1、摘要I本科毕业论文（20 届）单相双级式光伏并网逆变器设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要II摘要化石能源在随着人类的不断使用而越来越少，而因为化石能源的利用，我们所赖以生存的环境也遭到了严重的破坏，所以人类对能源的需求提出了更多的要求。太阳能等新兴能源因此得到了迅速发展，而如何更好地利用太阳能等新能源的问题也受到了人们的关注。本文主要是设计应用于太阳能光伏发电系统的逆变器系统。本文是在分析了当前国内外光伏发电系统的发展现状的基础上，以单相光伏并网发电系统作为研究对象，对单相光伏并网发电系统进行研究，主要讨论了光伏并网系统、太阳能电池特性、太阳
2、能电池的最大功率点跟踪以及孤岛效应等问题。根据以上的分析与研究，我们给出了系统主电路与控制电路的设计，并给出了以数字处理芯片 TMS320LF2407 为主控制单元以及保护电路、逆变器电磁兼容的设计。关键词：光伏并网发电，逆变器，最大功率跟踪，孤岛效应AbstractIIAbstractFossil fuels as human use become less and less, and because the use of fossil energy, the environment has been severely damaged. The demands to energy are i
3、ncreasing day by day. This condition gives great opportunity to the development of new energy, such as solar energy. How to make better use of solar and other new energy has also been a concern. This article is designed inverter systems for solar photovoltaic power generation system. In this paper o
4、n analyzing of the current domestic and foreign development status of photovoltaic power system，technical issues are analyzed and studied based on Single-phase grid-connected PV systems. We mainly discussed the photovoltaic grid system, solar cell characteristics, MPPT and Island protection. By deep
5、 analysis and research, we give the system main circuit and control circuit design. This paper also includes the control circuits whose core cell is digital signal processor TMS320LF2407.The design of protection circuit and systems EMC are introduced in detail.KEYWORDS: gridconnected power generatio
6、n, Inverter, MPPT, islanding protection目录III目 录摘 要 . IAbstract. II目 录 . III第一章 引 言 . 11.1 光伏发电的意义 . 11.2 光伏发电技术的发展 . 21.2.1 国外太阳能光伏发电技术的发展 . 21.2.2 国内太阳能光伏发电技术的发展 . 21.3 光伏并网发电系统 . 31.3.1 光伏并网发电系统的优缺点 . 41.3.2 光伏并网逆变器的作用 . 41.3.3 光伏发电系统对并网逆变器的要求 . 41.4 课题研究的主要内容及设计指标 . 51.4.1 主要研究内容 . 51.4.2 设计指标 .
7、6第二章 太阳能电池的模拟电路及最大功率点跟踪 . 72.1 太阳能电池的特性 . 72.2 太阳能电池特性的实现电路 . 92.3 太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT ） . 112.4 本章小结 . 14第三章 光伏逆变系统的设计 . 153.1 单相双级式光伏并网发电系统原理 . 153.2 主电路的设计 . 163.2.1 DC/DC 电路设计 . 173.2.2 DC/AC 电路设计 . 213.3 控制电路的设计 . 23目录IV3.3.1 DC/DC 变换器控制 . 233.3.2 DC/AC 逆变器控制 . 253.3.3 采样调理比较电路设计 . 263.3.4 同步锁相环
