户用型中小功率独立光伏逆变器毕业设计论文(编辑修改稿)

户用型中小功率独立光伏逆变器毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

8 用太阳电池，提高系统效率，必须设 法提高逆变电源的效率。 （ 2）具有较高的可靠性。 目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电源具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变电源具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热，过载保护等。 （ 3）直流输入电压 具 有较宽的适应范围。 由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如 12V蓄电池，其端电压可在 10V～ 16V之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。 （ 4）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。 这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免 对 公共电网的电力污染，也要求逆变电源输出正弦波电流。 主电路拓扑结构的设计 升压环节拓扑结构比较 升压环 节实际上是 DCDC开关电源， DCDC变换器的拓扑结构有很多，但本设计的是作为逆变电源的直流升压环节，需要有电气隔离。 故此，只介绍以下几种结构： (1)正激式 如图 22所示，电路拓扑简单，在变压器绕组中加一去磁绕组就可以实现去磁，是中小功率变换器常用的设计方案。 但是，这种拓扑存在许多不足之处。 首先变压器铁芯单向磁化，利用率低，主功率管承受两倍的输入电压，只能适合低压输入电路。 其次，主功率管一般占空比小于。 另外，由于添加了去磁绕组使变压器的结构复杂化，变压器工艺水平的高低将直接影响到电路的性能。 毕业设计（论文）专用纸 9 BTLCN3N1D1N2D2D3 图 22 正激式变压器电路结构 (2)推挽式 如图 23所示，电路结构简单，可以看成两个完全对称的单端反激式交换器的组合。 因此变压器铁芯是双向磁化的，相同铁芯尺寸下，推挽电路比正激式电路输出更大的功率。 但电路必须有良好的对称，否则铁芯容易引起电流偏磁饱和。 另外，由于变压器原边漏感的存在，使主功率管必须承受超过两倍电源电压，因此功率管电压尖峰很大，承受较大电压应力。 适合低压大电流场合。 D5Fuse 2S2D1 D2D3 D4BATC1GNDS1GND 图 23 推挽式变压器电路结构 (3)半桥式 如图 24所示，变压器铁芯不存在直流偏磁现象，变压器两象限工作，利用率高 ，功率管只承受电源电压，适合高压中功率场合。 S1 D1D2S2D3BTD4D5C1C2 图 24 半桥式变压器电路结构 毕业设计（论文）专用纸 10 (4)全桥式 如图 25所示，功率管只承受电源电压。 并且铁芯利用率高，易采用软开关的工作方式，但功率器件较多，控制及驱动较复杂，并且存在直通现象，适合大功率场合。 S1 D1D2S2D3BTD4D5D2D3S3S2 图 25 全桥式变压器电路结构 (5)反激式 如图 26所示，它的电路形式与正激式变换器相似，主功率管的承受的电压也相同，只是变压器的接法不同。 从输出端看，反激式是电流源，不能开路。 BTTCDQ 图 26 反激式变压器电路结构 此外，目前市场流行的升压方式为 BUCKBOOST，但本系统输入端电压 12V，属于低压，若想得到工频 220V输出电压，必须含有变压器升压环节，综合考虑上述各拓扑结构的优劣，选择推挽变换方式。 推挽电路结构简单，适用于低压大电流的场合，正好满足本文独立光伏系统的设计要求。 逆变电源的基本工作原理 逆变电源的拓扑结构有很多，根据结构不同，可分为单相半桥、单相全桥、三相桥式逆变器；但是，其基本原理相同，都是把直流电变为交流电输出，因此本文对结构简单的电压型单相全桥逆变电路为例进行介绍 ,电路如图 27所示。 毕业设计（论文）专用纸 11 VDZT1T2T3T4 图 27 电压型单相全桥逆变电路 结构 全控型开关器件 T T4同时导通与关断； T T2同时导通与关断； T1（ T4）与 T2（ T3）的驱动信号互补，即 T T4和 T T3周期性地改变通断状态，周期 T对应 2π弧度，输出电压基波频率 f=1/T。 