電過程。 圖2-1 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 （2） 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將發(fā)出的電直接送入電網(wǎng)或供負(fù)載使用，這就要求逆變器具有與電網(wǎng)相連接的功能，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2-2所示，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以省去蓄電池而是將電網(wǎng)作為儲(chǔ)存電能單元。當(dāng)陽光很強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出的多余的電能經(jīng)過并網(wǎng)逆變器變?yōu)闈M足所連接電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的交流電回饋到電網(wǎng)，而當(dāng)需要用電時(shí)再次從電網(wǎng)輸入電能，減少了光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。 圖2-2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

29、 （3） 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng) 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)是在上述光伏系統(tǒng)中增加備用的發(fā)電機(jī)組，當(dāng)光伏電池陣發(fā)電不足時(shí)或蓄電池所儲(chǔ)存的電量不足時(shí)，就應(yīng)該啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，這樣備用發(fā)電機(jī)組既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)過整流環(huán)節(jié)后給蓄電池組充電，如圖2-3所示。在混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最普及的是風(fēng)-光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。 圖2-3 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2.2獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、控制器和逆變器四大部分組成。 （1）太陽能電池方陣 光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)具有決定性作用的元件，光伏電池的效率直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。由于單個(gè)光伏電

30、池產(chǎn)生電量極為有限，工作電壓僅約 0.45~0.5，工作電流大約在 20~25之內(nèi)，而且是直流電，在大多數(shù)情況下滿足不了實(shí)際應(yīng)用。為了滿足負(fù)載所需的輸出功率，一般都是將電池組串并成太陽能電池組件的形式。在實(shí)際使用時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要選擇電池組件組合連接形成太陽能電池方陣。 （2）蓄電池組 光伏發(fā)電系統(tǒng)只有在白天有太陽光的時(shí)候才能夠發(fā)出電，但大多數(shù)情況下人們主要是在夜間大量用電，這就要存儲(chǔ)太陽能電池方陣發(fā)出的電并時(shí)刻準(zhǔn)備向負(fù)載供電。光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)蓄電池組的基本要求是：1、深放電能力強(qiáng)；2、充電效率高；3、自放電率低；4、使用壽命長(zhǎng)；5、維護(hù)少或免維護(hù)；6、價(jià)格低廉；7、工作溫度范圍寬。 （3

31、）控制器 控制器主要用于實(shí)現(xiàn)管理整套系統(tǒng)的充電和放電。光伏電池方陣產(chǎn)生出的直流電，經(jīng)過充電控制器對(duì)蓄電池組充電，在蓄電池組還未充滿時(shí)，控制器的作用是盡可能地對(duì)蓄電池充電，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整充電方式，將蓄電池組處于浮充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池組放電到蓄電池組過放點(diǎn)電壓時(shí)，控制器發(fā)出電量不足的報(bào)警信號(hào)并同時(shí)切斷蓄電池組的放電回路，以此來保護(hù)蓄電池組。伴隨著光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，控制器的功能也變得越來越強(qiáng)大，控制器、逆變器以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)集成在一起。 （4）逆變器 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中 ，如果負(fù)載是交流的，DC/AC變換器將直流變?yōu)榻涣饕怨┢涫褂茫瑢⒐夥姵亟M件產(chǎn)生的直流電或蓄電池組提供的直流電逆變

32、為負(fù)載所需要的交流電。太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電或蓄電池釋放的直流電經(jīng)逆變主電路的調(diào)制、濾波、升壓后，得到與交流負(fù)載額定頻率、額定電壓相同的正弦交流電提供給系統(tǒng)負(fù)載使用。逆變器按激勵(lì)方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。逆變器具有電路短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、反接保護(hù)及雷電保護(hù)等功能。 3 逆變器的工作原理及其控制 3.1 逆變電源基本工作原理 逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多，所以各自的工作原理不盡相同，但是最基本的逆變過程是相同的。下面以簡(jiǎn)單的單相橋式逆變電路為例，說明逆變器的逆變過程。單相橋式逆變電路如圖3-1所示，T1，T2，T3，T4是橋式電路的4個(gè)功率管，由電力電子器件和輔

