FPGA逆變器.doc

青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 課題背景1.1能源現(xiàn)狀能源是人類經(jīng)濟(jì)及文化活動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。世界文明史上，人類不斷的從自然界索取、探求適合生存和發(fā)展所需的各種能源，能源的利用水平折射出人類文明的進(jìn)步步伐。從原始社會(huì)開(kāi)始，化石能源逐步成為人類所用能源的主要來(lái)源，這種狀況一直延續(xù)到科技發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)。隨著人類對(duì)能源需求的日益增加，化石能源的儲(chǔ)量正日趨枯竭。全球資源專家們呼吁：煤炭、石油等可貴的化石資源應(yīng)該是留給子孫后代的“化工原料，而不該在我們這代人手中僅僅把它們作為燃料而消耗殆盡。此外，大量使用化石燃料已經(jīng)給人類生存環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的后果。目前由于大量使用礦物能源，全世界每天產(chǎn)生約1億噸溫室效應(yīng)氣體，已經(jīng)造成極為嚴(yán)重的大氣污染。如果不加控制，溫室效應(yīng)會(huì)將融化兩極的冰山，這可能會(huì)使海平面上升幾米，四分之一的人類生活空間將由此受極大威脅。當(dāng)前人類文明的高度發(fā)展與地球生存環(huán)境的快速惡化已經(jīng)形成一對(duì)十分突出的矛盾，它向全世界能源工作者提出了嚴(yán)峻的命題和挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球熱點(diǎn)問(wèn)題，而能源問(wèn)題將更為突出。因此，人類要解決上述能源問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的“無(wú)限性”、存在普遍性、開(kāi)發(fā)利用清潔性及逐漸顯露的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，它的開(kāi)發(fā)利用是最終解決常規(guī)能源，特別是化石能源帶來(lái)的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題的有效途徑，是人類理想的替代能源llj。在可再生能源中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是全球發(fā)展最快的新興產(chǎn)業(yè)之一，從1996年到2006年最近十年的平均年增長(zhǎng)率為40，從2001年到2006年最近5年的平均年增長(zhǎng)率為45，2006年世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到了2790mw，總裝機(jī)容量達(dá)到了8gw。太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用必將在21世紀(jì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并終將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移中擔(dān)當(dāng)重任，成為21世紀(jì)后期的主導(dǎo)能源。1.2光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀光伏并網(wǎng)發(fā)電開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)80年代初，美國(guó)、日本、德罔、意大利都為此做出了努力。按照當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)，建造的都是較大型的光伏并網(wǎng)電站，而且都是政府投資的試驗(yàn)性電站。試驗(yàn)結(jié)果在發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)方面都是成功的，但在經(jīng)濟(jì)性方面卻并不十分令人鼓舞，主要是由于太陽(yáng)能電池成本過(guò)高，雖然具有明顯環(huán)境效益，但其發(fā)電成本卻很難讓電力公司接受。通過(guò)改進(jìn)工藝、擴(kuò)大規(guī)模和開(kāi)拓市場(chǎng)等措施，大幅度的降低了太陽(yáng)能電池成本。90年代以來(lái)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家重新掀起了發(fā)展光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研發(fā)高潮，這次的重點(diǎn)并未放在建造大型并網(wǎng)光伏電站方面，而是側(cè)重發(fā)展“屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)”。人們認(rèn)為，屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不單獨(dú)占地，將太陽(yáng)能電池安裝在現(xiàn)成的屋頂上，非常適合太陽(yáng)能能量密度較低的特點(diǎn)，其靈活性和經(jīng)濟(jì)性都大大優(yōu)于大型并網(wǎng)光伏電站，有利于普及，有利于戰(zhàn)備和能源安全。而且由于功率比較小，并網(wǎng)逆變器的體積也可以做的很小，因而可以直接安裝在太陽(yáng)能電池板的背面，使并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的安裝和使用更加簡(jiǎn)易。在各國(guó)的屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展中，德國(guó)的屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展速度始終是位于世界前列的。1993年，德國(guó)首先開(kāi)始實(shí)施由政府補(bǔ)貼支持的“1000 個(gè)光伏屋頂計(jì)劃，同時(shí)制定了“可再生能源電力供應(yīng)法”，規(guī)定光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)為每度0.99馬克，極大的刺激了光伏發(fā)電市場(chǎng)。由此為契機(jī)，德國(guó)在1995年安裝了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)容量5mw，1996年增加了一倍，達(dá)到了10mw，1999年擴(kuò)大為156mw。1997年在慕尼黑貿(mào)易展覽中心安裝了世界上最大的屋頂太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，容量為1016mw。1999年1月德國(guó)開(kāi)始實(shí)施“十萬(wàn)屋頂計(jì)劃。2000年安裝太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)容量超過(guò)40mw?，F(xiàn)在德國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)已由探索階段發(fā)展為繁榮的專業(yè)市場(chǎng)。在技術(shù)方面，專用逆變?cè)O(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，在歐洲光伏專用逆變器就有sma，fronius，sputnik，sun pwer和西門(mén)子等眾多的公司具有市場(chǎng)化的產(chǎn)品，其中sma在歐洲市場(chǎng)中占有50的份額。除歐洲外，美國(guó)、加拿大、澳大利亞、新西蘭以及亞洲的日本在并網(wǎng)型逆變器方面也都已經(jīng)產(chǎn)品化。這些都表明光伏并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)是世界范圍內(nèi)一個(gè)蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)，它和光伏器件(主要是太陽(yáng)能電池)同時(shí)并列為光伏產(chǎn)業(yè)的兩大支柱?？