新能源并网逆变器设计和仿真研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)

新能源并网逆变器设计和仿真研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

真分析 模型所需的电池结构参数如表 21 所示。 表 21光伏电池模式参数表 sR shR /gvEe TC A 1000 建立如图 22所示 仿真电路，用 PSIM 软件进行仿真验证。 图２ 2 光伏模块ＰＳＩＭ仿真电路 图中 S 、 T 分别模拟光照强度与电池温度；用电流表 A 检测光伏模块的输出电流。 用表 oV 测量模块端口输出电压；然后分别引电压和电流进乘法器用表 pV 显示模块功率。 仿真时，通过对 S、 T 输入端的电压分别进行参数扫描，来 模拟光扬州大学本科生毕业设计 12 照强度和温度的变化，从而得到不同光照强度和环境温度条件下，光伏模块的输出电流、输出功率随端口电压变化的关系。 首先，设置 T端口的电压为 25V，对 S输入端得电压进行参数扫描，使其电压分别从 400V 增加到 1000V，步长为 200V。 分别可以得到光伏模块在 相同环境温度（ 25℃ ）不同光照强度 S 条件下的模块输出电流 I 、输出功率 P 对应输出电压 V 关系的 I V 和 P － V 输出特性曲线，如图 2３、图 2４所示。 图 2３ 不同光照强度下 I － V 特性曲线（ T ＝２５ ℃ ） 图 2４ 不同光照强度下 P － V 特性曲线（ T ＝２５℃） 从上图可知，随着光照增强 ，输出电流和输出功率增大，最大功率点的 值也越大。 输出电压从零逐渐开始增大，输出电流基本不变；而输出功率随着电压线性增大，当输出电压增大到一定值，输出电流和输出功率迅速减小，即光伏模块存在最大功率点。 扬州大学本科生毕业设计 13 然后，设置Ｓ端口的电压为 1000Ｖ，对Ｔ输入端的电压进行参数扫描，使其电压分别从 0V增加到 75V，步长为 25V。 分别可以得到光伏模块在相同光照强度（ 21000 /Wm）不同环境温度 T 条件下的模块输出电流 I 、输出功率 P 对应输出电压 V 关系的 I V 和 P V 输出特性曲线，如图 2图 26 所示。 图 25 不同温度下 I V 特性曲线（ S= 21000 /Wm） 图 26 不同温度下 P V 特性曲线（ S= 21000 /Wm） 从上图同样可知，光伏模块的输出电流随着环境温度的增大而略有减少，而短路电压有所增大。 输出功率由环境温度的增大而减少。 扬州大学本科生毕业设计 14 串联电阻 sR 和并联电阻 shR 对模 块输出特性的影响分析 理想光伏电池的转化效率为 I m m SC OCin inV FFI VPP  （ 210） mmSC OCIVFF IV （ 211） 式中， inP 为太阳辐射功率； FF 为填充因子，填充因子是最大功率矩形对SC OCIV 矩形的比例，若要得到最大效率， inP 不变时，要使式中分子 mmIV 最大。 但是，对于实际光伏电池，有各种因素影响转化效率。 还对串联电阻 sR 和 并联电阻 shR 对转化效率的影响进行了分析。 图 27 不同串联电阻 sR 下 I V 特性曲线 扬州大学本科生毕业设计 15 图 28 不同并联电阻 shR 下 I V 特性曲线 图 2图 29 为不同串联电阻下的 I V 特性曲线，曲线表明光伏模块 的等效串并联电阻对输出特性都有影响。 但是，串联电阻对输出特性的影响较大，并联电阻影响小。 而且，随着等效串联电阻越大，并联电阻越小，填充因子下降越快，进而影响模块转换效率。 扬州大学本科生毕业设计 16 ３ 系统主电路 的设计和 控制方法 光伏并网逆变器常用拓扑方案 光伏并网逆变器的具体电路拓扑众多 ,一般可按照有无变压器分类 ,也可根据功率变换的级数来 进行分类。 