33、助電路構(gòu)成。輸入的直流電壓為Vcc，逆變器的負(fù)載Z。當(dāng)功率開關(guān)管T1、T4導(dǎo)通時(shí)，電流就可以流過T1，Z和T4，負(fù)載上的電壓極性是左正右負(fù)；當(dāng)功率開關(guān)管T1、T4開斷時(shí)，T2、T3導(dǎo)通，電流流過T2，Z和T3，此時(shí)負(fù)載上的電壓極性剛好相反，這樣就把直流電變成了交流電。通過改變兩組功率開關(guān)管的切換頻率就可以改變輸出交流電的頻率，得到正負(fù)半周對(duì)稱的交流方波電壓。當(dāng)負(fù)載為電感時(shí)，電流滯后于電壓，波形也不同；當(dāng)負(fù)載為純電阻型時(shí)，負(fù)載電壓電流波形、相位相同。 圖3-1 單相橋式逆變?cè)韴D 3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器主電路的基本形式 伴隨光伏產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，逆變器的種類也各不相同，光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變

34、器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三類： （1）工頻變壓器形式的主電路：?jiǎn)渭?jí)DC-AC結(jié)構(gòu)，如圖3-2所示。將直流電逆變成有效值基本不變的PWM波形，再經(jīng)由變壓器升壓得到高壓交流電。這種電路逆變效率比較高，可靠性也比較高，但是它的響應(yīng)速度慢，波形畸變嚴(yán)重，而且體積、噪聲和質(zhì)量都較大，比較不經(jīng)濟(jì)。 圖3-2 工頻變壓器形式主電路 （2）高頻變壓器形式的主電路： DC-AC-DC-AC結(jié)構(gòu)，如圖 3-3所示。主電路有高頻升壓和工頻逆變兩部分，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。DC-AC-DC部分：首先將直流電逆變成高頻方波，再經(jīng)變壓器升壓，經(jīng)整流濾波得到一個(gè)比較穩(wěn)定的高壓直流電。DC-AC部分：高壓直流經(jīng)過工頻逆變電路逆

35、變得到220V或者380V高壓交流電。系統(tǒng)逆變的效率可高達(dá)到90%以上，由于這種電路形式采用了高頻變壓器，體積、重量、噪音等均明顯減小。該電路主要缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜。 圖3-3 高頻變壓器形式主電路 （3）無變壓器形式的主電路： DC-DC-AC結(jié)構(gòu)，如圖3-4所示。將直流電經(jīng)過非隔離變換（Boost升壓電路）后得到高壓直流電，再經(jīng)工頻逆變得到高壓交流電。不采用變壓器進(jìn)行輸入和輸出的隔離，體積小、重量輕、效率高而且系統(tǒng)比較簡(jiǎn)潔，成本較低，適合用于直流輸入電壓比較高的地方。 圖3-4 無變壓器形式主電路 3.3 逆變器控制方案比較 光伏逆變器性能的好壞很大程度上決定了整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的

36、性能和效率，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)光伏逆變器輸出電壓質(zhì)量的要求也越來越高，不僅要求逆變器的輸出電壓穩(wěn)定、工作可靠，而且要求輸出電壓的正弦度高。所以光伏逆變器的控制技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。 逆變器要實(shí)現(xiàn)輸出純正弦波交流電這一功能，控制方案的實(shí)現(xiàn)主要分為模擬控制和數(shù)字控制，具體實(shí)現(xiàn)方案有如下幾種。 （1）模擬控制?？刂泼}沖的生成，控制算法的實(shí)現(xiàn)全部由模擬器件完成。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)非常成熟，有很多實(shí)例可以參考。但也有很多缺點(diǎn)：控制器的元件比較多，電路比較復(fù)雜，占的體積也比較大；靈活性不強(qiáng)，一旦硬件電路設(shè)計(jì)好了，控制策略也就無法改變；運(yùn)行調(diào)試不方便，由于所采用器件特性存在差異，致使電源一致