在每个周期各对开关管通断半个周期就产生 180度的方波电压。 光伏发电系统中逆变器主电路拓扑结构比较 （ 1）工频变压器（ DCAC) 将直流电压逆变成有效值基本不变的 PWM波形，由工频变压器升压得到220V交流电压。 这种电路方式效率比较高 (可达 90％以上 )、可靠性较高、抗输出短路的能力较强。 但 是，它响应速度较慢，波形畸变较 重，带非线性负载的能力较差，而噪声大。 由于采用工频变压器，体积大 ，质量大，价格也较贵。 （ 2）高频变压器构 (DCACDCAC) 首先将直流电压逆变成高频方波，经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的高压直流电 (一般 300V以上 )。 然后高压直流通过逆变电路实现逆变得到220V或者 380V交流电。 系统逆变效率可以达到 90％以上，由于这种电路形式采用了高频变压器，体积、重量、噪音等均明显减小。 该电路的缺点是电路相对复杂。 独立光伏发电系统中逆变器控制方法的比较 光 伏逆变器实现输出正弦波的工频电压，控制方案的实现通常分为模拟控制和数字控制，具体实现方案有以下几种： (1)模拟控制。 控制脉冲的生成，控制算法的实现全部由模拟器件完成。 优点是技术前常成熟。 但存在很多固有缺点： 毕业设计（论文）专用纸 12 ①控制电路的元器件比较多，体积庞大 ,结构复杂； ②灵活性不够，硬件电路一旦设计完成，控制策略就不能改变； ③由于元器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点漂移。 会导致系统参数的漂移，从而给调试带来不便。 （ 2)由单片机实现数字控制。 为改善系统的控制性能，通过模拟、数字 (A\D)转换器， 将微处理器与系统相连，在微处理器中实现数字控制算法，然后通过输入、输出口或脉宽调制口 (PWM)发出开关控制信号。 但单片机控制也存在一些缺点，比如控制灵活行不够，由于程序执行的时间限制导致在升压及逆变环节的稳压控制跟随性差，不能有效起到稳压作用；另外，当系统复杂时，对单片机要求比较高，芯片发热问题等等都是设计时需要考虑的因素。 (3)由 DSP实现数字控制。 数字信号处理 （ DSPdigital signal processing） 是一门涉及许多领域的新兴学科，在现代科技发展中发挥着极其重要的作用。 近年来，数字 信号处理理论在不断取得进步的同时，随着半导体技术的突飞猛进，专用的数字信号处理器芯片也获得了飞速发展。 数字信号处理器是在模拟信号变换为数字信号后对数字信号进行高速实时处理的专用处理器，它具有计算速度快、体积小、功耗低等优点，是实现数字信号处理的强大工具。 但 DSP入门门槛较高，开发成本高，造价也较高。 本系统的逆变拓扑是两 级变换，前级 DCDC推挽式升压部分采用 PWM控制，利用专用集成芯片 SG3525对输入电压进行稳压；逆变部分采用单相全桥的 PWM控制，考虑本设计性能指标以及开发能力，价格成本等因素，采用 PIC16F73单片机对逆变环节进行 PWM调制，具有成本小，易于生产制作的特点。 独立光伏发电逆变电源的系统结构框图 太阳能电池板将太阳能转换成源源不断的直流电，经过单片机对其充放电进行控制，使输出为稳定的 12V， 12V的直流电经过推挽升压后滤波，进行全桥整流得到 360V的高压直流电，再经过逆变电路输出工频交流电。 直流升压采用推挽电路，工作频率在 100kHz。 升压变压器采用高频磁芯材料，因而具有体积小、重量毕业设计（论文）专用纸 13 轻的特点；后级的单相全桥逆变电路，采用 PWM调制，经滤波电路得到 220V 50Hz的工频交流输 出。 毕业设计（论文）专用纸 14 3 光伏发电电池容量及光伏阵列的设计 本文设计的目标是开发出 500W 的户用型中小功率光伏发电系统，在考虑设计指标和开发成本的基础上，基于目前比较普遍的容量计算方法，对本系统的蓄电池容量以及太阳能电池板的设计如下： 太阳能光伏发电蓄电池组的设计 蓄电池容量设计的基本原理 设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。 为了量化评估太阳光连续低于平均值的情况，首先需要引进一个参数：自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下，负载仍 然能正常工作的天数。 