按有无变压器分类 根据系统中有无变压器 ,光伏并网逆变器可分为无变压器型 ( Tr a n s f o r m e r l e s s )、 工频变 压器 型 (LineFrequency Transformer, LFT)和高频变压器型 (HighFrequency Transformer, HFT)三种 . 图 31是 采用工频变压器型的拓扑结构 ,变压器置于工频电网侧 ,可有效阻止电 流 直流分量注入电网 .高频变压器型中的变压器一般可放置在两个地方 ,如 图 32 所示 .图 32(a)是把高频变压器置于 DCAC 变换器内。 图 32(b)是把高频 变 压器置于 DCDC变换器内 ,两种方式均可实现隔离功能 . 图 31 工频变压器型拓扑结构图 （ a） 扬州大学本科生毕业设计 17 （ b） 图 32 高频变压器的两种拓扑结构图 按功率变换级数分类 按照功率变换的级数分类 ,并网逆变 器一般可分为 单级式 ( S i n g l e S t a g e I n v e r t e r ) 和多级 式 (MultipleStage Inverter)两种拓扑方案 ,如图 3 所示。 （ a） （ b） 图 33按功率变化级数分类的逆变器拓扑方案 图 33(a)所示为单级式逆变器的结构框图 ,它仅用一级能量变换就可以完成电压调整和并网逆变 功 能 ,具有电路简 单 、 元器件 少 、 可靠性高和高效低功耗等诸多优点 ,所以在满足系统性能要求的前提下 , 单级式拓扑结构将会是首选。 图 33(b)给出了三种多级式变流器 (MultipleStage Inverter)拓扑结构 :DC DCAC、DCACDCAC 和 级的能量转换 ,其中前几级中通常具备升降 压 或电气隔离的功能 ,最后一级实现逆变并网的转换 .DCDCAC 为目前常用的一种拓扑结构 ,其前级 为 D C D C 变换器 ,用于实现电压调整和 M P P T 功能。 后级为 D C A C 逆变器 ,用于实现输出电流正弦化 并 网 、 孤岛效应检 测和预防等功能。 该拓扑结构扬州大学本科生毕业设计 18 简化了每一级的控制方法 ,使得每一级可以专注于各自 控 制方法的质量和效率。 DCACDCAC 拓扑结构 高升压比的多级式逆变器拓扑结构通常是由高频 DCACDC 变流器和高频 (或工频 )逆变器两大 部 分组成。 高频 DCACDC变流器可将 PV 阵列输出的直流电压变换成可调的直流电压；逆变器可将该 直 流电转换成预期的交流电压。 图 34(a)为一种传统的 DC ACDCAC 拓扑结构 ,该拓扑通过前级逆变 器 、高频 升 压变压 器 、整流器和直流滤波器 ,使其后级逆变器的 输 入得到了一个可控的 直流电压。 由于该拓扑前后级 的 开关管工作频率都很高 ,从而导致损耗较 大 、成本也 很 高。 (a)电流源型 Buck 逆变器 (b)电压源型 Boost 逆变器 扬州大学本科生毕业设计 19 (c)电流源型 Boost 逆变器 图 34 DCACDCAC拓扑族 图 34(b)为一种电压源型 Boost逆变器 ,它的前级 由 PWM 控制 ,在前 级与 后 级之间得到一串被称为伪直 流 环节的直流脉冲序列。 根据冲量原理 ,这些直流脉冲 序 列所对应的是正弦或者半正弦波形。 与图 34(a)相比 ,图 34 ( b ) 省去了直流滤波电路 ,整流后直接通过后级逆 变 电路可得到 高质量的交流输出 ,并且其逆变电路的 功 率器件工作在工频 ,从而降低了开关损耗 .最后交流 输 出需要利用低通滤波器来减小 THD,以提高交流输 出 的波形质量 ,但其体积有所增大。 