毕业设计-单相光伏并网逆变器的控制原理及电路实现

第一章绪论
1.1 光伏发电背景与意义
作为一种重要的可再生能源发电技术，近年来，太阳能光伏(Photovoltaie，PV)发电取得了巨大的发展，光伏并网发电已经成为人类利用太阳能的主要方式之一。

目前，我国已成为世界最大的太阳能电池和光伏组件生产国，年产量已达到100万千瓦。

但我国光伏市场发展依然缓慢，截至2007年底，光伏系统累计安装100MWp，约占世界累计安装量的1％，产业和市场之间发展极不平衡。

为了推动我国光伏市场的发展，国家出台了一系列的政策法规，如《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《可再生能源十一五发展规划》等。

这些政策和法规明确了太阳能发电发展的重点目标领域。

《可再生能源中长期发展规划》还明确规定了大型电力公司和电网公司必须投资可再生能源，到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例要达到3％以上。

对于这一目标的实现，光伏发电无疑会起到非常关键的作用。

当下，我国地方和企业正积极共建兆瓦级以上光伏并网电站，全国已建和在建的兆瓦级并网光伏电站共11个（2008年5月前估计），典型的如甘肃敦煌10MW 并网光伏特许权示范项目，青海柴达木盆地的1000MW大型荒漠太阳能并网电站示范工程，云南石林166MW并网光伏实验示范电站。

可以预见，在接下来的几年里，光伏并网发电市场将会为我国摆脱目前的金融危机提供强大的动力，光伏产业依然会持续以往的高增长率，光伏市场的前景仍然令人期待。

光伏并网发电系统是利用电力电子设备和装置，将太阳电池发出的直流电转变为与电网电压同频、同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网馈电的有源逆变系统。

按照系统功能的不同，光伏并网发电系统可分为两类：一种是带有蓄电池的可调度式光伏并网发电系统；一种是不带蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统。

典型的不可调度式光伏并网发电系统如图1-1所示。

图1-1 不可调度式光伏并网发电系统
从图1-1中可知，整个并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、连接组件、计量装置等组成，对于可调度式光伏并网发电系统还包括储能用的蓄电池组。

并网逆变器是整个并网发电系统的核心设备，承担着光伏阵列的最大功率点跟踪、直流逆变、防孤岛效应等诸多功能。

目前，光伏并网发电的成本已降至2元／KWH，但是对于大规模应用来说，成本依然过高，大多数国家主要靠政府补贴来推动光伏并网发电，对上网电价采取了差额补贴或固定上网电价的方式。

而制约光伏发电成本进一步下降的主要原因是硅料和并网逆变器的成本过高。

据专家预测，随着技术的进步，在今后的几年里光伏发电成本可望降至1元／KWH，甚至可望与常规发电成本持平，这对大规模推广光伏发电无疑是非常有利的一面。

因此，开发高性能低价格的光伏并网逆变器不但对降低光伏发电成本具有积极作用，同时还具有极大的市场前景。

另外，随着电力电子器件的高频化和微处理器性能的飞速提高，使得电力电子设备的全数字化控制日益增多，模拟控制己逐渐被数字控制取代，一些先进的数字控制技术也开始应用于各种电力电子设备的研发当中。

与传统的采用模拟芯片控制的逆变器相比，光伏并网逆变器从一开始就采用全数字控制，除主电路变化不大以外，控制电路及控制方法都有很大的差别。

目前，由于涉及到知识产权和商业化因素，国内外关于光伏并网的数字控制系统设计和数字控制方法研究的文献还比较少。

同时，跟国外的光伏并网发电技术相比，我国的技术水平还有一定的差距，就并网逆变器而言，我国自主研发生产的知名品牌并不多，大部分的光伏示范工程都采用进口的国外品牌，导致光伏并网发电系统的造价高、依赖性强，制约了光伏并网系统在国内市场的发展和推广。

