光伏并网发电模拟装置设计-电气工程及其自动化本科毕业论文设计

光伏并网发电模拟装置设计-电气工程及其自动化本科毕业论文设计内容摘要：

逆变电路，开关管为 MOS 管，7 感性负载， Q Q2和 Q Q4 是 2对互补的通断二极管，可以得到 Ud、 0、 Ud三种电平电压。 u0在正半周期时， Q1 导通， Q2关闭， Q Q4交替通断，由于 负载电流滞后于电压，电流一段区间为正一段区间为负，在正区间 Q Q4 导通， u0=Ud；当 Q4 关闭，由于负载是感性负载电流不能突变， Q D3 续流， u0=0。 在负区间， Q Q4 导通， i0能从 D D4 流过， u0=Ud；当 Q4 关闭， Q3导通时， i0能从 D Q3续流， u0=0，负载电压总有两种可能。 图 在输出负半周， Q2 一直导通， Q1 一直断开， Q Q4 交替通断，当 Q Q3 导通时， u0=Ud，当 Q3 关闭 i时， u0=0，负载也有两种电压。 因此，控制 Q Q4 的通、断可以控制输 出电压的极性，控制方法如图 所示。 用三角载波 uc 和调制信号 ur，在它们的交点处控制 MOS 管的通断，使其按照 SPWM 的方式通断，从而使得正弦参考信号极性交替通断。 由于单极性 SPWM 只能用于全桥电路，本设计采用此方法进行控制。 ur 正半周时， Q1 导通 Q2 断开，当 uruc,当 Q3 断开 Q4 导通， u0=Ud；当 urur,Q3导通 Q4 断开， u0=0。 ur 正半周时， Q1 断开 Q2 导通，当 uruc,当 Q3 断开 Q4 导通， u0=0；当 urur,Q3 导通 Q4 断开， u0=0。 SPWM 控制波形如图 所示，图中的 虚线 u0f 表示u0 的基波分量。 8 图 SPWM 单极性控制方式波形 双极型调制：如图 所示为双极型控制方式，双极型控制中调制信号半周期内，三角载波有正负，因此输出的正弦脉冲调制波也有正负。 调制信号 ur，在一个周期内只有电平177。 Ud，在它们的交点处控制 MOS 管的通断，使其按照 SPWM 的方式通断进行控制。 ur正负半周时， Q1 导通 Q2闭合，当 uruc,当 Q Q4导通， Q Q3断开， u0=Ud，若 i00,Q Q4 导通，若 i00， D D4导通；当 urur,Q Q3 导通 Q Q4 断开， u0=Ud，若 i00,D D3 导通，若 i00， Q Q3导通。 感性负载时，当 Q Q4 导通状态突然加以关闭信号， Q Q3 不能立即导通， DD3 续流， i0较大时，直到 Q Q4再次导通其方向不变， i0较小时，到 i0减小到零之前，Q Q3始终未导通， i0反向， D D3或 Q Q3 导通，始终有 u0=Ud，与此相反则有u0=Ud，由此可以看出，同一半桥的上下两个桥臂 MOS管驱动信号极性相反，为互补式。 图 双极型 SPWM控制方式波形 9 最大功率点跟踪（ MPPT） 不同的光照强度和 环境温度光伏电池的输出电压不同，因此，输出也成非线性，光伏电池只有在某个特定的值时才能产生最大的输出功率，此时产生最大功率为最大功率点（ Maximum Power Point ， MPP）。 要提高光伏并网发电模拟装置的整体功率也就是要控制光伏电池的最大功率点，使其工作在最大点附近，这个过程就是最大功率点跟踪（ Maximum Power Point Tracking， MPPT）。 由于设计要求光伏电池由给定直流电源模拟代替，因此改变负载和 RS的大小来调节最大功率点，使输出保持在最大功率点。 当负载 RL从 0到无穷 大变化时，其负载 VI 曲线是一条抛物线如图 ， Rs不变，调节 RL使其输出工作在最大功率点，设最大功率点为 Pm,RL=Rm，曲线上任何一点为工作点，横、纵坐标分别对应此时的工作电压、电流，再调节 Rs， RL 保持不变，作出对应的 VI 曲线， Pm对应的 Vm值即为直流点所提供最大负载的电压，调节 Rs到对应的电压值，得到最大功率点直流电源电压值，即最大功率点。 由于 RS=30Ω ~36Ω 、 RL=30Ω ~36Ω ，所以不能完全达到理想化的最大点，只能在变化范围内寻找最大点并进行控制调节。 图 直流电源输出 负载特性曲线 最大功率点跟踪的目的是将光伏电池组件产生的最大直流电能及时的尽可能多的提供给负载 ,使光伏系统的系统能量利用效率尽可能高 ,但是实际运用中通过调节负载阻抗大小的方式来达到最大功率输出是很难实现的。 在实际系统中 ,通过对阵列当前输出电压和电流的检测 ,得到当前阵列输出功率 ,再与己被存储的前一时刻阵列功率相比较 ,舍小存大 ,再检测 ,再比较 ,如此不停周而复始 ,便可使阵列动态地工作在最大功率点上 ,控制框图如图 所示。 