單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路

單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)TheMainCircuitDesignofSingle-phasePhotovoltaicInverterSystem畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書題目單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)內(nèi)容光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變系統(tǒng)是極其重要的環(huán)節(jié)，其可靠性直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。逆變系統(tǒng)主電路采用單相單極性SPWM全橋式逆變電路(單相全橋+輸出變壓器隔離)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對主電路及IGBT吸收電路原理進(jìn)行理論分析，并在MATLAB下進(jìn)行建模仿真。逆變系統(tǒng)主電路輸出電能有大量高頻諧波存在，而負(fù)載要求電能清潔無污染，因此，在主電路輸出端加一個低通濾波器，濾除高頻諧波。二、設(shè)計(jì)條件逆變系統(tǒng)主電路的各項(xiàng)參數(shù)為：輸入電壓：230VDC--270VDC輸出電壓：220VAC輸出額定電流：5A開關(guān)頻率：17KHz最大輸出功率：1.1kW三、基本要求1.分析光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的工作原理，對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；2.設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)主電路、參數(shù)計(jì)算、器件選型；3.主電路仿真實(shí)現(xiàn)；4.設(shè)計(jì)緩沖電路，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，緩沖電路仿真實(shí)現(xiàn)；5.輸出濾波器的設(shè)計(jì)。四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)[1]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.五、進(jìn)度計(jì)劃第1-2周開題報(bào)告第3周搜集資料，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第4-6周設(shè)計(jì)主電路，參數(shù)計(jì)算，器件選型，主電路仿真實(shí)現(xiàn)第7周中期檢查第9-13周設(shè)計(jì)緩沖電路，參數(shù)計(jì)算，仿真實(shí)現(xiàn)，輸出濾波器的設(shè)計(jì)第14-15周答辯教研室主任簽字時間年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題目單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)一、研究背景隨著全球人口的增加以及工業(yè)的發(fā)展，人類對能源的需求越發(fā)的增多，但是，自然界的一次能源儲量有限，能源危機(jī)迫在眉睫。就連近代才發(fā)展起來的核能發(fā)電的原料鈾的儲量也是有限的，而且還存在著安全與污染的難題，同樣不能解決長期的穩(wěn)定的供電難題。同時，一次能源的開采、運(yùn)輸及使用的過程中都會對人類生存的環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。目前，由于大量使用一次能源，全世界每年產(chǎn)生約1億噸的溫室效應(yīng)氣體，已經(jīng)造成了特別嚴(yán)重的大氣污染，全秋表面氣溫逐年增高，造成冰山融化，海平面上升，如果再不加以控制，人類的生存空間也將會受到限制。與此同時人們對環(huán)境保護(hù)的意識也在不斷的提高，因此尋找清潔的可再生的代替能源變得越來越重要。通過研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，太陽能是一種綠色的清潔替代能源。并且太陽能是取之不盡的可再生能源并且不需要開采和運(yùn)輸。太陽能作為一種新能源還有一個優(yōu)點(diǎn)就是清潔無污染，沒有任何物質(zhì)的排放，不會留下污染物。太陽能光伏發(fā)電是直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，而且太陽能發(fā)電本身不向外界排放廢物，沒有機(jī)械噪聲。因此太陽能是一種非常理想的替代能源。隨著電力電子的技術(shù)的不斷完善，越來越多的國家大力開發(fā)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)太陽能光伏應(yīng)用仍然以獨(dú)立供電系統(tǒng)為主，并網(wǎng)系統(tǒng)剛剛起步，但是也取得了不少成果。例如:提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的一種新方案，即一種應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的直接電流跟蹤滯環(huán)控制方法;通過應(yīng)用狀態(tài)反饋線性化方法設(shè)計(jì)了一種非線性控制器，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器有功、無功分量的獨(dú)立控制;小功率、高效率等光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn);最大功率點(diǎn)跟蹤得以研究。