太阳能发电单相逆变器并网技术研究毕业论文范文免费预览

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根 据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合光伏发电系统。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 4 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。 独立供电的光伏发电系统主要用于电网覆盖不到的边远山区或者是太阳光照不足，不能满足与电网互通需要的地区，主要用于满足单个用户的一天工作，生活用电，必须带有储能环节，满足黑夜或者光照不足的阴雨天的用电需要，这种供电方式设备复杂，蓄电池受环境和使用方法的影响，寿命一般不长，而且当有多余的电能或者是电能不足的情况下就 会产生浪费或者影响工作和生活。 独立运行光伏发电系统组成 与负载有关， 直 流负载和交流负载都包含光伏阵列、蓄电池组、控制电路。 独立光伏系统的负载如果是直流负载不含逆变回路， 可直接 与蓄电池相连， 对 蓄电池的输出电压进行升 （降） 压后提供给负载。 这类 系统结构简单，成本低廉。 由于负载直流电压的不 同，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是生活用电，负载主要为交流，而且直流系统也很难实现并网运行。 因 此， 交流光伏逆变电源正在逐渐取代直流光伏电源。 交流光伏逆变电源系统与直流光伏电源系统的主要差别是在负载和蓄电池之间加入了逆变器，逆 变器承担了将直流电压转化为交流电压的功能。 图（ ） 为典型的独立光伏系统的结构图。 光伏阵列安装在户外接受太 阳 能，通过充电控制器给蓄电池充电，逆变电路将直流电转化为负载所需要的三相或单相交流电。 D C / D C 蓄 电 池 直 流 负 载交 流 负 载逆 变 器控 制 器光 伏 阵 列 图 11 独立光伏发电系统结构图 并网光伏发电系统 光伏并网发电是太阳能发电的发展方向，把太阳能发电系统与电网联系起来，这样当电能多余的时候，可以把多余的电能输送到电网，当电能不足时可以从电网获得电能补偿，满足工作和生活的需要，另外，并网发电系统第 1章 绪论 5 不需要储能环节，这就大大节省了设备成本和维修率。 并网光伏发电系统如图所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。 目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。 带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统其有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义；此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提 高电能质量。 不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。 当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。 D C / D C 电 网交 流 负 载逆 变 器控 制 器光 伏 阵 列 图 12 并网光伏发电系统结构图 混合光伏发电系统 图 为混合型光伏发电系统，它区 别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 D C / D C 蓄 电 池 直 流 负 载交 流 负 载逆 变 器控 制 器光 伏 阵 列主 开 关发 电 机 组 图 13 混合型光伏发电系统 第 2章 单相光伏并网发电系统结构与工作原理 7 第 2 章 单相光伏并网发电系统结构与工作原理 单相光伏并网发电系统基本原理 图 21 典型光伏发电系统框图 单相光伏并网发电系统由四部分组成，即太阳能电池方阵、蓄电池组、逆变器和控制器，其典型的系统框图如图 21 所示。 并网光伏 发电系统的主要特点是，与公用电网发生紧密的电联系。 光伏发电系统多余的电力向电网供电，不足的电力由电网补。 其工作的基本原理是，太阳能电池方阵受到太阳辐照，通过太阳能电池的光生伏打效应，将太阳光能直接转换为直流电能，太阳能电池方阵的输出端经防反充二极管接至控制器。 控制器的一对输出端接至蓄电池组，对其进行充、放电保护控制；控制器的另一对输出端通过开关接至逆变器，将直流电逆变为交流电，可以向交流负载供电，也可以通过锁相环节向电网输出与电网电压同频、同相的交流电。 这样就构成了一个完整的发电、输电和供电系统。 对于光伏 并网系统而言，将太阳能经光伏电池阵列转化成电能馈送给交流电网，其间能量的传递与转换可以有很多种方式，并网逆变器的结构也因而有所不同，可以是直接从太阳能电池到电网的单级 DC AC 变换结构，也可以是 DC DC和 DC AC的两级变换结构。 对于小功率光伏并网发电系统，燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 由于光伏电池阵列的输出电压比较低，因而更多的采用了先通过一级 DC DC 变换器升压，然后再通过一级 DC AC 逆变器的两级变换并网结构。 太阳能并网逆变器的控制目标是控制并网逆变器的输出电流为稳定的高质量的正弦波电流，同时还要求并网逆变器输出 的电流与电网电压同频、同相，因此需要采用合适的控制策略以达到上述的控制目标。 光伏发电系统逆变器的拓扑结构 由于太阳能电池，燃料电池每个单元的输出电压较低，所以在串联数量很少的情况下，并网逆变器的输入电压较低，这样并网逆变器就需要具有直流电压的提升和逆变的功能。 通常并网逆变器依照级数可以划分为单级式逆变器和多级式逆变器。 单级指直流电压的提升和产生正弦波的输出电流或者输出电压在同一级电路中完成。 多级即指在前一级或者前几级电路中实现了电压的升降或者隔离，在后级的电路中实现了 DC/AC的变换，常见的是两级逆 变器。 还有一些逆变器可以认为是两级也可以认为是一些复杂的单级变换器。 单级式光伏并网逆变器 单级式逆变器结构简单，成本较低，但是单级式非隔离型升压的程度有限，靠电感的储能实现，所以仅适用于较小功率场合，不适合于并网运行。 单级式结构的逆变器所有的控制都在逆变环节中实现，即最大功率点的跟踪控制和逆变并网控制。 单级式结构逆变器所并电网为低电压电网，可以直接接入电网供电 ； 如果单级式结构逆变器所并电网为高电压电网，并且光伏阵列输入电压较低，则逆变器输出需升压变压器后接入电网，该变压器不仅具有升压作用，还具 备滤波和隔离作用。 单相单级式逆变器的结构如图 所示。 单级式逆变器系统由光伏阵列、稳压滤波电容、单相全桥逆变电路、并网滤波电感和市电电网组成。 