37、性差。逆變電源數(shù)字化控制是發(fā)展的趨勢(shì)，是逆變電源研究的一個(gè)重點(diǎn)。 （2）由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制。為提高系統(tǒng)的控制性能，通過A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)微處理器與系統(tǒng)連接，在位處理器中實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，然后通過輸入、輸出口或脈寬調(diào)制口發(fā)出開關(guān)控制信號(hào)，微處理器還能將采集的功率變換裝置工作數(shù)據(jù)顯示或送至計(jì)算機(jī)保存起來。一些控制中所用到的參考值可以存儲(chǔ)在微處理器的存儲(chǔ)器中，并對(duì)電路進(jìn)行即時(shí)監(jiān)控。微處理器的使用在很大程度上提高了電路系統(tǒng)的性能，但由于受微處理器運(yùn)算速度的局限，在很多情況下，這種微處理器輔助的電路系統(tǒng)仍需要使用運(yùn)算放大器等模擬控制元件。 （3）由DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制。隨著大規(guī)模集成電路、現(xiàn)代可編程邏

38、輯器件及數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)的發(fā)展，逆變電源的全數(shù)字化控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。DSP能夠?qū)崟r(shí)地讀取逆變電源的輸入輸出，并實(shí)時(shí)地計(jì)算出PWM輸出值，使得一些先進(jìn)的控制策略應(yīng)用于逆變電源控制成為可能，從而可對(duì)非線性負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使輸出諧波達(dá)到可以接受的水平。 3.4 SPWM控制技術(shù)及其原理 SPWM技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波抑制，在提高效率、控制頻率等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，在逆變器運(yùn)用SPWM技術(shù)可以改善逆變器的輸出電壓和電流波形，提高了逆變器的性能和可靠性。 3.4.1 SPWM控制的基本原理 如圖3-5所示，將一個(gè)正弦波半波電壓分成N等份，并將正弦曲線每一等份所包圍的面積都

39、用一個(gè)與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦等份的中點(diǎn)重合，得到如圖3-5所示的脈沖列，這就是SPWM波形。正弦波得另外半波可以用相同的辦法來等效?？梢钥闯鲈揚(yáng)WM波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為SPWM波形。 根據(jù)采樣控制的理論，脈沖頻率越高，SPWM波形越是接近于正弦。當(dāng)逆變器輸出電壓的波形為SPWM波形時(shí)，低次諧波將會(huì)得到很好地抑制和消除，高次諧波也被濾去，從而可得到畸變率低的正弦波電壓。 圖3-5 SPWM波形圖 從原理來說，在給出了正弦半波幅值、頻率和半個(gè)周期的脈沖數(shù)值后，脈沖波形的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。然后按照計(jì)算的結(jié)果來判斷控制電路中各開關(guān)

40、器件的開關(guān)，就可以得到所需要的波形。但在實(shí)際應(yīng)用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法用圖3-5 SPWM波形來確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制方法。 3.4.2 單極性和雙極性SPWM控制方式 電壓型單相橋式逆變電路如圖3-6所示。在如圖3-7中，載波信號(hào)在信號(hào)正半周為正極性的三角波，在負(fù)半周為負(fù)極性的三角波，調(diào)制信號(hào)和載波的交點(diǎn)時(shí)刻控制逆變器電力晶體管Q3、Q4的通斷。各晶體管的控制規(guī)律如下： 圖3-6 單相橋式SPWM逆變電路 圖3-7單極性（

41、左）和雙極性（右）SPWM控制方式 在的正半周期，Q1保持導(dǎo)通，Q4交替通斷。當(dāng)時(shí)，使Q4導(dǎo)通，負(fù)載電壓；當(dāng)時(shí)，使Q4關(guān)斷，由于電感負(fù)載中電流不能突變，負(fù)載電流將通過D3續(xù)流，負(fù)載電壓。在的負(fù)半周，保持Q2導(dǎo)通，使Q3交替通斷。當(dāng)時(shí)，使Q3導(dǎo)通；當(dāng)時(shí)，使Q3關(guān)斷，負(fù)載電流將通過D4續(xù)流，負(fù)載電壓。 這樣，便得到的SPWM波形，如圖3-7所示。圖中表示中的基波分量。像這種在的半周期內(nèi)三角波只在一個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)的幅值可以使輸出調(diào)制脈沖寬度作相應(yīng)的變化，這能改變逆變器輸出電壓的基波幅值，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的平