傊?，從能源利用的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，光伏發(fā)電最終將以替代常規(guī)能源的角色進(jìn)入電力市場(chǎng)，而并網(wǎng)發(fā)電將是光伏發(fā)電進(jìn)入電力市場(chǎng)的必由之路。1.2.2國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀我國(guó)正處在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)軌和蓬勃發(fā)展時(shí)期，但能源問(wèn)題嚴(yán)峻，由于城市中大量使用化石能源，環(huán)境持續(xù)惡化。2000年世界衛(wèi)生組織公布的世界上污染最嚴(yán)重的十大城市中，中國(guó)占了8個(gè)。另一方面，我國(guó)具有豐富的太陽(yáng)能資源，尤其是西部地區(qū)有很大的潛力。在這些地方發(fā)展并網(wǎng)發(fā)電計(jì)劃， 對(duì)于緩解當(dāng)?shù)氐哪茉簇毞η闆r，提高當(dāng)?shù)厝藗兩钏接兄鴺O其重要的意義。我國(guó)在20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究太陽(yáng)能電池，于1971年首次成功應(yīng)用于我國(guó)發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星。我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了2個(gè)重要時(shí)期，第一個(gè)是在20世紀(jì)80年代中期，引進(jìn)4條總計(jì)5mw的光伏電池生產(chǎn)線，光伏產(chǎn)業(yè)初步形成。第二個(gè)發(fā)展時(shí)期是在新世紀(jì)初，國(guó)家發(fā)改委在2002年啟動(dòng)了“送電到鄉(xiāng)工程”，該工程光伏系統(tǒng)容量為20mw，極大的拉動(dòng)了我國(guó)光伏市場(chǎng)的需求。國(guó)內(nèi)光伏系統(tǒng)主要采用單位功率因數(shù)并網(wǎng)，不具備電能質(zhì)量控制功能。因此，研究具有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)有重要意義，其研究主要放在并網(wǎng)逆變器的控制方法上，相同的拓?fù)潆娐?，采用不同的控制方法能夠產(chǎn)生不同的控制效果。對(duì)逆變器建立模型并進(jìn)行分析，采用先進(jìn)的控制策略對(duì)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的性能是必不可少的。同時(shí)采用先進(jìn)的控制算法是提高逆變器效率的方法之一。第2章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成 典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、電力電子變換器、儲(chǔ)能裝置、負(fù)載等組成，其構(gòu)成如2-1圖所示。圖2-1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成fig.2-1 solar photovoltaic power generation system2.2光伏陣列2.2.1 光伏陣列的結(jié)構(gòu) 光伏發(fā)電系統(tǒng)，是利用光生伏打效應(yīng)原理制成的光伏電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏電池單體是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一個(gè)單體產(chǎn)生的電壓大約為0.45v，工作電流約為,將光伏電池進(jìn)行串、并聯(lián)封裝后，就成為光伏電池組件。實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)需要，將若干光伏電池組進(jìn)行串、并聯(lián)，排列組成光伏陣列，滿足光伏系統(tǒng)實(shí)際電壓電流的需要。光伏組件串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量，串聯(lián)后的陣列輸出電壓為各光伏組件輸出電壓之和，相同電流容量光伏電池串聯(lián)后輸出電流不變；光伏電池組件并聯(lián)要求所有并聯(lián)的光伏組件具有相同的輸出電壓等級(jí)，并聯(lián)后的陣列輸出電流為各個(gè)光伏電池輸出電流之和，而電壓保持不變。2.2.2光伏陣列的保護(hù)在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的光伏組件，將被當(dāng)做負(fù)載消耗其他有光照的光伏電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的光伏電池組件此時(shí)會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重破壞光伏電池，有光照的光伏電池所長(zhǎng)生的部分或全部能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止光伏電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，需要在光伏電池組件的正負(fù)極兩端并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，實(shí)現(xiàn)電流的旁路保護(hù)光伏陣列。為了避免由于光伏電池在陰雨天和夜晚不發(fā)電時(shí)或者出現(xiàn)故障時(shí)，蓄電池通過(guò)光伏方陣放電，這就需要在方陣中加入防反充二極管，又稱為阻塞二極管。除了電方面的保護(hù)，還要考慮機(jī)械方面的保護(hù)，如如防風(fēng)、防雨、防雹能力，另外，為了防止鳥(niǎo)糞玷污光伏電池表面引起熱斑反應(yīng)，還需要在方陣頂上特別安裝驅(qū)鳥(niǎo)器。2.3電力電子變換器 變換器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，變換器分直流變換器和交流變換器兩種。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的變換器一般要具備幾種功能：最大功率點(diǎn)跟蹤、蓄電池充電、直流電的升壓或降壓以及逆變。 最大功率點(diǎn)跟蹤控制器。通過(guò)調(diào)劑負(fù)載功率，改變光伏電池板的輸出電壓和電流，是光伏電池板輸出功率最大化。 蓄電池充電控制器。通過(guò)調(diào)劑控制器的輸出電壓和電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池策略的充電控制，有利于有效的利用太陽(yáng)能以及對(duì)蓄電池的保護(hù)。 升降壓變換器。因?yàn)楣夥嚵袑?shí)際的工作電壓跟負(fù)載或者后端逆變器所需電壓不匹配，所以需要對(duì)光伏陣列的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，或升獲降，以滿足負(fù)荷的使用要求。 逆變器。因?yàn)楣夥姵匕l(fā)出的電視直流電，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)是并交流電網(wǎng)運(yùn)行或者給交流負(fù)載供電，那么就需要逆變器進(jìn)行直流交流的變換。2.4 儲(chǔ)能裝置 在獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能裝置是必不可少的。因?yàn)楣夥姵氐妮敵龉β孰S光照強(qiáng)度在變化，當(dāng)夜間或陰雨天時(shí)，光伏電池的輸出功率很小，不能滿足負(fù)載的要求；而白天陽(yáng)光充足時(shí)，光伏電池發(fā)出的電相對(duì)負(fù)載可能有多余的。因此，需要一個(gè)儲(chǔ)能裝置，既可以作為太陽(yáng)能不足時(shí)候的補(bǔ)充，又可以作為多余太陽(yáng)能的存儲(chǔ)。