光伏逆变器的设计主电路设计(附件)
伴随着全球工业化趋势飞速发展，全球各国对能源需求量日趋增加。石油、天然气和煤炭等能源日趋减少，世界各国将面临严峻的能源危机。光伏发电技术如今已俨然成为一项关键的技术，并有众多不可再生能源无法比拟的优点，也被认为是未来最具发展的新能源。
本论文设计了1KW单相并网光伏逆变器，主电路拓扑结构采用两级结构。前级升压电路采用boost升压电路，后级逆变电路采用单相全桥逆变电路。对光伏逆变器中直流侧电容电感和交流侧电容电感的参数进行了计算，并用Matlab对主电路进行了仿真实验。最后对各开关管的驱动及电流电压检测电路进行了设计。通过各类仿真实验及调试结果表明，设计的光伏逆变器基本符合设计要求。
关键词： 光伏，并网，逆变器
目 录
引言 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2国内外光伏技术研究现状 1
1.2.1国外光伏技术研究现状 1
1.2.2国内光伏技术研究现状 1
1.3本课题研究的内容 2
光伏逆变发电系统方案 2
2.1光伏发电系统分类 2
2.1.1独立光伏发电系统 2
2.1.2并网光伏发电 3
2.1.3并网光伏发电系统优点 3
2.2光伏发电系统组成及功能 3
2.2.1光伏系统组成 4
2.2.2光伏系统各组成功能 4
2.3光伏逆变系统基本结构 5
2.3.1单级结构光伏逆变器 5
2.3.2两级结构光伏逆变器 6
2.4光伏逆变器设计总框图 7
光伏逆变系统主电路结构设计 8
3.1光伏逆变器的设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
计要求 9
3.1.1逆变器设计通用规范 9
3.1.2逆变器设计参数标准 9
3.2前级升压电路结构及原理 9
3.2.1 boost电路基本结构 9
3.2.2 boost电路工作原理 10
3.3后级逆变电路结构及原理 11
3.3.1单相半桥逆变电路 11
3.3.2单相全桥逆变电路 13
主电路设计与关键参数选择15
4.1 DC/DC部分boost升压电路器件设计 15
4.1.1开关器件参数设计 15
4.1.2电感参数设计 15
4.1.3稳压电感参数设计 17
4.1.4升压电路仿真 18
4.2 DC/AC部分全桥逆变电路器件设计 19
4.2.1开关器件参数设计 19
4.2.2滤波电感设计 20
4.2.3滤波电容设计 22
4.2.4逆变电路的仿真 22
4.3开关管驱动电路设计 23
4.4采样电路设计 24
4.4.1直流侧电流采样电路设计 24
4.4.2直流侧电压采样电路设计 25
4.4.3交流侧电流采样电路设计 25
4.4.4交流侧电压采样电路设计 26
4.4.5电网过零点采样比较电路 26
4.4.6电网电压同步信号采样电路 27
5.主电路整体仿真与调试 27
6.结论32
7.致谢33
1.绪论
1.1课题研究的背景及意义
现在，能源对于人类的发展是至关重要，能源逐步成为人类生活中必不可缺的部分，并为人类的日常活动生活提供着源源不断动力。随着一次性能源，如石油、天然气、煤矿等资源的大量开掘和开发，导致生活环境的逐渐被破坏——酸雨、温室气候等问题，一连串的地球环境问题正在逐渐的危害着人类的可持续。能源、环境和可持续等相关课题已经成为人们急需解决的问题。因尔世界各国都在至力与研发和利用可再生能源[1]。相关专家预测，在之后的10年内，全球资源及能源结构将会发生巨大的变化。今后五十年后，新能源在资源结构中将会超过一半。
光伏发电这种新兴的技术，同其他能源相比有着很多出众的优点，被认为是未来很有发展潜力和发展空间的可再生能源。同时太阳能并网发电的使用已经逐步赶超了离网的使用，尤其是近段时间增幅已经高于三成，已成为太阳能技术研究的重要方向。因此光伏发电技术将会成为再生能源研究新趋向。
1.2国内外光伏技术研究现状
同独立光伏发电相比，光伏并网发电尤其突出的优点。它去掉了体积较大、价格较高、同时不易维护的蓄电池，使得其具有价格低，输出的电能相对较稳定的特点，使得光伏并网发电具有宽广的市场发展潜力和前景[2]。
1.2.1国外光伏技术现状
现如今几个发达国家已经被占据了光伏逆变器市场，欧盟、日本和美国是光伏发电技术较为前沿的国家，并且全球发电量的百分之七十是来自这些国家。此外在全球尖端的太阳能电池制造商中，所占比例较高的的还是属于欧美等国家，其中有七家企业进入全球制造的前十位。同时欧盟等国家在光伏逆变器的装机方面领先于其他国家很多。
1.2.2国内光伏技术现状