一般来说，自给天数由两个因素决定：负载对电源的要求程度和光伏发电系统安装处的最大连续阴雨天数。 本文的 光伏系统中使用的蓄电池 为 VRLA 铅酸蓄电池。 (1)基本公式 将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量，再除以蓄电池的允许最大放电深度即可得到所需的蓄电池容量。 最大放电深度的选择需要参考光伏系统中使用的蓄电池的性能参数，通常情况下，深循环型蓄电池推荐使用 80%的放电深度（ DOD）；浅循环型蓄电池推荐使用 50%的放电深度（ DOD）。 基本公式如下： = 自 给 天 数 日 平 均 负 载蓄 电 池 容 量 最 大 放 电 深 度 （ 31） 每个蓄电池都有它的标称电压，为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。 当蓄电池总容量大于单个蓄电池容量时，我们需要将单个蓄电池并联起来组成总容量。 公式如下： = 负 载 标 称 电 压串 联 蓄 电 池 数 量 蓄 电 池 标 称 电 压 （ 32） = 蓄 电 池 总 容 量并 联 蓄 电 池 数 量 单 个 蓄 电 池 容 量 （ 33） 毕业设计（论文）专用纸 15 (2)公式的修正 对于铅酸蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的与两个重要因素有关：蓄电池的放电率和环境温度。 ① 放电率对蓄电池容量的影响。 蓄电池的容量随放电率的降低（即蓄电池放电时间变长）而相应增加， 这样就会对我们的容量设计产生影响。 进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量。 通常，生产厂家提供的是蓄电池额定容量是10 小时放电率下的蓄电池容量。 但是在光伏系统中，因为蓄电池中存储 的能量主要是为了自给天数中的负载需要，蓄电池放电率通常较慢，光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为 100～ 200 小时。 在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念。 公式如下： = 自 给 天 数 负 载 工 作 时 间平 均 放 电 率 （ 小 时 ） 最 大 放 电 深 度 （ 34） 对于多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间。 公式如下：   负 载 功 率 负 载 工 作 时 间加 权 平 均 负 载 工 作 时 间负 载 功 率 （ 35） 根据上面两式就可以算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供 的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。 ② 温度对蓄电池容量的影响。 一方面，蓄电池的容量随温度的下降而下降 通常，铅酸蓄电池容量是在 25℃时标定的，随着温度的降低， 0℃时的容量大约下降到额定容量的 90%,而在 20℃的时候大约下降到额定容量的 80%，所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响。 如果光伏系统安装地点的气温很低，这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低，也就是无法满足系统负载的用电需求。 在毕业设计（论文）专用纸 16 实际工作的情况 下就会导致蓄电池的过放电，减少蓄电池的使用寿命，增加维护成本。 这样，设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况（ 25℃ ）下蓄电池参数计算出来的容量要大，只有选择安装相对于 25℃ 时计算容量多的容量，才能够保证蓄电池在温度低于 25℃ 的情况下，还能完全提供所需的能量。 蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度 容量修正曲线在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数。 另一方面，蓄电池的最大放电深度受低温的影响 在寒冷气候条件下，如果蓄电池放电过多，电解液凝结点上升，电解液就可能凝结，以致损坏蓄电池。 如图二给出 了一般铅酸蓄电池的最大放电深度与蓄电池温度的关系。