現(xiàn)在可選的儲(chǔ)能方法有很多，如電容器儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能，超能儲(chǔ)能等等，但從方便、可靠?jī)r(jià)格等綜合因素考慮，多數(shù)大中型光伏發(fā)電系統(tǒng)都采用免維護(hù)鉛蓄電池作為儲(chǔ)能元件。但選用鉛蓄電池也有不足之處，鉛蓄電池比較昂貴，初期投資能夠占到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的1/3左右，而鉛蓄電池又是整個(gè)系統(tǒng)中較薄弱的環(huán)節(jié)，因此如果管理不當(dāng)，會(huì)使蓄電池提前失效，增加整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。2.5 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池這種半導(dǎo)體電子器件有效的吸收太陽(yáng)光輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能的直接發(fā)電方式。光伏發(fā)電具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：1)無(wú)污染：零排放，無(wú)任何物質(zhì)及聲、光、電、磁、機(jī)械噪音等“排放”；2)可再生：資源無(wú)限，可直接輸出高品質(zhì)電能，有理想的可持續(xù)發(fā)展屬性；3)資源的普遍性：基本不受地域限制，只是地區(qū)之間有豐富與欠豐富之別；4)機(jī)動(dòng)靈活：發(fā)電系統(tǒng)可按需要以模塊方式集成，可大可小，擴(kuò)容方便；5)通用性、可存儲(chǔ)型：電能可以方便的通過(guò)輸電線路傳輸、使用和存儲(chǔ)；6)分布式電力系統(tǒng)：將提高整個(gè)能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別是從抗御自然災(zāi)害和戰(zhàn)備的角度看，它更具有明顯的意義；7)資源、發(fā)電、用電同一地域：可大幅度節(jié)省遠(yuǎn)程輸變電設(shè)備的投資費(fèi)用；8)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，由于是模塊化安裝，因此可用于小到幾個(gè)毫瓦的太陽(yáng)能計(jì)算器，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站； 9)光伏建筑集成：節(jié)省發(fā)電基地使用的土地面積和費(fèi)用，是目前國(guó)際上研究及發(fā)展的前沿，也是相關(guān)領(lǐng)域科技界最熱門(mén)的話題之一。但目前光伏發(fā)電系統(tǒng)也存在以下幾個(gè)問(wèn)題： 1)光伏陣列發(fā)電效率低； 2)系統(tǒng)的造價(jià)成本高；3)發(fā)電運(yùn)行受氣候環(huán)境因素影響大。4)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)的電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生不良的影響，如諧波污染、孤島效應(yīng)等。第3章 并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的工作原理3.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求作為光伏陣列和交流電網(wǎng)系統(tǒng)間進(jìn)行能量交換的逆變器，其安全性、可靠性、逆變效率、制造成本等因素對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體投資和收益具有舉足輕重的作用。因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)逆變器有如下要求： 1)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電能轉(zhuǎn)換。并網(wǎng)逆變器輸出的電流頻率和相位與電網(wǎng)的必須嚴(yán)格一致，以使輸出功率因數(shù)盡可能的達(dá)到1。2)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)要求。如輸出過(guò)載保護(hù)、輸出短路保護(hù)、輸入反接保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、交流過(guò)壓和欠壓保護(hù)、孤島保護(hù)及裝置自身保護(hù)等，從而確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。3)具有較高的可靠性。目前光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要在一些自然條件惡劣的地區(qū)，所以逆變器應(yīng)在長(zhǎng)時(shí)間的工作條件下保證低故障率，并具有較強(qiáng)的自我診斷能力，因此所設(shè)計(jì)的逆變器應(yīng)具有合理的電路結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格的元器件篩選。4)最大功率的跟蹤。最大限度的利用光伏陣列，提高逆變器的效率。3.2并網(wǎng)逆變器的選擇3.2.1并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)的選擇光伏并網(wǎng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制、電流源電流控制四種方式。以電流源為輸入的逆變器， 直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前并網(wǎng)逆變器普遍采用以電壓源輸入為主的方式。按照輸入直流電源的性質(zhì)，可以將逆變器分為電流型逆變器和電壓型逆變器，結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 電流型、電壓型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖fig.3-1 current model, the voltage type grid inverter structure市電電網(wǎng)可視為容量無(wú)窮大的定值交流電壓源，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出可以控制為電壓源或電流源。如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上就是兩個(gè)交流電壓源的并聯(lián)運(yùn)行，這種情況下要保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，則必須采用鎖相控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)與市電電網(wǎng)同步。在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過(guò)調(diào)整并網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值與相位來(lái)控制系統(tǒng)的有功輸出與無(wú)功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢，并網(wǎng)逆變器輸出電壓值不易精確控制，系統(tǒng)可能出現(xiàn)環(huán)流等問(wèn)題，同樣功率等級(jí)的電壓源并聯(lián)運(yùn)行方式不易獲得優(yōu)異性能。因此光伏并網(wǎng)逆變器的輸出常采用電流控制，此時(shí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上是交流電流源和電壓源的并聯(lián)，只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。