1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 太阳能并网逆变器主回路 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 由于社会的不断发展，人们对能源的需求量也在日益增加，全球的能源危机也越来越突出。世界各个国家都想开发出一种可持续发展而且没有污 染的新能源。只有可再生能源才能满足世界对能源的需求，特别是对于中国这个人口大国尤为重要。现在看来，我国拥有丰富的太阳能资源，而且太阳能经济、环保，很受欢迎，光伏并网发电技术的前景很好。 光伏并网发电系统的核心部分是三相光伏并网逆变器，它的作用是将太阳能电池产生的直流电经过逆变器变换成成三相的交流电，然后并入电网
2、。本文主要设计光伏发电逆变电源的 DC-DC变换器以及 DC-AC的逆变器回路。详细介绍高频变压器的设计及主电路元器件的选取、滤波器参数的估算。 关键词： 太阳能，光伏，并网发电，逆变器 II Solar inverter Abstract With the development of social production,the demand of energy is increasing, and the energy crisis is becoming more and more prominent in the global scope.Many countries around t
3、he world positively are looking for a kind of developing and no pollution new energies.Renewable energy is an important resource to meet the energy demand of the world,especially for China which has so many people.Currently,solar energy resources are extremely rich in our country,developing and usin
4、g renewable and clean energy sources such as solar energy which is economical and nonpolluting are taken into account seriously,and its application has very good prospect. The three-level inverter is the core part of the system,its main function is that adverse-transforming DC into AC and send into
5、the electric net. In this paper, the design of photovoltaic power inverter DC-DC converters and DC-AC inverter circuit. Detailed design of high-frequency transformer and main circuit components of the selected filter parameter estimates. Keywords: Solar Energy， Photo voltaic， Grid connected， Inverte
6、r III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1课题的来源 . 1 1.2课题的意义 . 2 1.3光伏发电技术国内外发展现状 . 2 1.3.1 逆变器的研究现状 . 2 1.3.2 光伏发电技术国外的研究现状 . 3 1.3.3 光伏发电技术国内的研究现状 . 4 1.4课题研究的主要内容 . 5 2光伏逆变器的设计与总体设计 . 7 2.1光伏逆变器主电路结构设计 . 7 2.2光伏逆变器的总体设计 . 8 2.2.1光伏逆变器的性能指标 . 9 3光伏逆变器 DC-DC 部分主电路 . 10 3.1光伏逆变器 DC-DC部分主电路拓扑 . 10 3
7、.1.1 推挽正激电路的工作原理 . 10 3.1.2 电 路桥臂串联电容 C 的分析 . 11 3.2高频变压器的设计 . 12 3.2.1 变压器的性能指标 . 12 3.2.2 变压器的磁芯选择 . 13 3.2.3 变压器主要参数的计算 . 13 3.3DC-DC主电路设计实现 . 16 3.3.1 功率开关管选取 . 16 3.3.2 整流二极管选取 . 17 3.3.3 滤波电感 Lf 和电容 Cf 值的计算 . 17 3.3.4 桥臂串接电容 C 的计算 . 18 4光伏逆变器 DC-AC 部分主回路 . 19 4.1DC-AC 部分主电路设计 . 19 4.1.1 交流侧滤波电
