畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告(逆變器設(shè)計(jì))

1、800w微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告題目：800w微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì) 的統(tǒng)的學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)0807020313教學(xué)院系電氣信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)年級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化2008級(jí)指導(dǎo)教師王洪誠(chéng)職稱(chēng)教授單位西南石油大學(xué)71 設(shè)計(jì)目的與意義1.1 目的與意義逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220v/50hz正弦或方波）。中小功率逆變器是戶(hù)用獨(dú)立交流光伏系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)之一，其可靠性和效率對(duì)推廣光伏系統(tǒng)、有效用能、降低系統(tǒng)造價(jià)至關(guān)重要，因而各國(guó)的光伏專(zhuān)家們一直在努力開(kāi)發(fā)適于戶(hù)用的逆變電源，以促使該行業(yè)更好更快地發(fā)展。本論文根據(jù)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一臺(tái)額定功率為8

2、00w的微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器。該并網(wǎng)逆變器能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和實(shí)現(xiàn)反孤島效應(yīng)控制功能，控制部分采用tms320f240型dsp作為電流跟蹤方案，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同步的正弦電流輸出。1.2 現(xiàn)狀目前我國(guó)在小功率逆變器上與國(guó)際處于同一水平，在大功率并網(wǎng)逆變器上，合肥陽(yáng)光電源大功率逆變器2005年已經(jīng)批量向國(guó)內(nèi)、國(guó)際供貨。該公司250kw、500kw等大功率產(chǎn)品都取得了國(guó)際、國(guó)內(nèi)認(rèn)證，部分技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)超過(guò)國(guó)外產(chǎn)品水平，并在國(guó)內(nèi)西部荒漠、世博會(huì)、奧運(yùn)場(chǎng)館等重點(diǎn)項(xiàng)目上運(yùn)行，效果良好。逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。根據(jù)采用隔離變壓器的類(lèi)型，并網(wǎng)逆

3、變可分為低頻環(huán)節(jié)、高頻環(huán)節(jié)以及非隔離型并網(wǎng)逆變低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器采用工頻變壓器作為與電網(wǎng)的接口，因此存在體積和重量大、音頻噪音大的缺點(diǎn)；而非隔離型并網(wǎng)在一些國(guó)家禁止使用，因此現(xiàn)在普遍采用直接掛在電網(wǎng)上運(yùn)行的高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器。光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器是非常重要的部件，決定著系統(tǒng)的效率以及輸出電流波形的質(zhì)量。逆變器的拓?fù)溆泻芏喾N，其中最常用的是全橋結(jié)構(gòu)。為了降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本，現(xiàn)在許多國(guó)家都在不遺余力的對(duì)高效逆變器進(jìn)行研究。目前國(guó)際上一些知名公司的逆變器產(chǎn)品整機(jī)效率已經(jīng)可以達(dá)到93%95%。2 設(shè)計(jì)任務(wù)概況任務(wù)要求（1）完成電氣原理圖設(shè)計(jì)；（2）完成元器件參數(shù)計(jì)算和選型，列出設(shè)備選擇清單；（3）

4、利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件完成部分安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)；（4）完成設(shè)計(jì)報(bào)告，提交裝訂規(guī)范的書(shū)面設(shè)計(jì)報(bào)告和電子文檔。 技術(shù)指標(biāo)逆變器額定輸出功率： ；逆變器輸出單相交流電壓：； 逆變器輸出單相交流電壓：；光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入直流電壓：。3 設(shè)計(jì)方案與論證3.1逆變器主電路設(shè)計(jì)太陽(yáng)能蓄電池一般是電壓源，因此逆變器的主電路采用電壓型。在與外網(wǎng)相聯(lián)時(shí)，為電壓型電流控制方式。在外電網(wǎng)停電時(shí)，獨(dú)立運(yùn)行為電壓型電壓控制方式。已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用的光伏并網(wǎng)逆變器回路方式主要有3種：工頻變壓器絕緣方式、高頻絕緣變壓器和無(wú)變壓器形式。根據(jù)這3種回路方式，可以將現(xiàn)在的光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為3類(lèi)，即工頻變壓器絕緣的單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高頻變壓

