电气工程及其自动化专业【毕业设计 文献综述 开题报告】小型独立光伏发电系统逆变器的设计

电气工程及其自动化专业【毕业设计+文献综述+开题报告】小型独立光伏发电系统逆变器的设计 （20_ _届）本科毕业设计小型独立光伏发电系统逆变器的设计摘 要随着石油、煤和天然气等主要能源日益减少，新能源的开发利用越来越引起人们的关注。太阳能作为新能源的一种是非常理想的清洁能源，近年来，由于能源问题和气候问题日益突出，太阳能的应用与普及得到了很大的发展。我国的太阳能资源丰富，为太阳能的开发利用创造了有利条件。为了充分利用太阳能电池的输出能量，应采用高效的电力电子装置，对太阳能电池输出地能量形式进行变换。本文在直流升压环节采用Boost电路，在逆变环节SPWM全桥逆变技术，有助于降低系统体积并调高系统效率。整个设计分为硬件和软件设计两部分，其中硬件分为直流升压环节和逆变环节。最后，本设计给出了仿真电路和仿真结果，得到了预期的结果。关键字：光伏发电，逆变器，SPWM，升压电路The design of inverters in small stand-alone PV systemsAbstractWith the increasing decrease of main energy such as oil, coal and gas, the development and utilization of new energy draw peoples more and more attentions. Solar energy as one of new energies is a very desirable clean energy. Recent years, because of the energy and climate problems becoming outstanding, the utilization and popularization of solar energy acquire amazing development. The rich solar energy in our country creates advantages for the development and utilization of solar energy. In order to fully utilize the output energy of solar batteries, so we should use high efficient power electrics devices and invert the output of solar batteries. The paper used the Boost circuit as direct current boosting part and used the SPWM full bridge invert technology in inverting part in order to decrease the system size and improve the efficiency. The whole design can divide two parts, one is the hardware, the other is software. In the hardware part, we can divide direct current booting part and inverting part. At last, I got the simulation results and predictable outcome.Keywords: photovoltaic system, inverter, SPWM, Boost circuit目录摘 要IIIAbstractIV1 绪论11.1太阳能及其开发背景11.2独立光伏发电系统的简介31.3国内外光伏发电发展现状与趋势31.4逆变技术的现状与发展61.5 本课题的设计任务72 光伏发电系统的相关概念82.1光伏发电系统的分类82.2独立型光伏发电系统的组成93 逆变器的工作原理及其控制113.1 逆变电源基本工作原理113.2 光伏发电系统逆变器主电路的基本形式123.3 逆变器控制方案比较133.4 SPWM控制技术及其原理143.4.1 SPWM控制的基本原理143.4.2 单极性和双极性SPWM控制方式154 逆变电源的软硬件设计184.1 光伏发电逆变电源的系统结构184.2 直流升压电路设计194.2.1 Boost升压环节主电路194.2.2 控制电路的设计194.2.3 保护电路设计224.3 逆变电路设计244.4 控制电路设计254.5 输入过欠压保护电路的设计264.6 逆变电源的软件设计275 仿真结果315.1 仿真电路315.2 仿真结果326 结论与展望33参考文献34致谢351 绪论进入21世纪，人类对能源的关注越来越大，能源成为制约人类社会快速发展的一个重要原因。太阳能作为未来的能源是一种非常理想的可利用新能源，近年来由于人们对能源、环境问题的日益关注，太阳能的应用与普及越来越受到人们的重视，应用领域也越来越广泛。我国的太阳能资源丰富，为太阳能的利用创造了有利条件。根据太阳能的特点和世纪应用的需要，目前太阳能发电分为光热发电的光伏发电。通常说的太阳能发电是指太阳能光伏发电1,2。1.1太阳能及其开发背景太阳的基本结构是一个由炽热气体构成的球体，主要有氢和氦组成，其中氢占80%，氦占19%。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。据计算，太阳辐射每秒抵达地球表面的能量高达8.01013kW，相当于550万吨标准煤燃烧产生的能量。