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1、第十章第十章 光伏逆变设计实例器光伏逆变设计实例器 光伏逆变器的设计，首先需要明确应用于离网（独立）还是并网发电系统中，在离网（独立）发电系统中应用的是离网逆变器，在并网发电系统中应用的是并网逆变器。光伏并网逆变器是将光伏电池板输出的能量转换成交流电后直接送到电网上，需要实时跟踪电网的频率和相位，此时的光伏发电系统相当于一个电流源；而光伏离网逆变器是将光伏电池板输出的能量转换成交流后，直接供给用电设备使用，自己建立起一个独立的小电网，主要是控制自己的电压和频率，相当于一个电压源。这两种逆变器输出的波形应该是干净的正弦波。本章将重点介绍这两种光伏逆变器的设计实例。10.1.1 逆变器的电路构成逆
2、变器的电路构成图图10-1 逆变器的基本电路框图逆变器的基本电路框图各部分电路工作原理和作用如下所述。1半导体功率开关器件半导体功率开关器件 逆变器的功率开关器件是逆变器实现逆变功能的核心器件，根据所设计的逆变器功率和输入直流电压的大小来选用合适的功率开关器件。常用的半导体功率开关器件主要有：晶闸管可控硅又称为（Silicon Controlled Rectifier，SCR）、大功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（场控晶闸管，SITH）和集成门极换流
3、晶闸管（IGCT）等。2逆变控制及驱动电路逆变控制及驱动电路 传统的逆变器电路由许多分立元件或模拟集成电路构成，这种电路组成元器件数量多、波形质量差、控制电路繁琐复杂。随着微处理器的发展，控制及驱动电路也从模拟集成电路发展到单片机控制和数字信号处理器（DSP）控制。1）逆变驱动电路：驱动电路主要是对功率开关器件进行驱动，以便得到好的PWM脉冲波形。随着电子技术的发展，许多专用多功能集成电路陆续推出，给电路的设计带来了极大方便，同时也使逆变器的性能得到了极大提高。如各种开关驱动电路SG3525、TL494、IR2130、TLP250等，在逆变器电路中得到广泛应用。2）逆变控制电路：控制电路主要是
4、对驱动电路提供符合要求的逻辑与波形，如PWM、SPWM控制信号等。控制的核心从8位微处理器到16位单片机，直至32位DSP等，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等在逆变领域得到了应用。在逆变器中常用的微处理器有MP16、PIC16C73、68HC16、MB90260、AVR系列等，常用的专用数字信号处理器（DSP）有TMS320F206、TMS320F240、M586XX、TMS320F28XX等。10.1.2 逆变器设计的技术要求逆变器设计的技术要求逆变器作为光伏发电系统的关键部件，有以下六点基本技术要求。1高效率2高可靠性3对直流输入电压的适应范围宽4能
5、够跟踪光伏阵列的最大功率点5防孤岛效应的能力6输出纯正弦波10.2.1 纯正弦逆变器的设计纯正弦逆变器的设计图图10-2 纯正弦光伏逆变系统结构图纯正弦光伏逆变系统结构图10.2.2 高频直流升压电路设计高频直流升压电路设计1高频变压器设计高频直流升压电路设计中变压器磁心参数如下：根据系统样机要求，变压器输入电压幅值=12V，输出电压幅值=200V，最大工作比=0.45，二次绕组峰值电流=1.45A，二次绕组电流有效值 一次绕组峰值电流 =24.16A一次电流有效值 =16.2A因此变压器的输出功率为 =189.8W =536.7W（变压器效率 取为1）取工作磁感应强度=160mT，电流密度j
6、取10，铜在窗口中的占空比系数Km（初选时取0.20.3），实际计算时取Km=0.25，则计算面积乘积 通过上述公式可知，选取EI33磁心即可满足设计要求。变压器绕组匝数计算如下：先确定最低电压绕组的匝数 （10-1）由式（10-1），取=8，一次绕组匝数 （10-2）由式（10-2），取偶数 =134，其中开关管最大导通时间 =150ns，控制器输出频率f=20kHz。在绕制变压器过程中，取较简单的夹层式绕法，一次绕组分两层，每层绕4匝，为了避免趋肤效应，一次绕组采用四线并绕，在一次绕组中间绕制二次绕组，一、二次层间垫12层绝缘纸。实际制作测量这样绕制的变压器一、二次侧漏感值较小，仅有几微亨