高校研究方面，教育部在合肥工業(yè)大學(xué)成立教育部光伏工程系統(tǒng)研究中心，取得了一系列可喜成果。中科院電工所也致力于光伏發(fā)電的研究并于1998年10月在西藏安多縣建成100KW光伏電站，這是目前我國發(fā)電容量最大、設(shè)備配套最先進(jìn)、最完善的大型光伏電站。此外，清華大學(xué)和浙江大學(xué)以及武漢大學(xué)也在光伏發(fā)電方面取得了一定的成果。2.國外研究現(xiàn)狀在國外，并網(wǎng)發(fā)電逐漸成為太陽能光伏發(fā)電的主要應(yīng)用領(lǐng)域，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸形成，并持續(xù)高速發(fā)展。目前國外并網(wǎng)逆變器技術(shù)發(fā)展十分迅速，其研究主要集中在數(shù)字鎖相技術(shù)、數(shù)字DSP控制技術(shù)、孤島檢測技術(shù)，和運(yùn)用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，以及綜合考慮以上方面的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等，解決了最大功率點(diǎn)跟蹤及逆變器設(shè)計(jì)問題，在一定程度上提高了太陽能光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率。此外，國外有些并網(wǎng)逆變器同時具有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行功能。綜上所述，目前國外光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的研發(fā)主要集中在最大功率跟蹤和逆變環(huán)節(jié)集成的單級能量變換上，功率主要為幾百瓦到五千瓦的范圍,控制電路主要采用數(shù)字控制，注重系統(tǒng)的安全性、可靠性和擴(kuò)展性，均具有各種完善的保護(hù)電路。三、主要技術(shù)指標(biāo)1.主要工作本設(shè)計(jì)主要就是進(jìn)行單相光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的主電路的設(shè)計(jì)。逆變系統(tǒng)是極其重要的環(huán)節(jié)。其中逆變系統(tǒng)主電路采用單相單極性SPWM全橋式逆變電路(單相全橋+輸出變壓器隔離)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要對其進(jìn)行參數(shù)計(jì)算以及器件選型，也要對IGBT緩沖電路進(jìn)行詳細(xì)的理論分析計(jì)算，并在MATLAB下進(jìn)行了仿真研究。在此基礎(chǔ)上完成主電路的設(shè)計(jì)調(diào)試，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.采用的方法、手段根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸入電壓為230VDC--270VDC，輸出電壓為220VAC，光伏發(fā)電就是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，此時的轉(zhuǎn)換的電為直流電，再將得到的直流電轉(zhuǎn)換成為220V的交流電。分析光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的工作原理，逆變系統(tǒng)的主電路采用單相單極性SPWM全橋式逆變電路，還需設(shè)計(jì)一個IGBT的緩沖電路起到保護(hù)作用。并且由于逆變系統(tǒng)主電路輸出電能有大量高頻諧波存在，而負(fù)載要求電能清潔無污染，因此，在主電路輸出端加一個低通濾波器，濾除高頻諧波，以達(dá)到預(yù)期的效果，并在MATLAB下進(jìn)行建模仿真。四、預(yù)期達(dá)到的結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析計(jì)算及仿真結(jié)果吻合，主電路輸出波形良好，緩沖電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，主電路及IGBT緩沖電路研究方案正確可行有效。指導(dǎo)教師簽字時間年月日摘要隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對能源的依賴日益加重，能源短缺和環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的矛盾日益突出。人類為尋求經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，不斷在探索可再生的環(huán)保的新能源。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的可再生的環(huán)保能源，成為人類研究及開發(fā)利用的熱點(diǎn)，并已經(jīng)取得了顯著的成果。本文以光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)為研究對象，逆變系統(tǒng)的主電路采用單相全橋+輸出變壓器隔離，IGBT緩沖電路采用的是RCD緩沖電路，進(jìn)行了輸出濾波器的設(shè)計(jì)。