小功率太阳能电源逆变装置的设计毕业论文.doc 39页

'小功率太阳能电源逆变装置的设计毕业论文目录中文摘要3ABSTRACT31绪论31.1太阳能利用的背景和意义31.2国内外太阳能应用发展现状31.2.1国内太阳能应用发展现状31.2.2国外太阳能应用发展现状31.3逆变电源的现状31.3.1现代逆变技术的分类31.3.2逆变电源的波形控制技术32太阳能电源逆变装置总体方案32.1总体方案32.2单元电路的简单介绍32.3MPPT与孤岛效应32.4本文重点工作33PWM波形工作原理33.1PWM波形的基本原理33.2SPWM波的生成与原理分析33.2.1自然采样法生成SPWM波33.2.2规则采样法生成SPWM波33.2.3PWM型逆变电路的控制方式34电源逆变装置的主电路的设计34.1主电路的组成34.1.1驱动电路34.1.2DC/DC电路34.1.3逆变电路34.1.4整流滤波电路34.2SPWM波产生的设计34.2.1EG8010的简单介绍3 4.3驱动电路的设计34.3.1IR2110的简单介绍34.3.2驱动电路34.4DC/DC电路的设计54.5逆变电路及设计54.5.1概述54.5.2逆变电路54.6变压电路的设计54.7整流滤波电路的设计54.7.1概述54.7.2器件的选择55保护电路的设计55.1保护电路的方案设计65.1.1过欠电压保护的设计35.1.2过电流保护的设计35.1.3故障报警电路的设计35.1.4稳压反馈电路的设计36相关电路的仿真36.1PWM波的产生仿真106.2整流滤波电路仿真106.3欠压保护电路的仿真106.4过压保护电路的仿真136.5过电流保护电路的仿真136.6故障报警电路的仿真137结论18致谢18参考文献18附录18 小功率太阳能电源逆变装置的设计1绪论随着经济的发展，环境污染日趋严重及能源危机的到来，人们迫切地认识到，要走可持续发展的道路，必须寻找一种清洁、廉价而且可循环利用的能源。太阳能既是一次能源，又是可再生的清洁能源。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/㎡。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173,OOOTW,太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。但它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，同时能节省大量不可再生能源（如，煤，石油等）。因此太阳能是一种方便、经济的能源。但必须完成从补充能源向替代能源的转变。并网逆变装置是有效利用太阳能的重要技术手段，同时该课题主要用到滤波、电力电子（升压斩波、逆变）、模拟电子技术基础、自动控制等专业知识，因此，研究和开发优质价廉的高效逆变装置具有十分重要的意义[1]。1.1太阳能利用的背景和意义随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。传统的能源，尤其是煤炭、石油、天然气三大化石燃料更是有限，不合理地使用传统能源，它们在21世纪内就会濒临枯竭，产生能源危机，还会造成全球的环境问题。大量使用化石能源已经开始造成全球变暖，燃煤会通过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性的重金属和放射性物质。随着化石能源的减少，其价格也会提高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。因此自然能发电技术及电源逆变的应用越来越受到普遍的重视，洁净廉价的太阳能正适合于作为可再生的替代能源。《联合国气候变化框架公约》缔约国签订的《京都议定书》在2005年2月16日正式生效，签署的国家己达185个。中国是第37个签约国。《议定书》主要反映了人类应对地球变暖这一有害现象进行有效控制的迫切需要，规定主要工业国(发达国家)在2008年一2012年期将一氧化碳等6种温室气体排放量从1990年的水平上进行削减。全球削减温室气体排放的《京都议定书》重新引起了世界范围内对可再生能源的重视。太阳能是绿色能源，是人类取之竭、用之不尽的可靠能源。太阳能电源逆变技术是太阳能利用方式中最灵活方便的一种。 小功率太阳能电源逆变装置的设计日前国内对于太阳能的应用主要还是在太阳能热水器的产品上，并且接受程度较高。缺乏新能源的今天，如何发展太阳能发电系统是一重要的课题。