7、。2推挽升压电路设计 系统设计的是小功率的逆变电源，综合考虑系统成本以及对器件特性的要求，特别是MOSFET和变压器的参数选择等因素，升压部分采用两路对称的推挽升压电路输出结果相叠加的升压方式，具体电路如图10-3所示。图图10-3 对称的推挽升压电路对称的推挽升压电路3PWM生成及稳压控制电路图图10-4 PWM10-4 PWM生成及稳压控制电路生成及稳压控制电路4过电流与过载保护电路设计图图10-5 10-5 过电流与过载保护电路过电流与过载保护电路5系统保护报警功能的实现图图10-6 10-6 系统保护报警控制流程图系统保护报警控制流程图图图10-7 10-7 中断服务程序流程图中断服务
8、程序流程图10.2.3 DC/AC DC/AC逆变电路设计逆变电路设计1逆变主电路设计图图10-8 10-8 系统的逆变桥电路系统的逆变桥电路2保护电路设计 逆变器设计的一个关键内容就是保护电路的设计，缓冲电路是保护电路的一种，与软开关技术相比，具有电路简单、成本低和可靠性高等优点。如图10-8所示，逆变电路缓冲电路采用变形的有损缓冲电路。由于器件的开关损耗随着开关频率的增高成正比例上升，所以在高频桥臂侧引入了由R1、R2、C2、C3、VD1、VD2构成的变形的有损缓冲电路，逆变电路开关管切换时产生的过冲电压分量由缓冲电阻R1、R2吸收。一旦缓冲电路的损耗减小，会导致缓冲C2、C3电容的容量增
9、大，因此缓冲电阻的损耗即使在较高的开关频率下也很小。由于缓冲电路只吸收切换过程中的过冲分量，对du/dt没有影响，所以为了限制功率开关管两端电压上升率du/dt在两个桥臂端引入C1、C2。另外，缓冲电路中VD1、VD2用于抑制寄生振荡。3控制及驱动电路设计图图10-9 SPWM10-9 SPWM生成及生成及MOSFETMOSFET驱动电路驱动电路4逆变电路控制方案（1）基于DSP的控制方式图图1010-10 DSP10 DSP主程序流程主程序流程图图 图图10-11 10-11 定时器定时器0 0中断子程序流程图中断子程序流程图（2）软件生成SPWM控制 系统通过TMS320F28027中的E
10、PWM（Enhanced PulseWidthModulator，即增强型PWM控制器）模块，采用软件方式生成SPWM控制信号。根据控制信号的要求，利用EPWM模块中TB、CC、AQ、ET四个子模块产生逆变变换所需的SPWM控制波形。配置EPWM1和EPWM2的TB、CC、AQ、ET四个子模块，由EPWM1A/B输出低频臂所用的50Hz控制信号，而由EPWM2A/B输出高频臂所用的18kHzSPWM控制信号。（3）数字PI控制算法图图10-12 10-12 增量式数字增量式数字PIPI控制实现框图控制实现框图10.2.4 10.2.4 系统仿真和结果分析系统仿真和结果分析1DC/DC升压电路仿
11、真分析（1）DC/DC直流升压电路输出特性仿真图图10-13 DC/DC10-13 DC/DC直流升压电路输出波形仿真直流升压电路输出波形仿真（2）DC/DC升压电路工作效率仿真图图10-14 DC/DC10-14 DC/DC升压电路工作效率曲线升压电路工作效率曲线2DC/AC逆变电路仿真分析（1）DC/AC逆变电路输出特性仿真图图10-15 10-15 逆变电路输出滤波前的波形逆变电路输出滤波前的波形a)a)时域波形时域波形 b)b)频域波形频域波形图图10-16 10-16 逆变电路输出电压波形逆变电路输出电压波形a)a)时域波形时域波形 b)b)频域波形频域波形图图10-17 10-17
12、 逆变电路输出电流波形逆变电路输出电流波形a)a)时域波形时域波形 b)b)频域波形频域波形（2）加入闭环PI反馈控制仿真图图10-18 10-18 引入谐波干扰后的输出波形引入谐波干扰后的输出波形a)a)时域波形时域波形 b)b)频域波形频域波形图图10-19 10-19 加入加入PIPI反馈后的输出波形反馈后的输出波形a)a)时域波形时域波形 b)b)频域波形频域波形10.3.1 并网逆变器的结构和工作原理并网逆变器的结构和工作原理1并网逆变器的结构图图10-20 DSP10-20 DSP控制的单相双级式光伏并网系统控制的单相双级式光伏并网系统2工作原理（1）前级Boost电路的工作原理图