地球每年接收的太阳能相当于目前地球上每年燃烧的固、液、气体燃料产生的能量的2000倍左右，太阳能资源总量相当于现在人类所利用能源的1万多倍。地球上的风能、谁能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等），从根本上说也是自远古以来储存下来的太阳能。广义的太阳能所包括的范围非常广，下一的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换3,4。在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。这些化石能源本质上是数万年前甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源储存到古生物中，经沧海桑田的变化而演化成今天地球上的能源矿藏。它们是古生物化石的特殊形态。经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已被消耗了相当比例。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为39.9年，天然气可采量为61年煤炭可采量为227年。可见，化石能源的可开采量已经是屈指可数了。中国的能源资源储量情况更是危机逼人。按2000年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。中国能源剩余可开采总储量的结构为：原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年。中国各种一次能源的探明剩余储量 以储/采比表示 与世界的比较见图1-1所示图1-1 一次能源的探明剩余储量比较由此可见，除太阳能以外，中国各种一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临更严重的挑战4,6,7,8。研究和时间表明，太阳直接辐射到地球的能量丰富，分布广泛，可以再生，不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。根据国际权威机构的预测，到21世纪50年代，即2050年，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的13%15%之间，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于50%，如表1-1所示表1-1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例 % 时段200020102020203020402050日本预测可再生能源19.420.223.533.642.753.4太阳能-1.97.913.5Shell预测可再生能源18.322.220.932.343.354.6太阳能-2.68.414.9平均可再生能源18.921.222.2334354太阳能-2.38.214.2可以看到，太阳能将是目前大量应用的化石能源的主要替代能源之一，所以要大力开发太阳能，缓解人类的能源危机1,2。1.2独立光伏发电系统的简介独立光伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池组、MPPT控制器、逆变器、直流负载、交流负载等主要部分组成。图1-2 独立光伏发电系统构成图1.3国内外光伏发电发展现状与趋势国际上太阳电池的研究与开发具有领先地位的主要是德国、日本、美国、澳大利亚等发达国家。澳大利亚以新南威尔士大学的马丁教授为代表，在单晶硅太阳电池研究上居世界领先地位，近年来首次提出了第三代太阳电池的概念，为太阳电池的发展做出了很大的贡献。从太阳电池产业和利用来看，日本、德国、英国、美国和西班牙发展很快。2004年世界十大太阳电池厂名单可见表1-2。中国有两家企业并列第十名5。其中日本的太阳电池产业实力雄厚，有4家企业名列其中，其中两家企业分享第一、第二位置。德国有两家企业，分别处于并列第四和第八名。美国的AP（GE收购）和法国的Photowatt（加拿大收购）已经不在十大名单之列。德国的Q-Cells是非常成功的企业之一，该厂只生产太阳电池，而且一开始就定位于大尺寸、超薄的多晶硅片，同时保持较高的电池转换效率。我国的尚德（Suntech）是发展历史较短的企业，但已急起直追，在2004年生产了35MW太阳电池，为我国太阳电池工业的发展做出了重要贡献。表1-2 世界十大太阳电池厂20032005年产量与排名生产厂2003年2004年2005年20032004年Sharp1,197.9 26.4%1,324.0 25.8%排名不变比例下降Kyocera2,72.0 9.6%2,105.0 8.3%排名不变比例下降BP Solar3,69.3 9.2%3,84 6.8%排名不变比例下降Mitsubishi Electric6,42.0 5.6%4,75 6.0%上升2名比例上升Q-Cells9,28.2 3.8%4,75 6.0%170上升5名比例上升Shell Solar4,62.0 8.3%6,72.0 5.7%下降2名比例下降Sanyo8,35.0 4.7%7,65.0 5.4%下降1名比例上升RWE Schott Solar5,44.0 5.9%8,63.0 5.0%82下降3名比例下降Isofoton7,35.2 4.7%9,53.3 4.2%75下降2名比例下降Motech10,17.0 2.3%10,35.0 2.8%88排名不变比例上升Suntech16,8.0 1.1%10,35.0 2.8%100上升6名比例上升合计 81.6% 78.8%从1995年以后，世界太阳电池一直保持高速的发展，主要是德国和日本两国在光伏利用方面采取了一系列的措施，通过政策的推进达到了很好的效果。