42、滑調(diào)節(jié)；改變調(diào)制信號(hào)的頻率則可改變輸出電壓的頻率。與單極性SPWM控制方式對(duì)應(yīng)，另外一種SPWM控制方式稱為雙極性SPWM控制方式。單相橋式逆變電路采用雙極性控制方式時(shí)的SPWM波形如圖3-7所示。各晶體管的控制規(guī)律如下：在的正負(fù)半周內(nèi)，對(duì)各晶體管控制規(guī)律相同，同樣在調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。當(dāng)時(shí)，使晶體管Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷，此時(shí)；當(dāng)時(shí)，使晶體管Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4關(guān)斷，此時(shí)。在雙極性控制方式中，三角載波是正負(fù)兩個(gè)方向變化，所得到的 SPWM 波形也是在正負(fù)兩個(gè)方向變化。在的一個(gè)周期內(nèi)，SPWM輸出只有兩種電平。逆變電路同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的

43、。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了防止上下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通而造成短路，在給一個(gè)臂施加關(guān)斷信號(hào)后，再延遲時(shí)間，然后給另一個(gè)臂施加導(dǎo)通信號(hào)。延遲時(shí)間的長(zhǎng)短取決于功率開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間。需要指出的是，這個(gè)延遲時(shí)間將會(huì)給輸出的SPWM 波形產(chǎn)生不利的影響，使其偏離正弦波。 4 逆變電源的軟硬件設(shè)計(jì) 本文的設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一種高性能、純正弦波輸出的單相獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器。根據(jù)上一章的介紹本文采用無變壓器形式的主電路方案實(shí)現(xiàn)逆變，設(shè)計(jì)中分為Boost升壓環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。由于系統(tǒng)輸入端電壓為低壓，升壓環(huán)節(jié)選擇Boost升壓方式。 4.1 光伏發(fā)電逆變電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖4-1為逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。輸入的直流電壓

44、經(jīng)過Boost升壓電路后并濾波，得到穩(wěn)定的高壓直流電，再經(jīng)過逆變電路輸出交流。直流升壓采用Boost升壓電路，工作頻率在50kHz；24V直流電壓直接升壓至311V，后級(jí)采用單相全橋逆變電路，采用SPWM控制技術(shù)，再通過濾波電路得到純正220V/50Hz 交流電壓輸出。 圖4-1 逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 逆變器電路的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，經(jīng)過具有不同功能的傳感器和信號(hào)調(diào)理電路變換為特別的電信號(hào)后，同時(shí)通過檢測(cè)回路將信息傳送至系統(tǒng)控制芯片進(jìn)行分析處理。根據(jù)判斷結(jié)果，控制芯片對(duì)逆變電源的各回路工作情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通過高壓直流母線上檢測(cè)回路調(diào)節(jié)直流母線上電壓幅值使之保持穩(wěn)定；通過交流輸出電壓調(diào)節(jié)回

45、路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓波形，通過過流檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)；當(dāng)檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)，立即關(guān)斷逆變器功率管，保護(hù)逆變電源。同時(shí)逆變器工作的狀態(tài)信息及故障情況，通過控制單元可以傳送至顯示與報(bào)警電路。 4.2 直流升壓電路設(shè)計(jì) 直流升壓電路的功能是將低壓 24V 直流轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的高壓 311V 直流電，以供逆變電路逆變成交流電，包括主電路的設(shè)計(jì)、控制電路上的設(shè)計(jì)和反饋保護(hù)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用Boost升壓的主電路。 4.2.1 Boost升壓環(huán)節(jié)主電路 升壓主電路如圖 4-2 所示。該電路中使用了一個(gè)全控型器件，升壓式直流斬波電路中的電感L通常取值較大，起儲(chǔ)能作用。 圖4-2 直流升壓主電路結(jié)構(gòu)圖