13、图10-21 Boost10-21 Boost升压电路图升压电路图图图10-22 Boost10-22 Boost电路的工作过程电路的工作过程a)VFa)VF1 1导通时工作电路导通时工作电路 b)VF b)VF1 1断开工作电路断开工作电路（2）后级单相全桥逆变器的工作原理 图图10-23 Boost10-23 Boost电电路路连续连续 导电时导电时的的稳态稳态波形波形图图10-24 10-24 单单相全相全桥桥逆逆变变器的拓扑器的拓扑3主电路参数的选取（1）滤波电感的选取1）电流的纹波系数（10-9）式中，为电感两端的电压，考虑到当输出电压处于峰值附近（即uo(t)=UNm)时，输出电流
14、纹波最大，若此时开关管的开关的周期为T，占空比为D(t)，则有（10-10）式中，为直流母线电压；L为滤波电感。根据单级性SPWM原理，因为开环频率远大于工频频率，所以得到（10-11）则每个开关周期的占空比为（10-12）将式（10-12）代入式（10-10）中得当时，纹波电流最大为T(10-13)取（10-14）（2）开关管的选取 目前使用较多的功率器件有达林顿功率晶体管（BJT）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅极晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）等。在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态电压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一
15、般均采用IGBT模块，因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大；IGBT在中容量系统中占有较大的优势；而在特大容量（100kVA以上）系统中，一般均采用GTO作为功率元件。随着针对于光伏系统的功率模块的发展，主电路元器件功率模块的也有较大的选择余地。针对本电路的特点，电路选用IGBT作为开关元件。10.3.2 DCDC级电路的级电路的MPPT实现实现1MPPT电路实现原理图图10-25 10-25 系统控制原理图系统控制原理图 2基于改进Fibonacci线性搜索算法仿真 10.3.3 孤岛检测方法孤岛检测方法1工作原理图图10-29 APS10-29 APS检测法的流程检测法的流程
16、 2仿真分析图图10-30 10-30 Q Qf f=2.5=2.5时，时，APSAPS法的仿真结果法的仿真结果a)APS a)APS 法电压、电流波形及频率法电压、电流波形及频率 b)APS b)APS法的电流法的电流THDTHD10.3.4 DC/AC的控制方案的控制方案1恒开关频率的电流控制方法图图10-31 10-31 逆变器并网工作时的等效电路和电压电流矢量图逆变器并网工作时的等效电路和电压电流矢量图a)a)等效电路图等效电路图 b)b)矢量图矢量图 图图10-32 10-32 恒开关频率控制电路恒开关频率控制电路 图图10-33 10-33 改进型改进型SPWMSPWM输出电流跟踪
17、输出电流跟踪2同步锁相环的实现 3仿真分析图图10-34 10-34 输出的电压、电流波形输出的电压、电流波形10.4 微型逆变器的组成及其工作原理微型逆变器的组成及其工作原理图图10-35 MI10-35 MI系统结构图系统结构图10.4.1 微型逆变器硬件电路设计微型逆变器硬件电路设计1主电路设计图图10-36 10-36 微型逆变器的主电路结构图微型逆变器的主电路结构图 2双变压器串联推挽式DC/DC变换器的设计本设计的MI属于两级式隔离系统，前级升压采用双变压器串联推挽式升压结构，为后级全桥逆变电路提供所需的高压直流电。如图10-36所示，4个开关管（VF1、VF2、VF3、VF4）两
18、个一组和变压器T1、T2组成两组典型的推挽升压电路。两个变压器的二次绕组串接在一起，使升压结果相叠加，输出高压交流电。高压交流电再经过全波整流及LC滤波电路生成高压直流电。一次两个独立的推挽电路分别接入电源，且采用相同时序的高频PWM开关控制信号，VF1和VF2交替导通工作。3逆变控制器的设计图图10-37 DSP10-37 DSP控制控制及及MOSFETMOSFET驱动电路驱动电路 4电流电压检测电路（1）光伏组件的电压检测图图10-38 PV10-38 PV电压检测电路电压检测电路（2）光伏组件的电流检测 图图10-39 PV10-39 PV电流检测电路电流检测电路（3）MI输出电流、电网