這種控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，使用比較廣泛。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即電壓型逆變器。采用電壓型逆變主電路，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂疲趯?shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，可以有效的進(jìn)行光伏發(fā)電、提高供電質(zhì)量和減少功率損耗，而且可以節(jié)省相應(yīng)設(shè)備的投資。3.2.2并網(wǎng)逆變器回路方式的選擇逆變器的主電路結(jié)構(gòu)按照輸出的絕緣形式分為：工頻變壓器絕緣方式、高頻變壓器絕緣方式、無(wú)變壓器方式3種。1)工頻變壓器絕緣方式采用一級(jí)dc/ac主電路，在輸出端接工頻變壓器并網(wǎng)。這種方式既可與電網(wǎng)隔離，同時(shí)又可以將逆變器輸出波形中的直流分量濾去，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染，并且具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能，電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是工頻變壓器體積大，重量重，效率較低。這種方式的逆變器主要用于獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)。2)高頻變壓器絕緣方式是通過(guò)兩級(jí)變換實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變。前級(jí)將直流電壓斬波為高頻脈沖，通過(guò)高頻變壓器升壓后整流，最后通過(guò)逆變器并網(wǎng)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是高頻變壓器體積小，重量輕，大大減小了逆變器的體積和重量。缺點(diǎn)是經(jīng)過(guò)了兩級(jí)結(jié)構(gòu)，效率比較低，且電路和控制方式復(fù)雜。由于高頻電磁干擾嚴(yán)重，需要采用濾波和屏蔽等抑制措施。3)無(wú)變壓器方式是只采用一級(jí)dc/ac變換直接并網(wǎng)。這種方式對(duì)逆變器輸出波形要求較高，直流電壓范圍比較小，但是逆變器整機(jī)的效率卻比較高， 并進(jìn)一步降低了成本。由以上的討論得出，逆變器無(wú)變壓器無(wú)絕緣方式主電路比工頻變壓器絕緣方式復(fù)雜一些，比高頻變壓器絕緣方式簡(jiǎn)單，效率高。此外這種方式?jīng)]有變壓器，體積小、重量輕、成本較低，是到目前為止比較好的一種主電路方式。并且對(duì)于小功率的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，光伏電池陣列的輸出電壓比較低，適合采用無(wú)變壓器方式。3.2.3并網(wǎng)逆變器控制策略的選擇要成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，使光伏并網(wǎng)逆變器在工作時(shí)的功率因數(shù)接近于1，即要求輸出電流為正弦波且與電網(wǎng)電壓同頻同相，輸出電流的控制方式一般有兩種： 電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式和固定開(kāi)關(guān)頻率控制方式。1)電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式示意圖如圖3-2所示的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其外環(huán)是電壓反饋控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)。將電壓pi調(diào)節(jié)器輸出電流幅值指令乘以表示網(wǎng)壓的單位正弦信號(hào)后，得到交流的電流指令，將它與實(shí)際檢測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)電流誤差大于指定的環(huán)寬時(shí)，滯環(huán)比較器產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制逆變器增大或減小輸出電流，使其重新回到滯環(huán)內(nèi)。這樣，使實(shí)際電流圍繞著指令電流曲線上下變化，并且始終保持在一個(gè)滯環(huán)帶中。這種方式中，滯環(huán)的寬度對(duì)電流的跟蹤性能有較大的影響。當(dāng)滯環(huán)寬度較大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率較低，對(duì)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率要求不高，但跟蹤誤差較大，輸出電流中的高次諧波含量較大；當(dāng)滯環(huán)寬度較小時(shí)，跟蹤誤差較小，器件的開(kāi)關(guān)頻率提高，對(duì)器件的開(kāi)關(guān)頻率要求較高。電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式有以下特點(diǎn)： (1)控制方法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快； (2)沒(méi)有斬波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量； (3)若滯環(huán)的寬度固定，電流跟蹤的誤差范圍就會(huì)固定，但電力開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率是變化的，這將導(dǎo)致電流頻譜較寬，增加了濾波器設(shè)計(jì)的難度，可能會(huì)引起間接的諧波干擾。圖3-2電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式示意圖fig.3-2 current hysteresis instantaneous control mode schemes2)固定開(kāi)關(guān)頻率控制方式固定開(kāi)關(guān)頻率控制方式在保留電流跟蹤的動(dòng)態(tài)性能好的基礎(chǔ)上，克服了滯環(huán)控制的開(kāi)關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，控制框圖如圖3-3所示。這種控制方法與電流滯環(huán)控制的區(qū)別在于從電流誤差信號(hào)得到最終控制逆變器的pwm信號(hào)的方式不同。該控制技術(shù)的基本思想是：對(duì)給定參考電壓和逆變器輸出電壓反饋誤差信號(hào)經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器后得到逆變器輸出電流參考控制信號(hào)，然后根據(jù)電流參考信號(hào)和逆變器反饋電流的誤差經(jīng)過(guò)比例放大和三角波進(jìn)行交截可得到正弦脈寬調(diào)制(spwm)信號(hào)，控制功率器件的導(dǎo)通或關(guān)斷。由此可知，該方法中逆變器開(kāi)關(guān)器件的工作頻率等于三角波載波頻率，因此它的工作頻率是固定的。由于載波頻率固定，因此逆變器輸出諧波是固定的，濾波器設(shè)計(jì)相對(duì)于電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式控制簡(jiǎn)單，控制效果較好。固定開(kāi)關(guān)頻率控制方式的特點(diǎn)： (1)跟隨誤差較大；(2)硬件實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜；(3)輸出電壓中諧波量較少，含有與三角波相同頻率的諧波；(4)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率固定的等于三角載波的頻率；圖3-3固定開(kāi)關(guān)頻率電流控制示意圖fig.3-3 fixed switching frequency current control schemes3)改進(jìn)型固定開(kāi)關(guān)頻率控制方式改進(jìn)型固定開(kāi)關(guān)頻率電流控制方式的控制框圖如圖3-4所示。