2004年世界太阳电池生产总量1256MW，而日本占了将近一般的产量，欧洲占了近三分之一。从表3可见，我国太阳电池产量在2003年还不足印度产量的一半，到2004年已经超出印度15MW的产量，这是很了不起的事情。但从所占比例来看，2004年我国太阳电池仅占世界总产量的4%左右，因此我国应加大太阳电池工业发展的步伐。表1-3 太阳电池产量地区分布国家或地区2003年2004年日本365.4 48.7%594.1 47.3%欧洲202.3 27.0%344.1 27.4%美国96.3 12.8%141.5 11.3%中国14 1.9%51.8 4.1%印度26.1 3.5%36.3 2.9%澳大利亚26.2 3.5%33.1 2.6%中东1.4 0.1%其他亚洲国家19.4 2.6%53.5 4.3%合计 750 1256 从太阳电池的种类来看，硅材料太阳电池占主导地位，特别是晶体硅太阳电池。从表1-4可见，加上单晶硅、多晶硅和带硅电池，2004年晶体硅电池所占比例超过94%，非晶硅电池从1999年的12%降到2004年的4%。其他两种薄膜电池发展也极为缓慢，因此有人认为薄膜太阳电池厂停产或减产。一些戏剧性的发展变化令人深思，一般认为多晶硅电池所占比例将越来越多，但2004年单晶硅电池比例上升，而多晶硅电池比例下降。这主要是由于多晶硅材料材料的来源受到限制，此外单晶硅电池的生产技术也在继续发展：一是单晶硅可实现大规模高效率电池生产，如日本Sanyo和美国Sunpower都实现了20%单晶硅电池的规模化生产；二是单晶硅更容易向超薄片电池工艺路线发展，德国研究机构可将单晶硅制成40um的厚度，所制成的电池的效率也达到了20%左右。这些都促使人们继续大力发展单晶硅太阳电池。表1-4 19992004年各类太阳电池产量百分比/%电池种类199920002001200220032004Mono-Si40.837.434.636.432.236.4Poly-Si42.148.250.251.657.254.7Si-sheets4.14.35.64.64.43.3a-Si12.39.68.96.44.54.4CdTe0.50.30.50.71.11.1CIS0.20.20.20.20.60.4从现有的发展来看，硅材料太阳电池在10年以至更长的时间里主导地位不会改变。因此，晶体硅太阳电池应当在我国得到重点发展。一些关于硅材料太阳电池，特别是晶体硅太阳能电池已经很成熟无需继续研究的观点应该改变9,10。德国2003年圆满完成10万屋顶计划，2000年首先颁布可再生能源法，2003年又公布可再生能源促进法，由此引发了德国光伏发展的新一轮高峰期。2004年德国发电总量达到601TW?H，其中可再生能源发电占9.3%各种可再生能源发电所占比例可参见表1-5。表1-5 2004德国可再生能源发电统计风能水力生物质能光伏合计25TE?h219.40.555.9德国政府在推广光伏发电方面采取了一系列有力措施，主要是银行贷款和上网电价补贴等。在德国，自家屋顶上安装一套发电设备相当于办一个企业，发出的电输入公共电网，国家最高给予57.4cent/kW?h的补贴，而从公共电网用电的电价少于30cent/kW?h，也就是说，安装光伏发电设备可以得到高的经济回报。因此，目前德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济行业。2004年德国光伏安装总量首次超过日本，走在了世界的前列，这也为我国的光伏发展提供了许多值得借鉴的经验，应当对德国的可再生能源的政策和技术进行深入的了解，这对我国太阳能光伏产业的发展具有十分重要的意义3。中国是世界最大的发展中国家，人口众多。国民经济建设的发展，人民生活水平的提高，社会各项事业的进步，必将对能源的供应提出更多、更高的要求。中国光伏发电的需求量巨大，市场广阔。各方面的预测表明，21世纪中叶太阳能将成为中国能源直接供应的一支主力军11,12,13,14,15。光伏发电已成为现实，并在全球范围内迅猛发展。如果说石化能源是20世纪的能源主体，那么可以说以太阳能为主体的新能源将成为21世纪人类能源的主体，掌握了未来的能源就掌握了人类未来的命运，光伏发电的时代正在向我们走来1.4逆变技术的现状与发展DC/AC逆变器是将直流电能变换成交流电能的变流装置，供交流负载用电或与交流电网并网发电3。如果是通过直流电动机交流发电机组来实现这种电能的逆变，则称为旋转变流机；如果是通过功率半导体器件来实现这种电能的逆变，则称为静止变流器。由于静止变流器在体积、重量、变换效率、可靠性、电性能等方面均比旋转变流机优越，因此，静止变流器必将并且正在逐步取代旋转变流机。按照交流用电负载与输入直流电源的电气隔离元件的工作频率，逆变技术可分为低频环节和高频环节两大类。而非电气隔离型逆变器，可以看成是电气隔离SPWM逆变器具有如下特点：（1）电路拓扑简明，单级功率变换DC-LFAC，双向功率流，变换效率高；（2）变压器仍工作在工频，体积大且笨重，其体积与重量仅和输出电压的频率有关，与逆变器的开关频率无关，提高逆变器开关频率并不能减小变压器的体积和重量；（3）输出电压THD小且输出滤波器的体积小、重量轻；（4）对于输入电压和负载的波动，系统的动态响应特性好；（5）变压器和输出滤波电感产生的音频噪声得到改善；（6）功率器件的开关频率高，开关损耗增加，降低了变换效率16,17,18,19,20。1.5 本课题的设计任务主要内容：设计一个应用于独立光伏发电系统的高性能、纯正弦波输出的逆变电源。