5、器絕緣的多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無(wú)變壓器的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本報(bào)告設(shè)計(jì)兩種逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：工頻變壓器絕緣的單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無(wú)變壓器絕緣的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)方案論證決定最終滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的最佳800w微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)方案。方案一采用工頻變壓器形式主電路設(shè)計(jì)的逆變器主電路如圖1所示。圖1 工頻變壓器形式逆變器主電路這種工頻變壓器形式的逆變器是在單相電壓型全橋逆變電路輸出加一個(gè)變壓器，然后并入電網(wǎng)。光伏發(fā)電的系統(tǒng)輸入直流電壓為100170v，二極管vd的單向?qū)ㄌ匦钥梢苑乐构夥l(fā)電系統(tǒng)斷電后電流逆流。電容c1起到平波作用，使得直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。單相橋式逆變電路，共有四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂

6、由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成，功率器件為全控型開(kāi)關(guān)器件。二極管起到反饋與續(xù)流的作用。把橋臂1和4作為一對(duì)，橋臂2和3作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180o。單級(jí)式逆變器在逆變環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)mppt的功能，由于逆變電路產(chǎn)生的交流電壓過(guò)低，需要變壓器來(lái)升壓，以達(dá)到合適的并網(wǎng)電壓。在本文設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽(yáng)能光伏陣列輸出的直流電壓在100170v。然后通過(guò)單相橋式逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變，將直流母線(xiàn)的電壓轉(zhuǎn)換成正弦波電流，向電網(wǎng)輸送功率，并在逆變環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制的功能。控制芯片采用ti公司的tms320f240數(shù)字信號(hào)處理器，其高速的計(jì)算能力可以保證實(shí)時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)，并

7、向電網(wǎng)輸出高品質(zhì)電流。方案二采用無(wú)變壓器形式主電路設(shè)計(jì)的逆變器電路圖如圖2所示。圖2 無(wú)變壓器形式逆變器主電路無(wú)變壓器形式逆變器主電路由兩級(jí)電路組成，dc-dc電路和dc-ac逆變電路。在dc-dc變換器中，buck和boost電路的效率最高，而效率對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器是非常重要的，所以在此升壓部分選擇boost電路，boost電路負(fù)責(zé)最大功率跟蹤控制并把太陽(yáng)能光伏陣列的輸出電壓升高至某一數(shù)值，確保逆變部分輸入電壓的穩(wěn)定和降低損耗。dc-ac部分仍采用單相橋式逆變電路，橋式逆變電路共有四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控期間和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成，二極管起到反饋與續(xù)流的作用；功率器件為全控型開(kāi)關(guān)器件。把

8、橋臂1和4作為一對(duì)，橋臂2和3作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180o，將直流電逆變?yōu)楹线m的交流電，輸出與電網(wǎng)同頻同相的電流。在本文設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽(yáng)能光伏陣列輸出的直流電壓在100170v，經(jīng)boost電路升至合適值，并實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能。然后通過(guò)單相橋式逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變，將直流母線(xiàn)的電壓轉(zhuǎn)換成正弦波電流，向電網(wǎng)輸送功率?？刂菩酒捎胻i公司的tms320f240數(shù)字信號(hào)處理器，其高速的計(jì)算能力可以保證實(shí)時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)，并向電網(wǎng)輸出高品質(zhì)電流。方案比較與選擇工頻變壓器形式逆變器優(yōu)點(diǎn)：由于只有一個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高；采用工頻變壓器進(jìn)行絕緣和變壓，具有良好的抗雷

9、擊和消除尖波的性能。缺點(diǎn)主要有：為了追求效率、減少空載損耗，工頻變壓器的工作磁通密度選的比較低，因此質(zhì)量大，約占逆變器的總質(zhì)量的50%左右，逆變器外形尺寸也比較大；系統(tǒng)需要較高的直流輸入，提高了系統(tǒng)成本；對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤沒(méi)有設(shè)立獨(dú)立的控制操作，使得系統(tǒng)可靠性降低、音頻噪音大；由于單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要在逆變環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制和逆變并網(wǎng)，控制對(duì)象之間的相互耦合增加了算法的設(shè)計(jì)難度。無(wú)變壓器形式逆變器優(yōu)點(diǎn)：由于沒(méi)有采用工頻變壓器進(jìn)行隔離，這種拓?fù)渚哂畜w積小、重量輕，效率高，成本低的優(yōu)點(diǎn)；不采用變壓器進(jìn)行輸入與輸出絕緣，只要采取適當(dāng)措施，同樣可以保證主電路和控制電路運(yùn)行的安全性；比工頻變壓器形式