虽然太阳能的发电成本比较高，但由于近年来太阳能电池制造技术的提高，使得太阳能电池组的价格大大降低，因此太阳能发电系统越来越具有竞争力。近年来，我国国民经济迅速发展，已经成为继美国之后的第一大能源消费大国。虽然我国属于发展中国家，但是从总量上看，日前我国一氧化碳排放量己位居世界第一，甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量也居世界前列。《议定书》对中国的环境保护、新能源和可再生能源开发提出了更高的要求。从日前国内新能源产业发展状况看，在技术、资金、市场开发及产业配套政策等方面存在严重不足。建立在煤炭、石油、天然气等燃料基础上的能源体系极大地推动了中国的现代化建设。但同时人们也越来越发现大规模使用化石燃料所带来的严重后果:资源日益枯竭、环境不断恶化。所以人类必须寻找一种新的、清洁安全、可靠的可再生能源太阳能发电正是缓解能源短缺的新路。太阳能电源具有以下优势:(1)可靠。太阳能电源很少用到运动部件，上作可靠。日前已有数千套太阳能系统的运行经验，晶体硅的寿命可达20年以上，(2)安全、无噪声及其它公害。不产生任何的固体，液体和气体有害废弃物，噪音儿乎没有，无环境污染和公害问题。(3)安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等优点。尤以可靠性高而备受人们重视。(4)兼容性好，太阳能发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要而使太阳能系统很方便的增容。(5)标准化程度较高，可由组件的串并联满足不同用电的需要，通用性强。(6)太阳能应用范围广。但是，太阳能发电能量分散，占地面积大，间歇性大，地域性强。建设初始投资大，成本较高。随着制造技术有了很大改进，过去制造太阳能电池常用的半导体材料是Si、Cds、CaAs等晶体，其中用CaAs做成的太阳能电池，光电转换效率高达25%以上，但因成本很高，限制了它的应用。20世纪70年代以后，人们开始采用廉价的非晶硅材料制造太阳电池，探索新的制造技术。经过多年研究，己研制出单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池和薄膜电池以及多种化合物电池，电池的转换效率显著提高，生产成本不断下降[2,3]。1.2国内外太阳能应用发展现状1.2.1国外太阳能应用的发展现状 小功率太阳能电源逆变装置的设计1974年至1997年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本从每瓦50美元降到了5美元。此后世界各国专家大都认为，要使太阳能电站与传统电站（主要是火电站）相比具有经济竞争力，还有一段同样长的路要走，需要其成本再降低一个数量级。目前美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。在死海之畔有一个1979年建立的7000平方米的实验太阳池，能够为一台150千瓦发电机供热。美国计划将其盐湖总面积的8.3%（约8000平方千米）建成太阳池，为600兆瓦的发电机组供热[11]。俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了令人瞩目的进展。一家公司将其研制的太阳能喷水式推进器和喷冷式推进器与太阳池工程相结合，给太阳池附设冰槽等设施，设计出了适用于农家的新式太阳池。按这种设计，一个6到8口人的农户建一个70平方米的太阳池，便可满足其100平方米住房全年的用电需要。另一家研究机构提出了组合式太阳池电站的设计思想，即利用热泵、热管等技术将太阳能和地热、居室废热等综合利用起来，使太阳池发电的成本大大下降，在北高加索地区能与火电站竞争，并且一年四季都可用，夏天可用于空调，冬天可用于采暖。对于淡水资源缺乏的国家来说，太阳池还有另一项不可多得的好处：据专家测算，在近海浅水区建一个面积2163平方千米、深1.2米的太阳池，可为发电机组供热，并可每年产淡水2立方千米。欧美一些先进国家目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”。这是一种能将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃中，从而安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大的促进了太阳能在新型建材产品中的应用。在发展中国家，各国也在积极发展利用太阳能。