中国光伏发电的发展有很大的前景，在国家相关政策的帮扶下,到2040年光伏发电组件装配容量将会达到1.5 亿千瓦，平均年发电量可达1000 亿千瓦，这 就意味着少建二三十个煤发电厂。与此同时国家将在之后几十年内大力建设光伏发电产业，预计到2060年左右,我国可再生能源的装机量将占国内相关电力装机量的四分之一。如今随着中国的经济的快速发展，可用资源将逐渐减少，但是光伏能源的储备是相当充足的，理论上的储量量可以达到15000亿吨标准煤每年，所以光伏能资源发展与利用的空间将会有巨大的提升。因为中国地处与北半球，南北纬度与东西经度都较长，所以在中国很多区域，有着极为充足的太阳能。并且有很大一部分地区年均照射量能到了3kw/h左右，其中日照射量最多的为西部，大约在6kw/平米。同时每年的照射时间可达到1500小时。在与其它国家相比较时，与美国较为接近，相比欧洲、日本，则远远高于他们，所以我国有很大的光伏开发潜力[3]。
1.3本课题研究的内容
本课题主要设计一个1KW的光伏逆变器。主电路的研究主要完成DC/DC升压电路的设计和DC/AC全桥逆变电路设计以及电路仿真。还要通过光伏并网策略选择，设计以及器件的匹配选型，使得光伏逆变器能满足与电网电压电流的同频同相，并且较为有效的抑制住其中的谐波成分。
光伏发电系统方案
2.1光伏发电系统分类
2.1.1独立光伏发电系统
独立光伏发电系统称之为光伏离网发电系统。通过光伏电池阵列、光伏逆变控制器、蓄电池等构成，假如与大功率负载或者电网连接的话，就需通过光伏逆变器。日间照射时，光伏电池阵列可以使太阳能直接变为电能，给负载提供电能，在此刻也向蓄电池充能。当在夜里或阳光很弱时，此时蓄电池就会向负载提供电能。光伏离网系统应用处较多，小到住宅的庭院灯、花园中的草坪灯，大到基本脱离电网的通信站和荒远地区的供电等。当光伏系统的容量和负载需要较大的功率时，此时就需安装光伏电池阵列和较多的蓄电池组了。
2.1.2并网光伏发电系统
此系统就是将输出的电能送入到电网之中，一起为负载供电。当照射量较为充沛时，那么逆变器刻将电池阵列输出的电能转化成交流电能，输出的的交流电能便可直接向负载供电，而后将部分交流电送入电网之中，也可将输出的全部电能送入到电网之中。当没有太阳光照射时，负载所需电能将由电网直接传送。若直接将逆变系统输出的电能送入到电网时，则独立光伏系统中的蓄电池可以由并网系统中的电网替代。光伏发电系统应配备专用的光伏逆变控制器，从而能够使得逆变后的电能能够符合并网的各项指标。同时此类逆变器还应具备太阳能阵列的跟踪最大的功率点、交流侧输出电流的波形的功效。
引言 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2国内外光伏技术研究现状 1
1.2.1国外光伏技术研究现状 1
1.2.2国内光伏技术研究现状 1
1.3本课题研究的内容 2
光伏逆变发电系统方案 2
2.1光伏发电系统分类 2
2.1.1独立光伏发电系统 2
2.1.2并网光伏发电 3
2.1.3并网光伏发电系统优点 3
2.2光伏发电系统组成及功能 3
2.2.1光伏系统组成 4
2.2.2光伏系统各组成功能 4
2.3光伏逆变系统基本结构 5
2.3.1单级结构光伏逆变器 5
2.3.2两级结构光伏逆变器 6
2.4光伏逆变器设计总框图 7
光伏逆变系统主电路结构设计 8
3.1光伏逆变器的设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
计要求 9
3.1.1逆变器设计通用规范 9
3.1.2逆变器设计参数标准 9
3.2前级升压电路结构及原理 9
3.2.1 boost电路基本结构 9
3.2.2 boost电路工作原理 10
3.3后级逆变电路结构及原理 11
3.3.1单相半桥逆变电路 11
3.3.2单相全桥逆变电路 13
主电路设计与关键参数选择15
4.1 DC/DC部分boost升压电路器件设计 15
4.1.1开关器件参数设计 15
4.1.2电感参数设计 15
4.1.3稳压电感参数设计 17
4.1.4升压电路仿真 18
4.2 DC/AC部分全桥逆变电路器件设计 19
4.2.1开关器件参数设计 19
4.2.2滤波电感设计 20
4.2.3滤波电容设计 22
4.2.4逆变电路的仿真 22
4.3开关管驱动电路设计 23
4.4采样电路设计 24
4.4.1直流侧电流采样电路设计 24
4.4.2直流侧电压采样电路设计 25
4.4.3交流侧电流采样电路设计 25