10、主電路要復(fù)雜一些，但是適應(yīng)輸入直流電壓范圍寬，有利于與太陽(yáng)蓄電池匹配；盡管由于天氣等因素使太陽(yáng)蓄電池輸出電壓發(fā)生變化，但有了升壓部分，可以保證逆變器部分輸入電壓比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)主要是在某些要求隔離的場(chǎng)合不適宜使用。本論文是設(shè)計(jì)一個(gè)800w微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器，是一個(gè)小功率并網(wǎng)應(yīng)用，由于太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓較低，不便于直接進(jìn)行逆變并網(wǎng)，在boost升壓電路更易于實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。通過(guò)比較兩種設(shè)計(jì)方案各自的特點(diǎn)，決定采用無(wú)變壓器形式的逆變器設(shè)計(jì)方案。3.2最大功率跟蹤控制mppt最大功率跟蹤是當(dāng)前采用較為廣泛的一種光伏陣列功率點(diǎn)控制方式。mppt的實(shí)質(zhì)是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出效率，采用

11、一定的控制算法，以跟蹤光伏陣列最大功率工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率輸出。目前mppt控制有很多實(shí)現(xiàn)方式，如定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法、導(dǎo)納增量法、最有梯度法、模糊邏輯控制方法等，它們實(shí)現(xiàn)mppt控制的基本原理都是類(lèi)似的，但算法各有差異。采用定電壓跟蹤法的優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，可靠性高；系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)振蕩，有很好的穩(wěn)定性。采用定電壓跟蹤法的缺點(diǎn)：控制精度差，特別是對(duì)于四季溫差變化劇烈的地區(qū)；必須人工干預(yù)才能良好運(yùn)行，更難以預(yù)料風(fēng)、沙等因素的影響。采用擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)：概念清晰，易于實(shí)現(xiàn)，算法簡(jiǎn)單；對(duì)參數(shù)檢測(cè)的精度要求也不高，在日照變化不是很劇烈的情況下具有較好的mppt控制效果。采用擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法的缺點(diǎn)

12、：由于該方法始終對(duì)mppt電路施加擾動(dòng)，因此光伏器件的輸出功率只能工作在最大功率點(diǎn)附近，這樣的振蕩將會(huì)帶來(lái)持續(xù)的功率損失。通過(guò)比較兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法來(lái)實(shí)現(xiàn)mppt控制。3.3反孤島效應(yīng)控制孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而脫離電網(wǎng)，使太陽(yáng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周?chē)呢?fù)載組成的一個(gè)電力公司無(wú)法掌握的自給供電孤島。一般來(lái)說(shuō)，孤島效應(yīng)可能對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶(hù)造成不利影響，包括并網(wǎng)逆變器持續(xù)供電可能危及電網(wǎng)線(xiàn)路的維護(hù)人員的生命安全。孤島效應(yīng)的檢測(cè)方法一般分為兩類(lèi)，即被動(dòng)檢測(cè)法和主動(dòng)檢測(cè)法。被動(dòng)檢測(cè)法一般是利用檢測(cè)電網(wǎng)的某

13、些狀態(tài)參量(電壓、頻率等)作為電網(wǎng)是否故障的判斷依據(jù)。電網(wǎng)失電后，負(fù)載電壓及頻率均不穩(wěn)定，從而可以判斷孤島效應(yīng)是否發(fā)生。但是在源負(fù)載功率基本接近時(shí)，斷電后負(fù)載的電壓和頻率變化很小，被動(dòng)檢測(cè)法就會(huì)失效。主動(dòng)檢測(cè)法是由并網(wǎng)逆變器定時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào)，然后觀(guān)察電網(wǎng)是否受影響作為判斷電網(wǎng)是否故障的依據(jù)。當(dāng)發(fā)生孤島情況時(shí)，主動(dòng)擾動(dòng)將造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。即使光伏電源的功率與局部電網(wǎng)負(fù)載的功率平衡時(shí)，也會(huì)通過(guò)擾動(dòng)破壞功率平衡，造成系統(tǒng)的電壓、頻率有明顯變化而檢測(cè)出孤島效應(yīng)。通過(guò)比較選擇主動(dòng)檢測(cè)法來(lái)實(shí)現(xiàn)反孤島效應(yīng)。4 預(yù)期結(jié)果（1）如期完成開(kāi)題報(bào)告、開(kāi)題答辯和答辯以后的整改；（2）按照任務(wù)要求完成800w微型光伏發(fā)