如菲律宾政府早在1999年就已批准了首个太阳能计划，在澳大利亚政府“海外援助计划”的协助下，在全国263个社区安装1000个太阳能系统。目前菲政府正在推行全球最大太阳能应用计划，整个计划耗资4800万美元。太阳能发电计划共分两期，受惠的除了民居外，还包括25个灌溉系统、97个净水及分配系统、68间学校和社区中心与35间诊所。1.2.2我国太阳能应用的发展现状在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题[12]。经过多年的发展，我国国内的集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。1998年销售总额达到了35亿元，其产量位居世界榜首。我国的太阳能产业已开始运作。中国科学院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入2.5亿元人民币开展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。但从整体上分析，国内太阳能利用整体起步较晚，尤其是在各种新型产品的开发、生产上还落后于国际水平，整体上仍比较落后。但随着我国政府的大力支持，目前我国在太阳能利用方面有了长足的发展。2008年的奥运会，北京成为了我国在太阳能应用方面的最大展示窗口，“新奥运”充分体现了“环保奥运、节能奥运” 小功率太阳能电源逆变装置的设计的新概念，奥运会场馆周围80％～90％的路灯利用的是太阳能光伏发电技术；采用全玻璃真空太阳能集热技术，供应奥运会90％的洗浴热水。在整个奥运会期间，太阳能路灯、太阳能电话，太阳能手机、太阳能无冲洗卫生间等一系列太阳能技术的应用充分体现出了我国在太阳能应用领域的发展成果。1.3逆变电源的现状1.3.1现代逆变技术的分类逆变电源是光伏发电系统中的重要组成部分，逆变电源的性质决定了光伏发电系统输出电能的质量。随着逆变电源的类型的增多和控制技术的不断发展，使得光伏发电系统可以应用到与国民生产和日常生活相关的各个领域。现代的逆变技术种类很多，可以按照不同的形式进行分类，主要有如下几种:（1）按照逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。工频变换逆变电源使采用工频变压器实现输入输出之间的电气隔离。这种逆变器结构简单、工作可靠，但这种逆变器体积大，笨重、噪声大，效率方面也有待提高。随着对电源性能要求的日益提高，传统的工频变换逆变电源逐渐难以适应轻量化、高功率密度、高可靠性的要求。高频变换是采用高频变换技术，它的优点是体积小、重量轻、噪音小、效率高。日前的光伏发电系统多采用高频变换方式，在国内外的中小交流光伏系统中得到了普遍应用。（2）按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。（3）按逆变器的主电路形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。（4）按照逆变器主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器、IGBT逆变器等。（5）按照输出的稳定参量，可分为电压型逆变器和电流型逆变器。（6）按控制方式，可分为移项控制方式和PWM控制方式。移项控制的原理是，全桥变换电路每一个桥臂的两个开关互补导通，两个桥臂的开关导通之间相差一个相位，通过调节此移相角的大小，来调节输出电压脉冲的宽度，达到调节输出电压的日的。利用单极性移相控制技术，控制高频脉冲环节逆变器，根据软开关的工作原理，控制各管的导通时刻与导通时间，使之工作在零电压开关与关断模式，可以大大降低器件的开关损耗以及电磁干扰噪声。PWM控制采用脉宽调制控制方式，它的优点是控制灵活，实现简单。可以根据具体的实现要求，产生相应的控制波形。对于谐波抑制、死区控制、调节输出电压等多种方面都十分有利。近年来，结合DSP或单片机技术，通过编程算法可以满足各种控制策略的要求，大大提高了PWM控制在逆变电源控制方面的应用效率[3,4]。1.3.2逆变电源波形控制技术 小功率太阳能电源逆变装置的设计光伏逆变器的性能很大程度上决定了整个光伏发电系统的性能和效率，随着光伏发电系统的应用越来越广，人们对光伏逆变器输出电压的质量要求也越米越高，不仅要求逆变器的输出电压稳定以及工作可靠，而且要求其输出电压正弦度高，动态响应速度快。所以光伏逆变器的控制技术也得到了不断的发展。(1)开环控制开环控制是根据面积等效的原理，用正弦信号波和三角载波进行比较获得SPWM波，从而决定功率器件的开关时刻。