19、电压及过零点检测电路图图10-40 10-40 过零点检测电路过零点检测电路 5过电流过载保护电路图图10-41 10-41 过电流过载保护电路过电流过载保护电路 6报警功能的实现图图10-42 10-42 系统保护报警系统保护报警控制流程图控制流程图图图10-43 10-43 中断服务程序流程图中断服务程序流程图10.4.2 微型逆变器的控制策略微型逆变器的控制策略图图10-44 MI10-44 MI控制策略结构图控制策略结构图1最大功率点跟踪闭环控制这里采用的是改进的扰动观察法，即将定电压跟踪法与扰动观察法结合起来，在寻优初期快速地定位在最大功率点附近，控制精确、响应速度快。2电网跟踪控制
20、设计（1）滞环电流控制瞬时值控制 （2）PI电流控制方法图10-47 PI电流控制方法（3）小惯性电流跟踪控制方式图10-48 MI的输出模型 3SPWM波形产生及并网控制的实现 通过配置TMS320F28027中的EPWM模块，采用软件方式生成单极性SPWM控制信号。而并网控制利用增强型捕获功能ECAP来实现。图10-50 SPWM低频信号生成时序图图10-51 SPWM高频信号生成时序图10.4.3 系统仿真及实验结果分析系统仿真及实验结果分析1DC/AC逆变电路仿真（1）DC/AC逆变电路输出特性仿真 （2）DC/AC逆变电路工作效率仿真图10-56 DC/AC逆变电路效率 （3）PI控
21、制仿真图10-57 引入干扰后的输出波形图10-58 加入PI反馈后输出波形 （4）过零点检测电路仿真图10-59 过零点检测电路仿真图图10-60 过零点检测电路仿真效果图 （5）MPPT算法仿真图10-61 MPPT模型仿真 图10-62 MPPT算法仿真结果10.5 离离/并网双模式逆变器并网双模式逆变器 目前所使用的逆变器除了前面介绍的并网逆变器和离网逆变器，还有一种在分布式发电系统中常用的双模式切换逆变器，即具有独立发电和并网发电两种工作模式。在能源充足的情况下，系统工作在并网模式。除了保证本地负载正常工作外，还可以把多余的电能输送给电网，以高效率地利用能源；在能源不充裕的情况下，系
22、统切换到独立工作模式，给本地负载供电。实现了分布式发电与电网的交互利用，增加了对负载供电的可靠性。双模式并网逆变器在并网工作模式下，输出电压被电网电压钳位而不可控，需要由电流环来控制进网电流，此时为电流控制方式；在独立工作模式下，双模式并网逆变器的输出电压由电压环控制，此时为电压控制方式。因此，双模式逆变器在技术面临的问题是：在两种工作模式切换瞬间，并网逆变器必须准确、快速地实现两种控制方式的转换，同时还要保证切换时刻，逆变器的输出电压幅值和相位不能与电网电压幅值和相位相差太大，实现两种工作模式间 的平滑切换，否则会有较大的电压电流突变，对逆变器、负载和电网产生较大冲击，造成本地负载电压突变问
23、题，对其产生损害。另外，现有电网故障检测存在检测盲区或检测延时，会造成电网断电。但并网逆变器仍处于电流控制方式时，也会使输出电压处于失控状态。为了解决上述问题，在设计双模式并网逆变器时，提出了许多解决方案。1）针对该切换瞬间的特性，通过在并网前，使输出电压跟踪电网电压的幅值和相位，在断网时刻采用断网前负载电压相位幅值作为电压基准，从而实现无缝切换。但是，在电网出现故障时，并网开关即双向晶闸管只有在并网电流过零点才能断开，因而从故障到断开这段时间仍为电流控制模式，所以本地负载电压会受到故障电网电压的影响而突变。2）针对方案1存在的问题，在给出晶闸管关断信号的同时，从电流控制模式转换到电压控制模式
24、。通过控制此时逆变器的输出电压幅值和相位，加快并网双向开关的断开速度，从而改善上述问题，但在电网故障瞬间，电网电压很难测定且无规律，加速关断的控制 规律可能不成立，甚至会恶化关断时间。3）通过在切换时外加电压环来保证输出电压的连续。其思路与方案2一致。上述控制策略都存在电流与电压两种控制方式之间的转换，控制器结构发生了变化，所采取的措施也是为了减小控制器结构变化时对输出性能的影响。4）在并网工作模式下，通过间接电流控制，将电流控制转换为电压控制，与独立控制模式的电压控制方式相结合，避免了控制模式的切换，从而实现了逆变方式的无缝切换。由于双模式切换逆变器在结构上与并网逆变器几乎相同，差别主要集中在切换模式的控制方案上，本章不再叙述。