HUNAN UNIVERSITY
毕 业 论 文
屋顶太阳能并网发电系统
论文题目 的光伏逆变器设计
学生姓名
学生学号 专业班级
学院名称
指导老师
学院院长
2014 年 5月 21日 杨昶 [1**********] 电气工程及其自动化1004班 电气信息工程学院 刘波峰 王耀南
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目录
摘要 . ............................................................................................................................... 1
ABSTRACT ................................................................................................................... 4
第1章 绪论 . ................................................................................................................. 5
1.1 光伏发电背景及意义 . .................................................................................... 5
1.1.1能源利用现状 . ...................................................................................... 5
1.1.2太阳能利用的主要形式 . ...................................................................... 6
1.1.3光伏发电技术的优势及前景 . .............................................................. 6
1.2光伏发电技术研究现状 . ................................................................................. 7
1.2.1国外光伏发电技术研究现状 . .............................................................. 7
1.2.2国内光伏发电技术研究现状 . .............................................................. 7
1.3本课题主要内容 . ............................................................................................. 8
第2章 屋顶太阳能光伏并网发电系统设计及要求 . ................................................. 8
2.1光伏发电系统简介 . ......................................................................................... 8
2.1.1光伏发电系统基本原理 . ...................................................................... 8
2.1.2光伏并网发电系统优点 . ...................................................................... 9
2.2光伏逆变器简介 . ............................................................................................. 9
2.2.1逆变器分类 . .......................................................................................... 9
2.2.2单级结构与两级结构的光伏逆变器 . ................................................ 10
2.3光伏逆变器的设计 . ....................................................................................... 10
2.3.1逆变器设计要求 . ................................................................................ 10
2.3.2逆变器设计规格 . ................................................................................ 10
2.3.3主电路拓扑结构设计 . ........................................................................ 11
2.3.4主电路DC/AC拓扑结构设计 . .......................................................... 14
第3章 系统的硬件设计及软件设计 . ....................................................................... 17
3.1主电路参数设计 . ........................................................................................... 17
3.1.1 功率器件选取 . ................................................................................... 17
3.1.2 DC/DC部分主电路设计 . ................................................................... 19
3.1.3 DC/AC部分主电路设计 . ................................................................ 20
3.2 驱动、采样电路设计 . .................................................................................. 21
3.2.1 IPM模块驱动电路 . ............................................................................ 21
3.2.2 直流侧电压采样电路设计 . ............................................................... 21
3.2.3直流侧电流采样电路设计 . ................................................................ 22
2
3.2.4 逆变器输出电压采样电路设计 . ....................................................... 22
3.2.5逆变器输出电流采样电路设计 . ........................................................ 23
3.2.6电网电压采样电路设计 . .................................................................... 24
3.2.7过零捕获电路 . .................................................................................... 25
3.2.8死区生成电路 . .................................................................................... 25
3.3 系统软件设计 . .............................................................................................. 26
3.3.1主程序流程图 . .................................................................................... 26
3.3.2中断子程序流程图 . ............................................................................ 27
3.3.3 孤岛故障检测程序 . ........................................................................... 28
第4章 光伏并网发电系统的控制方法研究 . ........................................................... 29
4.1逆变器并网控制方式与目标 . ....................................................................... 29
4.1.1 逆变器并网控制方法 . ....................................................................... 29
4.1.2 逆变器并网控制目标 . ....................................................................... 30
4.2逆变电路控制方式 . ....................................................................................... 30
4.2.1 电压瞬时值单环反馈控制方式 . ....................................................... 30
4.2.2 电流瞬时值单环反馈控制方式 . ....................................................... 31
4.2.3 电压电流双环反馈控制方式 . ........................................................... 33
4.3 孤岛效应简介 . .............................................................................................. 34
4.3.1 孤岛效应及其危害 . ........................................................................... 34
4.3.2 孤岛效应检测策略 . ........................................................................... 34
第5章 全文总结 . ....................................................................................................... 35
参考文献 . ..................................................................................................................... 36
摘要
在能源危机与环境污染等问题日益严重的今天, 新能源的开发与利用越发受到重视, 太阳能因为具有经济、清洁等优点而倍受青睐, 太阳能光伏发电技术作为新能源利用形式之一也在快速发展。逆变器作为太阳能光伏发电系统中最主要的能量转换装置, 其性能的好坏, 将直接影响到太阳能发电系统的利用效率。本文针对单相并网运行的光伏逆变器, 采用了电压外环、电流内环的双环控制方法, 不仅保证了逆变器输出的误差为零, 而且保证了逆变器具有良好的输出波形。本文还主要对光伏发电系统的电路拓扑结构、控制方法以及并网控制策略和孤岛效应等进行了详细的分析研究。
本论文设计了一个3kW 单相并网光伏逆变器。首先阐述了本课题的研究背景和意义, 列出了太阳能光伏发电技术的优点, 并介绍了光伏发电系统的有关部分；其次着重对 3
光伏逆变器主要电路进行设计（包括硬件设计以及软件设计）：硬件设计部分主要包括主电路拓扑结构的选择, 相关器件的参数设计和选型, 主电路的设计和外围相关电路的设计；软件设计包括相关算法的介绍及采用, 主程序设计, 相关中断子程序的设计等。同时对光伏逆变器的并网策略进行了研究, 设计了本论文的控制方式。
ABSTRACT