因此开展对光伏并网逆变器的研究，掌握并网逆变器关键技术对推广光伏并网发电系统，实现节能减排有着十分重要的作用。

1.2 光伏发电技术的应用和现状
考虑到能源的持续发展和环境压力，上世纪90年代后期世界上许多国家都制定了大力发展新能源的计划。

太阳能以其环保和不歇性得到了诸多国家的青睐。

德国的光伏并网发电走在了世界的前列。

其10万屋顶光伏计划及最近通过的新可再生能源法规定光伏电价为0.99马克/KWh（高于常规电价0.6马克/KWh）的电价，对德国的光伏发展起到巨大推动作用。

日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做出了十几年的努力，1994年1月通产省宣“朝日七年计划”，计划到2000年推广16.2万套太阳能屋顶住房，总功率达到185MWp；1997年又宣布“七万屋顶计划”。

美国在上世纪80年代初就开始实施计划，即作为规模公共电力应用的光伏发电计划，首批建造了100KW以上的大型并网光伏电站4座，其中容量最大的为6MW（原计划为10MWp）。

1997年6月,克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划”，计划到2010年安装100万套太阳能屋顶，总装机容量为3025MWp，所产生的电力相当于3-5座大型燃煤电站，每年可望减排二氧化碳35亿吨，相当于减少85万辆汽车的尾气排放，同时，通过该计划的实施将使光伏发电的成本由1997年的22美分度下降到7.7美分/度。

许多其它发达国家也都有类似的光伏屋顶并网发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英、加拿大等。

属于发展中国家的印度也在1997年12月宣布到2020年将建成150万套太阳能屋顶并网发电系统。

目前为止，世界范围内的并网系统己经占光伏系统总量的50%以上，整个光伏并网市场在蓬勃发展。

中国的光伏市场在近些年发展也很迅速，但主要集中在边远地区的独立逆变系统，如在国家支持下1999年底分别在西藏的个无电县城安装了光伏系统，“中国光明工程”2000年起又开始了无电乡村的光伏电站建设，另外光伏水泵、光伏照明等方面也有所发展。

光伏并网系统的发展受市场和技术的限制，目前在整个光伏产业中所占比重有限，在2003年为4%。

但随着世界光伏市场的变化趋势，中国的光伏并网产业也越来越受到人们关注，预计到2050年，光伏并网市场份额要占总光伏市场的80%。

第二章太阳能光伏发电系统概述
太阳能光伏发电系统包括离网光伏发电系统（独立光伏发电系统）和并网光伏发电系统。

而光伏发电应用已经开始由边远农村地区逐步向并网发电和建筑结合的常规供电方向发展，最终将走向并网运行，因此本文则重点介绍并网光伏发电技术。

2.1 太阳能光伏并网发电系统的组成
并网光伏发电系统包括建筑光伏系统（BIPV）、地面光伏系统（包括盐碱地、荒漠地、大型荒漠光伏电站等）和并网光伏系统。

光伏并网发电系统就是把太阳能电池产生的直流电通过逆变器变成220V的交流电并接入商业电网。

如图2-1所示,光伏并网发电系统由光伏阵列、光伏系统控制器、光伏系统逆变器、光伏系
图2-1 并网光伏系统的组成
统平衡部分和电网五个部分组成。

2.2 光伏阵列
2.2.1 太阳能电池简介
光伏阵列是由一个个太阳能电池组成。

太阳能电池作为光伏系统中不可缺少的关键部件，它的特征性能对整个系统都有着非常重要的影响，分析太阳能电池的特性，了解其电气特性，是开发一个光伏系统中的一个必要的步骤。

它是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的一种固态器件，在光伏发电中占有极其重要的位置，对它的研究是太阳能利用中最具发展潜力的研究课题之一。

太阳能电池的伏安特性受到环境温度和阳光辐照度的影响，是一个非线性元件，
它可等效为一个电压随日照强度，环境温度变化且其等效内阻随外接负载电阻变化的电压源表示。

2.2.2 太阳能电池组件模型
图2-2所示硅型光伏电池板的理想电路模型。

光伏电池的理想模型可由（2-1）式表示：
(2-1)
其中， I ph ——光生电流，I ph
值与光伏电池的面积、入射光的辐射度以及环境温度相关，
I D
——暗电流（暗电流是指光伏电池在没有光照条件下，在外电压的作用下PN 结流过的单向电流），
v ——开路电压，
R S
——串联电阻（一般小于1欧姆）， R SH
——旁路电阻（一般几十千欧）， v t
——电池板热电势。