功能是将升压得到的高压直流电经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz正弦交流电压输出，基本要求： 1 能输出一个电压稳定、频率稳定的交流电，无论是输入电压发生波动还是负载发生变换，都要能达到一定的电压精度； 2 具有一定的过载能力，一般能过载125%150%； 3 输出电压波形含的谐波成分应尽量少； 4 具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能，且具有快速的动态响应。2 光伏发电系统的相关概念2.1光伏发电系统的分类利用光伏发电原理，可以将太阳能通过光电转换变为电能储存起来，通过各种调节控制技术，将储存起来的电能转换为满足负载所需要的用电要求，以满足不同的负载需要，本文所设计的小型独立光伏发电系统逆变器正是为了满足这些要求而展开设计的。单从结构上来看，光伏发电系统大致可分为三种基本类型：独立型光伏发电系统、并网型光伏发电系统和混合型光伏发电系统。（1） 独立型光伏发电系统独立型光伏发电系统的结构示意图如图2-1所示，在独立型光伏发电系统中，蓄电池组作为储存电能的单元在系统中是不可或缺的，它将有阳光时光伏电池阵发出的富于的电能储存起来来供阳光不足或是没有阳光时使用。为了尽可能地使蓄电池的使用寿命延长，在直流控制环节中应具有一个调节控制环节和保护控制环节来优化蓄电池充放电过程。图2-1 独立型光伏发电系统结构示意图（2） 并网型光伏发电系统并网型光伏发电系统是指将发出的电直接送入电网或供负载使用，这就要求逆变器具有与电网相连接的功能，系统构成如图2-2所示，并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池而是将电网作为储存电能单元。当阳光很强时，系统将发出的多余的电能经过并网逆变器变为满足所连接电网电能质量要求的交流电回馈到电网，而当需要用电时再次从电网输入电能，减少了光伏发电系统的成本。图2-2 并网型光伏发电系统结构示意图（3） 混合型光伏发电系统混合型光伏发电系统是在上述光伏系统中增加备用的发电机组，当光伏电池阵发电不足时或蓄电池所储存的电量不足时，就应该启动备用发电机组，这样备用发电机组既可以直接给交流负载供电，又可以经过整流环节后给蓄电池组充电，如图2-3所示。在混合型光伏发电系统中，最普及的是风-光互补发电系统。图2-3 混合型光伏发电系统结构示意图2.2独立型光伏发电系统的组成独立型光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、控制器和逆变器四大部分组成。（1）太阳能电池方阵光伏电池是光伏发电系统具有决定性作用的元件，光伏电池的效率直接影响光伏发电系统的发电效率。由于单个光伏电池产生电量极为有限，工作电压仅约 0.450.5，工作电流大约在 2025之内，而且是直流电，在大多数情况下满足不了实际应用。为了满足负载所需的输出功率，一般都是将电池组串并成太阳能电池组件的形式。在实际使用时可以根据实际需要选择电池组件组合连接形成太阳能电池方阵。（2）蓄电池组光伏发电系统只有在白天有太阳光的时候才能够发出电，但大多数情况下人们主要是在夜间大量用电，这就要存储太阳能电池方阵发出的电并时刻准备向负载供电。光伏发电系统对蓄电池组的基本要求是：1、深放电能力强；2、充电效率高；3、自放电率低；4、使用寿命长；5、维护少或免维护；6、价格低廉；7、工作温度范围宽。（3）控制器控制器主要用于实现管理整套系统的充电和放电。光伏电池方阵产生出的直流电，经过充电控制器对蓄电池组充电，在蓄电池组还未充满时，控制器的作用是尽可能地对蓄电池充电，当蓄电池充满电时，适当地调整充电方式，将蓄电池组处于浮充状态。当蓄电池组放电到蓄电池组过放点电压时，控制器发出电量不足的报警信号并同时切断蓄电池组的放电回路，以此来保护蓄电池组。伴随着光伏产业的高速发展，控制器的功能也变得越来越强大，控制器、逆变器以及监测系统将会集成在一起。（4）逆变器在光伏发电系统中 ，如果负载是交流的，DC/AC变换器将直流变为交流以供其使用，将光伏电池组件产生的直流电或蓄电池组提供的直流电逆变为负载所需要的交流电。太阳能电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电经逆变主电路的调制、滤波、升压后，得到与交流负载额定频率、额定电压相同的正弦交流电提供给系统负载使用。逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。逆变器具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。3 逆变器的工作原理及其控制3.1 逆变电源基本工作原理逆变电源的拓扑结构有很多，所以各自的工作原理不尽相同，但是最基本的逆变过程是相同的。下面以简单的单相桥式逆变电路为例，说明逆变器的逆变过程。单相桥式逆变电路如图3-1所示，T1，T2，T3，T4是桥式电路的4个功率管，由电力电子器件和辅助电路构成。输入的直流电压为Vcc，逆变器的负载Z。当功率开关管T1、T4导通时，电流就可以流过T1，Z和T4，负载上的电压极性是左正右负；当功率开关管T1、T4开断时，T2、T3导通，电流流过T2，Z和T3，此时负载上的电压极性刚好相反，这样就把直流电变成了交流电。通过改变两组功率开关管的切换频率就可以改变输出交流电的频率，得到正负半周对称的交流方波电压。当负载为电感时，电流滞后于电压，波形也不同；当负载为纯电阻型时，负载电压电流波形、相位相同。图3-1 单相桥式逆变原理图3.2 光伏发电系统逆变器主电路的基本形式伴随光伏产业的大力发展，逆变器的种类也各不相同，光伏发电系统中逆变器的主电路拓扑结构主要有三类：（1）工频变压器形式的主电路：单级DC-AC结构，如图3-2所示。将直流电逆变成有效值基本不变的PWM波形，再经由变压器升压得到高压交流电。