Nowadays,on account of the problems of environmental pollution and the Energy Crisis becoming worse and worse,exploring and using of new energy become more and more important,solar energy is accepted widely for its advantages such as economical and cleanness,and photovoltaic grid generation technology, as one of the new energy utilization ways,,is developing rapidly.The inverter is the most important power converter in the PV generator system,whose performance will directly influence the efficiency of the use of solar power.This paper focus on single-phase grid-connected system which can work on the photovoltaic grid-connected system.The control method of virtual value outer loop and instantaneous value inner loop,which can eliminate the static error,as well as make the output wave well.So,this paper analyzed the topology of the system,control strategy and the key technology of grid-connected such as the inverter control method and anti-island.
So the 3 kW single-phase photovoltaic inverter has been designed. Firstly the background and significance of this topic are elaborated, and the advantages of the PV grid generation technology are pointed out，and the related parts are introduced. Secondly This paper focuses on the photovoltaic inverter circuit's design,including the hardware's design and software's design, the hardware's design includes:the choice of the circuit's topological structure,the design of the related components' parameters and the selection matching; the software's design includes:the introduction and the adoption of the related algorithm, the main program's design,the related interruption program. Finally the grid strategy of the inverter has been studied.
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第1章 绪论
1.1 光伏发电背景及意义
1.1.1能源利用现状
能源是包括人类在内的所有生物生存的能量来源, 也是人类社会发展的前进动力。在当今世界，能源问题和环境问题是全世界共同关注的问题，也是我国社会发展面临的主要问题。由于传统能源消耗的急剧加大, 传统化石能源枯竭的危机迫在眉睫。能源危机与环境污染已经成为全世界亟待解决的问题，开发清洁的高效的可再生新能源势在必行。
随着我国经济社会的迅速发展, 我国能源消耗量远大于生产量。最近几年, 能源短缺现象日益凸显, 目前我国已经成为世界第二大能源消费国。在我国能源构成中, 传统能源仍然占有较大比重, 传统能源会产生诸如：大气污染、环境污染、气候变化等环境问题。由于传统能源的种种弊端, 因此寻求新的可替代能源将是世界经济发展的唯一途径, 在所有替代能源中, 太阳能被认为是主要替代能源之一。
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1.1.2太阳能利用的主要形式
太阳能是所有可再生能源中最重要的基本能源, 风能、生物质能、水能、海洋能等都来自太阳能, 某种意义上说, 太阳能包含以上所有可再生能源。太阳能利用主要有太阳能热发电、太阳能光发电、太阳能热利用等。太阳能热利用技术是通过转换装置把辐射太阳能转换成热能的技术, 而利用热能来进行发电的技术称为太阳能热发电技术。太阳能光发电技术是通过转换装置把辐射太阳能转换成电能利用的技术, 光电转换装置通常是利用光伏效应原理来进行光电转换, 因此它又称做太阳能光伏技术。
1.1.3光伏发电技术的优势及前景
在可持续发展的能源战略中, 太阳能光伏发电技术在太阳能热发电、海洋发电、生物质能发电、风力发电、生物质能发电等可再生能源发电技术中占有重要的地位。这是因为太阳能光伏发电拥有其它发电技术无可比拟的优点:
一、太阳能取之不尽, 用之不竭。根据估算, 一年之中地球接收到的太阳能总能量相当于137万亿吨标准煤燃烧所产生的热量, 约为全球一年各种能源产生能量总和的两万倍；
二、太阳能在转换过程中清洁无污染；
三、太阳能资源分布广遍及全球, 可以根据环境进行分散地、区域性地利用；
四、光伏发电系统是静态运行, 使用寿命长, 极少需要维护。
五、光伏系统可以模块化, 方便安装在接近电力消耗的地方, 安装在远离电网的地区，可以有效降低供配电成本, 增加供电设施可靠性。
太阳能光电利用技术主要形式是光伏发电技术, 而太阳能光热利用技术主要形式是太阳能热发电技术。未来大规模利用太阳能的主要形式还是光伏发电技术。就设备能量转换效率以及设备成本和转换后能量价格而言, 光伏发电技术均要强于太阳能热发电技术。并且随着太阳能光伏电池组件价格的不断下降, 光伏转换设备的规模化生产, 以及相关技术日趋成熟等有利条件, 光伏发电技术的应用前景更加乐观, 从而能够促进光伏发电规模的不断扩大, 因此光伏发电技术不可避免的成为了主要的发展趋势。
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1.2光伏发电技术研究现状
1.2.1国外光伏发电技术研究现状
上世纪五十年代, 第一块单晶硅光伏电池问世, 光伏电池技术取得重大突破，伴随着光伏电池技术的突破, 光伏发电技术也得到了广泛关注。西方国家提出了一系列的具有重要意义的光伏并网项目。进入二十世纪九十年代, 太阳能光伏发电技术成为全球温室效应调控的重要技术手段, 很多发达国家开始实施以并网的太阳能光伏发电技术为基础的太阳能光伏发电屋顶计划, 这是一种创新的把太阳能技术与建筑设计紧密结合的光伏并网发电技术。1997年日本京都会议之后, 美国宣布了百万光伏屋顶计划, 预计在10年内安装总容量约为3GW 。随后, 德国也提出了10万户的光伏屋顶计划, 日本紧随其后提出了朝日7年光伏屋顶计划, 计划到2010年光伏发电总容量超过5GW 。由德国西门子太阳能公司在慕尼黑贸易中心建成的1MW 太阳能光伏屋顶系统, 则是大功率太阳能光伏并网屋顶发电系统的典型代表。2006年, 美国加州正式出台了3000MW 光伏发电计划。2009年日本恢复了对光伏电池行业的所有补贴政策, 预计到2020年日本光伏发电系统装机总容量累计接近14GW 。西欧北美等发达国家的光伏并网发电系统快速发展的同时, 印度、马来西亚等发展中国家也提出了类似的光伏发电计划。
1.2.2国内光伏发电技术研究现状
我国在光伏并网发电技术领域的研发起步较晚，1960年成功研制出了我国首块多晶硅电池, 效率约为1%。1964年研制的单晶硅电池的效率逐步提高到了12%-13%。2007年我国光伏电池以1088MW 的年产量跃居世界首位，且在世界排名前25家光伏企业中, 我国就已占据了 8家。
1987年, 我国首次引进太阳能光伏电池生产设备, 利用国外先进技术开始生产光伏电池, 且在同年七五计划中, 将太阳能单晶硅的研究列入专题。1994年中国科学院电工研究所建成了100KW 的光伏发电系统。1997年开始实施中国的“光明工程”计划。2007年首次在内蒙古建设了205kW 光伏发电示范系统。2009年, 甘肃敦煌开始招标当时国内最大的太阳能发电站10MW 光伏并网电站。同年财政部及住房和城乡建设部共同提出了到2020年需要建成全年总发电量为30GW 的光伏发电站计划。
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1.3本课题主要内容
针对3-5KW 家庭屋顶太阳能并网发电系统，采用单片机对太阳能发电系统的过充、过放、电子短路、过载保护、防反接保护等全自动控制。要求完成充电方法及充放电控制电路、故障检测电路采样与电源控制电路硬件设计及相关软件设计。
全文共分五章，每章内容安排如下：
第1章，绪论。介绍光伏发电系统的背景及意义，分析了国内外光伏发电技术研究的现状。
第2章，屋顶太阳能光伏并网发电系统设计及要求。首先对光伏发电系统和光伏逆变器做了简介，然后主要围绕本文所采用的DC/DC和DC/AC电路结构进行拓扑结构分析。
第3章，系统的硬件设计及软件设计。结合本课题所研制单相光伏并网系统的设计过程，介绍了逆变器系统的核心电路的设计、功率器件的选型以及主电路电感电容参数的设计，软件程序的整体结构图以及各核心子程序的流程图。
第4章，屋顶太阳能光伏并网发电系统的控制方法研究。本文给出了数字控制策略的具体实现手段：输出频率可调、闭环负反馈控制以及控制脉冲的产生, 阐述了一般数字控制策略的实现过程。
第5章，对全文进行总结。
第2章 屋顶太阳能光伏并网发电系统设计及要求
2.1光伏发电系统简介
2.1.1光伏发电系统基本原理
光伏发电系统是通过光伏效应将福射太阳能直接转换为电能的系统。光伏发电系统一般由光伏电池阵列、蓄电池、控制器、逆变器以及负载等组成。光伏发电系统结构图如图2.1所示。
图2.1 光伏发电系统原理图
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光伏发电系统首先通过光伏电池阵列, 收集太阳光辐射能, 并通过光伏效应将辐射太阳能转化为电能, 控制器控制光伏阵列的电能输出, 将光伏电池阵列产生的直流电经过逆变器转换成交流电供负载使用。如果光伏阵列发出的电能高于负载消耗的电能时, 控制器控制将多余的能量存储进蓄电池中; 若光伏阵列所发出的电能少于负载消耗的电能时, 控制器控制蓄电池将电能送入逆变器供负载使用。
2.1.2光伏并网发电系统优点
根据系统是否并网可以将光伏系统分为独立型光伏系统以及并网型光伏系统（以下简称独立型与并网型）。独立型系统指与电网不连接的光伏系统, 又称离网型光伏系统。独立型系统亦可分为集中式与住户用系统。并网型系统则是与电网直接相连接。并网型系统可分为集中式大型光伏并网系统(太阳能电站) 和分散式小型光伏并网系统; 根据其是否带有蓄电池也可以分为可调度式发电系统和不可调度式发电系统。
光伏并网发电系统具有离网型系统所不具有的一些优点, 具体特点如下：
1. 系统中无蓄电池等储能设备, 可以降低系统造价, 节约成本。
2. 没有庞大的蓄电池组, 可以节约占地面积。
3. 没有废旧蓄电池污染环境的问题。
4没有蓄电池充放电过度的问题, 控制器的控制策略更加简单, 对控制器设计要求降低, 提高了整个发电系统的稳定性和供电的可靠性。
5. 可以向电网提供有功功率和无功功率, 对电网起到调峰的作用。
鉴于光伏并网发电系统具有的诸多优点, 光伏并网发电系统是未来光伏发电技术的主要发展趋势, 尤其是屋顶光伏发电技术领域, 在国内外发展迅猛, 逐步成为了当今光伏发电技术中的热点, 今后还会向大型光伏并网发电系统发展。因此, 研究光伏并网发电系统和相关重要内容具有重要应用价值。
2.2光伏逆变器简介
2.2.1逆变器分类
逆变是指将直流电通过变换装置转换成交流电的过程, 而完成逆变过程的装置称为逆变器。
由于光伏发电系统可以分为并网型和离网型, 逆变器也可以分成并网型逆变器和离网型逆变器。根据逆变器输出交流电的相数可以将逆变器分为单相逆变器和三相逆变器。直接与负载相连而不与电网连接的逆变器称为无源逆变器; 直接与电网相连的逆变器 9
称为有源逆变器。依据光伏逆变器能量转换级数可将其分为单级逆变器和两级逆变器。根据光伏并网逆变器隔离变压器的有无可分为隔离型变压器和非隔离型变压器。
2.2.2单级结构与两级结构的光伏逆变器
直接实现逆变过程的逆变器是单级式光伏逆变器, 它没有直流升压部分电路。这种逆变器仅有一个能量转换环节, 系统的最大功率点跟踪、并网控制、逆变控制都需要控制在这一能量转换环节, 因此控制方式比较复杂, 所以这种结构在应用上并不常见。
两级式光伏逆变器分为两个部分：DC/DC直流升压电路部分和DC/AC逆变电路部分。直流升压电路部分负责最大功率点跟踪和直流升压, 逆变电路部分负责将直流电逆变为交流电并实现并网等。不同于单级式逆变器, 两级式逆变器更容易实现最大功率点跟踪控制, 并能够保证直流电压的较宽范围输入和直流电压的高电压输入, 也就可以提高装置的效率，并且容易满足并网要求。
2.3光伏逆变器的设计
2.3.1逆变器设计要求
逆变器的设计要求如下：
1. 光伏并网逆变器能够输出稳定正弦交流电。交流电要符合国家电网对并网的相关要求, 即实现逆变器输出电流与电网电压同频同相, 功率因数接近1, 且不含直流分量, 降低高次谐波的含量和具有较高的可靠性等。
2. 要求有较高的逆变效率。较大功率的逆变器满载时, 效率要求达到90%或者95%以上, 而中小型功率的逆变器的满载时也要求达到85%或者90%以上。
3. 要求具有较宽的直流输入电压范围。光伏并网系统中太阳能电池可能受到光照强度和天气因素的影响, 其直流输出端的输出直流电压会有较大变化。
2.3.2逆变器设计规格
本论文设计了一台3kW 的太阳能光伏逆变器。光伏电池阵列的输出直流电压取200V ；逆变器额定功率3KW ，额定输出电压为220V ，频率50HZ ，输入直流电压范围125V~600V，最大输入电流15A ；DC/DC开关频率取20kHz,DC/AC开关频率取16kHz 。 10