8、感的设计 . 19 4.1.2 开关管的选择 . 20 4.2DC-AC主电路的系统原理图 . 21 结论 . 23 参考文献 . 24 IV 致谢 . 26 太阳能并网逆变器主回路设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 从 19世纪 70年的工业革命以来，化石燃料消耗量增加，到了 20 世纪，天然气、石油的生产和 消耗日益 增长， 20 世纪 60 年代石油第一次超过煤炭，成为居领先地位的主要能源。尽管 20 世纪 70 年代发生了两次石油危机，但世界对石油的生产和消费量根本没有下降的趋势。从那以后，由于天然气消耗量的上升，使石油和煤炭消耗量的比重缓慢下降。与此同时，对新能源例如风能，核能，
9、地热能，水能等的开发和利用使现在的能 源格局变成化石燃料和可再生能源共存的格局。 2007 年，世界一次能源消耗量的调查显示天然气的消耗量占25.6，煤炭的消耗量占 28.6，石油的消耗量占 35.6。可再生能源的消耗虽然增长迅速，但是消耗量仍只占 12.0。 能源是国民经济发展，人民生活水平提高的重要基础。随着社会的日益发展，人口数量的不断增加，能源的需求量自然越来越大，使得化石能源的储量日益减少，造成了能源短缺。但是能源问题不是单单体现在常规能源的短缺，更严重的是化石能源的开发利用造成了环境恶化。主要体现在以下几方面： 1. 能源短缺。常规能源的有 限性和分布不均匀，造成世界上大部分国家
10、能源供应不足，不能满足经济发展的需求。 2. 环境污染。燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质 排放进入大气，使大气环境受到严重污染，直接影响人类的身体健康和生活品质。 3. 温室效应。化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温 室气体，产生温室效应，引起全球气候变暖。 由于上述问题人们不得不改变能源结构，寻找经济、环保的能源来代替。人类想要解决能源问题，可持续发展，只有靠科学技术的不断进步，大规模地开发和利用可再生环保能源。光伏发电具有以下优点： 1) 无枯竭危险 ； 2) 安全可靠，无噪声，无污染排放； 3) 不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势； 4) 无需消
11、耗燃料和架设输电线即可就地发电供电； 5) 能源质量高； 6) 建设周期短，获取能源花费的时间短。 太阳能并网逆变器主回路设计 2 1.2 课题的意义 我国拥有丰富的太阳能资源，每年接收的太阳辐射总量相当于燃烧 2.4104亿吨煤的能量。整个国家有 2/3 以上地区有 2000 多小时的年日照时间，日照在 5 106KJ/（ m2a）以上。我国的高原地区 是太阳能资源丰富的地区 ，日照时间和总辐射量都在全国最高例如：新疆、西藏、宁夏、甘肃、青海、内蒙古 。 目前，外国早就已经有并 网发电所需的专用逆变器和相应的配套设备，并网发电的技术越来越成熟。日本政府还制定了长期利用太阳能发电的计划，而且有
12、了很多成功的案例。此外，瑞士、意大利、奥地利等西方国家也都开始实施民用太阳能发电的计划。已经在世界范围内兴起了开发和利用光伏发电。 我国的光伏产业与世界相比差距还很大，生产规模小，技术水平低，因此，我国将光伏产业发展纳入国家规划。提出了我国光伏发电的目标： 2010 年装机容量为 600MW；到 2015年装机容量达到 1100MW；到 2020年装机容量达到 1600MW。其中离网型 850MW，沙漠并网型 410MW，城市建筑一体化型 320MW。 随着我国光伏发电技术的逐渐成熟，研发并网正弦波 PWM 高效光伏逆变器对减少光伏系统各级设备功耗和投资，有效利用太阳能，降低系统造价和提高系统
13、整体效率具有重要的意义。 1.3 光伏发电技术国内外发展现状 1.3.1 逆变器的研究现状 有人在 1931 年就对逆变器技术的原理进行了研究，第一台 3KHZ 感应加热逆变器是在 1948年由西屋电气公司研制成功的，到现在已经有 60多年的历史，正弦波逆变器的发展是由于晶闸管 SCR 的诞生， 20 世纪 70 年代，电力晶体管（ BJT）、可关断晶闸管（ GTO）的诞生使得逆变技术得到进一步的发展应用。 20世纪 80年代，绝缘栅极晶体管（ IGBT）、功率场效应管（ MOSFET）、静电感应功率器件以及 MOS控制晶闸管（ MCT）的诞生使逆变器向大容量方向发展，因此电力电子器件的发展为
