《光伏發(fā)電逆變器的硬件分析》3500字

光伏發(fā)電逆變器的硬件分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u18058光伏發(fā)電逆變器的硬件分析綜述 113234第1.1節(jié)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 18336第1.2節(jié)主電路的設(shè)計 27392第1.2.1節(jié)前級Boost電路設(shè)計 232610第1.2.2節(jié)后級單相全橋逆變電路設(shè)計 412536第1.3節(jié)控制電路的設(shè)計 612946第1.1.1節(jié)MPPT技術(shù)的原理說明 617831第1.1.2節(jié)單相逆變器SPWM技術(shù)分析 729681第1.4節(jié)驅(qū)動電路的設(shè)計 10第1.1節(jié)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計在系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)中，本課題選用直流穩(wěn)壓電源和電阻模擬光伏電池，而逆變器部分采用無變壓器隔離方式，其主電路包括DC-DC、DC-AC電路兩部分。前級、后級分別使用了直流升壓變換器和工頻逆變器，其中工頻逆變器的結(jié)構(gòu)是電壓型單相全橋逆變結(jié)構(gòu)。當(dāng)前在DC-DC變換器內(nèi)使用最多的是Boost、Buck電路，本次研究中采用了前者，它可以使輸入電壓升高到一個合適值并實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。另外還需要選擇合適的控制單元，在本次設(shè)計中采用了單片機，具體選擇的是STC89C51。整個系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖15系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)從運行流程上來看，第一步是通過光伏電池陣列獲取電能；第二步是升壓的過程，以此達(dá)到后級全橋逆變器的工作電壓；第三步是實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換過程，實現(xiàn)并網(wǎng)。第1.2節(jié)主電路的設(shè)計第1.2.1節(jié)前級Boost電路設(shè)計Boost電路可劃分為多個組成部分，主要有二極管、開關(guān)管、電感和電容等。具體電路形式如圖16所示。圖16Boost電路的基本結(jié)構(gòu)該電路的工作過程由充電和放電兩部分構(gòu)成。充電時，三極管導(dǎo)通，等效電路如圖17所示。圖17充電時的等效電路二極管主要用于防止電容對地放電，輸入直流電之后，電感電流呈現(xiàn)出線性增加的趨勢，在電感電流增大的情況下，會存儲一定的電能。放電時，三極管關(guān)斷。放電過程中的等效電路如圖18所示。圖18放電時的等效電路經(jīng)過電感的電流會花費一定的時間逐步變?yōu)榱?，在這種情況下電感只是通過新電路進行放電，在向電容充電的過程中，電容兩側(cè)的電壓會持續(xù)增大，在超過輸入電壓的情況下意味著完成了升壓。結(jié)合上述分析可知，放電時電感將會把存儲的電能進行釋放而在充電時則可以進行儲存，所以實際上Boost電路的升壓就是通過電感實現(xiàn)能量傳遞的過程。在電容量很大，并且開關(guān)截止以及導(dǎo)通持續(xù)進行的過程中，輸出端放電的電流是連續(xù)的，同時電容兩側(cè)的電壓會超過輸入電壓，由此達(dá)到了升壓的要求。在三極管導(dǎo)通的情況下，電感電流和電感兩端電壓的關(guān)系式為： (1)三極管截止時電感電流和電感兩端電壓滿足： (2)假設(shè)開關(guān)導(dǎo)通時間為Ton，開關(guān)截止時間為Toff，那么有： (3)上式左邊就是占空比D。電感的設(shè)計：設(shè)計電感過程中需要先明確流過電感的最大電流均值。