这种电路逆变效率比较高，可靠性也比较高，但是它的响应速度慢，波形畸变严重，而且体积、噪声和质量都较大，比较不经济。图3-2 工频变压器形式主电路（2）高频变压器形式的主电路： DC-AC-DC-AC结构，如图 3-3所示。主电路有高频升压和工频逆变两部分，系统相对复杂。DC-AC-DC部分：首先将直流电逆变成高频方波，再经变压器升压，经整流滤波得到一个比较稳定的高压直流电。DC-AC部分：高压直流经过工频逆变电路逆变得到220V或者380V高压交流电。系统逆变的效率可高达到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。该电路主要缺点是电路比较复杂。图3-3 高频变压器形式主电路（3）无变压器形式的主电路： DC-DC-AC结构，如图3-4所示。将直流电经过非隔离变换（Boost升压电路）后得到高压直流电，再经工频逆变得到高压交流电。不采用变压器进行输入和输出的隔离，体积小、重量轻、效率高而且系统比较简洁，成本较低，适合用于直流输入电压比较高的地方。图3-4 无变压器形式主电路3.3 逆变器控制方案比较光伏逆变器性能的好坏很大程度上决定了整个光伏发电系统的性能和效率，随着光伏发电系统的应用越来越广泛，对光伏逆变器输出电压质量的要求也越来越高，不仅要求逆变器的输出电压稳定、工作可靠，而且要求输出电压的正弦度高。所以光伏逆变器的控制技术也得到了不断的发展。逆变器要实现输出纯正弦波交流电这一功能，控制方案的实现主要分为模拟控制和数字控制，具体实现方案有如下几种。（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。优点是技术非常成熟，有很多实例可以参考。但也有很多缺点：控制器的元件比较多，电路比较复杂，占的体积也比较大；灵活性不强，一旦硬件电路设计好了，控制策略也就无法改变；运行调试不方便，由于所采用器件特性存在差异，致使电源一致性差。逆变电源数字化控制是发展的趋势，是逆变电源研究的一个重点。（2）由单片机实现的数字控制。为提高系统的控制性能，通过A/D转换，实现微处理器与系统连接，在位处理器中实现数字控制，然后通过输入、输出口或脉宽调制口发出开关控制信号，微处理器还能将采集的功率变换装置工作数据显示或送至计算机保存起来。一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行即时监控。微处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的性能，但由于受微处理器运算速度的局限，在很多情况下，这种微处理器辅助的电路系统仍需要使用运算放大器等模拟控制元件。（3）由DSP实现的数字控制。随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件及数字信号处理器技术的发展，逆变电源的全数字化控制已经实现。DSP能够实时地读取逆变电源的输入输出，并实时地计算出PWM输出值，使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补偿，使输出谐波达到可以接受的水平。3.4 SPWM控制技术及其原理SPWM技术可以极其有效地进行谐波抑制，在提高效率、控制频率等方面有着明显的优势，在逆变器运用SPWM技术可以改善逆变器的输出电压和电流波形，提高了逆变器的性能和可靠性。3.4.1 SPWM控制的基本原理如图3-5所示，将一个正弦波半波电压分成N等份，并将正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图3-5所示的脉冲列，这就是SPWM波形。正弦波得另外半波可以用相同的办法来等效。可以看出该PWM波形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为SPWM波形。根据采样控制的理论，脉冲频率越高，SPWM波形越是接近于正弦。当逆变器输出电压的波形为SPWM波形时，低次谐波将会得到很好地抑制和消除，高次谐波也被滤去，从而可得到畸变率低的正弦波电压。图3-5 SPWM波形图从原理来说，在给出了正弦半波幅值、频率和半个周期的脉冲数值后，脉冲波形的宽度和间隔就可以准确计算出来。然后按照计算的结果来判断控制电路中各开关器件的开关，就可以得到所需要的波形。但在实际应用中，人们常采用正弦波与等腰三角波相交的办法用图3-5 SPWM波形来确定各矩形脉冲的宽度。等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲，这种方法称为调制方法。3.4.2 单极性和双极性SPWM控制方式电压型单相桥式逆变电路如图3-6所示。在如图3-7中，载波信号在信号正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波，调制信号和载波的交点时刻控制逆变器电力晶体管Q3、Q4的通断。各晶体管的控制规律如下：图3-6 单相桥式SPWM逆变电路图3-7单极性（左）和双极性（右）SPWM控制方式在的正半周期，Q1保持导通，Q4交替通断。当时，使Q4导通，负载电压；当时，使Q4关断，由于电感负载中电流不能突变，负载电流将通过D3续流，负载电压。在的负半周，保持Q2导通，使Q3交替通断。当时，使Q3导通；当时，使Q3关断，负载电流将通过D4续流，负载电压。 这样，便得到的SPWM波形，如图3-7所示。图中表示中的基波分量。像这种在的半周期内三角波只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。调节调制信号的幅值可以使输出调制脉冲宽度作相应的变化，这能改变逆变器输出电压的基波幅值，从而可实现对输出电压的平滑调节；改变调制信号的频率则可改变输出电压的频率。