2.3.3主电路拓扑结构设计
光伏逆变器主电路部分主要包括两部分：DC/DC直流升压变换器以及DC/AC逆变器。两部分拓扑结构的选择对光伏逆变系统性能有重要影响, 因此两者电路的选择尤为重要。本文系统DC/DC直流升压部分采用Boost 电路，DC/AC逆变部分采用单相全桥逆变电路。如图2.1为主电路拓扑结构
图2.1 主电路拓扑结构图
2.3.3.1主电路DC/DC拓扑结构设计
Boost 电路拓扑结构如图2.2，Boost 电路由开关管Q ，二极管D1，电感L ，电容C2组成，完成将太阳能电池产生的直流电压升压到逆变所需的稳定输入电压。Boost 直流升压斩波电路共有两个工作工程：储能过程和放电过程。储能过程：开关管Q 导通，二极管D1反偏, 将输出级隔离，由输入端光伏电池向电感L 充电；放电过程：开关管Q 断开，太阳能电池板的电能和存储在电感L 里的能量传递给下一级的全桥逆变器。
图2.2 Boost电路拓扑结构图
Boost 电路工作原理：
错误！未找到引用源。中，对于Boost 升压电路而言，太阳能电池等效于电压源U pv ，
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后级全桥逆变电路等效为负载R ，等效电路如
图2. 所示。将U pv 升压为U dc 是经由控制功率管Q 0的关断来实现。
图2.3 Boost等效电路
假设电感L 0足够大能保证电流连续，电容C dc 足够大能稳定输出电压。Q 0导通和关断时，等效电路分别如
图2. 所示。
图2. （b ）中电阻R D 是二极管的等效导通电阻。图中各变量的波形如图2.1所示。
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2.4（a ）Q0导通
2.4（b ） Q0关断
图2.4 Boost电路导通和关断工作状态时等效电路图
U 0
U U pv 0
I I L0min
0I I I L0min
0U 0
I
图2.1 Boost电路各变量波形
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当Q 0导通时，二极管D 反偏，U pv 向电感L 0供电，供电电流为：
t
I L0=I L0min +⎰
U pv L 0
⋅dt （2.1）
上式中，I L0min 是流经电感L 0的电流最小值。为了便于分析，I L0可认为是线性的，当开关管导通时间T ON 结束时，流经电感L 0的电流值达到最大I L0max ：
I L0max =I L0min +
U pv L 0
⋅T ON
（2.2）
当Q 0关断时，U pv 和L 0共同向C dc 供电，并给负载R 提供能量，L 0端电压U L0为：
U L0=U dc -U pv =L 0⋅
dI L0
dt
（2.3）
当开关管的关断时间T OFF 结束时，流经电感L 0的电流将降到最小I L0min '：
I L0min '=I L0max -
U dc -U pv
L 0
⋅T OFF
（2.4）
只有在开关管导通时间T ON 内，流经电感L 0增加的电流量与关断时间T OFF 内L 0减少的电流量相等时，电路才会达到稳定状态，即I L0min =I L0min '，由上式（2.2）、（2.4）得：
则U dc ：
U dc =
T ON +T OFF T 1
⋅U pv =⋅U pv =⋅U pv T OFF T -T ON 1-D
U pv L 0
⋅T ON =
U dc -U pv
L 0
⋅T OFF
（2.5）
（2.6）
式中T 是开关周期，D =T ON /T 为占空比。
根据上述分析知，可以由改变开关管Q 0的占空比D 控制Boost 电路的输出电压。
2.3.4主电路DC/AC拓扑结构设计
单相全桥逆变电路拓扑结构如图2.3，全桥逆变由V1~V4四个开关管以及和开关管并联的D1~D4四个二极管组成，其中V1、V4，V2、V3分别构成逆变电路的两组桥臂。通过单片机控制开关管的开断，实现将Boost 电路输出的直流电转换成交流电。为控制输出正弦波选取以下四种有效状态模式S1~S4，其电路等效图如下2.4~2.7。
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图2.3 单相全桥逆变电路拓扑结构图
模式S1：如图2.4，V1l 和V4导通，太阳电池所输出的电能和电容C2所储存的能量输送给电网。电流通过V1—L2—电网—
V4，在此过程中太阳电池所产生的能量一部分输送到电网，另一部分能量在电感
L2中储存起来。
模式S2：如图2.5，V4继续导通,V1关断，由于电感L2中的电流无法突变，V2暂时不能导通，二极管D2先导通续流，电感电流流过V4及D2向电网馈电, 电感端电压极性与S1相反, 电感电流逐渐减小。
图2.4 模式S1（V1、V4导通）
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图2.5 模式S2（V4导通，V1关断）
模式S3：如图2.6，V2和V3导通，太阳电池所产生的电能和电容C2所储存的能量输送给电网，电流通过V3—电网一L2—V2，在此过程中电流增加(但方向与S1、S2相反) ，即太阳电池所产生的能量一部分馈送到电网，另一部分能量在电感L2中储存起来。
模式S4：如图2.7，V3继续导通,V2关断，由于电感L2的电流无法突变，V1暂时不能导通，二极管D1先导通续流，电感电流流过V3及D1向电网馈电, 电感两端的电压极性与模式S3相反, 电感电流减小。
图2.6 模式S3
（V2
、V3导通）
图2.7 模式S4（V3继续导通，V2关断）
电路按这种方式周而复始的工作, 从而在负载两端获得交变的电压, 实现直流变交流的功能。
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第3章 系统的硬件设计及软件设计
3.1主电路参数设计
3.1.1 功率器件选取
功率器件的选取对电路的性能效果有着重大影响。通常使用的功率开关器件有电力双极型晶体管（GTR ，亦作BJT ），门极可关断晶闸管（GTO ），绝缘栅极双极性晶体管（IGBT ）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET ）。门极可关断晶闸管（GTO ）主要应用场合为兆瓦级以上的大功率，开关频率低；电力双极型晶体管（GTR ）主要应用于较大功率等级场合，但它需要的驱动电流较大，耐浪涌电流能力差；电力场效应晶体管（MOSFET ）具有较低的通态压降和较高的开关频率，然而它功率容量小，耐压低；绝缘栅极双极性晶体管（IGBT ）综合了GTR 和MOSFET 的优点，不仅有电流容量大、耐高压的特点，而且有开关频率高、驱动电流较小的特点，而被广泛应用。本文的设计采用IGBT 。
IPM 模块是先进的混合集成功率元件，由高速功耗低的IGBT 、快速的保护电路、优化的门极驱动电路组成。使用该IPM 模块可以有效减少器件数量，提高集成度，降低系统故障率，缩短研发周期。只是因为IPM 集成了过压保护、短路保护、过流保护等功能。
本文并网逆变器选用三菱公司的第五代IPM 模块PM50B5LA060，如图.1所示为实物图。
图3.1 三菱公司PM50B5LA060模块实物
内部功能模块结构如图.2所示。含有5个单元IGBT 功率管，每个功率管都有对应的门极驱动电路和短路、过温、过流、过压的检测保护和状态指示电路。F O 、VF O 、UF O 是故障信号，UP 、VP 、UN 、VN 、WN 是5个IGBT 功率管的门极驱动信号。
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VP
V VP1UP V UP1
图3.2 PM50B5LA060内部模块结构
使用该IPM 模块可以减少器件使用数量，提高系统集成度，降低系统故障概率，缩短开发周期。
PM50B5LA060的IPM 模块功率部分和控制部分的参数如
f
PWM 的频率 —
≤20k
推荐值
Hz
表.3所示。
符号 V CES T J I C T D
参数名称 集电极-射极电压
结区温度 集电极电流 控制电源电压 死区时间 PWM 的频率
等级值 600 -20~150 50 20 — —
单位 V ℃ A V us Hz
≤450
— — 15±1.5
T
f PWM
≥2.0 ≤20k
表3.3 PM50B5LA060主要参数
由
f
PWM 的频率 —
≤20k
Hz
表.3，IPM 模块最佳工作条件为电压450V 、工作电流50A 以及最大可达的开关频率20kHz 。
使用PM50B5LA060时，需注意：
（1）PM50B5LA060模块内部有布线电感，开关时会产生浪涌电压，在P 、N 端子处安装缓冲电路可以消除浪涌电压。使用600V/1uF的无感吸收电容连接在P 、N 端子
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之间，达到消除浪涌电压的作用；
（2）系统通电时，为了防止因保护功能失效而引起的IGBT 被损坏，需要先接通控制电源，再加主电源；
（3）由于IPM 模块工作在高频状态下，当电流较大时温度上升比较快，要使模块正常连续的工作，需要考虑散热问题。 3.1.2 DC/DC部分主电路设计 3.1.2.1 Boost电路电感L1的设计：
为了便于电感设计, 假定所有器件均为理想。且电感可以工作在连续状态和不连续状态两种工作状态。当电感在不连续的状态时, 太阳能输出的电能在每个周期内会有一部分被浪费, 并且纹波较大。所以电感的设计应尽量使其工作在连续导电状态下。Boost 电路在连续导电状态时，由稳态时电感L1上的电压对时间的积分在一个周期内为零，即
V s*DT s+（V s-V c ）*（1-DT s ）=0 （3-1）
其中：V S 是太阳能电池的输出电压, V C 是Boost 电路直流侧的输出电压。Ts 是Q 管
（1-DT s ）的开关周期，D 为占空比，DT s 表示Q 管的导通时间，表示Q 管的关断时间。
由式3-1整理得：
V c 1
= V s 1-D （3-2）
假设电路无损耗： P V =P R （3-3）
P V =V S *I V 。 其中：V 是太阳能电池阵列的输出功率。P P R
是直流侧的输出功率。P R =I R *V C 。
I
则有：R =1-D
I V
（3-4）
由V L =L *
∆i L =
d i
d t （3-5） V S *DT S
L （3-6）
可得
(1-D) 2DV C 2T S
L =
ηP R 综合以上各式可得： （3-7） 太阳能电池板的电压输出范围为V S =125~600V , 中间直流电压为V C =400V , 由(3-2)式可得占空比D=0~0.6875,P R =3000W , 取开关管的开关频率fs=20KH z , 则计算得
L ≥1.5m H 。
因此电感L1的参数为：I m =11A ，L =1.5m H 。
19
3.1.2.2 直流支撑电容C2的设计：
d V I DT I =C ∆V C =R S
dt 可得，C 2 （3-8） 由
∆V C P DT
C 2≥R 2S
V C 可得，ηV V C （3-9） 设
根据逆变器设计的条件：V C =400V ，ηV =1%，P R =3000W 计算可得
ηv =
C 2≥1200μF
在设计过程中，选择三组电容并联，每组由两个1 000μF/300V的电解电容串联，总容量可达1200μF 。
3.1.3 DC/AC部分主电路设计 3.1.3.1 交流侧滤波电感L2的设计：
本文采用脉宽调制方式(亦称PWM), 通过控制开关管V1~V4的导通或关断的时间，来实现逆变过程。因而, 电感L2值的选取直接影响系统的工作性能。滤波电感值可直接影响纹波电流∆i 的大小。根据纹波电流的要求，设L 2端电压为U L 2，当输出电压接近峰值，即 U L 2等于交流电网电压峰值U N max 时，输出电流纹波达到最大，有：
U T (Ud -U N max ) L 2=N max
∆iU d
（3-10）
式中：T 为开关管的开关周期。
设电流纹波系数为 r i ，为了保证实际电流纹波∆i ≤r i I N max , 则滤波电感要满足：
L 2≥
U N m a T x (U -d U N
r 1I N m a U x d
m a x
)
（3-11）
根据并网矢量关系u N 2+(ωL 2i N ) 2=u s 2 （3-12） 设α是调制比，α≤1，有：u S =αU d 得出，
L 2≤(ωi N )
（3-13）
由3-11和3-13得滤波电感取值范围，
U N max T (Ud -U N max )
≤L 2≤
r 1I N max U d N
20
本文中U N max =311V ，I N max =22A ，开关频率取16kHz ，设r i =0.15
有，0.13mH ≤L 2≤71mH
实际设计过程中，由于滤波电感的成本、体积等因素的影响，一般只需考虑 电感值稍大于下限即可，最终选取 L 2=0.15mH 。
3.2 驱动、采样电路设计
3.2.1 IPM模块驱动电路
如图3.4所示，PWM1信号通过反相器和死区电路产生驱动IPM 模块V1和V3管的信号，PWM2信号通过反相器和死区电路产生驱动IPM 模块V2和V4管的信号，由于4路信号高电平均为5V ，与IPM 模块15V 电平不兼容，且IPM 模块控制信号的地与51单片机的地不能直接相连，要用光耦隔离。驱动电路的作用是将控制器产生的PWM 信号的电平和功率放大。
图3.4 IPM模块驱动电路
另外IPM 模块输出的故障信号FOUT 也经过光耦转换成5V 信号，该信号一面用于封锁5路PWM （包括Boost 电路PWM 信号），另一面输入51单片机的I/O口。 21
3.2.2 直流侧电压采样电路设计
设计中采用电压电流双环控制, 因此需要对DC/DC直流升压后输出的直流电压进行采样, 从而完成双环控制。设计采用电压传感器对直流电压进行采样。
电压传感器采用LEM 公司的电压传感器LV100。LV100电压传感器是基于霍尔效应原理研发的电压传感器, 用于闭环控制, 原、副边相隔离。LV100的电压测量范围广, 约在100V~2500V之间, 而且具有较强的抗干扰能力, 可靠性高, 有出色的精度, 较强的电流过载能力, 带宽线性好等优点。如图3.5为直流侧电压采样电路：
图3.5 直流侧电压采样电路
3.2.3直流侧电流采样电路设计
