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(jì) 18336第1.2節(jié)主電路的設(shè)計(jì) 27392第1.2.1節(jié)前級(jí)Boost電路設(shè)計(jì) 232610第1.2.2節(jié)后級(jí)單相全橋逆變電路設(shè)計(jì) 412536第1.3節(jié)控制電路的設(shè)計(jì) 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(dòng)電路的設(shè)計(jì) 10第1.1節(jié)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jí)、后級(jí)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(gè)合適值并實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。另外還需要選擇合適的控制單元，在本次設(shè)計(jì)中采用了單片機(jī)，具體選擇的是STC89C51。整個(gè)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(yùn)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(jí)全橋逆變器的工作電壓；第三步是實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換過程，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。第1.2節(jié)主電路的設(shè)計(jì)第1.2.1節(jié)前級(jí)Boost電路設(shè)計(jì)Boost電路可劃分為多個(gè)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(shí)，三極管導(dǎo)通，等效電路如圖17所示。圖17充電時(shí)的等效電路二極管主要用于防止電容對(duì)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(shì)，在電感電流增大的情況下，會(huì)存儲(chǔ)一定的電能。放電時(shí)，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(shí)的等效電路經(jīng)過電感的電流會(huì)花費(fèi)一定的時(shí)間逐步變?yōu)榱?，在這種情況下電感只是通過新電路進(jìn)行放電，在向電容充電的過程中，電容兩側(cè)的電壓會(huì)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(shí)電感將會(huì)把存儲(chǔ)的電能進(jìn)行釋放而在充電時(shí)則可以進(jìn)行儲(chǔ)存，所以實(shí)際上Boost電路的升壓就是通過電感實(shí)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(jìn)行的過程中，輸出端放電的電流是連續(xù)的，同時(shí)電容兩側(cè)的電壓會(huì)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(shí)電感電流和電感兩端電壓滿足： (2)假設(shè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為Ton，開關(guān)截止時(shí)間為Toff，那么有： (3)上式左邊就是占空比D。電感的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)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(gè)基準(zhǔn)：ΔI=(0.3~0.5)IL。設(shè)f為開關(guān)頻率，導(dǎo)通時(shí)電感電流上升的斜率為： (5)則 (6)所以電感 (7)電容的設(shè)計(jì)：電容的選擇不需要經(jīng)過計(jì)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)管與二極管的選取：開關(guān)管選取開關(guān)速度快的MOSFET場(chǎng)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(shí)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(jí)單相全橋逆變電路設(shè)計(jì)單相全橋逆變電路(也稱“H橋”)可以看成兩個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，同理開關(guān)T1和T4不能立即閉合，那么同理可得電流將會(huì)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(jì)：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(jìn)行處理，濾波電路主要有電容器C和電感器L兩部分。在實(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，但是與此同時(shí)會(huì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)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(duì)小容量逆變電路進(jìn)行分析，而MOSFET的的優(yōu)勢(shì)在于開關(guān)頻率快、驅(qū)動(dòng)功耗低、效率高等方面，所以本設(shè)計(jì)采用MOSFET。第1.3節(jié)控制電路的設(shè)計(jì)控制電路也屬于硬件設(shè)計(jì)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(jì)選用直流穩(wěn)壓電源和電阻模擬光伏電池，因此僅會(huì)對(duì)MPPT技術(shù)做一個(gè)原理說明，而PWM控制電路中，調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，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(jìn)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(duì)光伏發(fā)電電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)最高電壓電流值進(jìn)行追蹤，從而確保整個(gè)系統(tǒng)處于最大功率輸出。整個(gè)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(duì)整個(gè)光伏陣列的運(yùn)行情況進(jìn)行有效地檢測(cè)，可以獲取電流電壓的改變情況，繼而調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(duì)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(shí)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(shí)間占空比符合正弦特性，基于濾波方法對(duì)輸出波形進(jìn)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(shí)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(jìn)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(duì)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(gè)周期時(shí)，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(duì)應(yīng)的PWM波也在正負(fù)極間持續(xù)改變。如果將交叉對(duì)應(yīng)的V1和V4，V2和V3分別記為一組，則兩組互補(bǔ)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(duì)各開關(guān)器件的控制方式是一致的。然而其相對(duì)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(gè)周期時(shí)，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(duì)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(duì)更好。因此，本課題采用單極性調(diào)制法。第1.4節(jié)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)將輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行放大與隔離，從而實(shí)現(xiàn)安全驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件。本設(shè)計(jì)采用IR公司的驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，該芯片采用雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)，是8引腳封裝，其上管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電方式[22]。由于本課題設(shè)計(jì)的是單相全橋逆變器，而1片IR2110可以驅(qū)動(dòng)同一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)MOSFET，所以本課題利用2片IR2110以滿足設(shè)計(jì)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