46、輸出電壓的表達(dá)式為 （4-1） 式中α為占空比。 4.2.2 控制電路的設(shè)計(jì) （1）PWM 控制芯片UC3846 UC3846的性能特點(diǎn)： 自動(dòng)前饋補(bǔ)償。 可編程控制的逐個(gè)脈沖限流功能。 推挽輸出結(jié)構(gòu)下自動(dòng)對(duì)稱校正。 負(fù)載響應(yīng)特性好。 內(nèi)置差動(dòng)電流放大器，共模輸入范圍寬。 可并聯(lián)運(yùn)行，適用于模塊系統(tǒng)。 雙脈沖抑制功能。 大電流圖騰柱式輸出，輸出峰值電流500mA。 精密帶隙基準(zhǔn)電源，±1%。 內(nèi)置欠電壓軟鎖定電路。 內(nèi)置軟啟動(dòng)電路。 具有外部關(guān)斷功能。 工作頻率高達(dá)50

47、0kHz. 本系統(tǒng)采用了UC3846作為變換器的控制芯片。UC3846 是雙端輸出的電流型脈寬調(diào)制器芯片，它對(duì)外部電路要求不高，具有限制電流、軟啟動(dòng)機(jī)關(guān)斷、欠壓鎖定、不需要外接元件可實(shí)現(xiàn)同步等諸多功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示。UC3846芯片內(nèi)部有±1%精度5.1V的基準(zhǔn)電源，可作為內(nèi)部低電平電路的電源及基準(zhǔn)電壓，也可作為外部基準(zhǔn)電壓。UC3846 的輸出采用圖騰柱輸出，其灌拉電流可達(dá)最低100mA和最高400mA，可以驅(qū)動(dòng) MOSFET或晶體管。 芯片內(nèi)部的振蕩器單元通過外接電阻提供一個(gè) 12mA恒定放電電流，給電容充電，產(chǎn)生一個(gè)線性鋸齒波，振蕩頻率由下式近似得出：

48、 （4-2） 一般取1k~500k，為減小噪聲干擾振蕩頻率，一般取1000。UC3846的第10腳為振蕩器發(fā)出同步信號(hào)的端子，發(fā)出同步信號(hào)的時(shí)刻也就是鋸齒波的下降的時(shí)刻，而且同步信號(hào)的脈寬就是鋸齒波的下降時(shí)間，并取決于。同時(shí)，當(dāng) UC3846為雙路輸出時(shí)，死區(qū)時(shí)間由振蕩器下降沿所決定，死區(qū)時(shí)間為 （4-3） 由于的取值比較大，簡(jiǎn)化為 （4-4） 圖4-3 UC3846控制芯

49、片結(jié)構(gòu)框圖 UC3846通過一個(gè)放大倍數(shù)為3的電流測(cè)定放大器來獲得開關(guān)管電流或電感電流信號(hào)，它輸出與PWM比較器的同相段。誤差放大器能夠輸出的最大電壓受內(nèi)部電源的限制為3.5V。顯而易見，電流檢測(cè)信號(hào)的最大偏差電壓值必須低于1.1V，當(dāng)電流輸入信號(hào)大于1.1V 時(shí)，將延時(shí)關(guān)斷電流型控制器。 若在第1腳預(yù)設(shè)電壓值，該電壓與PNP晶體管使誤差放大器的輸出箝位拉在+0.7V。電壓誤差放大器的輸出經(jīng)二極管和0.5V偏壓后送至PWM比較器的反相端。流檢測(cè)放大器的差動(dòng)輸入電壓為：，因此，被限制的最大開關(guān)電流為： （4-5）

50、 由以上分析可知，電流限制端低于0.5V的信號(hào)時(shí)，PWM無輸出，兩個(gè)輸出端都被關(guān)斷、利用這點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能和關(guān)斷功能。 （2）控制電路連接 以UC3846為主要元器件組成的推挽電路的控制電路圖如圖4-4所示。 圖4-4 UC3846連接原理圖 4.2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 對(duì)于DC/DC變換器都要求在出現(xiàn)異常情況（如過流、過/欠壓、過載）時(shí)，系統(tǒng)保護(hù)電路能夠正常并及時(shí)反應(yīng)，使變換器能夠及時(shí)停止工作，但是在各種情況下的保護(hù)又不盡相同。一般來說，在過載、過流時(shí)，保護(hù)電路要?jiǎng)幼髑也恍枰詣?dòng)恢復(fù)；而過/欠壓則不同，在過/欠壓情況解除后要求系統(tǒng)能夠重新工作。圖4-5，圖4-6分別為直流升壓環(huán)