本设计通过在直流端接入电流传感器, 经过电流采样电路输送给单片机。如图3.6为直流侧电流采样电路：
图3.6 直流侧电流采样电路
电流传感器的实际输出同采样输出的比例为1000:1,R6为采样电阻, 将输出直流电流 22
信号转化为直流电压信号。再通过稳压二极管进行稳压, 输出接单片机的P1.2管脚。
3.2.4 逆变器输出电压采样电路设计
本设计的逆变器输出电压采样电路的采样器件采用霍尔电压传感器。通过UIC 输入端为传感器的输出信号。采用一个运算放大器构成的电压跟随器把传感器的输出信号减半, 然后使用加法器将输入的正负信号变换为单极性信号, 再采用一个运算放大器构成的电压跟随器将信号减半, 信号接入51单片机P1.3管脚。电路原理图如图3.7所示：
图3.7 逆变器输出电压采样电路
3.2.5逆变器输出电流采样电路设计
同样, 逆变器输出采样电路也采用霍尔电流传感器（DT50-P ），电流采样原理图如图
3.8所示。电流通过霍尔传感器和采样电阻后, 变成5V 的电压信号。再通过运算放大器的电压并联反馈转换成-5V~+5V之间, 通过5V 电平抬升电路和平均处理, 电压跟随器的输入为0~5V举极性信号。最后使用两个串联二极管限幅, 确保输入单片机的信号电压稳定在0~5V。
图3.8 逆变器输出电流采样电路
23
3.2.6电网电压采样电路设计
在控制逆变器输出电流和电网电压同步的过程中, 单片机需要采集电网电压值和电网电压信号的频率以及相位来实现逆变器输出电流与电网电压同频同相。通过单片机来捕获电网电压的上升沿, 产生同步中断, 并重新设定逆变器输出电流频率。电网电压采样电路如图3.9所示：
24
图3.9 电网电压采样电路
3.2.7过零捕获电路
设计过零捕获的目的是为了检测电网电压过零点，同时产生和电网电压同步的波形
U 信号。如图.10，电网电压信号ac _ad 先经电压跟随提高了输入阻抗，一级RC 滤波去掉
信号毛刺，D3、D4两个二极管的反向并联可以将交流信号控制一定范围之间，再与零电位进行比较之后输出与电网电压同步的信号CAP1，该信号由单片机捕获，在下降沿触发CAP 中断，中断程序的校正输出指令使逆变器输出电流与电网电压同步。
图3.10 过零捕获电路
3.2.8死区生成电路
因为IPM 模块禁止同桥臂功率管同时导通，而且要求阻碍同桥臂同时导通的时间（死区时间）T dead 2us 。为了提高系统安全性，本文设计了死区生成电路。死区生成电路如图3.11所示：
25
图3.11 死区生成电路
3.3 系统软件设计
3.3.1主程序流程图
系统软件设计是逆变器起控制系统的核心部分，主要包括主程序设计以及中断子程序设计。其中，主程序完成系统和各功能模块的初始化、直流侧电压电流
采样、AD 采样和控制脉冲占空比的计算等；中断子程序通过定时器和PWM 模块分别产生控制Boost 电路和单相全桥逆变的PWM 脉冲。具体流程图如图3.12所示。 26
图3.12 主程序流程图
3.3.2中断子程序流程图
程序设计时，允许了2个中断，分别是CAP1捕获中断、定时器1下溢中断。
3.3.2.1 CAP1捕获中断
CAP1中断每个周期发生一次，保持与电网同步。CAP1捕获中断子程序只有一个任务，即设置电网过零标志Sys _flag _cap =1。
3.3.2.2 定时器1下溢中断
定时器1下溢中断的主要任务是启动AD 转换程序，同时检测Sys _flag _cap 位，使得PWM 的计数标志adi 与电网同步，并同时设置数据计算标志Sys _flag _cap =1。当主程序检测到该标志位时，就会计算直流信号的平均值、交流信号的有效值等，这些值可以用来作算法控制和显示及异常判断。定时器下溢中断流程图如图3.13所示：
27
图3.12 定时器下溢中断流程图
3.3.3 孤岛故障检测程序
本设计的孤岛效应检测采用电压频率法。如错误！未找到引用源。.13所示，实时的检测电网电压的有效值和频率值判断是否超出设定的上限和下限，以此来判断系统是否发生孤岛效应。
电网电压频率值的计算是通过下溢中断所设置的PWM 计数标志adi 比较实现的。程序每次检测到电网过零标志Sys _flag _cap 1时，如果发现adi 值超出了380~388的范围，就说明电网的频率超出了49.5~50.5Hz的范围，则发生了孤岛效应。
28
图3.13 孤岛故障检测程序流程图
第4章 光伏并网发电系统的控制方法研究
4.1逆变器并网控制方式与目标
4.1.1 逆变器并网控制方法
逆变器并网常用的控制方式有四种, 分别为:电压源电压、电压源电流、、电流源电压、和电流源电流。
电压源型逆变器的储能元件是电容, 它的直流侧并联了大电容作为无功功率的缓冲环节, 该逆变器低阻抗的电压源特性。电流源型逆变器, 的直流侧有一个串联的大电感当作储存无功功率的无功元件, 构成了逆变器的电流源特性——高阻抗。这种逆变器需要串入大电感往往会导致系统动态响应较差, 所以目前大部分并网逆变器都采用以电压源输入为主的方式。
根据控制对象的不同逆变器并网控制方式亦可以分为：电压控制和电流控制两种。 29
电压控制通常是将电网视为一个交流的电压源, 同时将逆变器视为一个电压源。因此当逆变器并网运行时, 就等同于两个电压源并联。为了保证系统并网的稳定运行和并网控制的目标, 就需要利用锁相控制技术, 但是锁相控制技术存在诸多缺点, 例如：输出电压值控制精确度低、锁相控制回路响应慢同时可能出现环流。相反采用电流控制方式, 只需要设定输出电流值, 通过控制逆变器的输出电流来追踪电网电压, 从而达到并网控制目标（逆变器输出电流和电网电压同频同相）, 并使系统稳定运行。电流控制方法较为简单, 而且可以获得较好的并网控制效果, 因此受到了比较广泛的应用。本文采用电流控制方式，本文的逆变器并网控制方式为电压源电流控制的并网控制方式。
4.1.2 逆变器并网控制目标
光伏逆变器的控制目标为：逆变器输出的交流电流为高品质的、稳定的正弦波, 逆变器输出电流与电网电压同频、同相, 调节输出直流电流的幅值使太阳能电池达到最大功率点。
并网运行的条件：我国电网的电压有效值为220V , 频率为50Hz, 为了减小并网时对电网的冲击, 根据电力系统并联运行的条件, 并网时应同时满足下列3个条件：
①并网装置输出电压和电网电压近似相等, 一般电压差不超过10%；
②逆变输出频率近似电网频率, 一般频率差不超过0.4Hz ；
③逆变输出电流和电网电压同频同相, 通常此相位差不超过10o 。
在保证逆变输出电流与电网电压同频同相的同时, 还需要满足逆变的输出电压高于电网电压10%,设直流电压为U, 占空比为D, 调制比为m, 电网电压为U net , 为确保并网成功, 须满足下式:
U *D *m >U net *(1+10%)
4.2逆变电路控制方式
4.2.1 电压瞬时值单环反馈控制方式
如图4.1所示为单相全桥逆变电路反馈控制框图, 它的特点是单电压反馈环, 逆变器输出的交流电压通过电压互感器PT 进行降压，降压后进入到电路1（平均值电路）, 其输出的电压与给定电压作比较, 生成的误差信号经过PI 调节器,PI 调节器输出的信号作为幅值来调节正弦调制信号, 然后将信号和三角波载波信号作比较, 产生SPWM 信号, 通过驱动电路, 由输出电压的平均值闭环维持输出电压恒定。以上控制电路的结构相对较为简单, 可连续调节输出电压的幅值，并保证一定的静差, 但也存在如下缺点：
1. 系统动态响应的速度慢：因为包含LC 滤波器, 只有在PI 调节器加入大的补偿电容是 30
系统才能稳定工作, 平均值电路中的滤波电容增大了系统惯性, 当直流侧电压或负载发生
突变时, 系统动态响应的速度很慢, 需要几个输出周期。
2. 对负载的适应性差：对于逆变电源, 经常有非线性的负载, 电流冲击度高。经过脉冲
电流的冲击, 输出的波形会产生畸变, 导致失真度升高。
为了达到对输出电压波形的控制, 可以采用电压反馈控制方法, 该控制方案在运行中
可以实时的调控电压输出波形, 从而提高了供电质量, 结构框图如图4.1(b)。图中电压互感
器PT 较图4.1（a ）相比增加了一路输出电压, 反馈电压和电路5的正弦波作比较, 也等同于
瞬时值反馈以闭环产生的信号作为基准, 比较后所产生的误差信号与载波信号相比较最
终得到SPWM 控制信号。
图4.1 单相全桥式逆变电路反馈控制框图
4.2.2 电流瞬时值单环反馈控制方式
电流反馈控制是一种全新的控制方法, 具有独特的优点, 原有的电压型控制方式存在
的局限性和电流型控制方式自身的优点, 使这种控制方式得到广泛重视和应用。实现电流
型控制策略的电路拓扑有很多, 下面只介绍了常用的恒开关频率的电流控制和电流滞环
31
跟踪控制。
图4.2 电流瞬时值控制的逆变电路框图
(一) 电流滞环跟踪控制方式
采用电流滞环跟踪控制方式的单相桥式逆变电路的控制电路如图4.2中的虚线框图
所示。环宽 i 决定开关频率f c , 环宽越小, 开关频率越高, 电流脉动度越低, i L 越接近于正弦,
电流失真度越小, 但随着电路开关损耗增高, 导致电路效率降低, 开关频率的不断增加, 设
计时需要折衷考虑。
电流滞环方式有如下特点：
(l)系统有快速瞬态响应；
(2)系统有较高稳定性；
(3)电流型全桥电路容易发生失控；
(4)开关频率的不固定。
(二) 恒开关频率的电流控制方式
图4.2中的B 框图所示为具有恒开关频率的电流控制方式, 虚线框B 中的控制电路增
加了频率发生器, 它能输出重复频率f 是恒值的方波信号, 以方波信号为时钟脉冲加到锁
i i 存器的CP 端, 在比较器的输入端正弦给定电流R 与反馈电流r 进行比较。以上控制脉冲的
转变是由锁存器输出电平决定的, 锁存器仅在时钟脉冲到来时才会转换状态, 因为时钟脉
冲的重复频率是恒定的，于是每个切换点在时间上是等距的，因此这种方式也被称为同
步开关控制方式。恒开关频率控制方式虽然避免了滞环控制时频率变化的缺点, 但电流波
形的失真度在同条件下比滞环的高。
32
4.2.3 电压电流双环反馈控制方式
使用电压电流双环瞬时值控制方式的逆变器, 由于其输出电压波形的质量好、控制简
单和动态响应快等特点, 受到了人们的关注。目前瞬时值控制方式一般都采用双环反馈,
双环反馈的外环为电压反馈, 电压调节器采用比例积分形式, 其输出作为内环的给定, 内环
是电流反馈。图4.3是电压电流双环控制的逆变电路结构图, 图4.4是逆变电路控制系统框
图。如图4.3所示, 虚线框内是控制电路, 电压外环对电压的瞬时误差给出信号, 经由PI 调节
器后作为电流控制的给定；电流内环产生误差信号, 经过PI 调节器, 所得的信号与三角形
载波信号比较后产生SPWM 信号来控制功率管的开通。实际应用中除了采用电流内环之
外还设置了电压外环的目的在于对不同负载实现给定电流幅值的自动控制, 电压外环能
及时、快速的校正输出电压的波形, 使系统在各种负载情况下都具有良好的输出电压波
形。本文亦采用电压电流双环反馈控制方式作为逆变器并网的控制方式。
图4.3 电压电流双环反馈控制系统结构图
33
图4.4 电压电流双环反馈控制系统框图
4.3 孤岛效应简介
4.3.1 孤岛效应及其危害
孤岛效应指的是, 当电网因为电气故障等因素断电时, 并网逆变器等独立供电装置没
有及时做出反应切离电网, 而继续供电, 形成了仅由光伏系统向电网供电现象。孤岛效应
是并网发电系统所特有的现象, 孤岛效应的发生有很大的危害, 主要包括：
l) 对电力线路的维修人员造成安全隐患;
2) 影响了配电系统保护开关的动作;
3) 孤岛区域易发生供电电压及频率不稳定的现象;
4) 当电力系统恢复正常供电时造成相位不同的问题;
5) 太阳能光伏供电系统在单相供电时造成三相负载的欠相供电问题。.
4.3.2 孤岛效应检测策略
孤岛效应的检测策略分为两大类：被动式检测和主动式检测。
4.3.2.1 被动式检测法
被动式检测法是通过实时监测电网的频率高低、相位变化、电压大小等作为判断是
否发生孤岛效应的依据。常用的被动式检测方法有如下几种。
1）电压频率检测
光伏发电系统与电网并网运行时，一旦电网发生故障或失电发生孤岛效应的瞬间有功功
率和无功功率变化会导致系统电压与频率变化。当ΔP 或ΔQ 足够大时，会导致电压频
率超出系统的允许范围，并由继电器接收到保护电路检测到信号发出动作来保护。而当
ΔP 和ΔQ 较小时，该方法将不起作用。
2）电压相位突变检测
光伏系统与电网并网正常运行时，系统功率因数为1。当相位偏差超出一定范围时，
就认为发生了孤岛效应，系统立即做出反应；对于主要呈电阻性质的负载，相位偏差会
比较小，该方法也将不起作用。
3）电压谐波检测
电流型的并网逆变系统中，当电网故障断电时，逆变电流经过变压器时，就会产生
谐波，系统电压会失真，同步参考信号采用失真了的电压波形来控制输出电流。经过连
续的跟踪，逆变器输出电压波形中谐波的含量将会增多，畸变率增大，孤岛效应可以有
效地判断出来。
34
2. 主动式检测法
主动式检测法指的是对逆变器输出的电压或频率主动地施加周期性的扰动，同时观
察电网电压或频率是否受到周期性的影响，据此来判断是否发生孤岛效应。常见的的主
动式检测法有如下几种：
1）输出电力变动方式
在逆变器输出功率的基础上，人为添加周期性变化的有功或无功功率，破坏逆变器
输出功率的平衡状态，当孤岛效应发生时，因为系统失去了稳定的同步电压参考信号源，
周期性的扰动会造成电压或频率的变化，据此检测出孤岛效应故障。
2）加入电感或电容器
在光伏系统和并网断路器之间的电力线上加入电感或电容器，并随机地投入和切
出，当孤岛效应发生时，因为电感或电容的变化将会破坏系统的功率平衡，从而造成电
压和频率的扰动，据此能有效地检测出孤岛效应。
3. 本设计采用的检测策略
因为本文所研制是3kW 光伏并网逆变器，功率等级低，而与系统并网的配电网上
负载较大，所有电网断电时，光伏系统输出的功率与负载消耗的功率瞬间失去平衡，故
采用电压频率被动检测方法可有效地检测到孤岛效应现象。本文光伏并网逆变系统采用
电压频率被动检测方法。
第5章 全文总结
通过阅读研究了大量的国内外光伏并网逆变器的相关文献, 并且结合实际情况最终
设计了 本文的3kW 单相并网光伏逆变器。首先介绍了课题研究背景和意义, 阐述了能源
利用现状以及太阳能利用的优点, 并详细介绍了国内外光伏发电技术的发展现状和未来
发展趋势, 提出了光伏发电系统的应用价值及研究光伏逆变器系统的重要性。接着简要介
绍了光伏发电系统的分类和基本原理，对本文光伏逆变系统的主电路拓扑结构进行选择
设计, 介绍了Boost 升压斩波电路和单相全桥逆变电路, 采用直流升压和全桥逆变的两级