結(jié)合相關(guān)資料可知，電感電流的關(guān)系式為： (4)其中Io是輸出電流，D是開關(guān)管最大占空比。知道該關(guān)系式后，可以建立這樣一個基準(zhǔn)：ΔI=(0.3~0.5)IL。設(shè)f為開關(guān)頻率，導(dǎo)通時電感電流上升的斜率為： (5)則 (6)所以電感 (7)電容的設(shè)計：電容的選擇不需要經(jīng)過計算，可以先考慮2倍耐壓，然后根據(jù)體積要求選擇盡量大的電容即可。開關(guān)管與二極管的選?。洪_關(guān)管選取開關(guān)速度快的MOSFET場效應(yīng)管，且要保證其耐壓值足夠大并且導(dǎo)通電阻盡可能的小。二極管選取時要注意流過的最大電流限制和反向承受電壓限制，在滿足這些要求的基礎(chǔ)上選用的二極管反向恢復(fù)速度越快越好。第1.2.2節(jié)后級單相全橋逆變電路設(shè)計單相全橋逆變電路(也稱“H橋”)可以看成兩個半橋電路，工作過程如圖19所示。圖19全橋逆變電路的基本結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)開關(guān)T1和T4閉合，T2和T3斷開時，電流方向如圖中步驟1所示。當(dāng)開關(guān)T2和T3閉合，T1和T4斷開時，開關(guān)T2和T3不能立即閉合，在此過程中電感電流方向無法突變，所以電流通過T2、T3反并聯(lián)的二極管續(xù)流，電流方向如圖中步驟2所示。電感電流過零后開關(guān)T2和T3閉合，電感電流反向流過開關(guān)T2和T3，電流方向如圖中步驟3所示。當(dāng)開關(guān)T2和T3斷開T1和T4再次閉合時，同理開關(guān)T1和T4不能立即閉合，那么同理可得電流將會通過T1、T4反并聯(lián)的二極管續(xù)流，電流方向如圖中步驟4所示，并循環(huán)執(zhí)行上述步驟1-4。步驟2、4均為能量反饋的過程，二極管在其中發(fā)揮了重要作用——提供反饋能量通道，所以將其稱為反饋二極管。把幅值為Vd的矩形波v V0=n=1所以基波的幅值 Vo1,max=4Vdπ=1.27Vd 基波的有效值 Vo1,rms=4Vd2π輸出濾波電路中電感的設(shè)計：經(jīng)過全橋逆變電路之后的輸出電壓，其交流紋波很大，無法直接接入電網(wǎng)，為了有效地解決上述問題，需要通過輸出端的低通濾波電路進行處理，濾波電路主要有電容器C和電感器L兩部分。在實際應(yīng)用中濾波的效果與調(diào)制頻率有關(guān)，二者之間存在正相關(guān)性，然而如果調(diào)制頻率過大，則降低了逆變器的調(diào)節(jié)能力。在電感值較小的情況下，可以提升動態(tài)調(diào)節(jié)能力，但是與此同時會產(chǎn)生較大的電感紋波電流，從而增加開關(guān)元件損耗，而濾波電感值越大，逆變器的動態(tài)響應(yīng)會相應(yīng)地降低。全橋逆變電路開關(guān)器件的選擇：在本次研究中主要對小容量逆變電路進行分析，而MOSFET的的優(yōu)勢在于開關(guān)頻率快、驅(qū)動功耗低、效率高等方面，所以本設(shè)計采用MOSFET。第1.3節(jié)控制電路的設(shè)計控制電路也屬于硬件設(shè)計的關(guān)鍵部分之一，同樣劃分為兩部分，分別是MPPT、PWM控制電路。由于本設(shè)計選用直流穩(wěn)壓電源和電阻模擬光伏電池，因此僅會對MPPT技術(shù)做一個原理說明，而PWM控制電路中，調(diào)制信號波為正弦波時，得到的便是SPWM波，且SPWM法是目前應(yīng)用廣泛的PWM法，所以本課題選擇單相逆變器SPWM技術(shù)進行分析。第1.1.1節(jié)MPPT技術(shù)的原理說明MPPT控制器可以對光伏發(fā)電電壓進行監(jiān)測，并對最高電壓電流值進行追蹤，從而確保整個系統(tǒng)處于最大功率輸出。整個系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖20所示。圖20太陽能光伏系統(tǒng)通過最大功率跟蹤裝置可以對整個光伏陣列的運行情況進行有效地檢測，可以獲取電流電壓的改變情況，繼而調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動信號的占空比[21]。