随着单片机等数字器件的发展，逆变器的开环控制逐渐采用了数字方法，从而出现了几种新型的SPWM调制技术，如载波调制PWM、谐波注入PWM以及最优PWM等。新型的PWM调制方法虽然可以在一定程度上改善光伏逆变器的输出电压质量，减少波形畸变，但开环控制不可避免的具有很大的局限性:a.输出波形质量差，总谐波畸变率高。b.系统动态响应速度慢。(2)模拟闭环控制闭环控制的引入克服了开环控制的局限性，提高了系统的输出电能质量。PI控制以形式简单、参数易于设计、理论成熟为特点，成为当前应用最为广泛的控制方法。空载的逆变器模型近似于一阶振荡环节，积分器的作用会增加相位滞后;为了保证系统的稳定，控制器的比例P必须加以限制，控制系统的动态性能一般，系统对于非线性负载扰动的抑制效果不好。由控制理论可知，对于正弦指令信号，PI控制不能实现无静差跟随，输出电压的稳态精度必然受到影响，实际应用中往往增加电压均值反馈外环，将PI控制与闭环控制策略相结合，来保证稳态精度。具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制。采用电压瞬时值反馈或者电压瞬时值内环、电压有效值外环的控制策略。它的优点是只使用了一个电压传感器，缺点是系统动态响应特性不好，同时为了保证系统的稳定性，电压瞬时值环不能做的太快，从而导致了跟踪特性不是很好，波形质量欠佳。改善动态响应的方法之一就是采用电流反馈控制策略。将电压环与电流环配合使用达到调节输出电压和补偿电流特性的目的。由于电流内环对系统特性的改造，系统稳定性得到加强。双闭环控制同时具备优良的动、静态特性，是一种理想的波形控制方案。但它也存在不足，如果存在非线性负载扰动，为消除干扰，电流内环需要很快的速度，所以只能采用模拟电路实现，数字电路难以达到:如果内部电流环采用滞环比较形式，由于滞环比较的非线性特性，对于系统的稳定性有一定影响;为了更好的抑制负载的扰动，滞环的宽度越窄越好，但这会使开关频率急剧升高。因此，这种形式的控制器对于非线性扰动的抑制能力有一定限制。 小功率太阳能电源逆变装置的设计2太阳能电源逆变装置方案选择2.1总体方案该设计主要包括两大类电路，一是主电路，另一个是，检测保护电路。主电路主要包括：SPWM波产生电路,驱动电路,逆变电路,DC/DC电路等；检测保护电路主要包括：欠电压保护电路、过电压保护电路、过电流保护电路等。其总体框图如图2-1所示：图3-1总体框图2.2单元电路的简单介绍SPWM波的产生：主要采用EG8010;（1）驱动电路:主要采用逆变电源芯片IR2110；（2）DC/DC电路：主要采用模块集成电路；（3）逆变电路：主要采用全桥逆变电路；（4）整流滤波电路：主要采用半波整流及LC滤波；（5）欠电压保护：采用比较器LM358；（6）过电压保护：采用比较器LM358；（7）故障报警电路：采用三级管及发光二极管等。2.3MPPT与孤岛效应2.3.1MPPT（最大功率点跟踪）MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”（MaximumPowerPoint 小功率太阳能电源逆变装置的设计Tracking）太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。其常用的方法有：固定电压跟踪法、扰动观测法、导纳微增法、间歇扫描跟踪法。（1）固定电压跟踪法(ConstantVoltageTracking，CVT)是利用光伏器件输出最大功率时工作电压(MPPT)与开路电压Vo存在近似的比例关系这一特性进行控制的一种最大功率点跟踪控制方法。优点：控制简单，缺点：但其最大功率点电压与Vo的比例关系是在电池结温不变的情况下推出的，而实际工作中Vo是随温度变化而变化的，在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情况下，如果仍然采用固定电压跟踪(CVT)控制策略，阵列的输出功率将会偏离最大功率输出点，产生较大的功率损失。（2）公式2-1是光伏器件在最大功率点两侧dP/dV的特性表达式。式中dP、dV分别代表相邻两个采样周期光伏器件的输出功率和输出电压的变化。扰动观察法(P&O，Perturbationandobservationmethod)就是利用光伏器件这一特性进行最大功率点跟踪控制的。该方法通过不断调节光伏器件MPPT电路的工作状态来比较电路调整前后光伏器件输出功率和输出电压的变化情况，再根据变化情况调整MPPT电路的工作，最后使光伏器件工作在最大功率点附近。