開題報告--800w微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器設(shè)計

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　題目：800W微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器設(shè)計的統(tǒng)的</p><p><b>　　1 設(shè)計目的與意義</b></p><p><b>　　1.1 目的與意義</b></p><p>　　逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220v/5

2、0Hz正弦或方波）。中小功率逆變器是戶用獨立交流光伏系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)之一，其可靠性和效率對推廣光伏系統(tǒng)、有效用能、降低系統(tǒng)造價至關(guān)重要，因而各國的光伏專家們一直在努力開發(fā)適于戶用的逆變電源，以促使該行業(yè)更好更快地發(fā)展。</p><p>　　本論文根據(jù)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的特點，設(shè)計一臺額定功率為800W的微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器。該并網(wǎng)逆變器能實現(xiàn)最大功率點跟蹤和實現(xiàn)反孤島效應(yīng)控制功能，控制部分采用TMS320F240

3、型DSP作為電流跟蹤方案，實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同步的正弦電流輸出。</p><p><b>　　1.2 現(xiàn)狀</b></p><p>　　目前我國在小功率逆變器上與國際處于同一水平，在大功率并網(wǎng)逆變器上，合肥陽光電源大功率逆變器2005年已經(jīng)批量向國內(nèi)、國際供貨。該公司250KW、500KW等大功率產(chǎn)品都取得了國際、國內(nèi)認(rèn)證，部分技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)超過國外產(chǎn)品水平，并在國內(nèi)西部荒

4、漠、世博會、奧運(yùn)場館等重點項目上運(yùn)行，效果良好。</p><p>　　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型，并網(wǎng)逆變可分為低頻環(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；而非隔離型并網(wǎng)在一些國家禁止使用，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。

5、</p><p>　　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)在許多國家都在不遺余力的對高效逆變器進(jìn)行研究。目前國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%。</p><p><b>　　2 設(shè)計任務(wù)概況</b></p>

6、<p><b>　　任務(wù)要求</b></p><p>　?。?）完成電氣原理圖設(shè)計；</p><p>　?。?）完成元器件參數(shù)計算和選型，列出設(shè)備選擇清單；</p><p>　　（3）利用實驗室現(xiàn)有的條件完成部分安裝調(diào)試實驗；</p><p>　　（4）完成設(shè)計報告，提交裝訂規(guī)范的書面設(shè)計報告和電子文檔。

7、</p><p><b>　　技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　逆變器額定輸出功率： ；</p><p>　　逆變器輸出單相交流電壓：； </p><p>　　逆變器輸出單相交流電壓：；</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入直流電壓：。</p><p><b>

8、;　　3 設(shè)計方案與論證</b></p><p>　　3.1逆變器主電路設(shè)計</p><p>　　太陽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，為電壓型電流控制方式。在外電網(wǎng)停電時，獨立運(yùn)行為電壓型電壓控制方式。</p><p>　　已經(jīng)進(jìn)入實用的光伏并網(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變壓器形式

9、。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，即工頻變壓器絕緣的單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高頻變壓器絕緣的多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無變壓器的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本報告設(shè)計兩種逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：工頻變壓器絕緣的單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無變壓器絕緣的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過方案論證決定最終滿足設(shè)計要求的最佳800W微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器設(shè)計方案。</p><p><b>　　方案一</b></p><

10、;p>　　采用工頻變壓器形式主電路設(shè)計的逆變器主電路如圖1所示。</p><p>　　圖1 工頻變壓器形式逆變器主電路</p><p>　　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100~170V，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)電壓基本無脈動，直流回路

11、呈現(xiàn)低阻抗。單相橋式逆變電路，共有四個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成，功率器件為全控型開關(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，橋臂2和3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180o。單級式逆變器在逆變環(huán)節(jié)實現(xiàn)MPPT的功能，由于逆變電路產(chǎn)生的交流電壓過低，需要變壓器來升壓，以達(dá)到合適的并網(wǎng)電壓。</p><p>　　在本文設(shè)計的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽能光伏陣列輸