图 34 ( a )、 ( b ) 所示的两种拓扑结构的后级为电压 源 型逆变器 ,而图 34(c)的后级为一个电流源型逆变器 ,其 前级开关管高频斩波在电感上得到正半波 ,后级使 用 很低的开关频率将电感电流调整为正弦输出 ,输出端 省去了交流滤波器 ,中间省去了电解电容。 该拓 扑 被美国通用电气公司在 10 kW 光伏并网发电系统中 商 业化推广。 以上对多级式逆变器拓扑结构的分析结果表明 ,为了增强承受 PV阵列输出电压波动的能 力 、 扩 大 容量 ,多级式逆变器一般包含两级或者更多级 ,通常需要在前级装设一个高频变压器 ,提高升压的比例 , 实现必要的隔离。 后级是一个低开关频率的逆变器 ,以减少整体的开关损耗 .与单级式逆变器相比 ,它 使 用的开关器件数增多 ,从而导致其开关损耗也略有加扬州大学本科生毕业设计 20 大。 逆变器并网运行电路原理分析 图 35光伏发电并网运行电路原理图 光伏发电并网运行时的电路原理如图 35所示，电网认为是容量无穷大的电压 源， gv 、 gZ 、 gi 分别是电网电压、电网线路阻抗 、 电网电流 ； 控制输出电流的并网 逆变器看作是电流源，其输出电流是 oi ，同时此电流也是逆变器输出电流。 负载上 的电流、电压以及阻抗分别是 Li 、 Lu 、 LZ。 当逆变器 独立运行时，负载 LZ 作为本地负载，它的能量由逆变器单独提供。 当逆变器并网运行时，负载 LZ 被认为是电网上的一个负载，与电网上其它负载一样， 只不过它的能量由电网和逆变器共同提供，此时逆变器的输出电流被认为是并网电流。 为了能够持续不断地向电网提供电能，输出电流必须与电网电压同频率，否则由于频率导致的相位不断变换使逆变器不能向电网提供一个稳定的功率。 在电网电压频率与输出电流频率同频率的情况下，有 : gg Z g L LgU U U Z I U        （ 31） 扬州大学本科生毕业设计 21 因为电网线路阻抗 gZ 非常的小，可以忽略不计，即 0ZgU  （ 32） 代入式（ 31）得 LgUU （ 33） 可以看出逆变器并网时，其输出电压由电网电压决定。 逆变器输出的视在功率为： ooLgOS U I U I    （ 34） 那么逆变器输出的有功功率和无功功率为： | | c o s( )ooggP U I U I       （ 35） | | s in ( )ooggQ U I U I       （ 36） 为了能达到高效功率输入输出的目的就要考虑功率因数，如果功率因数太低， 会向电网中注入谐波和无功分量。 为了向电网输入高质量的电能，逆变器输出的功率中尽量增加有功功率使输出功率因数接近 1，即要求 0Q ，则 ogU I k   （ 37） 当逆变器输出电流与电网电压相位差为 0，并且假设输出电流无畸变，逆变器 对外输出功率且功率因数为 1。 当逆变器输出电流与电网电压反相时输出功率因数 为一 1，逆变器变为吸收功率。 本文要求逆变器并网运行，逆变器向电网输送功率， 所以要求逆变器输出电流与电网电压的频率与相位一致。 系统总电路 的设计 整个系统分为 两个部分， 由 高频 DCACDC 变流器和高频逆变器 组成。 两部分的控制目标不同，互相独立。 DC/DC 部分控制目的是保持一定的直流电压输出， DC/AC 部分控制目的是控制逆变其输出电流并与 电网电压同频、同相。 扬州大学本科生毕业设计 22 DCDC 变换器 光伏并网逆变器中的 DCDC变换器完成提高光伏电压的功能。 DCDC 变换 器如图 36，变换器由输入电容 pvC 、 四个带续流二极管的 MOSFET 管 、 变比为 1:N的高频变压器、全波整流器中的四个二极管 V1V 直流端电感 L和电容 C1 组成。 图 36 DCDC 变换器 整流器中的二极管必须能承受光伏侧通过变压器施加的反向电压，既为变压 器变比乘以光伏阵列模块最大工作电压 15x48V=720V，因此要求采 用 1 OOOV 的二 极管。 MOSFET 管必须能承受。