与单极性SPWM控制方式对应，另外一种SPWM控制方式称为双极性SPWM控制方式。单相桥式逆变电路采用双极性控制方式时的SPWM波形如图3-7所示。各晶体管的控制规律如下：在的正负半周内，对各晶体管控制规律相同，同样在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。当时，使晶体管Q1、Q4导通，Q2、Q3关断，此时；当时，使晶体管Q2、Q3导通，Q1、Q4关断，此时。在双极性控制方式中，三角载波是正负两个方向变化，所得到的 SPWM 波形也是在正负两个方向变化。在的一个周期内，SPWM输出只有两种电平。逆变电路同一相上下两臂的驱动信号是互补的。在实际应用时，为了防止上下两个桥臂同时导通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟时间，然后给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短取决于功率开关器件的关断时间。需要指出的是，这个延迟时间将会给输出的SPWM 波形产生不利的影响，使其偏离正弦波。4 逆变电源的软硬件设计本文的设计目的是设计一种高性能、纯正弦波输出的单相独立式光伏发电系统逆变器。根据上一章的介绍本文采用无变压器形式的主电路方案实现逆变，设计中分为Boost升压环节和逆变环节。由于系统输入端电压为低压，升压环节选择Boost升压方式。4.1 光伏发电逆变电源的系统结构图4-1为逆变电源系统结构图。输入的直流电压经过Boost升压电路后并滤波，得到稳定的高压直流电，再经过逆变电路输出交流。直流升压采用Boost升压电路，工作频率在50kHz；24V直流电压直接升压至311V，后级采用单相全桥逆变电路，采用SPWM控制技术，再通过滤波电路得到纯正220V/50Hz 交流电压输出。图4-1 逆变电源系统结构图逆变器电路的工作状态和工作参数，经过具有不同功能的传感器和信号调理电路变换为特别的电信号后，同时通过检测回路将信息传送至系统控制芯片进行分析处理。根据判断结果，控制芯片对逆变电源的各回路工作情况进行相应的调整。通过高压直流母线上检测回路调节直流母线上电压幅值使之保持稳定；通过交流输出电压调节回路调节逆变器的输出电压波形，通过过流检测电路实现保护；当检测到故障信号时，立即关断逆变器功率管，保护逆变电源。同时逆变器工作的状态信息及故障情况，通过控制单元可以传送至显示与报警电路。4.2 直流升压电路设计直流升压电路的功能是将低压 24V 直流转变成稳定的高压 311V 直流电，以供逆变电路逆变成交流电，包括主电路的设计、控制电路上的设计和反馈保护的设计。本系统采用Boost升压的主电路。4.2.1 Boost升压环节主电路升压主电路如图 4-2 所示。该电路中使用了一个全控型器件，升压式直流斩波电路中的电感L通常取值较大，起储能作用。图4-2 直流升压主电路结构图输出电压的表达式为 （4-1）式中为占空比。4.2.2 控制电路的设计（1）PWM 控制芯片UC3846UC3846的性能特点：自动前馈补偿。可编程控制的逐个脉冲限流功能。推挽输出结构下自动对称校正。负载响应特性好。内置差动电流放大器，共模输入范围宽。可并联运行，适用于模块系统。双脉冲抑制功能。大电流图腾柱式输出，输出峰值电流500mA。精密带隙基准电源，1%。内置欠电压软锁定电路。内置软启动电路。具有外部关断功能。工作频率高达500kHz.本系统采用了UC3846作为变换器的控制芯片。UC3846 是双端输出的电流型脉宽调制器芯片，它对外部电路要求不高，具有限制电流、软启动机关断、欠压锁定、不需要外接元件可实现同步等诸多功能。其内部结构图如图4-3所示。UC3846芯片内部有1%精度5.1V的基准电源，可作为内部低电平电路的电源及基准电压，也可作为外部基准电压。UC3846 的输出采用图腾柱输出，其灌拉电流可达最低100mA和最高400mA，可以驱动 MOSFET或晶体管。芯片内部的振荡器单元通过外接电阻提供一个 12mA恒定放电电流，给电容充电，产生一个线性锯齿波，振荡频率由下式近似得出： （4-2） 一般取1k500k，为减小噪声干扰振荡频率，一般取1000。UC3846的第10脚为振荡器发出同步信号的端子，发出同步信号的时刻也就是锯齿波的下降的时刻，而且同步信号的脉宽就是锯齿波的下降时间，并取决于。同时，当 UC3846为双路输出时，死区时间由振荡器下降沿所决定，死区时间为 （4-3）由于的取值比较大，简化为 （4-4） 图4-3 UC3846控制芯片结构框图UC3846通过一个放大倍数为3的电流测定放大器来获得开关管电流或电感电流信号，它输出与PWM比较器的同相段。误差放大器能够输出的最大电压受内部电源的限制为3.5V。显而易见，电流检测信号的最大偏差电压值必须低于1.1V，当电流输入信号大于1.1V 时，将延时关断电流型控制器。若在第1脚预设电压值，该电压与PNP晶体管使误差放大器的输出箝位拉在+0.7V。电压误差放大器的输出经二极管和0.5V偏压后送至PWM比较器的反相端。流检测放大器的差动输入电压为：，因此，被限制的最大开关电流为： （4-5）由以上分析可知，电流限制端低于0.5V的信号时，PWM无输出，两个输出端都被关断、利用这点可以实现软启动功能和关断功能。（2）控制电路连接以UC3846为主要元器件组成的推挽电路的控制电路图如图4-4所示。图4-4 UC3846连接原理图4.2.3 保护电路设计对于DC/DC变换器都要求在出现异常情况（如过流、过/欠压、过载）时，系统保护电路能够正常并及时反应，使变换器能够及时停止工作，但是在各种情况下的保护又不尽相同。一般来说，在过载、过流时，保护电路要动作且不需要自动恢复；而过/欠压则不同，在过/欠压情况解除后要求系统能够重新工作。