10 图 MPPT 实现控制框图 其实 ,MPPT 的实现实质上是一个动态寻优的过程 ,从图 的输出功率图上 ,可以看出这一动态过程 :当负载特性与太阳电池阵列特性的交点在阵列最大功率点相应电伍之左时 ,MPPT 的控制作用是使太阳电池工作电压升高 ,而当交点在阵列最大功率点相应电压时 ,MPPT 的控制作用是使太阳电池工作电压下降。 图 MPPT控制过程 第四章总体规划 系统总体方案的选择 根据设计要求 ,须将模拟光伏电池的直流电能逆变为频率、相位与模拟电网电压一致的工频交流电源提供给负载 ,并在不同的光伏电流和不同的负载条件下 ,从光伏电池装置中提取最大功率。 此外 ,系统必须高效 ,能对模拟电网信号进行相位跟踪 ,并保证输出电压波形的正弦化。 11 系统的核心是一个正弦逆变器 ,若控制正弦逆变器的参考正弦信号来自电网电压信号 ,经过调制器、逆变器后 ,输出的正弦电压自然与电网电压信号同频、同相 ,仅在滤波器、变压器上产生极微小的相位差 ,足以满足设计要求。 为了实现 MPPT,在逆变器控制的基础上 ,再设立一个直流电压外环 ,该环的作用是控制逆变器输出电压的幅值 ,也就控制了负载电流的大小 ,使从光伏直流环节吸收的电能大小改变 ,则光伏电池输出端口的直流电压改变 ,若系统控制能保持该端口直流电压为光伏电池理想等效电压源的电压的一半 ,自然就实现了 MPPT 功能。 逆变器主电路结构 可采用的逆变主电路有推挽式、单相半桥式、单相全桥式，其中，推挽式需要变压器对系统效率产生很大影响，半桥式效率高但难遇控制中点电位漂移影响输出波形从而影响 MPPT 功能，而全桥式不会产生这些问题，若 在控制驱动上采用单极倍频等方法则会减小波形失真，达到高效要求，为提高逆变效率，逆变输出滤波采用非晶态磁芯电感，降低电涡流损耗，或采用金属化高频无感电容。 DCAC逆变方案论证 因为 DCAC 为电压输出，所以我们采用电压型逆变电路。 方案一：电压型半桥逆变电路；半桥逆变电路图 ，即 T1 或 T2 导通时， I0、UO 同相，直流侧像负载提供能量。 当 D1 或 D2导通时， I0、 U0反向，负载储存能量向直流侧反馈，负载将吸收的无功能量反馈到直流侧。 反馈能量暂存在直流电容，起到缓存无功能的作用。 图 电压型半桥逆变电路 12 方案二 :电压型全桥逆变电路。 电路图如图 所示。 把全控型形状管 T1 与 T4，T2 与 T3 分别作为两对力臂，且每对桥臂同时通、断，交替导通 180176。 图 综合比较，半桥逆变电路结构简单，器件少，抗干扰能力差，对电压、电流要求高。 而全桥逆变电路对电压要求低、稳定性好、效率高，故选择方案二。 正弦逆变器的控制 一个开环的正弦逆变器无法满足设计要求，为了达到输出电压畸形小、响应快、精度高等要求，对逆变器的控制采用电流内环加电压外环的控制结构。 电 流内环检测输出滤波器电容电力作反馈，与电压环的输出进行综合，误差信号进过调制器 SPWM的调制信号。 电流的内环作用是对对逆变器的自然特性进行有源校正，使其具有高阻尼的稳定性，电压外环为瞬时值环，检测逆变器输出电压瞬时值作为反馈，与给定型号进行综合，误差信号进过调制器后控制逆变器，从而达到系统要求，减小稳态误差。 正弦脉宽调制 SPWM及驱动电路方案选择 方案一：采用可输出 SPWM 波形的控制芯片 SG3525。 该芯片能直接驱动功率场效应管，具有内部基准源、运算放大器和欠压保护功能，外围电路简单。 方案 二：采用 MSP430F169 单片机输出 SPWM 波形，再送 IR2110 驱动 H 桥。 此方案控制电路简单，靠软件产生 SPWM 波，成本低，此方案可取。 方案三 :如图所示，用比较器组成的正弦脉宽调制电路，所得 SPWM 波形最接近正弦波。 但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，调试困难。 13 综合比较，为实现方案，选择单片机输出 SPWM 波，选择方案二。 功能 为保证系统正常工作时对外界输出功率保持最大 ,需要对系统最大功率 点跟踪。 实际应用中 ,控制的方法包括恒定电压法、扰动观测法和导纳增量法。 恒定电压法控制精度较低。 扰动观测法扰动系统的输出电压 ,通过判断扰动前后输出功率的变化 ,保证系统的输出功率处于增加的状态。 该方法控制思路简单 ,但是“稳态”时在最大功率点附近处摆动 ,稳定性较差。 而导纳增量法则是根据功率最大点处变化率为空这一特性来实现对最大功率点跟踪。 其控制效果好 ,稳定度高 ,但控制算法比较复杂 ,改变速度较缓慢。 在本设计中 ,只要保证逆变器直流环节的电压为理想电压源电压的一半就可以 ,所。