<0最大功率点右侧dp/dv=0最大功率点（2-1）>0最大功率点左侧（3）导纳微增法也是常用的一种MPPT控制方法，是对扰动观察法的改进。其控制思想与扰动观察法类似，也是利用dP/dv的方向进行最大功率点跟踪控制，只是光伏器件工作在最大功率点时控制有所不同。（4）所谓间歇扫描法，其原理是定时扫描太阳能电池板阵列的输出功率，然后逐次比较，直至追踪到最大功率点。由于电池板最大功率点受光照影响变化不是很剧烈，所以只需要在最大功率点附近扫描即可找到最大功率点。2.3.2孤岛效应所谓孤岛效应就是当电力公司的供电系统因故障或停电维修等原因而停止工作时，安装在各用户端的光伏并网发电系统未能即时检测出停电状态而迅速将自身切离市电网络，因而形成了一个由光伏并网发电系统向周围负载供电的自给供电现象。具体实现思想是：系统通过软硬件电路周期性地检测出相邻两次电网电压过零点的时刻，计算出电网电压的频率f，在此基础上引入偏移量Δf，最后将f±Δf作为输出并网电流的给定频率，并且在电网电压每次过零时使输出并网电流复位。当电网无故障时，负载上的电压频率即为f，因此必须每次检测到的f基本不变；而当市电脱网时，光伏阵列的输出并网电流单独作用于负载上，由于输出并网电流频率的逐周期偏移，所以，每次检测到的负载电压频率就会相应地改变。由此形成了给定输出并网电流频率的正反馈，使得负载电压的频率很快超过频率保护的上、下限值，从而使系统有效检测出市电脱网。 小功率太阳能电源逆变装置的设计因此，主动频率偏移法使系统具备了良好的反孤岛效应功能。2.4本文的工作本文主要研究了太阳能电源逆变装置的设计，其主要工作有：第一章绪论中介绍了目前太阳能电源的国内外发展状况；第二章介绍了本设计的大致方案；第三章介绍了PWM的产生与形成原理；第四、五章介绍了各个单元电路的设计及原理；第六章介绍了一些相关单元电路的仿真。最后对该逆变电源进行了计算机仿真，验证了其可行性和有效性。 小功率太阳能电源逆变装置的设计3PWM波形工作原理3.1PWM波形的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅式变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。例如图3-1所示的三个窄脉冲形状不同，图3-1a为矩形脉冲，图3-1b为三角形脉冲，图3-1c为正弦半波脉冲，但它们的面积(即冲量)都等于1，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图2-1d的单位脉冲函数δ(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。a)矩形脉冲b)三角波脉冲c)正弦波脉冲d)单位脉冲函数图3-1冲量相同的脉冲上述结论是PWM控制的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦半波，把图3-2a所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，就得到图3-2b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM(SinusoidalPWM)波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述脉冲的宽度即可。 小功率太阳能电源逆变装置的设计图3-2用PWM波代替正弦波较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。一般根据三角波载波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式，如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在两个方向变化的，这时称为双极性PWM控制方式。3.2SPWM波的生成与原理分析3.2.1自然采样法生成SPWM波自然法生成SPWM波又称模拟电路法生成SPWM波，通常用模拟比较器比较生成SPWM波，如果用信号正弦波作为比较器的同相端输入信号，三角载波作为比较器的反相端输入信号，便实现了自然法生成SPWM波，如图3-3所示，比较器输出经死区形成电路即可生成带死区的SPWM波。这种方法是所有生成SPWM波方法中最精确的一种，其它方法都是与它近似等效，存在一定的等效误差。 