此方法保留了原來(lái)控制策略的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)電流的跟蹤誤差顯著減小。通過(guò)調(diào)整電源電壓的比例系數(shù)來(lái)減小直至消除電源電壓對(duì)電流跟蹤偏差的影響，從而顯著改善了逆變器中電流跟蹤控制的性能。圖3-4改進(jìn)型固定開(kāi)關(guān)頻率控制示意圖fig.3-4 improved fixed switching frequency control schemes3.2.4系統(tǒng)的總體方案經(jīng)過(guò)方案的比較論證，本論文決定采用無(wú)變壓器的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，即前級(jí)的dc/dc變換器和后級(jí)的dc/ac逆變器，兩部分通過(guò)dclink連接。系統(tǒng)的控制部分由以fpga為核心的控制單元完成，另外系統(tǒng)設(shè)計(jì)了輔助電源為控制電路提供電源。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-5所示。圖3-5光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖fig.3-5 photovoltaic (pv) grid power system structure前級(jí)dc/dc變換器，可選擇的形式有降壓式變換電路(buck converter)， 升壓式變換電路(boost converter)，升降壓式變換電路(boostbuck converter)， 庫(kù)克式變換電路(cuk converter)等。由于buck電路的輸入工作在斷續(xù)狀態(tài)下，若不加入儲(chǔ)能電容，光伏陣列的工作時(shí)斷時(shí)續(xù)，不能工作在最佳工作狀態(tài)，加入了儲(chǔ)能電容后，buck電路功率開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)光伏陣列對(duì)儲(chǔ)能電容充電，使太陽(yáng)能電池始終處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)調(diào)節(jié)buck電路占空比才能有效跟蹤最大功率點(diǎn)，因此儲(chǔ)能電容對(duì)于利用buck電路實(shí)現(xiàn)mppt功能是必不可少的，然而在大負(fù)荷情況下，儲(chǔ)能電容始終處于大電流充放電的狀態(tài)，對(duì)其可靠工作不利，同時(shí)由于儲(chǔ)能電容通常為電解電容，增大了mppt裝置的體積，使整個(gè)系統(tǒng)變得笨重。此外，后級(jí)dc/ac 電路為了能得到正常的輸入工作電壓，前級(jí)的輸出電壓不能太低，而光伏陣列的電壓隨著日照等因素變動(dòng)較大，其輸出電壓低時(shí)若通過(guò)buck電路降壓，則逆變器無(wú)法工作，所以不采用buck電路。相比之下，boost變換器可以始終工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，只要輸入電感足夠大，電感上的紋波電流小到接近平滑的直流電流，因此只需加入通量較小的無(wú)感電容甚至不加電容，避免了加電容帶來(lái)的弊端。boost電路簡(jiǎn)單， 功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方便，因此，選用boost升壓電路。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。光伏陣列輸出的額定直流電壓為之間，通過(guò)變換器轉(zhuǎn)換為dclink的直流電。后級(jí)的dc/ac逆變器，采用逆變?nèi)珮颍饔檬菍clink直流電轉(zhuǎn)換為的正弦交流電，實(shí)現(xiàn)逆變向電網(wǎng)輸送功率。dclink的作用除了連接dc/dc變換器和dc/ac逆變器，還實(shí)現(xiàn)了功率的傳遞。圖3-6系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)fig.3-6 system of main circuit topology structure3.3光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理3.3.1前級(jí)電路的工作原理1)電路原理圖boost電路的原理圖如圖3-7所示。boost電路由開(kāi)關(guān)管q1，二極管d，電感，電容c組成。boost電路的作用是將電壓升壓到。，其中，是光伏陣列的輸出電壓，是boost電路的輸出電壓。 圖3-7 boost電路原理圖fig.3-7 boost circuit principle diagram2)工作過(guò)程在每個(gè)斬波周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)管ql導(dǎo)通、關(guān)斷各一次。開(kāi)關(guān)管q1導(dǎo)通時(shí)，等效電路如圖3-8(a)所示，流過(guò)電感l(wèi)的電流為，在電感未飽和前，電流線性增加，電能以磁能的形式儲(chǔ)存在電感l(wèi)中。此時(shí)，由于二極管陽(yáng)極接在電源負(fù)極，二極管關(guān)斷，電容c只能向電阻姓放電，提供電阻電流。當(dāng)二極管關(guān)斷時(shí)，其等效電路如圖2-8(b)所示，由于流過(guò)電感的電流不能突變，電感l(wèi)兩端的電壓極性改變，此時(shí)，電源和電感串聯(lián)，向電容和電阻供電。簡(jiǎn)言之，開(kāi)關(guān)管q1導(dǎo)通時(shí)，二極管反偏，輸出級(jí)隔離，由輸入端向電感提供能量；開(kāi)關(guān)管q1斷開(kāi)時(shí)，輸出級(jí)吸收來(lái)自電感和輸入端的能量。圖3-8 boos電路的工作過(guò)程fig.3-8 the working process of the boos circuit根據(jù)上述分析，列出工作過(guò)程中的關(guān)系表達(dá)式如下： (3-1)式中，為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)周期；為占空比；為開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間；為開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間。整理后得 (3-2) 3)工作原理根據(jù)電感電流在周期開(kāi)始是否從零開(kāi)始，是否連續(xù)，可分為連續(xù)的工作狀態(tài)或不連續(xù)的工作狀態(tài)兩種模式。由于電路在斷續(xù)工作時(shí)，電感電流的不連續(xù)意味著光伏陣列輸出的電能在每個(gè)周期內(nèi)都有一部分被浪費(fèi)了，而且紋波也會(huì)大些。因此一般把boost電路設(shè)計(jì)為連續(xù)導(dǎo)通的工作狀態(tài)。3.3.2后級(jí)電路的工作原理1)電路原理圖光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器采用單相全橋逆變器結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3-9所示。圖3-9單相全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)fig.3-9 single-phase bridge inverter topological structure2)工作原鯉如圖3-9所示是單相全橋并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖，其中是電網(wǎng)電壓，是輸入的恒定的直流電壓，是逆變器的輸出電壓，是從逆變器輸出到電網(wǎng)的電流。為交流輸出電感，為直流測(cè)支撐電容，即前級(jí)boost 電路的輸出電容，是主開(kāi)關(guān)管，是其反并聯(lián)二極管。