单级式逆变器系统只有一个逆变环节，因此该系统的结构比较简单，相应的效率比较高，但是所有的控制算法都在在该环节中实现，导致整个的控制系统比较复杂。 另外，由于光伏阵列的输出直接输入逆变器中，导致光伏阵列的电压输出有两倍工频的纹波电压，因此需要第 2章 单相光伏并网发电系统结构与工作原理 9 在光伏阵列的输出侧加入大功率的滤波电容，来抑制电压纹波，如果滤波电容的选取较大，将会降低光伏系统的 MPPT 的响应速度。 1L4VT 4D 1R1VT 1D 3VTD2VT 2D 图 22 单相单级式隔离型逆变器的拓扑结构图 两级式光伏并网逆变器 针对以上对单级式光伏并网逆变器缺点，采用了两级式逆变器的拓扑结构。 两级式逆变器最大的特点是光伏阵列的 MPPT 控制与逆变并网控制分开实现，因此控制的复杂程度相应的降低。 两级式逆变器系统的拓扑结构主要包括光伏阵列、 BOOST 电路、 三相 桥 式 逆变器、滤波器和市电电网构成，如图 所示。 前级的 BOOST 电路主要实现升压作用和 MPPT 控制，升压作用保证后级直流母线达到实现并网的电压 的幅值要求， MPPT 的控制保证光伏阵列的最大功率的输出 ；后级三相 桥 式 逆变电路主要实现直 流母线的稳压和并网电流的控制，保证并网电流与市电电网电压的同频同相，保证功率因数为 1。 1L4VT 4D1VT 1D 3VTD2VT 2D 图 23 单相两级式非隔离型逆变器的拓扑结构图 燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 两级式逆变器拓扑结构包含的电路都是比较简单和技术比较成熟的电路，但是如果工程要求实现电气隔离，就必须在后级并网输出电压处加变压器，这样就增加了光伏系统成本，光伏并网逆变器体积和重量也相应的增加。 光伏并网系统总体设计 本设 计决定采用带变压器的两级结构，前级 DC DC 变换器和后级 DC AC 逆变器，两部分通过 DCLink 相连。 前级 DC DC 变换器，考虑到输入电压较低，而输出电压较大，因此这里采用结构简单，控制方便的 Boost 升压电路。 前级 Boost 高频升压电路负责完成太阳 能电池阵列的最大功率跟踪控制 (MPPT)输出并把太阳能电池阵列的输出电压升高至某一数值，确保直流母线电压的稳定，从而使得后级逆变部分的输入电压稳定。 后级全桥逆变电路负责将经 Boost 升压后的直流电变为正弦交流电，输出与电网电压同频同相的交流电流。 由于该电路中没有采用变压器，从而使得系统的体积和 重量大大减轻，产生噪声小，成本也低，但是在某些特殊对电气隔离要求严格的场合不适宜使用。 在本系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压通过 DC DC 变换器将电能转换为 DCLink 的 400V直流电。 DCLink 的作用除了连接 DC DC 变换器和 DC AC 逆变器，还实现了功率的传递。 后级的 DC AC 逆变器，采用单相逆变全桥， 采用 SPWM 控制， 作用是将 DCLink 直流电转换成220V/50Hz 正弦交流电，实现逆变向电网输送功率。 本章小结 本章首 先介绍了光伏并网发电系统的基本原理，接着对光伏并网逆变器的拓扑结构进行了介绍和分类 ， 在分析对比了隔离型单级拓扑结构、非隔离型两级拓扑结构的基础上，确定了本系统设计采用无变压器隔离的两级拓扑结构，前级是 Boost 升压电路，后级是单相全桥逆变电路，两者通过直流母线 DCLink 相连。 第 3章 光伏阵列基本原理及工作特性 11 第 3 章 光伏阵列基本原理及工作特性 光伏电池的工作原理 光伏发电首先要解决的问题是怎样将太阳能转换为电能。 光伏电池就是利用半导体光伏效应制成，它是一种能将太阳能辐射直接转换为电能的转换器件。 由若干个这种器件 封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件组合成一定功率的光伏阵列。 光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其输出特性受外界环境影响较大。 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。 这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。 光伏电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。 所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。 在气体，液体和固体中均可产生这种效应。 在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。 图 31 光生伏打效应 当光照射在距 光伏电池表面很近的 PN 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度 gE ，则在 P 区、 N 区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对。 那些在结附近 N 区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散。 只要少数载流子离 PN 结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。 在 P 区与 N 区交界面的两侧即结区，存在一 个空间电荷区，也称为耗尽区。 在耗尽区中，正负电荷间形成 电场，电场方向由 N 区指向 P燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 区，这个电场称为内建电场。 这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向 P 区。 同样，如果在结 区 附近 P 区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向 N 区结区内产生的电子 –空穴对在内建电场的作用下分别移向 N 区和 P 区。 如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在 PN 结附近，使 P 区获得附加正电荷， N 区获得附加负电荷，这样在 PN 结上产生一个光生电动势。 若果外电路与负载连接，处于通路状态， PN 结产生的光生电动势就开始供电， 产生从 P 区流出， N 区流入的电流，从而带动负载工作。 光伏电池等效电路 phI DI shRsRIshI ocU 图 32光伏电池等效电路 上图 是 光伏电池 的等效电路模型图。 它由理想电流源 phI 、。