8、的设计 . 283.3.5 驱动电路与电源电路设计 . 293.3.6 系统的电磁兼容设计 . 323.4 保护电路 . 343.5 本章小结 . 34第四章 光伏并网发电系统的孤岛效应 . 354.1 孤岛效应的概念及其危害 . 354.2 孤岛效应的检测方法 . 364.2.1 被动检测方法 . 364.2.2 主动检测方法 . 374.2.3 外部检测方法 . 394.3 反孤岛效应方法 . 394.4 本章小结 . 41第五章 结论 . 425.1 总结 . 425.2 展望 . 42参考文献 . 43致谢 . 45附录 . 46第一章 引言- 1 -第一章 引言新的时期人们对能源的要
9、求越来越高，而随着化石能源的逐渐减少，每个国家都将会面临能源枯竭的问题。人们在发掘新的矿物能源的同时，新型的可再生能源的利用也变得越来越重要，尤其是太阳能，作为一种新型可再生的清洁能源已经逐渐得到人们的重视。1.1 光伏发电的意义随着工业化的发展，人们对能源的要求越来越高，以煤炭、石油、天然气等化石原料为主的不可再生资源已经变得越来越少，随着其大量的消耗终将最终枯竭。而太阳能作为当前世界上最清洁、最现实、大规模开发最有前景的可再生资源也渐渐得到了人们的重视。太阳能的开发利用是最终解决常规能源，特别是化石能源带来的能量短缺、环境污染、温室效应等问题的有效途径，是人类理想的替代能源。太阳能的利用主
10、要是热利用、化学利用和光伏利用，光伏利用的主要形式是光伏发电，有独立供电和并网两种工作方式。过去光伏发电主要采用独立供电方式，而随着电力电子技术及 DSP 的发展，光伏发电产业已经转向并网方式。光伏发电是利用半导体材料的光生伏特效应原理直接将太阳能辐射能转化为电能的技术。因此，设计合理的逆变器是实现光能利用的有效途径。新型的可再生能源有很多种，例如光能，风能，生物质能等，但是光能能够得到大力的发展是因为其与其他能源相比有无可比拟的优越性：（1）太阳能是取之不尽、用之不竭的。据估算，一年之内投射到地球上的太阳能其能量是相当于燃烧1370000亿吨标准煤所产生的热量，大约为目前全球一年内利用各种能
11、源所产生能量的两万倍。（2）太阳能在其转换的过程中不会产生危及环境的污染，所以是非常清洁的能源。（3）因为全球各地都受到太阳照射，太阳能资源遍及全球，所以太阳能可以分散地、区域性地开采。我国约有23的地区可以较好利用太阳能资源。第一章 引言- 2 -（4）光伏发电是静态运行的，其没有运动部件，所以其寿命长，无需或极少需要维护。（5）光伏发电系统模块化，可以安装在靠近电力消耗的地方，并且在远离电网的地区，可以降低输电和配电成本，增加供电设施的可靠性。由于太阳能电池的主要原料是储量非常大的硅，所以其制作成本正在迅速降低，这就使太阳能电池的大量应用变为可能。1.2 光伏发电技术的发展越来越严重的能源
12、问题促使各个国家大力开发可再生资源。太阳能的光伏发电技术在这种形式下也进入了快速发展的阶段。并且，随着大规模的集成电路以及数字信号处理器技术的发展，先进控制方法的提出也使得光伏并网逆变器的控制慢慢转向数字化和智能化。1.2.1 国外太阳能光伏发电技术的发展国外光伏发电技术早在八十世纪初就已经开始，当时都是由政府投资建立的较大型的光伏并网电站，当时由于太阳能电池的成本较高，虽然在环境方面有重大的意义，但是在经济利益上不能被电力公司所接受。直到九十年代国外发达国家重新开始重视光伏发电，不过其研究重点也有所转移。在技术发面，专用逆变器和相关系统也已经成熟，在欧洲光伏专用逆变器就有西门子、SMA等，占
13、据了大量的市场份额 2。总之，从能源利用的国际发展发面来看，光伏发电必将最终取代常规能源而进入电力行业。1.2.2 国内太阳能光伏发电技术的发展国内在光伏并网发电技术方面的研究起步较晚，我国正处于经济迅速发展时机，对能源的需求也日益增多，所以对太阳能能源的研究开发也已经刻不容缓。近几年我国虽然光伏发电技术有了长足进步，但是其核心技术和设备还是主要依靠进口，一次造成光伏发电的成本高，制约了我国光伏发电技术的发展。目前我国的光伏发电系统主要是直流发电系统，即将太阳电池发出的电能供给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载来供电，如我国的西北地区所使用较多的太第一章 引言- 3 -阳能照明系统以及远离电网的微