對(duì)四個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢哉{(diào)節(jié)電流為正弦波，并且與電網(wǎng)電壓保持同相位。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要求在并網(wǎng)逆變器的輸出側(cè)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，波形為正弦波，輸出電流與網(wǎng)壓同頻同相，其控制策略與一般獨(dú)立的電壓型逆變器的控制策略有所不同，如圖3-9中，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件上都反并聯(lián)一個(gè)二極管，起著續(xù)流的作用。交流側(cè)電感的作用在于： (1)有效抑制輸出電流的過(guò)分波動(dòng)； (2)將開(kāi)關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的高頻電流成分濾除； (3)由于輸出電感的存在，輸出電流的基波分量式。在其上產(chǎn)生一個(gè)電壓，這樣，變換器的輸出電壓的基波和電網(wǎng)電之間將產(chǎn)生一個(gè)位移量，通過(guò)pwm控制開(kāi)關(guān)器件使變換器的輸出電壓滿足上述的矢量關(guān)系，這樣在理論上可以實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。本論文采用脈寬調(diào)制方式，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間， 實(shí)現(xiàn)能量從并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)傳遞，達(dá)到輸出功率因數(shù)為l的目的。第4章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)逆變部分是整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，逆變部分包括：主電路、控制電路和保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路及輸出濾波電路四部分。其中主電路主要完成能量變換，吸收電路軟化開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)曲線；控制電路完成對(duì)輸出電流的控制以滿足并網(wǎng)的要求；保護(hù)電路主要對(duì)各種故障進(jìn)行保護(hù)；驅(qū)動(dòng)電路是功率主電路和控制電路的接口電路；輸出濾波電路主要濾除高次諧波，提高輸出波形的質(zhì)量。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)是：輸入電壓范圍為10v21v，額定輸出電流為1a，額定功率為20w，太陽(yáng)能電池板典型工作電壓16.5v，并網(wǎng)電壓為220v。4.1主電路的設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器的主電路采用單相全橋主電路，通過(guò)對(duì)逆變器進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲?可使交流側(cè)電流接近于正弦波，功率因數(shù)可為單位功率因數(shù)。開(kāi)關(guān)管mos管的選擇主要考慮以下幾個(gè)方面： 1)電壓容量：在mos晶體管工作過(guò)程中，d、s兩端的電壓峰值不應(yīng)超過(guò)mos管的最高耐壓值，否則，器件將被過(guò)壓擊穿而損壞； 2)電流容量：在mos管工作時(shí)，集電極峰值電流必須處在mos管開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)以內(nèi)(小于2到3倍額定電流)； 3)散熱要求：mos管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的開(kāi)關(guān)損耗而使器件發(fā)熱， 因而在考慮選擇器件時(shí)必須綜合考慮裝置的散熱條件。分別從以上三個(gè)方面考慮，在本系統(tǒng)中mos管的ds兩端承受的電壓為直流20v，考慮到器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓峰值的影響，選取一定的電壓裕量，因而選取mos管的耐壓值為600v；電流方面，單相全橋的額定工作電流為1a，因而為了保護(hù)系統(tǒng)的工作安全，對(duì)開(kāi)關(guān)管電流選取了較大的裕量， 取額定電流為5a；散熱方面，為了保證開(kāi)關(guān)管的充分散熱，采用添加散熱器的措施。4.2控制電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.2.1電流采樣電路電流采樣方法有電流互感器、霍爾元件和直接電阻采樣。采用霍爾元件采樣，控制和主功率電路有隔離，可以檢測(cè)出直流信號(hào)，信號(hào)還原性好，但有延遲，并且價(jià)格比較貴；電流互感器具有能耗小、頻帶寬、信號(hào)還原性好、價(jià)格便宜、控制和主功率電路隔離等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是磁芯容易飽和；采用電阻采樣價(jià)格非常便宜，還原性好，在小功率的情況下，由于檢測(cè)電阻小，功耗也就比較小。圖4-1為電流采樣電路圖，足上的電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)同相比較放大器，得到了檢測(cè)出的電壓信號(hào)的表達(dá)式： (4-1）式(4-1)中，為需要檢測(cè)的電流，為檢測(cè)出的電壓信號(hào)。圖4-1電流采樣電路圖fig.4-1 current sampling circuit diagram4.2.2并網(wǎng)同步的實(shí)現(xiàn)根據(jù)電流控制型并網(wǎng)逆變器原理，為使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的有功功率輸出達(dá)到最大，必須控制輸出電流的頻率和相位，使它們與電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同步。所以電網(wǎng)相位的跟蹤是必須解決的問(wèn)題，一般采用鎖相環(huán)(pll)實(shí)現(xiàn)。1)鎖相環(huán)的原理與實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)是指能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)頻率與相位的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。目前傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)(analog plslapll)主要由鑒相器(pd)、環(huán)路濾波器(lf) 和壓控振蕩器(vco)組成。鑒相器的輸入是電網(wǎng)電壓的采樣信號(hào)和壓控振蕩器的輸出，鑒相器的輸出為誤差信號(hào)，該信號(hào)為和相位差的線性函數(shù)。環(huán)路濾波器濾除中的高頻信號(hào)后得到，再由來(lái)控制壓控振蕩器來(lái)改變輸出信號(hào)的頻率和相位來(lái)逼近的頻率和相位。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)， 輸出信號(hào)和輸入信號(hào)同頻同相。2)同步信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)在進(jìn)行逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓同步的過(guò)程中，fpga需要采集電網(wǎng)電壓信號(hào)的相位，由于fpga芯片只能采集ttl電平信號(hào)，所以需要輔助的硬件電路將電網(wǎng)的正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值為3.3v的方波信號(hào)，該方波信號(hào)和正弦波電壓信號(hào)具有相同的過(guò)零點(diǎn)，即在電網(wǎng)電壓上升過(guò)零點(diǎn)處，方波信號(hào)變成高電平。