结构, 对DC/DC直流升压变换器和DC/AC逆变器电路的拓扑结构进行了设计。
重点设计了本文的主电路, 包括电路中各器件的参数设计和选型, 采样电路和驱动电
路进行了设计, 包括IPM 模块的驱动电路, 直流侧电压电流采样电路和逆变器输出电压电
流采样电路，电网电压同步检测电路等。软件的设计包括本论文相关算法的介绍和选择,
设计了本文的主程序流程图, 逆变控制软件的设计, 捕获中断子程序设计等。最后，通过
研究总结光伏并网的常用控制策略, 设计了本论文的光伏逆变器并网控制方式，同时简单
介绍了孤岛效应及其检测手段。
35
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37
HUNAN UNIVERSITY
毕 业 论 文
屋顶太阳能并网发电系统
论文题目 的光伏逆变器设计
学生姓名
学生学号 专业班级
学院名称
指导老师
学院院长
2014 年 5月 21日 杨昶 [1**********] 电气工程及其自动化1004班 电气信息工程学院 刘波峰 王耀南
1
目录
摘要 . ............................................................................................................................... 1
ABSTRACT ................................................................................................................... 4
第1章 绪论 . ................................................................................................................. 5
1.1 光伏发电背景及意义 . .................................................................................... 5
1.1.1能源利用现状 . ...................................................................................... 5
1.1.2太阳能利用的主要形式 . ...................................................................... 6
1.1.3光伏发电技术的优势及前景 . .............................................................. 6
1.2光伏发电技术研究现状 . ................................................................................. 7
1.2.1国外光伏发电技术研究现状 . .............................................................. 7
1.2.2国内光伏发电技术研究现状 . .............................................................. 7
1.3本课题主要内容 . ............................................................................................. 8
第2章 屋顶太阳能光伏并网发电系统设计及要求 . ................................................. 8
2.1光伏发电系统简介 . ......................................................................................... 8
2.1.1光伏发电系统基本原理 . ...................................................................... 8
2.1.2光伏并网发电系统优点 . ...................................................................... 9
2.2光伏逆变器简介 . ............................................................................................. 9
2.2.1逆变器分类 . .......................................................................................... 9
2.2.2单级结构与两级结构的光伏逆变器 . ................................................ 10
2.3光伏逆变器的设计 . ....................................................................................... 10
2.3.1逆变器设计要求 . ................................................................................ 10
2.3.2逆变器设计规格 . ................................................................................ 10
2.3.3主电路拓扑结构设计 . ........................................................................ 11
2.3.4主电路DC/AC拓扑结构设计 . .......................................................... 14
第3章 系统的硬件设计及软件设计 . ....................................................................... 17
3.1主电路参数设计 . ........................................................................................... 17
3.1.1 功率器件选取 . ................................................................................... 17
3.1.2 DC/DC部分主电路设计 . ................................................................... 19
3.1.3 DC/AC部分主电路设计 . ................................................................ 20
3.2 驱动、采样电路设计 . .................................................................................. 21
3.2.1 IPM模块驱动电路 . ............................................................................ 21
3.2.2 直流侧电压采样电路设计 . ............................................................... 21
3.2.3直流侧电流采样电路设计 . ................................................................ 22
2
3.2.4 逆变器输出电压采样电路设计 . ....................................................... 22
3.2.5逆变器输出电流采样电路设计 . ........................................................ 23
3.2.6电网电压采样电路设计 . .................................................................... 24
3.2.7过零捕获电路 . .................................................................................... 25
3.2.8死区生成电路 . .................................................................................... 25
3.3 系统软件设计 . .............................................................................................. 26
3.3.1主程序流程图 . .................................................................................... 26
3.3.2中断子程序流程图 . ............................................................................ 27
3.3.3 孤岛故障检测程序 . ........................................................................... 28
第4章 光伏并网发电系统的控制方法研究 . ........................................................... 29
4.1逆变器并网控制方式与目标 . ....................................................................... 29
4.1.1 逆变器并网控制方法 . ....................................................................... 29
4.1.2 逆变器并网控制目标 . ....................................................................... 30
4.2逆变电路控制方式 . ....................................................................................... 30
4.2.1 电压瞬时值单环反馈控制方式 . ....................................................... 30
4.2.2 电流瞬时值单环反馈控制方式 . ....................................................... 31
4.2.3 电压电流双环反馈控制方式 . ........................................................... 33
4.3 孤岛效应简介 . .............................................................................................. 34
4.3.1 孤岛效应及其危害 . ........................................................................... 34
4.3.2 孤岛效应检测策略 . ........................................................................... 34
第5章 全文总结 . ....................................................................................................... 35
参考文献 . ..................................................................................................................... 36
摘要
在能源危机与环境污染等问题日益严重的今天, 新能源的开发与利用越发受到重视, 太阳能因为具有经济、清洁等优点而倍受青睐, 太阳能光伏发电技术作为新能源利用形式之一也在快速发展。逆变器作为太阳能光伏发电系统中最主要的能量转换装置, 其性能的好坏, 将直接影响到太阳能发电系统的利用效率。本文针对单相并网运行的光伏逆变器, 采用了电压外环、电流内环的双环控制方法, 不仅保证了逆变器输出的误差为零, 而且保证了逆变器具有良好的输出波形。本文还主要对光伏发电系统的电路拓扑结构、控制方法以及并网控制策略和孤岛效应等进行了详细的分析研究。
本论文设计了一个3kW 单相并网光伏逆变器。首先阐述了本课题的研究背景和意义, 列出了太阳能光伏发电技术的优点, 并介绍了光伏发电系统的有关部分；其次着重对 3
光伏逆变器主要电路进行设计（包括硬件设计以及软件设计）：硬件设计部分主要包括主电路拓扑结构的选择, 相关器件的参数设计和选型, 主电路的设计和外围相关电路的设计；软件设计包括相关算法的介绍及采用, 主程序设计, 相关中断子程序的设计等。同时对光伏逆变器的并网策略进行了研究, 设计了本论文的控制方式。