51、節(jié)過流保護(hù)和欠壓保護(hù)電路。 （1）電流檢測(cè) UC3846的4腳為電流采樣信號(hào)輸入端，通過外接檢測(cè)電阻 R10，R11 與開關(guān)管串聯(lián)來采樣開關(guān)管的電流。當(dāng)電流取樣放大器輸入信號(hào)大于1.2V 時(shí)，電流型控制器將延時(shí)關(guān)斷。電路中，差動(dòng)電流檢測(cè)放大器檢測(cè)的是開關(guān)電流而不是電感電流，由于開關(guān)管寄生電容放電，檢測(cè)電流會(huì)有一個(gè)較大的尖峰前沿，可能使電流檢測(cè)鎖存和PWM電路誤動(dòng)作，所以，在電流檢測(cè)輸入端加R9，C4 濾波。 （2）過流保護(hù) UC3846通過R11參與檢測(cè)開關(guān)管的電流，并通過內(nèi)部關(guān)斷電路實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的功能，如果輸出端短路輸出電感中的電流快速增大，由于逐個(gè)脈沖限流功能有一定的延遲而不能馬上

52、動(dòng)作，通常無法及時(shí)將急劇上升的電流降至正常水平。通過16腳參與檢測(cè)峰值電流，當(dāng)檢測(cè)到的電流信號(hào)超過設(shè)定的電流閥值，圖4-5電流檢測(cè)和過流保護(hù)電路16腳信號(hào)超過350mV，同樣會(huì)屏蔽脈沖輸出。 圖4-5 過流保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖 （3）過欠壓保護(hù) 如圖4-6所示。當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓過欠壓時(shí)，過欠壓輸入端為低電平，光耦OP1輸出電平1，通過電容C6和二極管給UC3846正脈沖，從而使框圖4-3所示的UC3846芯片內(nèi)部晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，通過內(nèi)部電路使腳1電平被拉至接近地電平，，電路處于保護(hù)狀態(tài)，UC3846 芯片的輸出脈沖被屏蔽。同時(shí)光耦OP1輸出電平1使三極管Q1飽和并導(dǎo)通接地。因?yàn)殡娙軨6的加速

53、作用，三極管Q1比UC3846內(nèi)部晶閘管導(dǎo)通并滯后。因三極管的導(dǎo)通壓降小于晶閘管的導(dǎo)通壓降，晶閘管不能持續(xù)導(dǎo)通即關(guān)斷。當(dāng)欠壓故障消除后，三極管Q1變?yōu)榻刂梗到y(tǒng)可以再次輸出脈沖。 圖4-6 欠壓保護(hù)電路 4.3 逆變電路設(shè)計(jì) 逆變電路的主要功能是將上一節(jié)中升壓得到的高壓直流電經(jīng)SPWM全橋逆變，變311V的SPWM電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為220V、50Hz正弦交流電壓輸出，本部分有功率橋的設(shè)計(jì)、控制電路的設(shè)計(jì)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。 如圖4-7所示為逆變主電路圖。對(duì)輸入的直流電進(jìn)行SPWM調(diào)制，經(jīng)過LC濾波電路輸出，采用電壓瞬時(shí)值反饋，對(duì)輸出的電壓進(jìn)行采樣隔離，反饋信號(hào)傳送給控制芯片，經(jīng)

54、過A/D變換保存，將得到脈寬控制量，通過SPWM生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生各功率管的開關(guān)信號(hào)，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡量跟蹤基準(zhǔn)正弦給定信號(hào)。 圖4-7 逆變環(huán)節(jié)主電路 4.4 控制電路設(shè)計(jì) 逆變環(huán)節(jié)的任務(wù)是使高壓直流電變民用交流電，為得到穩(wěn)定的輸出電壓，本系統(tǒng)采用PI控制，對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，系統(tǒng)中CPU根據(jù)采樣的電壓值來控制SPWM 波發(fā)生器輸出SPWM參數(shù)值，形成SPWM波驅(qū)動(dòng)逆變橋，從而得到穩(wěn)定的民用交流電。系統(tǒng)采用AT89C51，SPWM波形發(fā)生器采用UC3846單相SPWM波形發(fā)生器，功率逆變橋選用 PS21865，它的內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，因而外部驅(qū)動(dòng)電路可以不再添加。控制電路主要功