本論文采用的硬件電路如圖4-2所示。圖4-2中的電壓傳感器將電網(wǎng)電壓變成同相位的弱電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器，即可得到與電網(wǎng)電壓同相位的ttl方波信號(hào)，如圖4-2所示。得到的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離和電平轉(zhuǎn)換后，將幅值為3.3v的方波信號(hào)送到fpga芯片的捕獲引腳cap4上，捕獲單元在檢測(cè)到上升沿時(shí)觸發(fā)中斷，進(jìn)行鎖相。實(shí)驗(yàn)波形圖如圖4-3所示。圖4-2電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成ttl脈沖信號(hào)的硬件電路fig.4-2 the network voltage conversion to ttl pulse signal of the hardware circuit圖4-3電網(wǎng)電壓及ttl脈沖信號(hào)波形fig.4-3 the network voltage and pulse signal waveform ttl4.2.3 spwm波的產(chǎn)生1)spwm波生成的流程圖spwm波的產(chǎn)生可以通過(guò)硬件電路生成或通過(guò)軟件編程生成。通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)spwm波的方法往往電路復(fù)雜，控制精度難以保證。而用軟件編程的方法由于是采用數(shù)字控制方式，可以獲得調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)越的控制效果，但是要求中央處理器的運(yùn)算速度快，運(yùn)算能力強(qiáng)。fpga具有高速優(yōu)異的運(yùn)算功能和功能強(qiáng)大的pwm波發(fā)生模塊，本論文采用軟件編程的方法生成spwm波。spwm調(diào)制信號(hào)生成說(shuō)明如圖4-4所示。圖4-4 spwm調(diào)制信號(hào)生成說(shuō)明fig.4-4 modulation signal generation instruction通過(guò)軟件編程的方法來(lái)生成spwm波，其原理是基于正弦控制波和三角載波相交以確定開(kāi)關(guān)通斷時(shí)刻。用軟件生成spwm波一般有兩種方法：查表法和計(jì)算法。查表法，即離線計(jì)算出對(duì)應(yīng)的脈寬數(shù)據(jù)，寫(xiě)入eprom，實(shí)際控制時(shí)， 由fpga通過(guò)查表和加減運(yùn)算得到脈寬和間隔時(shí)間，以此控制功率器件的開(kāi)通時(shí)間。計(jì)算法，即根據(jù)理論推導(dǎo)出脈寬函數(shù)表達(dá)式，由fpga在實(shí)際控制時(shí)實(shí)時(shí)在線計(jì)算，以獲得相應(yīng)的脈寬和間隔時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，前者將占用大量存儲(chǔ)空間， 而后者則需大量的運(yùn)算時(shí)間。本論文采用的是查表法來(lái)生成spwm波。2)死區(qū)的概念及生成在電機(jī)控制和功率電子應(yīng)用場(chǎng)合中，兩個(gè)功率器件(上臂和下臂)被串聯(lián)放在一個(gè)功率轉(zhuǎn)換支路中，為避免直通，兩器件的開(kāi)通周期必須不能重疊，這就需要一對(duì)非重疊的pwm輸出來(lái)正確的控制這兩個(gè)器件。在一個(gè)開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷和另一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通之間要插入一個(gè)時(shí)間間隔，即死區(qū)時(shí)間。這段延遲是由開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性和負(fù)載特性決定的。設(shè)計(jì)死區(qū)單元的目的是在任何情況下，確保上臂器件和下臂器件的開(kāi)通時(shí)間沒(méi)有重疊。對(duì)每一個(gè)輸入信號(hào)phx，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)輸出信號(hào)dtphx和dtphx， 波形圖如圖4-5所示。當(dāng)比較單元和相關(guān)輸出的死區(qū)未被使能時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)是相同的。當(dāng)死區(qū)被允許用于比較單元時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換邊沿被一個(gè)稱為死區(qū)的時(shí)間間隔分開(kāi)，這個(gè)時(shí)間間隔稱為死區(qū)時(shí)間，大小由死區(qū)控制寄存器dbtcon中的相應(yīng)位設(shè)定。圖4-5死區(qū)功能波形圖fig.4-5 dead zone function waveform figure1)過(guò)熱保護(hù)通過(guò)功率開(kāi)關(guān)器件的電流雖沒(méi)有超過(guò)其額定電流，但若散熱條件變差，其結(jié)溫同樣會(huì)急劇上升。若結(jié)溫超過(guò)其額定結(jié)溫，功率開(kāi)關(guān)器件也會(huì)燒壞。因此有必要設(shè)置結(jié)溫保護(hù)。一方面給開(kāi)關(guān)管加散熱片和給系統(tǒng)加裝風(fēng)扇，以降低開(kāi)關(guān)管和系統(tǒng)溫度。另一方面，在散熱片靠近功率器件的地方加裝一個(gè)常閉繼電器，當(dāng)散熱片溫度超過(guò)允許溫度時(shí)，繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，控制電路檢測(cè)到觸點(diǎn)斷開(kāi)就使主電路停止工作。由于溫度變化比較慢，故可以在主程序中采用查詢方式進(jìn)行處理。 2)短路電流保護(hù)當(dāng)出現(xiàn)短路電流時(shí)，要求系統(tǒng)能快速保護(hù)。本論文中對(duì)大于3倍額定電流的大電流采用硬件過(guò)流保護(hù)，對(duì)于小于3倍額定電流的電流在軟件中做過(guò)載保護(hù)處理。4.3驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路是指將fpga輸出的pwm進(jìn)行放大、隔離，從而可以安全驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的電路。驅(qū)動(dòng)電路采用ir公司的專用驅(qū)動(dòng)芯片ir2110。ir2110是一款高電壓、高速的功率mosfet驅(qū)動(dòng)芯片，邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)cmos或lsttl集成電路兼容。4.4輸出濾波電路輸出濾波器采用電路，作用是濾除逆變橋輸出spwm波中的高次諧波分量。表面看起來(lái)好像濾波參數(shù)越大，系統(tǒng)輸出波形越好，實(shí)際上，濾波時(shí)間常數(shù)越大，不僅濾波電路的體積和重量過(guò)大，而且濾波電路引起的相位滯后變大，采用閉環(huán)波形反饋控制時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。相反，濾波參數(shù)選的過(guò)小，系統(tǒng)中的高頻分量反而起不到很好的抑制，輸出電壓不能滿足波形失真度的要求。因此，選擇濾波器參數(shù)時(shí)，要綜合考慮這兩方面的因素，分別確定濾波電感和濾波電容的值。如果電感選取過(guò)大，可以減小流過(guò)電感的電流紋波，相應(yīng)減小了流過(guò)功率管的峰值電流，減小了開(kāi)關(guān)器件的功率損耗，此外還會(huì)影響輸出電流的跟蹤速度，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)慢，降低穩(wěn)態(tài)精度；而電感選取過(guò)小，則使得輸出電流的開(kāi)關(guān)紋波加大，必然增大磁滯損耗，同時(shí)也使波形變差，增大輸出電流波形的thd。