14、逆变技术高频化，大容量化创造了条件，到了 80年代后，逆变技术从低开关频率、应用低速器件逐渐向提高开关频率，应用高速器件方向发展。使得逆变器的逆变效率越来越高，体积也越来越小，正弦波逆变器的品质也越来越好。 另外，微电子技术的发展也为逆变技术的发展化创造了条件，传统的逆变技术需要通过模拟集 成电路或者许多的分立元件来完成，但是 随着逆变技术日益复杂， 要处理的信息量日益增大，微处理器的发展正好满足了逆变技术的发展要求，从 8位的具有 PWM口的微处理器到 16位微控制器，到今天的 32位 DSP器件，使微电子技术在逆变技术领域得到了很好的应用。 一般情况下，逆变技术的发展分为以下三个阶段： 1
15、956-1980年是传统的发展阶段，这个阶段的特征是： 降低逆变器频率， 开关器件主要是低速器件，输出电压的波形主要是多重叠加法，逆变效率低，比太阳能并网逆变器主回路设计 3 较重，正弦波逆变技术刚刚出现。 1981-2000年为高频化新技术阶段，在这个 阶段，微电子技术和电力电子技术相互结合，开关设备以高速设备为主，逆变器的开关频率高，波形改善以 PWM为主，体积重量小，逆变效率得到了提高，正弦波逆变技术日趋完善。 2000 年至今是低污染高效阶段，在这个阶段中，逆变器主要是提高总体性能，高速和低速开关并用， PWM法和多重叠加法并用，不只是追求高开关频率和高速开关，出现了高效环保的逆变技术
16、。 1.3.2 光伏发电技术国外研究现状 光伏并网发电从 80年代初开始，日本、美国、意大利、德国等国家都研究过这个技术，按照当时的情况，建造的都是比较大型的光伏并网电站，规 模从100KW 到 1MW 不等，而且都是政府投资的实验性电站，试验结果在发展相应的技术方面是成功的，但在经济方面却不是很令人满意，主要是因为太阳能电池成本过高。 太阳能是一种可再生资源，把采集的太阳能转换，成为一个可控的电力系统，即太阳能光伏发电系统。在上世纪七十年代爆发的全球能源危机，使该技术迅速推广到民用方面。经过三十多年的发展和不断改进，已形成成熟的，完整的技术， 随着全球可持续发展战略的实施，世界各个国家都在大
17、力支持发展太阳能光电产业。 90 年代开始，西方国家为了使能源和环境能够可持续发展，都制定了一些政 策，鼓励光伏并网发电。 发达国家在光伏系统的开发和研究上已经达到高潮 。但重点并不是放在建造大型并网光伏发电站，主要是 “屋顶光伏并网系统”的 发展。由于屋顶光伏并网系统没有单独的占地，屋顶上安装太阳能电池，能 很好地适应太阳能能量密度低的特点， 其经济性和灵活性都要比大型并网光伏发电站好，使能源问题得以改善，因此受到各个国家的重视。 世界光伏产业 在 生态环境 问题和 能源 储量问题的 压力下， 从 90 年代后半期 开始 进入了快速发展时期， 各国 太阳 能 电池 的生产量大幅 增长， 在
18、过去 的 10年 中， 年平均增长率达到40%，已经超过了 IT 产业， 成为世界上发展最快的产业之一。 2008年世界太阳能 电池的产量更是高达 7.9GW，比 2007年增长将近 100%。 据报道，日本 1992 年开始实施新阳光计划，到 2003 年日本光伏组件的产量占到世界的 50%，世界前 10大厂商中有 4 家是日本厂商。日本也在努力发展光伏发电与建筑相结合方面， 1994 年 1 月通产省宣布“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”。 德国在 1993年首先开始实施由政府补贴支持的“
19、1000个光伏屋顶计划”，继而扩展为 “ 2000个光伏屋顶计划”，同时制定了“可再生能源电力供应法”，规定光伏发电的上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。 继德国之后，欧洲其他国家也都前后开始实施 “ 上网电价 ” 法，使得整个欧洲的光伏 产业 迅速上升， 2007和 2008年，欧洲的光伏市场 已经 占到世界光伏市场的 80%。 而 西班牙取代德国成为 2008年世界最大的光伏市场，全年安装 2500MW，占世界市场的 46%。 美国也是最早进行光伏并网发电的国家之一， 80年代初开始，第一批建立了 4座集中型光伏并网电站，容量最 大的是
20、6MWp； 1996年，美国能源部又开始了一项新计划“光伏建筑计划”，专门用于开发采光技术、新型光伏建筑集成材太阳能并网逆变器主回路设计 4 料及光伏组件用并网发电模块等。 1997年 6月又提出了“百万太阳能屋顶计划”，这是美国面向 21世纪的一项由政府倡导、发展的中长期计划。 由于太阳能光伏发电技术的重要性，世界各国特别是发达国家在研究开发、产业制造技术和开拓市场方面产生激烈的竞争。 80年代以来，虽然世界总体经济情况处在衰退和低谷时期，而光伏产业的增速一直保持在 10%到 15%。目前地面主要以单晶硅、多晶硅和非晶硅三大类太阳能电池为主，转 换效率一般可达12%左右。从世界范围内来讲，光