14、波站供电系统均为直流系统。此类系统的结构比较简单，成本低廉，但是由于其负载直流电压的不同，很难实现系统的标准化，特别是民用电力系统，由于大多民用系统的负载为交流负载，所以以直流电力供电的光伏电源很难进入真正的电力市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，交流光伏发电系统也必将成为光伏发电的主流。可再生能源也将由边远无电地区的独立供电模式向有电地区的常规并网发电方向快速发展，这将会大大提高可再生能源的利用率，为改善社会的环境和经济持续发展提供了有力保障。1.3 光伏并网发电系统目前的光伏并网发电系统主要是由光伏阵列、控制器、并网逆变器以及集成的继电保护电路所组成，光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部
15、件，由其将所接收到的太阳光能直接的转化成电能，目前应用最多的太阳能电池阵列是由一定量的晶体硅太阳能组件按照并网逆变器输入电压的规定要求进行串并联后固定在太阳光下组成。其中逆变器的主要任务就是将光伏电池发出的电能转化为可以供给电网使用的交流电，而控制器的作用是控制光伏电池的最大功率点的跟踪，控制逆变器并网电流的波形和功率。继电保护电路是用来保证光伏发电系统和电网的安全性的。其中，光伏并网发电系统框图如下图1-1所示。并网逆变器电网太阳能电池板用电图1-1 光伏并网发电系统框图第一章 引言- 4 -1.3.1 光伏并网发电系统的优缺点与独立运行的光伏发电站相比，并网的光伏发电系统有许多优点：（1）
16、光伏电池可以始终工作在最大功率点处，有大电网来接纳太阳能电池所发出的全部电能，提高了光伏发电的效率。（2）因为是并入大电网当中，所以供电的稳定性和供电的质量得到很好地保证。（3）因为是直接将电能输入，省略了中间储能环节的蓄电池，所以可以充分利用光伏阵列所发的电力。（4）光伏发电系统可以对公用的电网起到一定的调节作用。但是目前的光伏发电系统还存在着一些缺点需要改进：（1）光伏发电当中的光伏阵列发电效率比较低。（2）光伏发电系统的造价成本比较高。（3）光伏发电系统在运行的时候容易受到气候、环境等因素的影响，自我调节能力还不够强大。（4）因为传统的发电系统是集中发电的，电网也是按照集中发电所设计的，
17、但是光伏发电系统作为一种分散式的发电系统会对电网产生一定的不良影响，例如谐波污染等。1.3.2 光伏并网逆变器的作用在光伏并网发电系统中，光伏并网逆变器的主要作用是实现将光伏电池发出的电能转化为可以供给电网使用的交流电，实现高质量的电能转换。光伏并网逆变器的另一个作用就是实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、直流过压保护、交流过电压保护以及输入接反保护和欠电压保护等，并且对“孤岛效应”也有一定预防，此外，逆变器还有一个作用就是实现最大功率点跟踪，从而能够使太阳能电池最大效率的把太阳能转化为电能。1.3.3 光伏发电系统对并网逆变器的要求第一章 引言- 5 -首先，对于光伏并网逆
18、变器要求其有比较高的效率。因为太阳能电池还处于发展阶段，生产成本比较高，必须最大限度的提高太阳能的利用率，同时也就需要逆变器具有较高的效率。其次，要求逆变器具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要是应用于边远地区，许多发电站都是长期无人值守和维护的，这就要求逆变器应具有合理的电路结构、严格的元器件筛选以及各种保护功能。最后，光伏发电系统运行时可能会对公共电网产生污染，所以要求逆变电源输出正弦波电流。并且由于大多数的光伏发电是用于家庭，所以也要求逆变器具有较好的电磁抗干扰性。1.4 课题研究的主要内容及设计指标本设计主要是在学习光伏并网发电系统逆变器的工作原理的基础上，设计出一个符合要求的光伏并网
19、逆变器系统。其中，第一章引言主要讲述光伏并网发电系统的一些基本原理。第二章太阳能电池的模拟电路及最大功率点跟踪主要是太阳能电池的模拟电路的实现以及太阳能电池的最大功率点跟踪的研究。第三章主要是对并网逆变系统的总体设计，对主电路、控制电路及其它各部分电路进行了详细设计。第四章研究的是光伏并网系统所特有一种现象，孤岛效应及其防范措施。最后一章主要是对全文做出总结与分析，并指出本设计需要进一步研究的方向。1.4.1 主要研究内容太阳能电池是一种非线性的电源，而且其输出电能会受到太阳光照强度和环境温度的影响，为了使太阳能电池能够最大功率地将太阳能转化为电能，对其需要对其进行MPPT即最大功率点跟踪。然而由于太阳光照强度、环境温度等条件的不可控，在太阳能电池系统中研究MPPT 控制会有众多不便，而且直接使用太阳能电池进行试验存在时间长、费用高等缺点。但是如何用一种简单的方法模拟太阳能电池的输出特性，使其可以在实验室环境下也能够方便、快捷地进行实验研究，同时控制太阳能电池的工作点以实现最大功率点输出是本设计将要解决的一个问题。同时，为了实现逆变器输出电流与电网电压达到完全同