并且對主電路、IGBT緩沖電路以及輸出濾波器進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和器件選型，最后在MATLAB環(huán)境下完成建模與仿真。最終，在MATLAB中完成建模，單相全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，輸出電壓?20V和輸出電流為5A。緩沖電路消除了尖峰電壓，實(shí)現(xiàn)了對IGBT的保護(hù)。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路MATLABAbstractWiththerapiddevelopmentofsocialeconomy,thehumandependenceonenergyincreasing,energyshortageandenvironmentalpollutionandrapideconomicdevelopmentofincreasinglyprominentcontradictions.Humanbeingstoseekfortheeconomicsustainabledevelopment,andconstantlyexploringrenewablenewenergyofenvironmentalprotection.Solarenergyasaninexhaustible,inexhaustiblerenewablegreenenergy,isbecomingahotspotofresearchanddevelopmentandutilizationofhuman,andhasmadesignificantprogress.Photovoltaicinvertersystemastheresearchobjectinthispaper,TheSingle-phasefull-bridgeandtheisolationofoutputtransformertopologyisselectedinmaincircuitofinvertersystem.TheIGBTbuffercircuitisusedinRCDbuffercircuit.Butalsotocompletetheoutputfilterdesign.Andcompletethemaincircuit,IGBTbuffercircuit,anoutputfilterparametercalculationanddeviceselection.Finally,completedmodelingandsimulationintheMATLABenvironment.Finally,CompletedthemodelinMATLAB,Single-phasefull-bridgeinvertercircuitsachievetheDCintotheAC,theoutputvoltageis220Vandtheoutputcurrentis5A.BuffercircuiteliminatesthevoltagespiketoprotecttheIGBT.Keywords:PhotovoltaicinvertersystemThemaincircuitMATLAB應(yīng)用光伏學(xué)所謂光伏，是指以太陽能電池為媒介，將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能的過程。1839年，19歲的法國年輕科學(xué)家埃德蒙·貝克勒爾在其父親的實(shí)驗(yàn)室中成功研制了世界上第一枚光伏器件。然而.對于光伏效應(yīng)的理解與探索，則是基于20世紀(jì)最為至關(guān)重要的兩項(xiàng)科技進(jìn)步之上。其一，是作為20世紀(jì)人類重大智慧成果的量子力學(xué)的發(fā)展。其二，是以量子論為基石的半導(dǎo)體技術(shù)，成就了磅礴的電子工業(yè)革命，并引導(dǎo)了光子技術(shù)的新興。對于現(xiàn)代光伏科技的發(fā)展史，Loferski(1993)作出了饒有趣味的描述。對于追溯到1839年的一些早期的歷史，Crossley(1968)等幾位學(xué)者則記述了更偏重于技術(shù)性的細(xì)節(jié)。值得慶幸的是，不僅擁有完備的理論基礎(chǔ)，太陽能電池在使用上的簡潔與可靠同樣是該技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢之一。在本書的最初幾個章節(jié)中，將著重于探索光伏過程中最重要的兩個組成部步分一一作為能量源泉的太陽光以及通過精巧的內(nèi)部機(jī)制，將光能轉(zhuǎn)化為電能的太陽能電池本身的性質(zhì)，接下來則會提及太陽能電池和組件的生產(chǎn)工藝，其后是各類光伏系統(tǒng)的介紹，包括太陽能汽車、住房的獨(dú)立電源供給或水泵系統(tǒng)以及大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電站等。《應(yīng)用光伏學(xué)》一書的主旨，是向有關(guān)從業(yè)人員提供光伏系統(tǒng)操作原理的一些基本借息，使之了解光伏的各種應(yīng)用并能從事簡單的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本書是基于澳大利亞新南威爾士大學(xué)光伏與太陽能工程、再生能源工程與電氣工程的本科生課程教學(xué)資料而編寫的，并將繼續(xù)被用作標(biāo)準(zhǔn)敏材。作者期望，隨著掌握光伏概念及應(yīng)用專業(yè)知識的畢業(yè)生的逐年增加，能夠?yàn)樯鐣峁﹥?yōu)秀的工程師，以參與并推選全球光伏工業(yè)的高速發(fā)展。1.光伏動力運(yùn)輸相時于機(jī)動交通工具的巨大功率和能量需求而言，太陽能電池的受光面積十分有限。