图4-5，图4-6分别为直流升压环节过流保护和欠压保护电路。（1）电流检测UC3846的4脚为电流采样信号输入端，通过外接检测电阻 R10，R11 与开关管串联来采样开关管的电流。当电流取样放大器输入信号大于1.2V 时，电流型控制器将延时关断。电路中，差动电流检测放大器检测的是开关电流而不是电感电流，由于开关管寄生电容放电，检测电流会有一个较大的尖峰前沿，可能使电流检测锁存和PWM电路误动作，所以，在电流检测输入端加R9，C4 滤波。（2）过流保护UC3846通过R11参与检测开关管的电流，并通过内部关断电路实现过流保护的功能，如果输出端短路输出电感中的电流快速增大，由于逐个脉冲限流功能有一定的延迟而不能马上动作，通常无法及时将急剧上升的电流降至正常水平。通过16脚参与检测峰值电流，当检测到的电流信号超过设定的电流阀值，图4-5电流检测和过流保护电路16脚信号超过350mV，同样会屏蔽脉冲输出。图4-5 过流保护结构示意图（3）过欠压保护如图4-6所示。当系统输入电压过欠压时，过欠压输入端为低电平，光耦OP1输出电平1，通过电容C6和二极管给UC3846正脉冲，从而使框图4-3所示的UC3846芯片内部晶闸管处于导通状态，通过内部电路使脚1电平被拉至接近地电平，电路处于保护状态，UC3846 芯片的输出脉冲被屏蔽。同时光耦OP1输出电平1使三极管Q1饱和并导通接地。因为电容C6的加速作用，三极管Q1比UC3846内部晶闸管导通并滞后。因三极管的导通压降小于晶闸管的导通压降，晶闸管不能持续导通即关断。当欠压故障消除后，三极管Q1变为截止，系统可以再次输出脉冲。图4-6 欠压保护电路4.3 逆变电路设计逆变电路的主要功能是将上一节中升压得到的高压直流电经SPWM全桥逆变，变311V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz正弦交流电压输出，本部分有功率桥的设计、控制电路的设计和保护电路的设计。如图4-7所示为逆变主电路图。对输入的直流电进行SPWM调制，经过LC滤波电路输出，采用电压瞬时值反馈，对输出的电压进行采样隔离，反馈信号传送给控制芯片，经过A/D变换保存，将得到脉宽控制量，通过SPWM生成环节产生各功率管的开关信号，控制功率管的通断，使输出电压尽量跟踪基准正弦给定信号。图4-7 逆变环节主电路4.4 控制电路设计逆变环节的任务是使高压直流电变民用交流电，为得到稳定的输出电压，本系统采用PI控制，对输出电压进行采样，系统中CPU根据采样的电压值来控制SPWM 波发生器输出SPWM参数值，形成SPWM波驱动逆变桥，从而得到稳定的民用交流电。系统采用AT89C51，SPWM波形发生器采用UC3846单相SPWM波形发生器，功率逆变桥选用 PS21865，它的内部集成了驱动电路，因而外部驱动电路可以不再添加。控制电路主要功能包括：控制脉冲产生，交流输出稳定，保护和报警显示，电路框图如图 4-8所示。图4-8 逆变电源控制电路示意图4.5 输入过欠压保护电路的设计输入过压保护指的是当输入系统的电压值太大，对系统内部的电子元件造成损害，该保护电路可在输入电压超过最高电压值时关闭电源系统。输入欠压保护是指当系统输入电压过低，即使控制电路输出了最大脉宽的触发脉冲，电源仍然不能输出额定的电流或电电压的情况下保护的，该保护电路可避免出现因输入电压太低而引起电源输出电压失控的状况。图4-9 过欠压保护电路4.6 逆变电源的软件设计在本系统中，通过单片机对输入的高压直流电进行SPWM调制，采用电压瞬时值反馈，同时对输出电压值进行采样隔离，反馈信号传送给控制芯片UC3846，经过A/D变换保存，将所得结果与基准正弦给定信号比较一下，得到偏差信号，再经过PI调节，最后得到脉宽控制量，通过SPWM生成部分产生各功率管的开关信号，控制功率管的开关，使输出电压尽量跟踪基准正弦给定信号。 图4-10为本系统的控制程序框图，系统开机工作后，先复位UC3846，对其初始化寄存器和控制寄存器进行编程，通过采样输出电压值将采样值与系统设定电压进行比较，求出偏差E k ，并判断偏差是否在允许的范围之内，若是，则不改变UC3846中的控制值，反之，则采用PI控制算法求出这时的控制调制幅度值，调节UC3846的控制寄存器，使UC3846输出的SPWM 波形的脉宽幅度随输出电压值的变化而变化，控制功率管导通关断时间，使输出电压稳定平稳。 1 主程序设计主程序的主要任务是初始化、过欠压检测处理和等待中断。在输入电压正常的情况下才开始中断，系统进入监控状态，可接受中断，包括定时器重点和外部信号引起的外部中断。图4-10 主程序流程框图 3 UC3846的编程初始化编程：初始化是用来设定和逆变器有关的基本参数，它包括载波频率设定、调制波频率范围设定、脉冲延迟时间设定、最小删除脉宽设定。图4-11 UC3846流程图 3 中断子程序当系统中的单片机检测到欠压、过压、过热或过流信号时，置报警标志位为1，并同时启动定时器T0，当定时器定时时间到后，单片机再检查过压、欠压、过流或过热信号是否仍然存在，若存在，则关闭输出并发出故障报警，反之，则不关闭输出也不发出报警，报警标志位清0。程序框图如图4-12。图4-12 外部和内部中断程序流程图5 仿真结果5.1 仿真电路（1） Boost直流升压电路Matlab仿真电路图5-1 Boost升压电路图（2） 逆变电路Matlab仿真电路图5-2 全桥逆变电路图5.2 仿真结果（1） Boost直流升压图图5-3 升压结果图（2） 全桥逆变图5-4 逆变结果图6 结论与展望本文首先介绍了太阳能的概况和光伏发电的现状及逆变技术的发展，并介绍了光伏发电的基本原理和系统组成、逆变电源技术和 SPWM 控制技术，并分析了几种逆变器的控制方法，重点研究了逆变器升压环节和逆变环节的主电路和控制电路设计在直流升压环节采用Boost电路，在逆变环节SPWM全桥逆变技术，有助于降低系统体积并调高系统效率。