图2-2 光伏电池的等效电路图
图2-3表述在特定光照条件下电池板的伏安特性。

阴影部分是电池板在相应条件下所能够输出的最大功率。

太阳能电池板在高输出电压区域，具有低内阻特性，可以视为一系列不同等级的电压源；在低输出电压区域内，该电源有高内阻特性，可以视为不同等级的电流源。

电压源与电流源的交汇处便是电池板在相应条件下的最大输出功率。

在电池板的温度保持不变的情况下，这个极大功率值会
随着光照强度的变化而变化，最大功率跟踪要求能够自动跟踪电池板的工作在输出功率极大的条件。

图2-3 硅电池伏安特性
2.3 光伏系统控制器
2.3.1 控制器的作用
在光伏系统中，控制器也是一个很重要的组成部分。

光伏控制器是协调系统各部分正常工作,确保系统安全、可靠运行的电气装置。

近些年来，随着计算机技术的发展，电气自动化技术也随之快速发展，出现了各种各样的自动化装置。

现在很多光伏系统都引入了这种多功能的、智能化的自动化控制装置，也就是我们常说的光伏系统控制器。

在光伏系统中，光伏系统控制器能够自动地对光伏系统的多路模拟信号进行采集处理，从而达到对整个系统的工作状态进行检测和保护的功能。

它能够对系统运行中出现的偏差进行自诊断、分析、自校正，使系统自动调整工作状态，也可以监视某些关键器件的工作状况，避免因为某些器件工作出现问题而影响整个系统的情况出现。

除了基本的功能以外，现在很多控制器都设计得非常全面周到，在起到普通控制器作用的同时，也是一个系统和人机信息交换的中介。

在一些要求比较高的系统中的控制器，例如光伏电站中用的控制器，能够对整个系统的运行状态进行优化调整，对工作状态进行实时监控、报告；也可以很好地对人为指
令进行理解、执行和回复;自动协调系统各部分正常工作,确保系统安全、可靠运行的功能。

现在的光伏系统中，根据用的场合以及系统对控制器的作用、功能等的具体要求，往往开发适合自己的控制器。

2.3.2 Boost电路的工作原理
Boost电路由开关管Q1，二极管D，电感L，电容C组成，完成将太阳能电池输出的直流电压场v升压到Vdc, 如下图2-4所示:
图2-4 Boost电路图
当开关管Q1导通时，二极管反偏，于是将输出级隔离，由输入端向电感器供应能量;当开关管Q1断开时，输出级吸收来自电感器和输入端的能量。

如下图2-5所示：
(a) (b)
图2-5 Boost电路的工作过程
根据电感电流在周期开始是否从零开始，是否连续，可分为连续的工作状态或不连续的工作状态两种模式。

由于电路在断续工作时电路，电感电流的不连续，就意味着太阳能输出的电能在每个周期内都有一部分被浪费掉了，而且纹波也会大些。

因此电路的参数的选择应让电路工作在连续导电的模式下。

2.4 光伏系统逆变器
2.4.1 逆变器的概念
逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。

应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。

通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。

它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。

2.4.2 逆变器的分类
逆变器主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。

正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。

方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。

同时，其负载能力差，仅为额定负载的40－60％，不能带感性负载。

如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。

针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。

总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。

准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。

方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。

逆变器根据发电源的不同，又可分为煤电逆变器，太阳能逆变器，风能逆变器，核能逆变器。

根据用途不同，分为独立控制逆变器，并网逆变器。

2.4.3 逆变器的作用
简单地说，逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。

因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而
逆变器的作用与此相反，因此而得名。

我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。

在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。

2.4.4 逆变器的效率
逆变器在工作时其本身也要消耗一部分电力，因此，它的输入功率要大于它的输出功率。

逆变器的效率即是逆变器输入功率与输出功率之比，即逆变器效率为输出功率比上输入功率。

如一台逆变器输入了100瓦的直流电，输出了90瓦的交流电，那么，它的效率就是90％。

2.4.5 逆变器的重要性
在光伏系统中逆变器是将太阳能电池的直流输出电能转变为交流。

对于需要向交流负载供电或者需要将电能馈送到交流电网的光伏发电系统来说，逆变器成为系统中不可缺少的重要部分，并且太阳能发电最终将走向并网运行，并网光伏发电系统的核心是并网逆变器，从而本文第三章主要讨论光伏并网逆变器。