ABSTRACT
Nowadays,on account of the problems of environmental pollution and the Energy Crisis becoming worse and worse,exploring and using of new energy become more and more important,solar energy is accepted widely for its advantages such as economical and cleanness,and photovoltaic grid generation technology, as one of the new energy utilization ways,,is developing rapidly.The inverter is the most important power converter in the PV generator system,whose performance will directly influence the efficiency of the use of solar power.This paper focus on single-phase grid-connected system which can work on the photovoltaic grid-connected system.The control method of virtual value outer loop and instantaneous value inner loop,which can eliminate the static error,as well as make the output wave well.So,this paper analyzed the topology of the system,control strategy and the key technology of grid-connected such as the inverter control method and anti-island.
So the 3 kW single-phase photovoltaic inverter has been designed. Firstly the background and significance of this topic are elaborated, and the advantages of the PV grid generation technology are pointed out，and the related parts are introduced. Secondly This paper focuses on the photovoltaic inverter circuit's design,including the hardware's design and software's design, the hardware's design includes:the choice of the circuit's topological structure,the design of the related components' parameters and the selection matching; the software's design includes:the introduction and the adoption of the related algorithm, the main program's design,the related interruption program. Finally the grid strategy of the inverter has been studied.
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第1章 绪论
1.1 光伏发电背景及意义
1.1.1能源利用现状
能源是包括人类在内的所有生物生存的能量来源, 也是人类社会发展的前进动力。在当今世界，能源问题和环境问题是全世界共同关注的问题，也是我国社会发展面临的主要问题。由于传统能源消耗的急剧加大, 传统化石能源枯竭的危机迫在眉睫。能源危机与环境污染已经成为全世界亟待解决的问题，开发清洁的高效的可再生新能源势在必行。
随着我国经济社会的迅速发展, 我国能源消耗量远大于生产量。最近几年, 能源短缺现象日益凸显, 目前我国已经成为世界第二大能源消费国。在我国能源构成中, 传统能源仍然占有较大比重, 传统能源会产生诸如：大气污染、环境污染、气候变化等环境问题。由于传统能源的种种弊端, 因此寻求新的可替代能源将是世界经济发展的唯一途径, 在所有替代能源中, 太阳能被认为是主要替代能源之一。
5
1.1.2太阳能利用的主要形式
太阳能是所有可再生能源中最重要的基本能源, 风能、生物质能、水能、海洋能等都来自太阳能, 某种意义上说, 太阳能包含以上所有可再生能源。太阳能利用主要有太阳能热发电、太阳能光发电、太阳能热利用等。太阳能热利用技术是通过转换装置把辐射太阳能转换成热能的技术, 而利用热能来进行发电的技术称为太阳能热发电技术。太阳能光发电技术是通过转换装置把辐射太阳能转换成电能利用的技术, 光电转换装置通常是利用光伏效应原理来进行光电转换, 因此它又称做太阳能光伏技术。
1.1.3光伏发电技术的优势及前景
在可持续发展的能源战略中, 太阳能光伏发电技术在太阳能热发电、海洋发电、生物质能发电、风力发电、生物质能发电等可再生能源发电技术中占有重要的地位。这是因为太阳能光伏发电拥有其它发电技术无可比拟的优点:
一、太阳能取之不尽, 用之不竭。根据估算, 一年之中地球接收到的太阳能总能量相当于137万亿吨标准煤燃烧所产生的热量, 约为全球一年各种能源产生能量总和的两万倍；
二、太阳能在转换过程中清洁无污染；
三、太阳能资源分布广遍及全球, 可以根据环境进行分散地、区域性地利用；
四、光伏发电系统是静态运行, 使用寿命长, 极少需要维护。
五、光伏系统可以模块化, 方便安装在接近电力消耗的地方, 安装在远离电网的地区，可以有效降低供配电成本, 增加供电设施可靠性。
太阳能光电利用技术主要形式是光伏发电技术, 而太阳能光热利用技术主要形式是太阳能热发电技术。未来大规模利用太阳能的主要形式还是光伏发电技术。就设备能量转换效率以及设备成本和转换后能量价格而言, 光伏发电技术均要强于太阳能热发电技术。并且随着太阳能光伏电池组件价格的不断下降, 光伏转换设备的规模化生产, 以及相关技术日趋成熟等有利条件, 光伏发电技术的应用前景更加乐观, 从而能够促进光伏发电规模的不断扩大, 因此光伏发电技术不可避免的成为了主要的发展趋势。
6
1.2光伏发电技术研究现状
1.2.1国外光伏发电技术研究现状
上世纪五十年代, 第一块单晶硅光伏电池问世, 光伏电池技术取得重大突破，伴随着光伏电池技术的突破, 光伏发电技术也得到了广泛关注。西方国家提出了一系列的具有重要意义的光伏并网项目。进入二十世纪九十年代, 太阳能光伏发电技术成为全球温室效应调控的重要技术手段, 很多发达国家开始实施以并网的太阳能光伏发电技术为基础的太阳能光伏发电屋顶计划, 这是一种创新的把太阳能技术与建筑设计紧密结合的光伏并网发电技术。1997年日本京都会议之后, 美国宣布了百万光伏屋顶计划, 预计在10年内安装总容量约为3GW 。随后, 德国也提出了10万户的光伏屋顶计划, 日本紧随其后提出了朝日7年光伏屋顶计划, 计划到2010年光伏发电总容量超过5GW 。由德国西门子太阳能公司在慕尼黑贸易中心建成的1MW 太阳能光伏屋顶系统, 则是大功率太阳能光伏并网屋顶发电系统的典型代表。2006年, 美国加州正式出台了3000MW 光伏发电计划。2009年日本恢复了对光伏电池行业的所有补贴政策, 预计到2020年日本光伏发电系统装机总容量累计接近14GW 。西欧北美等发达国家的光伏并网发电系统快速发展的同时, 印度、马来西亚等发展中国家也提出了类似的光伏发电计划。
1.2.2国内光伏发电技术研究现状
我国在光伏并网发电技术领域的研发起步较晚，1960年成功研制出了我国首块多晶硅电池, 效率约为1%。1964年研制的单晶硅电池的效率逐步提高到了12%-13%。2007年我国光伏电池以1088MW 的年产量跃居世界首位，且在世界排名前25家光伏企业中, 我国就已占据了 8家。
1987年, 我国首次引进太阳能光伏电池生产设备, 利用国外先进技术开始生产光伏电池, 且在同年七五计划中, 将太阳能单晶硅的研究列入专题。1994年中国科学院电工研究所建成了100KW 的光伏发电系统。1997年开始实施中国的“光明工程”计划。2007年首次在内蒙古建设了205kW 光伏发电示范系统。2009年, 甘肃敦煌开始招标当时国内最大的太阳能发电站10MW 光伏并网电站。同年财政部及住房和城乡建设部共同提出了到2020年需要建成全年总发电量为30GW 的光伏发电站计划。
7
1.3本课题主要内容
针对3-5KW 家庭屋顶太阳能并网发电系统，采用单片机对太阳能发电系统的过充、过放、电子短路、过载保护、防反接保护等全自动控制。要求完成充电方法及充放电控制电路、故障检测电路采样与电源控制电路硬件设计及相关软件设计。
全文共分五章，每章内容安排如下：
第1章，绪论。介绍光伏发电系统的背景及意义，分析了国内外光伏发电技术研究的现状。
第2章，屋顶太阳能光伏并网发电系统设计及要求。首先对光伏发电系统和光伏逆变器做了简介，然后主要围绕本文所采用的DC/DC和DC/AC电路结构进行拓扑结构分析。
第3章，系统的硬件设计及软件设计。结合本课题所研制单相光伏并网系统的设计过程，介绍了逆变器系统的核心电路的设计、功率器件的选型以及主电路电感电容参数的设计，软件程序的整体结构图以及各核心子程序的流程图。
第4章，屋顶太阳能光伏并网发电系统的控制方法研究。本文给出了数字控制策略的具体实现手段：输出频率可调、闭环负反馈控制以及控制脉冲的产生, 阐述了一般数字控制策略的实现过程。
第5章，对全文进行总结。
第2章 屋顶太阳能光伏并网发电系统设计及要求
2.1光伏发电系统简介
2.1.1光伏发电系统基本原理
光伏发电系统是通过光伏效应将福射太阳能直接转换为电能的系统。光伏发电系统一般由光伏电池阵列、蓄电池、控制器、逆变器以及负载等组成。光伏发电系统结构图如图2.1所示。
图2.1 光伏发电系统原理图
8
光伏发电系统首先通过光伏电池阵列, 收集太阳光辐射能, 并通过光伏效应将辐射太阳能转化为电能, 控制器控制光伏阵列的电能输出, 将光伏电池阵列产生的直流电经过逆变器转换成交流电供负载使用。如果光伏阵列发出的电能高于负载消耗的电能时, 控制器控制将多余的能量存储进蓄电池中; 若光伏阵列所发出的电能少于负载消耗的电能时, 控制器控制蓄电池将电能送入逆变器供负载使用。
2.1.2光伏并网发电系统优点
根据系统是否并网可以将光伏系统分为独立型光伏系统以及并网型光伏系统（以下简称独立型与并网型）。独立型系统指与电网不连接的光伏系统, 又称离网型光伏系统。独立型系统亦可分为集中式与住户用系统。并网型系统则是与电网直接相连接。并网型系统可分为集中式大型光伏并网系统(太阳能电站) 和分散式小型光伏并网系统; 根据其是否带有蓄电池也可以分为可调度式发电系统和不可调度式发电系统。
光伏并网发电系统具有离网型系统所不具有的一些优点, 具体特点如下：
1. 系统中无蓄电池等储能设备, 可以降低系统造价, 节约成本。
2. 没有庞大的蓄电池组, 可以节约占地面积。
3. 没有废旧蓄电池污染环境的问题。
4没有蓄电池充放电过度的问题, 控制器的控制策略更加简单, 对控制器设计要求降低, 提高了整个发电系统的稳定性和供电的可靠性。
5. 可以向电网提供有功功率和无功功率, 对电网起到调峰的作用。
鉴于光伏并网发电系统具有的诸多优点, 光伏并网发电系统是未来光伏发电技术的主要发展趋势, 尤其是屋顶光伏发电技术领域, 在国内外发展迅猛, 逐步成为了当今光伏发电技术中的热点, 今后还会向大型光伏并网发电系统发展。因此, 研究光伏并网发电系统和相关重要内容具有重要应用价值。
2.2光伏逆变器简介
2.2.1逆变器分类
逆变是指将直流电通过变换装置转换成交流电的过程, 而完成逆变过程的装置称为逆变器。
由于光伏发电系统可以分为并网型和离网型, 逆变器也可以分成并网型逆变器和离网型逆变器。根据逆变器输出交流电的相数可以将逆变器分为单相逆变器和三相逆变器。直接与负载相连而不与电网连接的逆变器称为无源逆变器; 直接与电网相连的逆变器 9
称为有源逆变器。依据光伏逆变器能量转换级数可将其分为单级逆变器和两级逆变器。根据光伏并网逆变器隔离变压器的有无可分为隔离型变压器和非隔离型变压器。
2.2.2单级结构与两级结构的光伏逆变器
直接实现逆变过程的逆变器是单级式光伏逆变器, 它没有直流升压部分电路。这种逆变器仅有一个能量转换环节, 系统的最大功率点跟踪、并网控制、逆变控制都需要控制在这一能量转换环节, 因此控制方式比较复杂, 所以这种结构在应用上并不常见。
两级式光伏逆变器分为两个部分：DC/DC直流升压电路部分和DC/AC逆变电路部分。直流升压电路部分负责最大功率点跟踪和直流升压, 逆变电路部分负责将直流电逆变为交流电并实现并网等。不同于单级式逆变器, 两级式逆变器更容易实现最大功率点跟踪控制, 并能够保证直流电压的较宽范围输入和直流电压的高电压输入, 也就可以提高装置的效率，并且容易满足并网要求。
2.3光伏逆变器的设计
2.3.1逆变器设计要求
逆变器的设计要求如下：
1. 光伏并网逆变器能够输出稳定正弦交流电。交流电要符合国家电网对并网的相关要求, 即实现逆变器输出电流与电网电压同频同相, 功率因数接近1, 且不含直流分量, 降低高次谐波的含量和具有较高的可靠性等。
2. 要求有较高的逆变效率。较大功率的逆变器满载时, 效率要求达到90%或者95%以上, 而中小型功率的逆变器的满载时也要求达到85%或者90%以上。
3. 要求具有较宽的直流输入电压范围。光伏并网系统中太阳能电池可能受到光照强度和天气因素的影响, 其直流输出端的输出直流电压会有较大变化。
2.3.2逆变器设计规格