小功率太阳能电源逆变装置的设计图3-3自然采样法生成SPWM波3.2.2规则采样法生成SPWM波规则采样法是从自然采样法演变而来的，它由经过采样的正弦波(实际上是阶梯波)与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波，其原理如图3-4所示:图3-4规则采样法生成SPWM波3.2.3PWM型逆变电路的控制方式（1）单极性SPWM控制与双极性SPWM控制 小功率太阳能电源逆变装置的设计a)单极性SPWM控制三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的SPWM波形也只在一个方向变化的控制方式成为单极性SPWM控制方式，如图3-5所示。图中的为正弦调制波，为三角形载波。载波在的正半周为正极性的三角波，在的负半周为负极性的三角波。通过和的比较，获取SPWM控制信号来控制图3-6主电路中开关元件的导通或关断，IGBT的通/断发生在和的交点时刻。从而在主电路的输出端获得SPWM输出电压。在的正半周期间，给T1始终施加开通控制信号，使其始终保持导通状态，使T2、T3始终保持关断状态，只控制T4。当>时，控制T4导通，此时输出电压为+Ud；当＜时，控制T4关断，则负载电流通过D3续流输出电压为0V。图3-5单极性PWM控制原理在的负半周，使T3保持始终受控导通状态，使T1、T4一直保持关断，只控制T2。当＜时，控制T2导通，输出电压为；在＞时，使T2关断，则负载电流通过D4续流，输出电压为0V。这种调制方式中，在调制波的正、负半个周期内，三角形载波只在一个方向变化，输出电压也只在一个方向变化。输出电压波形如图3-5所示，输出的电压有、0V、三种电压值。其中的为基波分量的波形，与正弦调制电压的形状相同。图中的虚线表示中的基波分量。像这种在的半个周期内三角形载波只在单一的正极性或负极性范围内变化，所得到的SPWM 小功率太阳能电源逆变装置的设计波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性SPWM控制方式。b)双极性SPWM控制和单极性SPWM控制方式相对应的是双极性控制方式，如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的SPWM波形也是在两个方向变化的，这时就成为双极性SPWM控制方式，如图3-6所示。其控制和输出波形如图3-6所示。其中为正弦调制波，为三角形载波。但的波形与单极性时有明显的不同，在的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负的双极性三角波。双极性调制方式在的正、负半周控制规律相同。当时，同时给T1和T4导通信号，给T2和T3关断信号，此时若，则T1和T4导通，若，则Dl和D4导通，两种情况下输出电压均为；当时，给T2和T3导通信号，给Tl和T4关断信号，若此时，则T2和T3导通，若，则D2和D3导通，两种情况下输出电压均为。可见，在的一个周期内，输出的PWM波只有两种电平，而不再出现单极性控制时的零电平状态。主电路的输出电压波形如图3-6所示，其幅值只有、两种。为输出的基波波形，形状与正弦调制波相同。从以上的分析可见，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。当对开关器件通/断控制的规律不同时，它们的输出PWM波形也会出现较大的差别。图3-6双极性SPWM控制原理(2)同步调制与异步调制 小功率太阳能电源逆变装置的设计在PWM逆变电路中，载波频率fc与调制信号频率fr之比N=fc/fr。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM逆变电路可以有异步调制和同步调制两种控制方式。a)异步调制载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调制方式中，调制信号频率fr，变化时，通常保持载波频率fc。固定不变，因而载波比N是变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当调制信号频率较低时，载波比N较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比N就减小，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动，同时输出波形和正弦波之间的差异就变大，电路输出特性变坏。因此，在采用异步调制方式时，希一望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。