12、出的直流電壓在100~170V。然后通過單相橋式逆變電路實現(xiàn)逆變，將直流母線的電壓轉(zhuǎn)換成正弦波電流，向電網(wǎng)輸送功率，并在逆變環(huán)節(jié)實現(xiàn)最大功率跟蹤控制的功能?？刂菩酒捎肨i公司的TMS320F240數(shù)字信號處理器，其高速的計算能力可以保證實時跟蹤最大功率點，并向電網(wǎng)輸出高品質(zhì)電流。</p><p><b>　　方案二</b></p><p>　　采用無變壓器形式主電路

13、設(shè)計的逆變器電路圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 無變壓器形式逆變器主電路</p><p>　　無變壓器形式逆變器主電路由兩級電路組成，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能光伏陣列的輸出電壓升高至某一數(shù)值，

14、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橋臂，每個橋臂由一個可控期間和一個反并聯(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關(guān)器件。把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(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。</p><p>　　在本文設(shè)計的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽能光伏陣列輸

15、出的直流電壓在100~170V，經(jīng)Boost電路升至合適值，并實現(xiàn)最大功率跟蹤功能。然后通過單相橋式逆變電路實現(xiàn)逆變，將直流母線的電壓轉(zhuǎn)換成正弦波電流，向電網(wǎng)輸送功率。控制芯片采用Ti公司的TMS320F240數(shù)字信號處理器，其高速的計算能力可以保證實時跟蹤最大功率點，并向電網(wǎng)輸出高品質(zhì)電流。</p><p><b>　　方案比較與選擇</b></p><p>　　工

16、頻變壓器形式逆變器優(yōu)點：由于只有一個環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，效率高；采用工頻變壓器進(jìn)行絕緣和變壓，具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能。缺點主要有：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；對最大功率點的跟蹤沒有設(shè)立獨立的控制操作，使得系統(tǒng)可靠性降低、音頻噪音大；由于單級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要在逆變環(huán)節(jié)中實現(xiàn)最大功率跟蹤控制和逆變

17、并網(wǎng)，控制對象之間的相互耦合增加了算法的設(shè)計難度。</p><p>　　無變壓器形式逆變器優(yōu)點：由于沒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；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，有利于與太陽蓄電池匹配；盡管由于天氣等因素使太陽蓄電池輸出電壓發(fā)生變化，但有了升壓部

18、分，可以保證逆變器部分輸入電壓比較穩(wěn)定。缺點主要是在某些要求隔離的場合不適宜使用。</p><p>　　本論文是設(shè)計一個800W微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器，是一個小功率并網(wǎng)應(yīng)用，由于太陽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升壓電路更易于實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。通過比較兩種設(shè)計方案各自的特點，決定采用無變壓器形式的逆變器設(shè)計方案。</p><p>　　3.2最大功率跟蹤控

19、制MPPT</p><p>　　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控制方式。MPPT的實質(zhì)是通過實時檢測光伏陣列的輸出效率，采用一定的控制算法，以跟蹤光伏陣列最大功率工作點，實現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率輸出。</p><p>　　目前MPPT控制有很多實現(xiàn)方式，如定電壓跟蹤法、擾動觀測法、導(dǎo)納增量法、最有梯度法、模糊邏輯控制方法等，它們實現(xiàn)MPPT控制的基本原理都是類似的，但算法各有

20、差異。</p><p>　　采用定電壓跟蹤法的優(yōu)點：控制簡單，易實現(xiàn)，可靠性高；系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩，有很好的穩(wěn)定性。采用定電壓跟蹤法的缺點：控制精度差，特別是對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。</p><p>　　采用擾動觀測法的優(yōu)點：概念清晰，易于實現(xiàn)，算法簡單；對參數(shù)檢測的精度要求也不高，在日照變化不是很劇烈的情況下具有較好的MPPT控制