21、伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，现在正在向规模应用和大批量生产发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域。 1.3.3 光伏发电技术国内研究现状 从 1958年起中国开始研究太阳能电池， 1971年首次在东方红二号卫星上应用太阳能电池， 1973 年开始应用于地面。中国的光伏技术在 20世纪 80年代以前处于初始发展阶段，太阳能电池产量一直很低，而且价格也很贵。所以受到价格和产量的限制，市场也发展得很缓慢，除了在卫星上，在地面上的都只在小功率的系统中应用。在 1981 1990期间，中国的太阳能电池产业得到进一步发展，在国家推广计划和大型工程项目的推动下，中国光伏产业取得了迅速发展，到 200
22、3 年，中国太阳能光伏系统累计安装量约达到 55MW，主要用于供应边远地区交通和居民生活等领域。 从 1996年到 2000 年，中国的光伏发电技术在应用方面和产业化方面都取得了很大的进步，尤其是在电力资源缺乏的边远地区。 2002年，中国开始实施“西部省区无电乡通电计划”，这一计划大大促进了我国光伏产业的发展。到2004年，中国已经在独立运行逆变器、并网逆变器等方面取得重大进步。同时在产品的模块化、标 准化、智能化、系列化以及工业化生产方面取得一定进展。 另外， 国内也有不少大学和科研机构在光伏发电技术领域从事研究。 合肥工业大学能源研究所在户用光伏并网发电系统和独立光伏照明系统等方面进行了
23、许多相关研究，并且积累了很多经验。中国科学院电工研究所也在光伏并网发电系统的开发和工程应用上取得了很大的进展。 我国的并网光伏发电起步比较晚，我国把“屋顶并网光伏发电系统”列入“国家科技攻关计划”后，在深圳和北京建立了 100KWp、 17KWp、 7KWp 和 5KWp的光伏屋顶并网发电系统。后来的“十一五”科技攻关计划关于大型光 伏并网发电系统的开发和研究开展以后，取得了很快的发展。到 2007年底，全国共有十多个大中型光伏并网发电站。 2002年，国家开始实施“西部省区无电乡通电计划”，即“送电到乡”工程，通过光伏发电的方式，解决了西部七个省区（新疆、西藏、甘肃、青海、山西、四川和内蒙古
24、）近 800 个无电乡的用电问题。这大大促进了光伏工业的发展。国内建起了几条太阳能电池封装线，使我国太阳能电池组件的生产能力达到 100MWp，到 2003 年，我国太阳能电池的累积装机已经达到 55MWp。 中国的光伏技术经过四十几年的努力发展，已具有一定的水平 和基础，但是与世界先进国家相比仍然有很大的差距。这些差距表现在： 1、技术水平不够；2、光伏用的逆变器、控制器等设备技术性能不高，品种规格少，功能不多，可靠性低； 3、硅材料稀缺； 4、成本很高； 5、生产规模小，自动化水平低； 6、专用原材料国产化程度不高。 90年代以前，我国边远地区的光伏发电市场主要有国家扶贫项目和双边或者多边
25、援助项目支撑，随着边远地区经济的快速发展和农牧民生活水平的提高，边远地区的光伏发电系统也开始向市场化发展。我太阳能并网逆变器主回路设计 5 国光伏发电技术已经具有了一定的市场潜力和市场吸引力，但是主要的技术还是来源于国外， 其中太阳能并网发电技术更是刚刚起步。面对如此巨大的国内需求，发展具有自己的知识产权的相关技术，是光伏发电系统国产化已经是刻不容缓的事情。 总之，光伏并网发电是当今世界光伏发电的趋势，是光伏发电技术产业进入大规模发展阶段，成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。随着我国对光伏并网发电技术越来越重视，光伏发电成本也越来越低，我国的光伏发电具有十分广阔的市场前景，相信我国的光伏事业一定会蒸蒸日上。 1.4 课题研究的主要内容 课题先对太阳能利用的意义进行阐述，同时对 太阳能在我国的利用状况与世界发达国家进行对比，研究 的是并网发电系统的核心部分太阳能并网逆变 器，其主要功能是将太阳能电池产生的直流电逆变 成三相交流电，并送入电网。研究的可并网正弦波 PWM 光伏逆变器为三相交流逆变器。它包含了 PWM 技术、高频链开关技术、 DSP 数字控制技术和电力电子技术。对逆变器的 DC-DC 部分采用推挽正激电路对直流电进行升压，并对开关 管、电感、电容和变压器的一些参数进行设计。逆变的 DC-AC部分在各自工作原理基础上进行详细参数设计 。