55、能包括：控制脈沖產(chǎn)生，交流輸出穩(wěn)定，保護(hù)和報(bào)警顯示，電路框圖如圖 4-8所示。 圖4-8 逆變電源控制電路示意圖 4.5 輸入過欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 輸入過壓保護(hù)指的是當(dāng)輸入系統(tǒng)的電壓值太大，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的電子元件造成損害，該保護(hù)電路可在輸入電壓超過最高電壓值時(shí)關(guān)閉電源系統(tǒng)。輸入欠壓保護(hù)是指當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓過低，即使控制電路輸出了最大脈寬的觸發(fā)脈沖，電源仍然不能輸出額定的電流或電電壓的情況下保護(hù)的，該保護(hù)電路可避免出現(xiàn)因輸入電壓太低而引起電源輸出電壓失控的狀況。 圖4-9 過欠壓保護(hù)電路 4.6 逆變電源的軟件設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，通過單片機(jī)對(duì)輸入的高壓直流電進(jìn)行SPWM調(diào)制，采用電壓瞬時(shí)值

56、反饋，同時(shí)對(duì)輸出電壓值進(jìn)行采樣隔離，反饋信號(hào)傳送給控制芯片UC3846，經(jīng)過A/D變換保存，將所得結(jié)果與基準(zhǔn)正弦給定信號(hào)比較一下，得到偏差信號(hào)，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，最后得到脈寬控制量，通過SPWM生成部分產(chǎn)生各功率管的開關(guān)信號(hào)，控制功率管的開關(guān)，使輸出電壓盡量跟蹤基準(zhǔn)正弦給定信號(hào)。 圖4-10為本系統(tǒng)的控制程序框圖，系統(tǒng)開機(jī)工作后，先復(fù)位UC3846，對(duì)其初始化寄存器和控制寄存器進(jìn)行編程，通過采樣輸出電壓值將采樣值與系統(tǒng)設(shè)定電壓進(jìn)行比較，求出偏差E k ，并判斷偏差是否在允許的范圍之內(nèi)，若是，則不改變UC3846中的控制值，反之，則采用PI控制算法求出這時(shí)的控制調(diào)制幅度值，調(diào)節(jié)UC3846的控

57、制寄存器，使UC3846輸出的SPWM 波形的脈寬幅度隨輸出電壓值的變化而變化，控制功率管導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間，使輸出電壓穩(wěn)定平穩(wěn)。 1 主程序設(shè)計(jì) 主程序的主要任務(wù)是初始化、過欠壓檢測(cè)處理和等待中斷。在輸入電壓正常的情況下才開始中斷，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，可接受中斷，包括定時(shí)器重點(diǎn)和外部信號(hào)引起的外部中斷。 圖4-10 主程序流程框圖 3 UC3846的編程 初始化編程：初始化是用來設(shè)定和逆變器有關(guān)的基本參數(shù)，它包括載波頻率設(shè)定、調(diào)制波頻率范圍設(shè)定、脈沖延遲時(shí)間設(shè)定、最小刪除脈寬設(shè)定。 圖4-11 UC3846流程圖 3 中斷子程序 當(dāng)系統(tǒng)中的單片機(jī)檢測(cè)到欠壓、過壓、過熱或過流信

58、號(hào)時(shí)，置報(bào)警標(biāo)志位為1，并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T0，當(dāng)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到后，單片機(jī)再檢查過壓、欠壓、過流或過熱信號(hào)是否仍然存在，若存在，則關(guān)閉輸出并發(fā)出故障報(bào)警，反之，則不關(guān)閉輸出也不發(fā)出報(bào)警，報(bào)警標(biāo)志位清0。程序框圖如圖4-12。 圖4-12 外部和內(nèi)部中斷程序流程圖 5 仿真結(jié)果 5.1 仿真電路 （1） Boost直流升壓電路Matlab仿真電路 圖5-1 Boost升壓電路圖 （2） 逆變電路Matlab仿真電路 圖5-2 全橋逆變電路圖 5.2 仿真結(jié)果 （1） Boost直流升壓圖 圖5-3 升壓結(jié)果圖 （2） 全橋逆變 圖5-4 逆變結(jié)果圖 6 結(jié)論與展望 本