b)同步调制载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。 小功率太阳能电源逆变装置的设计4电源逆变装置的主电路的设计4.1主电路的组成该电源逆变装置的主电路主要包括：SPWM波的产生、驱动电路、DC/DC电路、逆变电路、整流滤波电路等。4.1.1驱动电路方案一：a)概述：采用达林顿管驱动；b)优点：达林顿管有驱动能力强、电路结构简单、价格相对便宜等优点；c)缺点：在驱动全桥式连接的MOS管时，至少需要3个独立电源，电源种类繁多；方案二：a)概述：采用集成芯片IR2110驱动；b)优点：IR2110芯片具有体积小、驱动能力强、控制方便、电能利用效率高等优点，尤其是采用R2110芯片能够大大减少驱动电源的个数（仅需1个），充分简化驱动电路的设计。方案的选择：经比较，驱动电路的设计应选择方案二。4.1.2DC/DC电路由于驱动电路及逆变电路的电压不同，因此需要DC/DC电路以对电路起到保护作用。选用DC/DC及芯片78L05，通过此使其输出不同电压。其中“78”指输出正电压，“05”指5伏。4.1.3逆变电路方案一：a）概述：半桥式。采用两个MOS管IRF460、两个电解电容、两个大电阻等元件组成半桥式主电路，两路控制信号分别接G1和G2端；b）优点：降低设计成本，简化电路；c）缺点：输出电压峰峰值较低，且输出电流较小，同时，电容的加入，增加了系统的无功功率，电阻也会消耗一部分功率。方案二：a）概述：全桥式。采用四个MOS管IRF460组成全桥式主电路，四路控制信号分别 小功率太阳能电源逆变装置的设计接G1和G2端、G3和G4端；其中，左半桥的两路控制信号反相，右半桥的两路控制信号也反相。优点：采用此方案可以使电路结构清晰，输出有效值增加（为半桥式的2倍），输出电流较大，且电路的功耗较小。方案选择：经比较，应选择方案二（全桥式逆变电路）4.1.4整流滤波电路为了简化电路结构，滤波电路采用简单电路，通常采用的滤波电路设计有如下两种设计方案：a）方案一：RC滤波电路。采用RC滤波电路，可以简化电路结构，能够滤掉绝大部分无关的杂波，得到比较准确的输出电压波形，然而由于电容的加入，增加了系统的无功功率，电阻还会消耗一部分功率，且输出电压的相位有一定的偏移，这使得相位难于控制，故不采用此方案。b）方案二：LC滤波电路。采用LC滤波电路，一方面可以大大简化电路结构，实现滤波功能；另一方面，通过电感L和电容C适当匹配，可以使得输出电压相位和输入电压相位一致，方便电压相位的控制；此外LC的合理搭配还可以降低无功功率，抑制电压和电流的脉动，故采用此方案。其中，整流电路采用半波整流。4.2SPWM波的产生设计4.2.1EG8010的简单介绍对于该SPWM波产生单元电路，采用芯片EG8010.图4-2所示： 小功率太阳能电源逆变装置的设计图4-1EG8010芯片管脚图引脚26：VCC芯片的+5V工作电源端引脚3,12：GND芯片的地端引脚1：DT1引脚2：DT0DT1,DT0是设置PWM输出上、下MOS管死区时间：“00”是300nS死区时间；“01”是500nS死区时间；“10”是1.0uS死区时间；“11”是1.5uS死区时间引脚4：RXD串口通讯数据接收端引脚5：TXD串口通讯数据发送端引脚6：SPWMENSPWM输出使能端，“1”是启动SPWM输出，“0”是关闭SPWM输出引脚7：FANCTR外接风扇控制，当TFB引脚检测到温度高于45℃时，输出高电平“1”使风扇运行，运行后温度低于40℃时，输出低电平“0”使风扇停止工作引脚8：LEDOUT外接LED报警输出，当故障发生时输出低电平“0”点亮LED正常：长亮过流：闪烁2下，灭2秒，一直循环过压：闪烁3下，灭2秒，一直循环欠压：闪烁4下，灭2秒，一直循环过温：闪烁5下，灭2秒，一直循环引脚9：PWMTYPPWM输出类型选择“0”是正极性PWM类型输出，应用于高电平有效驱动IR2110等驱动器件，即引脚SPWMOUT为高电平打开功率MOS管 