本论文设计了一台3kW 的太阳能光伏逆变器。光伏电池阵列的输出直流电压取200V ；逆变器额定功率3KW ，额定输出电压为220V ，频率50HZ ，输入直流电压范围125V~600V，最大输入电流15A ；DC/DC开关频率取20kHz,DC/AC开关频率取16kHz 。 10
2.3.3主电路拓扑结构设计
光伏逆变器主电路部分主要包括两部分：DC/DC直流升压变换器以及DC/AC逆变器。两部分拓扑结构的选择对光伏逆变系统性能有重要影响, 因此两者电路的选择尤为重要。本文系统DC/DC直流升压部分采用Boost 电路，DC/AC逆变部分采用单相全桥逆变电路。如图2.1为主电路拓扑结构
图2.1 主电路拓扑结构图
2.3.3.1主电路DC/DC拓扑结构设计
Boost 电路拓扑结构如图2.2，Boost 电路由开关管Q ，二极管D1，电感L ，电容C2组成，完成将太阳能电池产生的直流电压升压到逆变所需的稳定输入电压。Boost 直流升压斩波电路共有两个工作工程：储能过程和放电过程。储能过程：开关管Q 导通，二极管D1反偏, 将输出级隔离，由输入端光伏电池向电感L 充电；放电过程：开关管Q 断开，太阳能电池板的电能和存储在电感L 里的能量传递给下一级的全桥逆变器。
图2.2 Boost电路拓扑结构图
Boost 电路工作原理：
错误！未找到引用源。中，对于Boost 升压电路而言，太阳能电池等效于电压源U pv ，
11
后级全桥逆变电路等效为负载R ，等效电路如
图2. 所示。将U pv 升压为U dc 是经由控制功率管Q 0的关断来实现。
图2.3 Boost等效电路
假设电感L 0足够大能保证电流连续，电容C dc 足够大能稳定输出电压。Q 0导通和关断时，等效电路分别如
图2. 所示。
图2. （b ）中电阻R D 是二极管的等效导通电阻。图中各变量的波形如图2.1所示。
12
2.4（a ）Q0导通
2.4（b ） Q0关断
图2.4 Boost电路导通和关断工作状态时等效电路图
U 0
U U pv 0
I I L0min
0I I I L0min
0U 0
I
图2.1 Boost电路各变量波形
13
当Q 0导通时，二极管D 反偏，U pv 向电感L 0供电，供电电流为：
t
I L0=I L0min +⎰
U pv L 0
⋅dt （2.1）
上式中，I L0min 是流经电感L 0的电流最小值。为了便于分析，I L0可认为是线性的，当开关管导通时间T ON 结束时，流经电感L 0的电流值达到最大I L0max ：
I L0max =I L0min +
U pv L 0
⋅T ON
（2.2）
当Q 0关断时，U pv 和L 0共同向C dc 供电，并给负载R 提供能量，L 0端电压U L0为：
U L0=U dc -U pv =L 0⋅
dI L0
dt
（2.3）
当开关管的关断时间T OFF 结束时，流经电感L 0的电流将降到最小I L0min '：
I L0min '=I L0max -
U dc -U pv
L 0
⋅T OFF
（2.4）
只有在开关管导通时间T ON 内，流经电感L 0增加的电流量与关断时间T OFF 内L 0减少的电流量相等时，电路才会达到稳定状态，即I L0min =I L0min '，由上式（2.2）、（2.4）得：
则U dc ：
U dc =
T ON +T OFF T 1
⋅U pv =⋅U pv =⋅U pv T OFF T -T ON 1-D
U pv L 0
⋅T ON =
U dc -U pv
L 0
⋅T OFF
（2.5）
（2.6）
式中T 是开关周期，D =T ON /T 为占空比。
根据上述分析知，可以由改变开关管Q 0的占空比D 控制Boost 电路的输出电压。
2.3.4主电路DC/AC拓扑结构设计
单相全桥逆变电路拓扑结构如图2.3，全桥逆变由V1~V4四个开关管以及和开关管并联的D1~D4四个二极管组成，其中V1、V4，V2、V3分别构成逆变电路的两组桥臂。通过单片机控制开关管的开断，实现将Boost 电路输出的直流电转换成交流电。为控制输出正弦波选取以下四种有效状态模式S1~S4，其电路等效图如下2.4~2.7。
14
图2.3 单相全桥逆变电路拓扑结构图
模式S1：如图2.4，V1l 和V4导通，太阳电池所输出的电能和电容C2所储存的能量输送给电网。电流通过V1—L2—电网—
V4，在此过程中太阳电池所产生的能量一部分输送到电网，另一部分能量在电感
L2中储存起来。
模式S2：如图2.5，V4继续导通,V1关断，由于电感L2中的电流无法突变，V2暂时不能导通，二极管D2先导通续流，电感电流流过V4及D2向电网馈电, 电感端电压极性与S1相反, 电感电流逐渐减小。
图2.4 模式S1（V1、V4导通）
15
图2.5 模式S2（V4导通，V1关断）
模式S3：如图2.6，V2和V3导通，太阳电池所产生的电能和电容C2所储存的能量输送给电网，电流通过V3—电网一L2—V2，在此过程中电流增加(但方向与S1、S2相反) ，即太阳电池所产生的能量一部分馈送到电网，另一部分能量在电感L2中储存起来。
模式S4：如图2.7，V3继续导通,V2关断，由于电感L2的电流无法突变，V1暂时不能导通，二极管D1先导通续流，电感电流流过V3及D1向电网馈电, 电感两端的电压极性与模式S3相反, 电感电流减小。
图2.6 模式S3
（V2
、V3导通）
图2.7 模式S4（V3继续导通，V2关断）
电路按这种方式周而复始的工作, 从而在负载两端获得交变的电压, 实现直流变交流的功能。
16
第3章 系统的硬件设计及软件设计
3.1主电路参数设计
3.1.1 功率器件选取
功率器件的选取对电路的性能效果有着重大影响。通常使用的功率开关器件有电力双极型晶体管（GTR ，亦作BJT ），门极可关断晶闸管（GTO ），绝缘栅极双极性晶体管（IGBT ）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET ）。门极可关断晶闸管（GTO ）主要应用场合为兆瓦级以上的大功率，开关频率低；电力双极型晶体管（GTR ）主要应用于较大功率等级场合，但它需要的驱动电流较大，耐浪涌电流能力差；电力场效应晶体管（MOSFET ）具有较低的通态压降和较高的开关频率，然而它功率容量小，耐压低；绝缘栅极双极性晶体管（IGBT ）综合了GTR 和MOSFET 的优点，不仅有电流容量大、耐高压的特点，而且有开关频率高、驱动电流较小的特点，而被广泛应用。本文的设计采用IGBT 。
IPM 模块是先进的混合集成功率元件，由高速功耗低的IGBT 、快速的保护电路、优化的门极驱动电路组成。使用该IPM 模块可以有效减少器件数量，提高集成度，降低系统故障率，缩短研发周期。只是因为IPM 集成了过压保护、短路保护、过流保护等功能。
本文并网逆变器选用三菱公司的第五代IPM 模块PM50B5LA060，如图.1所示为实物图。
图3.1 三菱公司PM50B5LA060模块实物
内部功能模块结构如图.2所示。含有5个单元IGBT 功率管，每个功率管都有对应的门极驱动电路和短路、过温、过流、过压的检测保护和状态指示电路。F O 、VF O 、UF O 是故障信号，UP 、VP 、UN 、VN 、WN 是5个IGBT 功率管的门极驱动信号。
17
VP
V VP1UP V UP1
图3.2 PM50B5LA060内部模块结构
使用该IPM 模块可以减少器件使用数量，提高系统集成度，降低系统故障概率，缩短开发周期。
PM50B5LA060的IPM 模块功率部分和控制部分的参数如
f
PWM 的频率 —
≤20k
推荐值
Hz
表.3所示。
符号 V CES T J I C T D
参数名称 集电极-射极电压
结区温度 集电极电流 控制电源电压 死区时间 PWM 的频率
等级值 600 -20~150 50 20 — —
单位 V ℃ A V us Hz
≤450
— — 15±1.5
T
f PWM
≥2.0 ≤20k
表3.3 PM50B5LA060主要参数
由
f
PWM 的频率 —
≤20k
Hz
表.3，IPM 模块最佳工作条件为电压450V 、工作电流50A 以及最大可达的开关频率20kHz 。
使用PM50B5LA060时，需注意：
（1）PM50B5LA060模块内部有布线电感，开关时会产生浪涌电压，在P 、N 端子处安装缓冲电路可以消除浪涌电压。使用600V/1uF的无感吸收电容连接在P 、N 端子
18
之间，达到消除浪涌电压的作用；
（2）系统通电时，为了防止因保护功能失效而引起的IGBT 被损坏，需要先接通控制电源，再加主电源；
（3）由于IPM 模块工作在高频状态下，当电流较大时温度上升比较快，要使模块正常连续的工作，需要考虑散热问题。 3.1.2 DC/DC部分主电路设计 3.1.2.1 Boost电路电感L1的设计：
为了便于电感设计, 假定所有器件均为理想。且电感可以工作在连续状态和不连续状态两种工作状态。当电感在不连续的状态时, 太阳能输出的电能在每个周期内会有一部分被浪费, 并且纹波较大。所以电感的设计应尽量使其工作在连续导电状态下。Boost 电路在连续导电状态时，由稳态时电感L1上的电压对时间的积分在一个周期内为零，即
V s*DT s+（V s-V c ）*（1-DT s ）=0 （3-1）
其中：V S 是太阳能电池的输出电压, V C 是Boost 电路直流侧的输出电压。Ts 是Q 管
（1-DT s ）的开关周期，D 为占空比，DT s 表示Q 管的导通时间，表示Q 管的关断时间。
由式3-1整理得：
V c 1
= V s 1-D （3-2）
假设电路无损耗： P V =P R （3-3）
P V =V S *I V 。 其中：V 是太阳能电池阵列的输出功率。P P R
是直流侧的输出功率。P R =I R *V C 。
I
则有：R =1-D
I V
（3-4）
由V L =L *
∆i L =
d i
d t （3-5） V S *DT S
L （3-6）
可得
(1-D) 2DV C 2T S
L =
ηP R 综合以上各式可得： （3-7） 太阳能电池板的电压输出范围为V S =125~600V , 中间直流电压为V C =400V , 由(3-2)式可得占空比D=0~0.6875,P R =3000W , 取开关管的开关频率fs=20KH z , 则计算得
L ≥1.5m H 。
因此电感L1的参数为：I m =11A ，L =1.5m H 。
19
3.1.2.2 直流支撑电容C2的设计：
d V I DT I =C ∆V C =R S
dt 可得，C 2 （3-8） 由
∆V C P DT
C 2≥R 2S
V C 可得，ηV V C （3-9） 设
根据逆变器设计的条件：V C =400V ，ηV =1%，P R =3000W 计算可得
ηv =
C 2≥1200μF
在设计过程中，选择三组电容并联，每组由两个1 000μF/300V的电解电容串联，总容量可达1200μF 。
3.1.3 DC/AC部分主电路设计 3.1.3.1 交流侧滤波电感L2的设计：
本文采用脉宽调制方式(亦称PWM), 通过控制开关管V1~V4的导通或关断的时间，来实现逆变过程。因而, 电感L2值的选取直接影响系统的工作性能。滤波电感值可直接影响纹波电流∆i 的大小。根据纹波电流的要求，设L 2端电压为U L 2，当输出电压接近峰值，即 U L 2等于交流电网电压峰值U N max 时，输出电流纹波达到最大，有：
U T (Ud -U N max ) L 2=N max
∆iU d
（3-10）
式中：T 为开关管的开关周期。
设电流纹波系数为 r i ，为了保证实际电流纹波∆i ≤r i I N max , 则滤波电感要满足：
L 2≥
U N m a T x (U -d U N
r 1I N m a U x d
m a x
)
（3-11）
根据并网矢量关系u N 2+(ωL 2i N ) 2=u s 2 （3-12） 设α是调制比，α≤1，有：u S =αU d 得出，
L 2≤(ωi N )
（3-13）
由3-11和3-13得滤波电感取值范围，
U N max T (Ud -U N max )
≤L 2≤
r 1I N max U d N
20
本文中U N max =311V ，I N max =22A ，开关频率取16kHz ，设r i =0.15
有，0.13mH ≤L 2≤71mH
实际设计过程中，由于滤波电感的成本、体积等因素的影响，一般只需考虑 电感值稍大于下限即可，最终选取 L 2=0.15mH 。
3.2 驱动、采样电路设计
3.2.1 IPM模块驱动电路
如图3.4所示，PWM1信号通过反相器和死区电路产生驱动IPM 模块V1和V3管的信号，PWM2信号通过反相器和死区电路产生驱动IPM 模块V2和V4管的信号，由于4路信号高电平均为5V ，与IPM 模块15V 电平不兼容，且IPM 模块控制信号的地与51单片机的地不能直接相连，要用光耦隔离。驱动电路的作用是将控制器产生的PWM 信号的电平和功率放大。
图3.4 IPM模块驱动电路
另外IPM 模块输出的故障信号FOUT 也经过光耦转换成5V 信号，该信号一面用于封锁5路PWM （包括Boost 电路PWM 信号），另一面输入51单片机的I/O口。 21
3.2.2 直流侧电压采样电路设计
设计中采用电压电流双环控制, 因此需要对DC/DC直流升压后输出的直流电压进行采样, 从而完成双环控制。设计采用电压传感器对直流电压进行采样。
电压传感器采用LEM 公司的电压传感器LV100。LV100电压传感器是基于霍尔效应原理研发的电压传感器, 用于闭环控制, 原、副边相隔离。LV100的电压测量范围广, 约在100V~2500V之间, 而且具有较强的抗干扰能力, 可靠性高, 有出色的精度, 较强的电流过载能力, 带宽线性好等优点。如图3.5为直流侧电压采样电路：
图3.5 直流侧电压采样电路
3.2.3直流侧电流采样电路设计
本设计通过在直流端接入电流传感器, 经过电流采样电路输送给单片机。如图3.6为直流侧电流采样电路：
图3.6 直流侧电流采样电路
电流传感器的实际输出同采样输出的比例为1000:1,R6为采样电阻, 将输出直流电流 22
信号转化为直流电压信号。再通过稳压二极管进行稳压, 输出接单片机的P1.2管脚。
3.2.4 逆变器输出电压采样电路设计
本设计的逆变器输出电压采样电路的采样器件采用霍尔电压传感器。通过UIC 输入端为传感器的输出信号。采用一个运算放大器构成的电压跟随器把传感器的输出信号减半, 然后使用加法器将输入的正负信号变换为单极性信号, 再采用一个运算放大器构成的电压跟随器将信号减半, 信号接入51单片机P1.3管脚。电路原理图如图3.7所示：