因此由太陽能直接向交通工具提供載人載貨的能源較難實(shí)現(xiàn)。但是太陽能能夠作為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的一個補(bǔ)充，它使用現(xiàn)有的電網(wǎng)進(jìn)行能量的存儲，比如德國的電車。在卡爾斯魯厄媒體和藝術(shù)中心屋頂上安裝的光伏組件(100kW)披用于驅(qū)動卡爾斯魯厄城市有軌電車系統(tǒng)。組件所產(chǎn)生的能量作為通常的電網(wǎng)供電的補(bǔ)充，直提供給有軌電車。系統(tǒng)連接了巨大直流負(fù)載，因此并不需要安裝儲電設(shè)備或逆變器。與此相類似地，在漢諾威有一個250kW的系統(tǒng)也正在運(yùn)行中。在瑞士伯爾尼，一個固定的地面安裝的24kW的光伏陣列為國會建筑旁邊的索道鐵路提供了充足的電力的補(bǔ)充。這個系統(tǒng)于1992年安裝，分別在1993年和1994年為鐵路提供了其所需的105%和95%的電能。在意大利利沃諾附近，一個36kW的系統(tǒng)提供了索道所需要的所有電能。隨車攜帶的太陽能電力補(bǔ)充對運(yùn)輸來說也十分的實(shí)用。一些小型城市用車已經(jīng)在車頂裝上了太陽能電池并走向市場。但其銷售額并不大，在英國一輛太陽能公共汽草的革頂上組成安裝了15個光伏組件，專門用于英國皇家植物園內(nèi)為傷殘參觀者提供運(yùn)輸服務(wù)。還有一個連鎖超市，在運(yùn)貨卡車的車頂上安裝光伏組件，用于提供車載冷庫的能源。同樣地，在美國卡車上的光伏組件被用于給車上的蓄電池充電，即使卡車停止不啟動引擎，蓄電池也能始終保持充滿狀態(tài)。在歐洲，公路噪音隔離護(hù)欄需要在價格高昂的結(jié)構(gòu)隔離材料上投入巨額資金，這就給并網(wǎng)光伏組件提供了應(yīng)用空間。此外，這種應(yīng)用也為太陽能提供了一個向公眾展示與宣傳的平臺。最好的一個例子就是在阿姆斯特丹機(jī)場附近的A9高速公路上安裝了220kW的系統(tǒng)，該系統(tǒng)延伸了1.65km。太陽能船對于那些限制燃料溢出的區(qū)域，比如湖泊，還有對于那些限制噪音的場所，比如自然保護(hù)區(qū)，是十分具有吸引力的。瑞士的日內(nèi)瓦湖上，從洛桑到圣敘爾皮斯區(qū)有兩艘太陽能驅(qū)動往返客運(yùn)船自1997年開始投入了使用，每艘船可以乘坐24名乘客。船的電動馬達(dá)由覆蓋在船頂?shù)膶⒔?4的太陽能電池組件驅(qū)動。這樣提供一種公用的無環(huán)境污染的運(yùn)輸方式。在陰天光照不足的情況下，這些船可以停在碼頭上進(jìn)行充電。在瑞士的湖上有一艘長達(dá)27.5m的“沙錐號”，它能承載60名乘客，該船由一個1.8kW的光伏陣列驅(qū)動。能量存儲采用的是一個180V、72Ah的蓄電池。悉尼港的“太陽水手號”是一艘觀光游船，該船由太陽能、風(fēng)能以及一個高效安靜的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。船的“帆”由許多塊玻璃纖維翼板構(gòu)成，板的上表面安裝有太陽能電池。這些翼板可以旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整到最佳的風(fēng)動以及最佳的接收太陽能的狀態(tài)。太陽能飛艇是一個很活躍的研發(fā)領(lǐng)域，利用飛艇的巨大表面安裝輕型光伏組件，用于貨物運(yùn)輸、通信、遠(yuǎn)程傳感以及大氣測量的太陽能飛行器的構(gòu)想方案已經(jīng)被提出。美國國家航空航天局的太陽能無人駕駛飛機(jī)在2003年不幸失事，但是歷時20天的單人駕駛的太陽能驅(qū)動飛機(jī)的環(huán)球飛行正在計(jì)劃中。如果蓄電池存儲容量沒有重大突破的話，這次飛行中途至少需要7次降落補(bǔ)給。2.太陽能汽車太陽能汽車賽為太陽能電池尤其是高效率太陽能電池提供了一個規(guī)模不大但不斷增長的市場，近期的太陽能汽車賽包括從1987年在澳大利亞開始的以及在20世紀(jì)90年代早期在美國、日本和歐洲舉行的賽事。由于太陽能電池在賽車上的安裝面積受到限制，在汽車賽中太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是至關(guān)重要的。在這些賽事中，為追求設(shè)計(jì)上的極限，車隊(duì)經(jīng)營會不計(jì)成本地投入，目前最好的用于該賽事的電池是600美元每瓦。世界上是近的太陽能汽車挑戰(zhàn)賽中最好的賽車使用極其昂貴的砷化鎵電池，通常這樣的電池只用在空間領(lǐng)域，然而很多名列前茅的大學(xué)生車隊(duì)使用的是普通太陽能電池，這是因?yàn)檫@項(xiàng)賽事同樣強(qiáng)調(diào)汽車效率的設(shè)計(jì)，包括：(1)空氣動力學(xué)(比車體重量更關(guān)鍵的設(shè)計(jì))；(2)發(fā)動機(jī)效率(通常使用兩個發(fā)動機(jī))；(3)功率調(diào)控和控制電路；(4)蓄電池儲能密度以及蓄電池的效率。目前，在市場上出現(xiàn)太陽能驅(qū)動的汽車可能還需要很多年，是由于需要：(1)降低成本；(2)和其他交通工具的道路的兼容性，比如卡車；(3)運(yùn)輸部門的認(rèn)可，尤其在安全性方面；(4)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性設(shè)計(jì){盡管這在快速地發(fā)展)；(5)消費(fèi)者的認(rèn)可；(6)大批量生產(chǎn)的輕型太陽能電池組件；(7)制動能量回饋，在頻繁停車發(fā)生的情況下保持效率(現(xiàn)在此技術(shù)已經(jīng)成熟，并在混合動力汽車上得以應(yīng)用)；(8)建立充電站(這些充電站也可能使用太陽能提供電力)。交通工具的零排放或低