并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，一部分给当地负载供电，剩余的电力将馈入商业电网。

并网型逆变器通过内部的功率调节器将太阳能电池发出的电力最大限度地回馈给电网。

2.5 光伏系统平衡部分(连接部分)
光伏系统平衡部件（BOS）指光伏系统中除光伏阵列以外的部分，主要包括控制器、逆变器、最大功率跟踪器、工程数据采集、显示和远程监控、蓄电池、配电系统、支架和电缆等，控制器和逆变器在前面已经涉及。

平衡部件性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。

加速百千瓦级控制器、逆变器的国产化进程，研制高效、低成本的最大功率跟踪器和聚光系统，并在大规模并网光伏示范项目中应用,是平衡部件制造业的任务之一。

第三章并网逆变器的工作原理
3.1 并网逆变器的分类
并网逆变器的分类方法有多种，按照直流侧输入电源性质的不同可分为电压型逆变器和电流型逆变器。

电压型逆变器直流侧为电压源，或并联有大电容，直流回路呈现低阻抗；电流型逆变器直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流回路呈现高阻抗，相对于电压型逆变器，其系统动态响应差。

按照逆变器与市电并联运行的输出控制方式可分为电压控制逆变器和电流控制逆变器。

输出采用电流控制时，其控制方法相对简单，只需控制逆变器的输出电流与电网电压同频同相，即可达到并网运行的目的。

因此，目前世界上的绝大多数光伏并网逆变器产品都采用电流源输出的控制方式。

按照主电路结构的不同，光伏并网逆变器还可以分为工频和高频两种。

典型的工频逆变器结构如图3-1所示，太阳电池发出的直流电经DC/AC逆变过后，通过工频变压器与电网相连。

工频变压器起到隔离电网、匹配电压的作用，而正是由于带有工频变压器导致整个逆变器体积大、质量重。

图3-1 工频逆变器结构图
高频逆变器又可分为隔离型和非隔离型两种。

1.隔离型并网逆变器中含有高频变压器，其结构如图3-2所示，它首先通过DC/AC变换器将太阳电池发出的直流电转换为高频交流电，接着利用高频变压器隔离升压，在副边经AC/DC整流，最后通过逆变电路与电网相连。

由于使用了高频变压器，使整个逆变器的体积小、重量轻、结构紧凑、工作噪声小。

图3-2 隔离型高频逆变器结构图
2.非隔离型并网逆变器典型结构如图图3-3所示，它首先通过DC．DC变换器将太阳电池的直流电升压或者降压转化为满足并网要求的直流电压，然后经逆变电路、输出滤波器和电网直接相连。

图3-3 非隔离型高频逆变器结构图
另外，按照主电路的拓扑级数，光伏并网逆变器还可以分为单级式并网逆变器、两级式并网逆变器、多级式并网逆变器等。

3.2 电路的基本工作原理
3.2.1 系统电路拓扑
图3-4 系统主电路的拓扑结构
系统采用无变压器的两级结构(如上图3-4所示)，前级DC／DC变换器和后级的DC／AC逆变器，两部分通过DClink相连。

前级DC／DC变换器，可选择的型式有半桥式、全桥式、推挽式和Boost式，考虑到输入电压较低，如采用半桥式则开关管电流变大，输出电压太低；而采用全桥式则控制复杂，开关管功耗增大，
因此这里采用结构简单，控制方便的Boost 升压电路，它根据电网电压的大小使在不同天气条件下的输入电压达到一个合适的水平，同时在低压情况下实行最大功率点的跟踪，增大光伏系统的经济性能。