14、電并網(wǎng)逆變器的電氣原理圖設(shè)計(jì)及其參數(shù)計(jì)算、元器件的參數(shù)和型號(hào)選擇；（3）提出設(shè)備需要清單，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件完成部分電路的安裝和調(diào)試；（4）按照西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫(xiě)規(guī)范的要求和格式，按時(shí)完成設(shè)計(jì)報(bào)告，完成設(shè)計(jì)報(bào)告，提交按照要求裝訂規(guī)范的報(bào)告和電子文檔。5 可能的遇到的困難與對(duì)策對(duì)于并網(wǎng)逆變器的了解還不夠深入，其中的許多概念、理論、技術(shù)知識(shí)和注意事項(xiàng)沒(méi)有全面了解，這就可能造成在對(duì)逆變器電路元件的參數(shù)及型號(hào)確定時(shí)考慮不夠周全，造成參數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤和型號(hào)錯(cuò)用。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中多查閱關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)書(shū)籍資料，向老師請(qǐng)教和多與進(jìn)行同種類(lèi)型設(shè)計(jì)題目的同學(xué)交流、相互學(xué)習(xí)

15、。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)的逆變器控制部分要采用tms320f240型dsp作為電流跟蹤方案，但自己對(duì)tms320f240型dsp不夠了解，對(duì)于其具體工作原理不清楚，在對(duì)逆變器控制電路的設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)造成很多困擾；設(shè)計(jì)任務(wù)還要求實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤mppt控制，對(duì)于控制方法的具體實(shí)現(xiàn)不清楚；任務(wù)還要求實(shí)現(xiàn)反孤島效應(yīng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)反孤島效應(yīng)的具體控制方法不清楚，所以要自學(xué)相關(guān)內(nèi)容，及時(shí)向老師請(qǐng)教。任務(wù)要求對(duì)設(shè)計(jì)方案完成電路的安裝調(diào)試，但由于實(shí)驗(yàn)條件限制和本人設(shè)計(jì)過(guò)程中的元器件參數(shù)計(jì)算可能出現(xiàn)較大誤差，安裝調(diào)試效果可能不會(huì)很好。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡力將電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)及其型號(hào)確定誤差降到最小，盡最大

16、努力完成部分電路的安裝和調(diào)試。6 時(shí)間進(jìn)程安排根據(jù)學(xué)校和專(zhuān)業(yè)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的總體要求，通過(guò)對(duì)體目設(shè)計(jì)內(nèi)容的分析和自己的實(shí)際情況，對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)做如下安排，見(jiàn)表1。表1 設(shè)計(jì)（論文）的進(jìn)程安排序 號(hào)設(shè)計(jì)（論文）各階段內(nèi)容起止日期1根據(jù)開(kāi)題答辯結(jié)果完成整改，參考中外文資料完成逆變器電氣原理圖設(shè)計(jì)和相關(guān)參數(shù)計(jì)算，提出元器件采購(gòu)清單2012.4.16-2012.4.232修改完善設(shè)計(jì)，制定安裝制作方案并根據(jù)元器件采購(gòu)到貨情況開(kāi)始硬件電路安裝，完成外文資料翻譯2012.4.24-2012.5.53根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，完成安裝調(diào)試，解決調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題，記錄安裝調(diào)試結(jié)果2012.5.6-2012.5.124測(cè)試調(diào)

17、試結(jié)果并與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較，修改參數(shù)或者測(cè)試方案完善調(diào)試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整理設(shè)計(jì)資料，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告2012.5.13-2012.5.235修改完成設(shè)計(jì)報(bào)告，打印裝訂全部設(shè)計(jì)文件，按照規(guī)定和要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)資料（含電子文檔），準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯和答辯，根據(jù)答辯結(jié)果整改完善全部設(shè)計(jì)資料2012.5.24-2012.6.77 參考文獻(xiàn)1 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)(第5版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20092 周志敏，周繼海，紀(jì)愛(ài)華.逆變電源實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：中國(guó)電力出版社，20053 楊海柱，金新民.500w光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì).國(guó)外電子元器件，2006，（3）50-524 王守仁，金新民，楊海柱

18、.小功率光伏并網(wǎng)逆變器.電氣時(shí)代，2006，（3）112-1145 馬幼捷，程德樹(shù)，陳嵐等.光伏并網(wǎng)逆變器的分析與研究.電氣傳動(dòng)，2009，39（4）6 n. patcharaprakiti. maximum power point tracking using adaptive fuzzy logic control for grid- connected photovoltaic systemc.ieee,2002,372- 3777 hudson, r.m. implementation and testing of antislanding algorithms for ieee 929- 2000 compliance of single phase photovoltaic inverters c, photovoltaic specialists conference, 2002, 141414198 yuvarajan s, yu