59、文首先介紹了太陽能的概況和光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及逆變技術(shù)的發(fā)展，并介紹了光伏發(fā)電的基本原理和系統(tǒng)組成、逆變電源技術(shù)和 SPWM 控制技術(shù)，并分析了幾種逆變器的控制方法，重點(diǎn)研究了逆變器升壓環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)的主電路和控制電路設(shè)計(jì)在直流升壓環(huán)節(jié)采用Boost電路，在逆變環(huán)節(jié)SPWM全橋逆變技術(shù)，有助于降低系統(tǒng)體積并調(diào)高系統(tǒng)效率。整個(gè)設(shè)計(jì)分為硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分，其中硬件分為直流升壓環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。最后，本設(shè)計(jì)給出了仿真電路和仿真結(jié)果，得到了預(yù)期的結(jié)果。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所采用的逆變思想的可行性。 隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益減少，新能源的開發(fā)利用越來越引起人們的關(guān)注。太陽能作為新能源的一種是非

60、常理想的清潔能源，近年來，由于能源問題和氣候問題日益突出，太陽能的應(yīng)用與普及得到了很大的發(fā)展。我國的太陽能資源豐富，為太陽能的開發(fā)利用創(chuàng)造了有利條件。為了充分利用太陽能電池的輸出能量，應(yīng)采用高效的電力電子裝置，對(duì)太陽能電池輸出地能量形式進(jìn)行有效地變換。 由于時(shí)間有限，本文中還有許多問題還未解決，如元器件的功耗問題，諧波分析等，因本科階段所學(xué)知識(shí)有限，需待進(jìn)一步學(xué)習(xí)來解決。 參考文獻(xiàn) [1] 周志敏周紀(jì). 海太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2010. [2] 趙爭(zhēng)鳴等. 太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2007. [3] 沈輝曾祖勤.

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65、弦波發(fā)生，輸出波形控制，電網(wǎng)電壓鎖相以及各種保護(hù)等等。本章主要敘述前面幾部分，逆變器的保護(hù)將在隨后重點(diǎn)敘述。 圖3逆變器原理框圖 3總結(jié)部分 隨著太陽能利用技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文對(duì)最大輸出功率為25W的獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，文中詳細(xì)論述整個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，包括電池板、升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)選擇，控制電路，采樣電路及其蓄電池的參數(shù)等的選擇設(shè)計(jì)。本文MPPT控制算法采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的擾動(dòng)法，但為避免傳統(tǒng)擾動(dòng)法的缺點(diǎn)，提出電壓自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)確的運(yùn)行。 光伏系統(tǒng)的逆變電路是將Boost電路升壓得到的高壓直流電經(jīng)SPW

66、M全橋逆變，變成220V的SPWM電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為220V、50Hz純正弦交流電壓輸出。輸出純正弦波一般有3種控制方法：模擬控制；由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制；由DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。逆變電路還需具有短路、過載、過熱、過電壓、欠電壓等保護(hù)功能和報(bào)警功能，且具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 太陽能逆變器將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展和運(yùn)用，將帶動(dòng)電力穩(wěn)定器的發(fā)展，電力穩(wěn)定器是介于市電、用戶負(fù)載、與再生能源之間的電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以逆變器為核心的電力穩(wěn)定器將成為未來智能型住宅電力供應(yīng)系統(tǒng)的核心。 太陽發(fā)出的能量大約只有二十二億分之一能達(dá)到地球范圍，約為173×104億千瓦。經(jīng)過大氣的吸收和反射，能夠到達(dá)地球表面的約占51％，大約88×104億千瓦。而能夠達(dá)到陸地表面的只有達(dá)到地球范圍輻射能量的10％左右，約為17×104億千瓦。盡管如此，如果把這些能量利用起來，也相當(dāng)于目前全球消耗能量的3.5萬倍。太陽能作為巨大的能源資源，其利用的潛能巨大。 光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。無論是獨(dú)立運(yùn)行還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板 組件 、控制器和逆變器三大部分組成