通常情況下在瞬間可以認(rèn)為光伏電池、DC-DC電路均為線性的，所以通過對DC-DC電路等效電阻的調(diào)節(jié)，使其與光伏電池內(nèi)阻保持一致，即可實現(xiàn)光伏電池的MPPT。第1.1.2節(jié)單相逆變器SPWM技術(shù)分析SPWM的脈沖寬度時間占空比符合正弦特性，基于濾波方法對輸出波形進行一定的處理之后，可以得到正弦波。SPWM技術(shù)利用的是面積等效的積分原理。以半波為例，可將正弦波分為交替上升又下降的等寬的方波。如果將這些方波的幅值變?yōu)橐恢露淖兠}寬時間的話，效果如圖21所示。圖21PWM波代替正弦半波上述這三種波都是等效的(這里的等效是指輸出響應(yīng)波形基本相同)。SPWM技術(shù)主要通過單極性、雙極性兩種調(diào)制方式進行處理，單相全橋逆變器的SPWM調(diào)制如圖22所示。圖22單相全橋逆變器原理圖對于單極性調(diào)制而言，載波uc、調(diào)制波ur分別是三角波、正弦波，所得的PWM波只是處于某個極性范圍中變化。該調(diào)制方式的基本原理如圖23所示。圖23單極性調(diào)制的原理圖具體的原理是：處于ur的正半周時，V1、V2分別處于通態(tài)、斷態(tài)。在滿足條件ur>uc的情況下，V4、V3分別處于連通、關(guān)斷的狀態(tài)，可以得到uo=Ud。在滿足條件ur<uc的情況下，V4、V3分別處于連通、關(guān)斷的狀態(tài)，可以得到uo=0。處于ur的負(fù)半周時，V1、V2分別處于斷態(tài)、通態(tài)。在滿足條件ur<uc的情況下，V3、V4分別處于連通、關(guān)斷的狀態(tài)，可以得到uo=-Ud。在滿足條件ur>uc的情況下，V3、V4分別處于關(guān)斷、連通的狀態(tài)，可以得到uo=0。雙極性調(diào)制的原理如圖24所示。圖24雙極性調(diào)制的原理圖處于ur的半個周期時，三角載波一直呈現(xiàn)變化的狀態(tài)，即在正負(fù)極間持續(xù)改變，所以對應(yīng)的PWM波也在正負(fù)極間持續(xù)改變。如果將交叉對應(yīng)的V1和V4，V2和V3分別記為一組，則兩組互補導(dǎo)通。因此，在ur的正負(fù)半周中，雙極性調(diào)制和半極性調(diào)制對各開關(guān)器件的控制方式是一致的。然而其相對于單極性調(diào)制也存在差異，即雙極性調(diào)制處于ur的一個周期時，得到的PWM波的電平僅有兩種，即為Ud。在開關(guān)頻率一致的情況下，相對于雙極性調(diào)制，單極性調(diào)制下輸出量的諧波分量明顯更低，所以單極性調(diào)制的性能相對更好。因此，本課題采用單極性調(diào)制法。第1.4節(jié)驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動電路負(fù)責(zé)將輸出的PWM信號進行放大與隔離，從而實現(xiàn)安全驅(qū)動開關(guān)器件。本設(shè)計采用IR公司的驅(qū)動芯片IR2110，該芯片采用雙通道、柵極驅(qū)動，是8引腳封裝，其上管驅(qū)動采用外部自舉電容上電方式[22]。由于本課題設(shè)計的是單相全橋逆變器，而1片IR2110可以驅(qū)動同一個橋臂的上下兩個MOSFET，所以本課題利用2片IR2110以滿足設(shè)計需要。IR2110的典型電路圖如圖25所示。圖25IR2110的典型電路IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖26所示。圖26IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)IR2110的引腳圖如圖27所示。圖27IR2110的引腳各引腳功能如表3所示。表3IR2110的各引腳功能引腳功能LO(引腳1)低端輸出COM(引腳2)公共端VCC(引腳3)低端固定電源電壓NC(引腳4)空端US(引腳5)高端浮置電源偏移電壓UB(引腳6)高端浮置電源電壓HO(引腳7)高端輸出NC(引腳8)空端VDD(引腳9)邏輯電