4.4.4交流侧电压采样电路设计 26
4.4.5电网过零点采样比较电路 26
4.4.6电网电压同步信号采样电路 27
5.主电路整体仿真与调试 27
6.结论32
7.致谢33
1.绪论
1.1课题研究的背景及意义
现在，能源对于人类的发展是至关重要，能源逐步成为人类生活中必不可缺的部分，并为人类的日常活动生活提供着源源不断动力。随着一次性能源，如石油、天然气、煤矿等资源的大量开掘和开发，导致生活环境的逐渐被破坏——酸雨、温室气候等问题，一连串的地球环境问题正在逐渐的危害着人类的可持续。能源、环境和可持续等相关课题已经成为人们急需解决的问题。因尔世界各国都在至力与研发和利用可再生能源[1]。相关专家预测，在之后的10年内，全球资源及能源结构将会发生巨大的变化。今后五十年后，新能源在资源结构中将会超过一半。
光伏发电这种新兴的技术，同其他能源相比有着很多出众的优点，被认为是未来很有发展潜力和发展空间的可再生能源。同时太阳能并网发电的使用已经逐步赶超了离网的使用，尤其是近段时间增幅已经高于三成，已成为太阳能技术研究的重要方向。因此光伏发电技术将会成为再生能源研究新趋向。
1.2国内外光伏技术研究现状
同独立光伏发电相比，光伏并网发电尤其突出的优点。它去掉了体积较大、价格较高、同时不易维护的蓄电池，使得其具有价格低，输出的电能相对较稳定的特点，使得光伏并网发电具有宽广的市场发展潜力和前景[2]。
1.2.1国外光伏技术现状
现如今几个发达国家已经被占据了光伏逆变器市场，欧盟、日本和美国是光伏发电技术较为前沿的国家，并且全球发电量的百分之七十是来自这些国家。此外在全球尖端的太阳能电池制造商中，所占比例较高的的还是属于欧美等国家，其中有七家企业进入全球制造的前十位。同时欧盟等国家在光伏逆变器的装机方面领先于其他国家很多。
1.2.2国内光伏技术现状
中国光伏发电的发展有很大的前景，在国家相关政策的帮扶下,到2040年光伏发电组件装配容量将会达到1.5 亿千瓦，平均年发电量可达1000 亿千瓦，这 就意味着少建二三十个煤发电厂。与此同时国家将在之后几十年内大力建设光伏发电产业，预计到2060年左右,我国可再生能源的装机量将占国内相关电力装机量的四分之一。如今随着中国的经济的快速发展，可用资源将逐渐减少，但是光伏能源的储备是相当充足的，理论上的储量量可以达到15000亿吨标准煤每年，所以光伏能资源发展与利用的空间将会有巨大的提升。因为中国地处与北半球，南北纬度与东西经度都较长，所以在中国很多区域，有着极为充足的太阳能。并且有很大一部分地区年均照射量能到了3kw/h左右，其中日照射量最多的为西部，大约在6kw/平米。同时每年的照射时间可达到1500小时。在与其它国家相比较时，与美国较为接近，相比欧洲、日本，则远远高于他们，所以我国有很大的光伏开发潜力[3]。
1.3本课题研究的内容
本课题主要设计一个1KW的光伏逆变器。主电路的研究主要完成DC/DC升压电路的设计和DC/AC全桥逆变电路设计以及电路仿真。还要通过光伏并网策略选择，设计以及器件的匹配选型，使得光伏逆变器能满足与电网电压电流的同频同相，并且较为有效的抑制住其中的谐波成分。
光伏发电系统方案
2.1光伏发电系统分类
2.1.1独立光伏发电系统
独立光伏发电系统称之为光伏离网发电系统。通过光伏电池阵列、光伏逆变控制器、蓄电池等构成，假如与大功率负载或者电网连接的话，就需通过光伏逆变器。日间照射时，光伏电池阵列可以使太阳能直接变为电能，给负载提供电能，在此刻也向蓄电池充能。当在夜里或阳光很弱时，此时蓄电池就会向负载提供电能。光伏离网系统应用处较多，小到住宅的庭院灯、花园中的草坪灯，大到基本脱离电网的通信站和荒远地区的供电等。当光伏系统的容量和负载需要较大的功率时，此时就需安装光伏电池阵列和较多的蓄电池组了。
2.1.2并网光伏发电系统
此系统就是将输出的电能送入到电网之中，一起为负载供电。当照射量较为充沛时，那么逆变器刻将电池阵列输出的电能转化成交流电能，输出的的交流电能便可直接向负载供电，而后将部分交流电送入电网之中，也可将输出的全部电能送入到电网之中。当没有太阳光照射时，负载所需电能将由电网直接传送。若直接将逆变系统输出的电能送入到电网时，则独立光伏系统中的蓄电池可以由并网系统中的电网替代。光伏发电系统应配备专用的光伏逆变控制器，从而能够使得逆变后的电能能够符合并网的各项指标。同时此类逆变器还应具备太阳能阵列的跟踪最大的功率点、交流侧输出电流的波形的功效。
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