21、效果。采用擾動觀測法的缺點：由于該方法始終對MPPT電路施加擾動，因此光伏器件的輸出功率只能工作在最大功率點附近，這樣的振蕩將會帶來持續(xù)的功率損失。</p><p>　　通過比較兩種方案的優(yōu)缺點，決定采用擾動觀測法來實現(xiàn)MPPT控制。</p><p>　　3.3反孤島效應(yīng)控制</p><p>　　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，光伏

22、發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而脫離電網(wǎng)，使太陽并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。一般來說，孤島效應(yīng)可能對整個配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶造成不利影響，包括并網(wǎng)逆變器持續(xù)供電可能危及電網(wǎng)線路的維護(hù)人員的生命安全。</p><p>　　孤島效應(yīng)的檢測方法一般分為兩類，即被動檢測法和主動檢測法。被動檢測法一般是利用檢測電網(wǎng)的某些狀態(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

23、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，斷電后負(fù)載的電壓和頻率變化很小，被動檢測法就會失效。主動檢測法是由并網(wǎng)逆變器定時產(chǎn)生擾動信號，然后觀察電網(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，主動擾動將造成系統(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，也會通過擾動破壞功率平衡，造成系統(tǒng)的電壓、頻率有明顯變化而檢測出孤島效應(yīng)。通過比較選擇主動檢測法來實現(xiàn)反孤島效應(yīng)。</p

24、><p><b>　　4 預(yù)期結(jié)果</b></p><p>　?。?）如期完成開題報告、開題答辯和答辯以后的整改；</p><p>　?。?）按照任務(wù)要求完成800W微型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的電氣原理圖設(shè)計及其參數(shù)計算、元器件的參數(shù)和型號選擇；</p><p>　?。?）提出設(shè)備需要清單，根據(jù)實驗室現(xiàn)有實驗設(shè)備和條件完成部分電

25、路的安裝和調(diào)試；</p><p>　?。?）按照《西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范》的要求和格式，按時完成設(shè)計報告，完成設(shè)計報告，提交按照要求裝訂規(guī)范的報告和電子文檔。</p><p>　　5 可能的遇到的困難與對策</p><p>　　對于并網(wǎng)逆變器的了解還不夠深入，其中的許多概念、理論、技術(shù)知識和注意事項沒有全面了解，這就可能造成在對逆變器電路元件的參數(shù)

26、及型號確定時考慮不夠周全，造成參數(shù)計算錯誤和型號錯用。針對這個問題，在設(shè)計過程中多查閱關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)書籍資料，向老師請教和多與進(jìn)行同種類型設(shè)計題目的同學(xué)交流、相互學(xué)習(xí)。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，設(shè)計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TMS320F240型DSP不夠了解，對于其具體工作原理不清楚，在對逆變器控制電路的設(shè)計時可能會造成很多困擾；設(shè)計任務(wù)還

27、要求實現(xiàn)最大功率點跟蹤MPPT控制，對于控制方法的具體實現(xiàn)不清楚；任務(wù)還要求實現(xiàn)反孤島效應(yīng)對于實現(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，及時向老師請教。</p><p>　　任務(wù)要求對設(shè)計方案完成電路的安裝調(diào)試，但由于實驗條件限制和本人設(shè)計過程中的元器件參數(shù)計算可能出現(xiàn)較大誤差，安裝調(diào)試效果可能不會很好。針對這個問題，在設(shè)計過程中盡力將電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)及其型號確定誤差降到最小，盡最大努力完成部分電

28、路的安裝和調(diào)試。</p><p><b>　　6 時間進(jìn)程安排</b></p><p>　　根據(jù)學(xué)校和專業(yè)對畢業(yè)設(shè)計的總體要求，通過對體目設(shè)計內(nèi)容的分析和自己的實際情況，對畢業(yè)設(shè)計做如下安排，見表1。</p><p>　　表1 設(shè)計（論文）的進(jìn)程安排</p><p><b>　　7 參考文獻(xiàn)</b&

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