图3.7 逆变器输出电压采样电路
3.2.5逆变器输出电流采样电路设计
同样, 逆变器输出采样电路也采用霍尔电流传感器（DT50-P ），电流采样原理图如图
3.8所示。电流通过霍尔传感器和采样电阻后, 变成5V 的电压信号。再通过运算放大器的电压并联反馈转换成-5V~+5V之间, 通过5V 电平抬升电路和平均处理, 电压跟随器的输入为0~5V举极性信号。最后使用两个串联二极管限幅, 确保输入单片机的信号电压稳定在0~5V。
图3.8 逆变器输出电流采样电路
23
3.2.6电网电压采样电路设计
在控制逆变器输出电流和电网电压同步的过程中, 单片机需要采集电网电压值和电网电压信号的频率以及相位来实现逆变器输出电流与电网电压同频同相。通过单片机来捕获电网电压的上升沿, 产生同步中断, 并重新设定逆变器输出电流频率。电网电压采样电路如图3.9所示：
24
图3.9 电网电压采样电路
3.2.7过零捕获电路
设计过零捕获的目的是为了检测电网电压过零点，同时产生和电网电压同步的波形
U 信号。如图.10，电网电压信号ac _ad 先经电压跟随提高了输入阻抗，一级RC 滤波去掉
信号毛刺，D3、D4两个二极管的反向并联可以将交流信号控制一定范围之间，再与零电位进行比较之后输出与电网电压同步的信号CAP1，该信号由单片机捕获，在下降沿触发CAP 中断，中断程序的校正输出指令使逆变器输出电流与电网电压同步。
图3.10 过零捕获电路
3.2.8死区生成电路
因为IPM 模块禁止同桥臂功率管同时导通，而且要求阻碍同桥臂同时导通的时间（死区时间）T dead 2us 。为了提高系统安全性，本文设计了死区生成电路。死区生成电路如图3.11所示：
25
图3.11 死区生成电路
3.3 系统软件设计
3.3.1主程序流程图
系统软件设计是逆变器起控制系统的核心部分，主要包括主程序设计以及中断子程序设计。其中，主程序完成系统和各功能模块的初始化、直流侧电压电流
采样、AD 采样和控制脉冲占空比的计算等；中断子程序通过定时器和PWM 模块分别产生控制Boost 电路和单相全桥逆变的PWM 脉冲。具体流程图如图3.12所示。 26
图3.12 主程序流程图
3.3.2中断子程序流程图
程序设计时，允许了2个中断，分别是CAP1捕获中断、定时器1下溢中断。
3.3.2.1 CAP1捕获中断
CAP1中断每个周期发生一次，保持与电网同步。CAP1捕获中断子程序只有一个任务，即设置电网过零标志Sys _flag _cap =1。
3.3.2.2 定时器1下溢中断
定时器1下溢中断的主要任务是启动AD 转换程序，同时检测Sys _flag _cap 位，使得PWM 的计数标志adi 与电网同步，并同时设置数据计算标志Sys _flag _cap =1。当主程序检测到该标志位时，就会计算直流信号的平均值、交流信号的有效值等，这些值可以用来作算法控制和显示及异常判断。定时器下溢中断流程图如图3.13所示：
27
图3.12 定时器下溢中断流程图
3.3.3 孤岛故障检测程序
本设计的孤岛效应检测采用电压频率法。如错误！未找到引用源。.13所示，实时的检测电网电压的有效值和频率值判断是否超出设定的上限和下限，以此来判断系统是否发生孤岛效应。
电网电压频率值的计算是通过下溢中断所设置的PWM 计数标志adi 比较实现的。程序每次检测到电网过零标志Sys _flag _cap 1时，如果发现adi 值超出了380~388的范围，就说明电网的频率超出了49.5~50.5Hz的范围，则发生了孤岛效应。
28
图3.13 孤岛故障检测程序流程图
第4章 光伏并网发电系统的控制方法研究
4.1逆变器并网控制方式与目标
4.1.1 逆变器并网控制方法
逆变器并网常用的控制方式有四种, 分别为:电压源电压、电压源电流、、电流源电压、和电流源电流。
电压源型逆变器的储能元件是电容, 它的直流侧并联了大电容作为无功功率的缓冲环节, 该逆变器低阻抗的电压源特性。电流源型逆变器, 的直流侧有一个串联的大电感当作储存无功功率的无功元件, 构成了逆变器的电流源特性——高阻抗。这种逆变器需要串入大电感往往会导致系统动态响应较差, 所以目前大部分并网逆变器都采用以电压源输入为主的方式。
根据控制对象的不同逆变器并网控制方式亦可以分为：电压控制和电流控制两种。 29
电压控制通常是将电网视为一个交流的电压源, 同时将逆变器视为一个电压源。因此当逆变器并网运行时, 就等同于两个电压源并联。为了保证系统并网的稳定运行和并网控制的目标, 就需要利用锁相控制技术, 但是锁相控制技术存在诸多缺点, 例如：输出电压值控制精确度低、锁相控制回路响应慢同时可能出现环流。相反采用电流控制方式, 只需要设定输出电流值, 通过控制逆变器的输出电流来追踪电网电压, 从而达到并网控制目标（逆变器输出电流和电网电压同频同相）, 并使系统稳定运行。电流控制方法较为简单, 而且可以获得较好的并网控制效果, 因此受到了比较广泛的应用。本文采用电流控制方式，本文的逆变器并网控制方式为电压源电流控制的并网控制方式。
4.1.2 逆变器并网控制目标
光伏逆变器的控制目标为：逆变器输出的交流电流为高品质的、稳定的正弦波, 逆变器输出电流与电网电压同频、同相, 调节输出直流电流的幅值使太阳能电池达到最大功率点。
并网运行的条件：我国电网的电压有效值为220V , 频率为50Hz, 为了减小并网时对电网的冲击, 根据电力系统并联运行的条件, 并网时应同时满足下列3个条件：
①并网装置输出电压和电网电压近似相等, 一般电压差不超过10%；
②逆变输出频率近似电网频率, 一般频率差不超过0.4Hz ；
③逆变输出电流和电网电压同频同相, 通常此相位差不超过10o 。
在保证逆变输出电流与电网电压同频同相的同时, 还需要满足逆变的输出电压高于电网电压10%,设直流电压为U, 占空比为D, 调制比为m, 电网电压为U net , 为确保并网成功, 须满足下式:
U *D *m >U net *(1+10%)
4.2逆变电路控制方式
4.2.1 电压瞬时值单环反馈控制方式
如图4.1所示为单相全桥逆变电路反馈控制框图, 它的特点是单电压反馈环, 逆变器输出的交流电压通过电压互感器PT 进行降压，降压后进入到电路1（平均值电路）, 其输出的电压与给定电压作比较, 生成的误差信号经过PI 调节器,PI 调节器输出的信号作为幅值来调节正弦调制信号, 然后将信号和三角波载波信号作比较, 产生SPWM 信号, 通过驱动电路, 由输出电压的平均值闭环维持输出电压恒定。以上控制电路的结构相对较为简单, 可连续调节输出电压的幅值，并保证一定的静差, 但也存在如下缺点：
1. 系统动态响应的速度慢：因为包含LC 滤波器, 只有在PI 调节器加入大的补偿电容是 30
系统才能稳定工作, 平均值电路中的滤波电容增大了系统惯性, 当直流侧电压或负载发生
突变时, 系统动态响应的速度很慢, 需要几个输出周期。
2. 对负载的适应性差：对于逆变电源, 经常有非线性的负载, 电流冲击度高。经过脉冲
电流的冲击, 输出的波形会产生畸变, 导致失真度升高。
为了达到对输出电压波形的控制, 可以采用电压反馈控制方法, 该控制方案在运行中
可以实时的调控电压输出波形, 从而提高了供电质量, 结构框图如图4.1(b)。图中电压互感
器PT 较图4.1（a ）相比增加了一路输出电压, 反馈电压和电路5的正弦波作比较, 也等同于
瞬时值反馈以闭环产生的信号作为基准, 比较后所产生的误差信号与载波信号相比较最
终得到SPWM 控制信号。
图4.1 单相全桥式逆变电路反馈控制框图
4.2.2 电流瞬时值单环反馈控制方式
电流反馈控制是一种全新的控制方法, 具有独特的优点, 原有的电压型控制方式存在
的局限性和电流型控制方式自身的优点, 使这种控制方式得到广泛重视和应用。实现电流
型控制策略的电路拓扑有很多, 下面只介绍了常用的恒开关频率的电流控制和电流滞环
31
跟踪控制。
图4.2 电流瞬时值控制的逆变电路框图
(一) 电流滞环跟踪控制方式
采用电流滞环跟踪控制方式的单相桥式逆变电路的控制电路如图4.2中的虚线框图
所示。环宽 i 决定开关频率f c , 环宽越小, 开关频率越高, 电流脉动度越低, i L 越接近于正弦,
电流失真度越小, 但随着电路开关损耗增高, 导致电路效率降低, 开关频率的不断增加, 设
计时需要折衷考虑。
电流滞环方式有如下特点：
(l)系统有快速瞬态响应；
(2)系统有较高稳定性；
(3)电流型全桥电路容易发生失控；
(4)开关频率的不固定。
(二) 恒开关频率的电流控制方式
图4.2中的B 框图所示为具有恒开关频率的电流控制方式, 虚线框B 中的控制电路增
加了频率发生器, 它能输出重复频率f 是恒值的方波信号, 以方波信号为时钟脉冲加到锁
i i 存器的CP 端, 在比较器的输入端正弦给定电流R 与反馈电流r 进行比较。以上控制脉冲的
转变是由锁存器输出电平决定的, 锁存器仅在时钟脉冲到来时才会转换状态, 因为时钟脉
冲的重复频率是恒定的，于是每个切换点在时间上是等距的，因此这种方式也被称为同
步开关控制方式。恒开关频率控制方式虽然避免了滞环控制时频率变化的缺点, 但电流波
形的失真度在同条件下比滞环的高。
32
4.2.3 电压电流双环反馈控制方式
使用电压电流双环瞬时值控制方式的逆变器, 由于其输出电压波形的质量好、控制简
单和动态响应快等特点, 受到了人们的关注。目前瞬时值控制方式一般都采用双环反馈,
双环反馈的外环为电压反馈, 电压调节器采用比例积分形式, 其输出作为内环的给定, 内环
是电流反馈。图4.3是电压电流双环控制的逆变电路结构图, 图4.4是逆变电路控制系统框
图。如图4.3所示, 虚线框内是控制电路, 电压外环对电压的瞬时误差给出信号, 经由PI 调节
器后作为电流控制的给定；电流内环产生误差信号, 经过PI 调节器, 所得的信号与三角形
载波信号比较后产生SPWM 信号来控制功率管的开通。实际应用中除了采用电流内环之
外还设置了电压外环的目的在于对不同负载实现给定电流幅值的自动控制, 电压外环能
及时、快速的校正输出电压的波形, 使系统在各种负载情况下都具有良好的输出电压波
形。本文亦采用电压电流双环反馈控制方式作为逆变器并网的控制方式。
图4.3 电压电流双环反馈控制系统结构图
33
图4.4 电压电流双环反馈控制系统框图
4.3 孤岛效应简介
4.3.1 孤岛效应及其危害
孤岛效应指的是, 当电网因为电气故障等因素断电时, 并网逆变器等独立供电装置没
有及时做出反应切离电网, 而继续供电, 形成了仅由光伏系统向电网供电现象。孤岛效应
是并网发电系统所特有的现象, 孤岛效应的发生有很大的危害, 主要包括：
l) 对电力线路的维修人员造成安全隐患;
2) 影响了配电系统保护开关的动作;
3) 孤岛区域易发生供电电压及频率不稳定的现象;
4) 当电力系统恢复正常供电时造成相位不同的问题;
5) 太阳能光伏供电系统在单相供电时造成三相负载的欠相供电问题。.
4.3.2 孤岛效应检测策略
孤岛效应的检测策略分为两大类：被动式检测和主动式检测。
4.3.2.1 被动式检测法
被动式检测法是通过实时监测电网的频率高低、相位变化、电压大小等作为判断是
否发生孤岛效应的依据。常用的被动式检测方法有如下几种。
1）电压频率检测
光伏发电系统与电网并网运行时，一旦电网发生故障或失电发生孤岛效应的瞬间有功功
率和无功功率变化会导致系统电压与频率变化。当ΔP 或ΔQ 足够大时，会导致电压频
率超出系统的允许范围，并由继电器接收到保护电路检测到信号发出动作来保护。而当
ΔP 和ΔQ 较小时，该方法将不起作用。
2）电压相位突变检测
光伏系统与电网并网正常运行时，系统功率因数为1。当相位偏差超出一定范围时，
就认为发生了孤岛效应，系统立即做出反应；对于主要呈电阻性质的负载，相位偏差会
比较小，该方法也将不起作用。
3）电压谐波检测
电流型的并网逆变系统中，当电网故障断电时，逆变电流经过变压器时，就会产生
谐波，系统电压会失真，同步参考信号采用失真了的电压波形来控制输出电流。经过连
续的跟踪，逆变器输出电压波形中谐波的含量将会增多，畸变率增大，孤岛效应可以有
效地判断出来。
34
2. 主动式检测法
主动式检测法指的是对逆变器输出的电压或频率主动地施加周期性的扰动，同时观
察电网电压或频率是否受到周期性的影响，据此来判断是否发生孤岛效应。常见的的主
动式检测法有如下几种：
1）输出电力变动方式
在逆变器输出功率的基础上，人为添加周期性变化的有功或无功功率，破坏逆变器
输出功率的平衡状态，当孤岛效应发生时，因为系统失去了稳定的同步电压参考信号源，
周期性的扰动会造成电压或频率的变化，据此检测出孤岛效应故障。
2）加入电感或电容器
在光伏系统和并网断路器之间的电力线上加入电感或电容器，并随机地投入和切
出，当孤岛效应发生时，因为电感或电容的变化将会破坏系统的功率平衡，从而造成电
压和频率的扰动，据此能有效地检测出孤岛效应。
3. 本设计采用的检测策略
因为本文所研制是3kW 光伏并网逆变器，功率等级低，而与系统并网的配电网上
负载较大，所有电网断电时，光伏系统输出的功率与负载消耗的功率瞬间失去平衡，故
采用电压频率被动检测方法可有效地检测到孤岛效应现象。本文光伏并网逆变系统采用
电压频率被动检测方法。
第5章 全文总结
通过阅读研究了大量的国内外光伏并网逆变器的相关文献, 并且结合实际情况最终
设计了 本文的3kW 单相并网光伏逆变器。首先介绍了课题研究背景和意义, 阐述了能源
利用现状以及太阳能利用的优点, 并详细介绍了国内外光伏发电技术的发展现状和未来
发展趋势, 提出了光伏发电系统的应用价值及研究光伏逆变器系统的重要性。接着简要介
绍了光伏发电系统的分类和基本原理，对本文光伏逆变系统的主电路拓扑结构进行选择
设计, 介绍了Boost 升压斩波电路和单相全桥逆变电路, 采用直流升压和全桥逆变的两级
结构, 对DC/DC直流升压变换器和DC/AC逆变器电路的拓扑结构进行了设计。
重点设计了本文的主电路, 包括电路中各器件的参数设计和选型, 采样电路和驱动电
路进行了设计, 包括IPM 模块的驱动电路, 直流侧电压电流采样电路和逆变器输出电压电
流采样电路，电网电压同步检测电路等。软件的设计包括本论文相关算法的介绍和选择,
设计了本文的主程序流程图, 逆变控制软件的设计, 捕获中断子程序设计等。最后，通过
研究总结光伏并网的常用控制策略, 设计了本论文的光伏逆变器并网控制方式，同时简单
介绍了孤岛效应及其检测手段。
35
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