電感設(shè)計(jì)首先滿足電流上升率的要求：，其中為電流輸出的最大變化率；根據(jù)電流最大紋波的限制，可以得到電感量的最小值， 通過(guò)這兩個(gè)約束條件可得出最佳的電感量。濾波電容選得大可以減小波形的thd，但會(huì)相應(yīng)增加電感中的紋波電流， 而濾波電容太小則會(huì)影響輸出波形的thd。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，先根據(jù)上面提到的方法確定濾波電感值，再按照濾波器截止頻率的的原則，來(lái)確定濾波電容的值，并且在調(diào)試過(guò)程中再做調(diào)整，多憑經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)選取。4.5輔助電源設(shè)計(jì)為了給光伏并網(wǎng)逆變器的控制電路、信號(hào)采集電路及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路等提供各種工作電源，需要設(shè)計(jì)一個(gè)與主逆變電路隔離的輔助電源。輔助電源的輸入電壓為光伏陣列輸出的直流電，輸出的電壓分別為+15v、-15v、+5v、5v。輔助電源的設(shè)計(jì)要求1)輸入電壓：50170v 2)輸出電壓：+15v、15v、+5v、3)輸出電壓波動(dòng)小于根據(jù)上述的設(shè)計(jì)要求，實(shí)際可用選擇采用采用hv9120芯片進(jìn)行輔助電源設(shè)計(jì)。超科公司開(kāi)發(fā)的hv9120芯片是開(kāi)關(guān)電源控制器子系統(tǒng)， 可以啟動(dòng)和運(yùn)行幾乎所有的直接直流輸入，例如由220v的交流電經(jīng)過(guò)整流和濾波后得到的12v直流電。除了開(kāi)關(guān)、磁組、輸出整流和濾波器，hv9120芯片包含了構(gòu)造單管開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器所需的基本元件。hv9120芯片主要用于控制具有任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和型號(hào)的單管開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，這類轉(zhuǎn)換器一般是低功耗，工作在不連續(xù)狀態(tài)的回掃式轉(zhuǎn)換器。4.6系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)逆變器工作本身會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，這些干擾通過(guò)電磁場(chǎng)輻射形式或通過(guò)供電線路耦合至控制系統(tǒng)中，不僅會(huì)對(duì)周邊的電子設(shè)備產(chǎn)生很大的影響， 而且會(huì)造成輸出的正弦波形畸變，使電能質(zhì)量下降，給發(fā)電和供電設(shè)備及用戶用電設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重危害。因此，必須采取相應(yīng)的抗干擾措施。電磁兼容(electromagnetic compatibilityemc)是指電子設(shè)備和電源在一定的電磁干擾環(huán)境下正?？煽抗ぷ鞯哪芰Γ瑫r(shí)也是電子設(shè)備和電源限制自身產(chǎn)生電磁干擾和避免干擾周圍其它電子設(shè)備的能力。本論文從硬件和軟件兩方面考慮，采取措施來(lái)解決電磁干擾問(wèn)題。4.6.1硬件方面考慮綜合來(lái)說(shuō)，電子電路所受干擾的程度有以下三個(gè)方面決定： 1)干擾源的強(qiáng)度； 2)干擾傳播途徑的耦合因素； 3)電子電路的抗干擾能力。這給我們提供一個(gè)解決問(wèn)題的指導(dǎo)思想：抑制干擾源；切斷傳播途徑；提高電子電路的抗干擾能力。首先，從干擾源的抑制開(kāi)始。對(duì)于外界電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾，我們無(wú)法抑制，只能減少自身產(chǎn)生的干擾。采取的措施有： 1)選擇較大的柵極驅(qū)動(dòng)電阻，增加mosfet的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間； mosfet集電極、發(fā)射極之間接有吸收電路。這些措施大大降低了mosfet開(kāi)通關(guān)斷時(shí)的電壓電流變化率，從而減少了干擾源的強(qiáng)度。2)在控制電路中使用了磁珠和磁環(huán)。磁珠和磁環(huán)專用于抑制信號(hào)線、電源線上的噪聲和尖峰干擾。它們的吸收能力是用其阻抗特性來(lái)表征的。在低頻段， 它們呈現(xiàn)出非常低的感性阻抗值，不影響數(shù)據(jù)線或信號(hào)線上的有用信號(hào)的傳輸。在高頻段，從100mhz左右開(kāi)始，阻抗增大，其感抗分量仍保持很小，電阻分量卻迅速增加，將高頻段電磁干擾能量以熱能形式吸收并耗散。3) 部分逆變得到的交流電，在經(jīng)過(guò)變壓器后，需要整為直流，整流二極管為快恢復(fù)二極管，但在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，仍舊有電壓尖峰的出現(xiàn)。因此，在變壓器的原邊和副邊加吸收電路，抑制了過(guò)電壓的同時(shí)，也削弱了干擾源。4.6.2軟件方面考慮1)在硬件的濾波措施存在的情況下，軟件中采取邏輯判斷措施對(duì)電壓同步信號(hào)濾波； 2)對(duì)于系統(tǒng)計(jì)算的中間變量和結(jié)果都進(jìn)行范圍限制，不允許關(guān)鍵數(shù)據(jù)出錯(cuò)， 以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 3)系統(tǒng)開(kāi)始正常工作后，在同步中斷子程序中，對(duì)同步進(jìn)行軟件濾波，如果不滿足條件，正弦表的偏移地址不允許復(fù)位； 4)在讀取采樣結(jié)果時(shí)，增加等待時(shí)間，并且查看采樣狀態(tài)寄存器的狀態(tài)，以確保讀取正確的采樣結(jié)果。4.7光伏并網(wǎng)逆變器的仿真建模經(jīng)過(guò)第三章的分析，本文確定了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器控制采用固定開(kāi)關(guān)頻率的pwm控制方法，電壓反饋信號(hào)與給定的電壓參考信號(hào)比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)pi調(diào)節(jié)后作為給定電流參考信號(hào)，電流反饋信號(hào)與給定的電流參考信號(hào)比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，經(jīng)pi調(diào)節(jié)后與固定頻率的三角波比較產(chǎn)生spwm 控制脈沖后，經(jīng)隔離、放大后作為開(kāi)關(guān)管的門(mén)極脈沖。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用的雙閉環(huán)方式，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，由電壓環(huán)和電流環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)有效的保證了對(duì)輸出電壓、電流波形和幅值的要求，具有控制的物理意義明確，易于軟件實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。為了防止橋臂發(fā)生直通，在電路中設(shè)置了相應(yīng)的死區(qū)。三角波的載波頻率是10khz，而逆變器本身的輸出頻率比較低，因此在忽略開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間的前