后级的DC ／AC 逆变器，采用单相逆变全桥，作用是将DClink 直流电转换成220V ／50Hz 正弦交流电，实现逆变向电网输送功率。

DClink 的作用除了连接DC ／DC 变换器和DC ／AC 逆变器，还实现了功率的传递。

控制电路的核心芯片是TI 公司的TMS320F2407。

系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频同相。

3.2.2 单相全桥逆变器的工作原理
工作原理图：
图3-5 单相全桥逆变器的拓扑结构
上图3-5为以绝缘栅双极性晶体管(IGBT)为主开关器件的单相全桥逆变器主电路图，其中N L 为交流输出电感，Cd 为直流侧支撑电容，也即前级Boost 电路的输出电容，T1-T4是主开关管IGBT ，D1-D4是其反并联二极管，对四个开关管进行适当的PWM 控制，就可以调节输出电流)(t i N 为正弦波，并且与网压)(t u N 保持同相位，达到输出功率因数为l 的目的。

它是由两个桥臂并联组成的，因此这种桥式拓扑，仍属于升压式结构。

其启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于电网电压的峰值，否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全可控。

3.3 单相光伏逆变器的控制方法
3.3.1 电压瞬时值单环反馈
图3-6为单相全桥式逆变电路平均值反馈控制框图，这是一种曾经广泛应用的反馈控制策略，其特点是单电压反馈环，逆变输出电压经电压互感器PT降压后进入平均值电路，其输出与电压给定相比较，产生的误差信号经PI电压调节器，其输出信号用以调节正弦调制信号的幅值，再将该调制信号与三角波载波信号通过比较器进行比较，产生SPWM信号，经驱动电路加到逆变桥，通过输出电压平均值闭环维持输出电压的恒定。

图3-6 电压反馈控制框图
上述控制电路其结构相对较为简单，对输出电压的幅值可连续调节并保证一定的静差，但也存在以下缺点：系统动态响应速度缓慢，由于包含LC输出滤波器，单环电压反馈系统是一个二阶系统，只有在PI电压调节器加入大的补偿电容才能保证系统稳定工作，加上平均值电路中的滤波电容增大系统惯性，当直流侧电压或负载产生突变，系统的动态响应速度很慢，常需经历几个输出周期；负载适应性差，对于SPWM逆变电源，经常面对一些非线性负载，电流冲击度很高。

从而使输出电压波形产生畸变，总失真度升高，甚至超过允许值。

3.3.2 电流瞬时值单环反馈
电流反馈控制是一种新颖的控制方法，具有其独特的优点，原有电压型控制存在的局限性以及电流型控制自身的优点，使这种控制方式得到重视和应用，实现电流型控制策略的电路拓扑很多，下面仅介绍常用的电流滞环跟踪控制和恒开
关频率的电流控制。

1．电流滞环跟踪控制
具有电流滞环跟踪控制的单相桥式逆变电路的控制电路如图3-7所示，设电路初态为T1、T4导通，则L i 线性增加,f i 相应增长，当2R f i i =时，滞环比较器输出电压改变，使T1、T4关断，T2、T3导通，但为了维持L i 连续，电流通过二极管D2、D3续流，L i 相应下降，当电流1R f i i =时，使T1、T4再次导通，使电流增大，保持电流在曲线1R i 和2R i 之间变化。

环宽i ∆决定了开关频率c f ，环宽越小则c f 越高，电流脉动度越低，L i 越接近于正弦，电流失真度THD 越小，但随着开关频率的不断增加，电路开关损耗越高，将导致电路效率越低，设计时需折中考虑。

（1）系统具有快速的瞬态响应：由于电流反馈作用，当输入直流电压波动或负载突变引起输出电压变化时，都将引起电感电流的变化，使功率器件的开关状态产生变化，从而改变输出电压的波形。

（2）系统具有较高的稳定性：前述具有电压单环反馈控制系统是一个二阶系统，是一种有条件的稳定系统，需要对电路做精心的校正设计；而电流单环反馈控制系统则是一个一阶系统，是一种无条件稳定系统。

（3）电流型全桥电路容易产生失控：电流脉宽不等固然可以维持电感端压的伏秒值平衡。

但却会导致电容电荷的安秒值不平衡，在全桥电路结构中，这种不平衡会导致直流侧分压电容端压不等，电源中点漂移，恶性循环的结果将使电路失控。

（4）开关频率不固定：由于器件的开关点完全取决于电流到达上下限值的时间，因此滞环控制的开关频率并不固定，这与电压型控制下载波频率恒定的PWM 控制有很大不同。

由于开关频率是变化的，电路工作可靠性下降，输出电压的频谱特性变差，所有这些对系统性能都是不利的。