整个设计分为硬件和软件设计两部分，其中硬件分为直流升压环节和逆变环节。最后，本设计给出了仿真电路和仿真结果，得到了预期的结果。通过仿真实验验证了本文所采用的逆变思想的可行性。随着石油、煤和天然气等主要能源日益减少，新能源的开发利用越来越引起人们的关注。太阳能作为新能源的一种是非常理想的清洁能源，近年来，由于能源问题和气候问题日益突出，太阳能的应用与普及得到了很大的发展。我国的太阳能资源丰富，为太阳能的开发利用创造了有利条件。为了充分利用太阳能电池的输出能量，应采用高效的电力电子装置，对太阳能电池输出地能量形式进行有效地变换。由于时间有限，本文中还有许多问题还未解决，如元器件的功耗问题，谐波分析等，因本科阶段所学知识有限，需待进一步学习来解决。参考文献1 周志敏周纪. 海太阳能光伏发电系统设计与应用实例M. 北京:电子工业出版社，2010.2 赵争鸣等. 太阳能光伏发电及其应用M. 北京:科学出版社, 2007.3 沈辉曾祖勤. 太阳能光伏发电技术M. 北京:化学工业出版社, 2008.4 T.WANG, Z.H.YE, X.M.YUAN. Filer Design for a Grid-interconnected Three-phase Inverter. IEEE Power Electronics Specialist Conference, 2003, 2 :779-784.5 王斯成余世杰等. 3kW可调度型并网逆变器的研制. 太阳能学报, 2001, 22 1 :17-20.6 周志敏周纪海纪爱华. 逆变电源使用技术设计与应用M. 北京：中国电力出版社，2005.7 黄忠霖黄京.电力电子技术的MATLAB实践M.北京：国防工业出版社，2009.8 洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真M。北京：机械工业出版社，2010.9 陈道炼. DC-AC逆变技术及其应用M.北京：机械工业出版社，2003.10 刘凤君.现代逆变技术及应用M.北京：电子工业出版社，2006.11 Muhammad H. Rashid.电力电子学电路、器件及应用M.北京：人民邮电出版社，2007.12 张加胜，张磊. 电力电子级社M。东营：中国石油大学出版社，2008.13 徐德鸿等. 电力电子技术M。北京：科学出版社，2006.14裴郁.我国可再生能源发展战略研究D.辽宁:辽宁师范大学,20045. 15崔容强喜文华, 魏一康等. 太阳能光伏发电J.太阳能,2004 4 :72-76. 16秦伟李国强. 光伏太阳能21世纪的能源之星J.新经济产业,2003:44-4617 Haas. Reinhard et al. Socio-economic aspects of the Austrian 200KWp Photovoltaic- rooftop ProgrammeJ. Solar Energy,1999,66 3 :183-191. 18时理丽.我国和世界光伏发电技术、产业、市场发展情况比较J.光伏技术专栏,2004 4 :26-29. 19赵玉文.我国太阳能光伏发电产业趋势探讨J.光伏技术专栏,2004 4 :19-25. DCAC逆变器DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源 UPS 、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。DC/AC逆变器的控制部分是逆变器设计的重点部分，包括逆变器输出电压、电流采样和滤波，正弦波发生，输出波形控制，电网电压锁相以及各种保护等等。本章主要叙述前面几部分，逆变器的保护将在随后重点叙述。图3逆变器原理框图3总结部分随着太阳能利用技术的不断发展，光伏发电越来越成为人们关注的焦点。本文对最大输出功率为25W的独立运行光伏发电系统进行了研究，文中详细论述整个独立系统电路设计，包括电池板、升压电路拓扑结构的参数设计选择，控制电路，采样电路及其蓄电池的参数等的选择设计。本文MPPT控制算法采用结构简单的扰动法，但为避免传统扰动法的缺点，提出电压自适应控制算法实现最大功率跟踪，以实现系统稳定准确的运行。光伏系统的逆变电路是将Boost电路升压得到的高压直流电经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz纯正弦交流电压输出。输出纯正弦波一般有3种控制方法：模拟控制；由单片机实现数字控制；由DSP实现数字控制。逆变电路还需具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能，且具有快速的动态响应。太阳能逆变器将会得到进一步的发展和运用，将带动电力稳定器的发展，电力稳定器是介于市电、用户负载、与再生能源之间的电力调节系统。以逆变器为核心的电力稳定器将成为未来智能型住宅电力供应系统的核心。太阳发出的能量大约只有二十二亿分之一能达到地球范围，约为173104亿千瓦。经过大气的吸收和反射，能够到达地球表面的约占51，大约88104亿千瓦。而能够达到陆地表面的只有达到地球范围辐射能量的10左右，约为17104亿千瓦。尽管如此，如果把这些能量利用起来，也相当于目前全球消耗能量的3.5万倍。太阳能作为巨大的能源资源，其利用的潜能巨大。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。无论是独立运行还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板 组件 、控制器和逆变器三大部分组成