小功率太阳能电源逆变装置的设计“1”是负极性PWM类型输出，应用于低电平有效驱动TLP250内部二极管阴极等光耦器件，即引脚SPWMOUT为低电平打开功率MOS管应用设计时可参考典型应用电路图，根据驱动器件合理配置该引脚状态，否则不一致情况会导致上、下功率MOS管同时导通现象引脚10：OSC112M晶体振荡器引脚1引脚11：OSC212M晶体振荡器引脚2引脚13：VFB正弦波输出电压反馈输入端引脚14：IFB负载电流反馈输入端引脚15：TFB温度反馈输入端引脚16：FRQADJ/VFB2功能复用脚，调频模式时（单极性调制）作为调频电压0-5V输入，双极性调制时作为右桥臂输出电压反馈输入端引脚17：VREF芯片内部基准电源输入引脚18：FRQSEL0FRQSEL1（引脚19），FRQSEL0（引脚18）是设置频率模式，“00”是输出50Hz频率；“01”是输出60Hz频率；“10”是输出频率范围0-100Hz由FRQADJ引脚调节；“11”是输出频率范围0-400Hz由FRQADJ引脚调节引脚19：FRQSEL1引脚20：MODSEL单极性、双极性调制方式选择：“0”是单极性调制方式；“1”是双极性调制方式引脚21：SST软启动功能使能输入端：“0”是不支持软启动功能；“1”是支持软启动功能，软启动时间为3S引脚22，23：NC空脚引脚24：LCDCLK串口12832液晶显示模块时钟输出端引脚25：LCDDI串口12832液晶显示模块指令、数据输出端引脚27：SPWMOUT1右桥臂上管SPWM输出，单极性调制时该脚作为右桥臂上管的基波输出，双极性调制时作为SPWM调制输出引脚28：SPWMOUT2右桥臂下管SPWM输出，单极性调制时该脚作为右桥臂下管的基波输出，双极性调制时作为SPWM调制输出引脚29：SPWMOUT3左桥臂上管SPWM输出，单极性和双极性调制时该脚都作为左桥臂SPWM调制输出引脚30：SPWMOUT4左桥臂下管SPWM输出，单极性和双极性调制时该脚都作为左桥臂SPWM调制输出引脚31：LCDEN串口12832液晶显示模块使能端输出引脚32：VVVF变频、变压功能使能脚：“0”是变频不变压模式；“1”是变频变压模式，应用于变频器及电机控制 小功率太阳能电源逆变装置的设计4.3驱动电路的设计4.3.1IR2110的简单介绍芯片IR2110，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。（1）IR2110的引脚说明：LO（引脚1）：低端输出；Nc（引脚8）；空端；COM（引脚2）：公共端；VDD（引脚9）：逻辑电源电压；Vcc（引脚3）：低端固定电源电压；HIN（引脚10）：逻辑高端输入；Nc（引脚4）：空端；SD（引脚11）：关断；Vs（引脚5）：高端浮置电源偏移电压；LIN（引脚12）：逻辑低端输入；VB(引脚6)：高端浮置电源电压；Vss（引脚13）：逻辑电路地电位端；HO（引脚7）：高端输出；Nc（引脚14）：空端。（2）IR2110的特点：a）具有独立的低端和高端输入通道。b）悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。c）输出的电源端（脚3）的电压范围为10—20V。d）逻辑电源的输入范围（脚9）5—15V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有V的便移量。e）工作频率高，可达500KHz。f）开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns。g）图腾柱输出峰值电流2A。IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。4.3.2驱动电路IR2110芯片具有体积小、驱动能力强、控制方便、电能利用效率高等优点，尤其是采用R2110芯片能够大大减少驱动电源的个数（仅需1个），充分简化驱动电路的设计。 小功率太阳能电源逆变装置的设计图4-2驱动电路图4.4DC/DC电路的设计由于驱动电路及逆变电路的电压不同，因此需要DC/DC电路以对电路起到保护作用。选用DC/DC及芯片78L05，通过此使其输出不同电压。其中“78”指输出正电压，“05”指5伏。其电路图如图4-3所示：图4-3DC/DC电路4.5逆变电路设计4.5.1概述与整流相对应，把直流电变成交流电成为逆变。当交流测接在电网上，即交流测接有电源时，称为有源逆变；当交流测接在负载上时，称为无源逆变。其中，全桥逆变主要有：电压型及电流型。本设计采用电压型。4.5.2逆变电路采用单相全桥式。如图4-4所示，采用四个MOS管IRF460组成全桥式主电路，四路控制信号分别接G1和G2端、G3和G4端。该电路输出电流较大，且电路的功耗较小。 小功率太阳能电源逆变装置的设计图4-4全桥式逆变电路4.6变压电路的设计4.6.1概述经过逆变后出来为低压交流，需要将其进行变压，使其输出为交流220V，50HZ。4.6.2器件的选择（1）变压器的选择在全桥逆变电路中，其输出交流电压的幅值Um与Ud的关系为Um=Ud(4-1)把幅值为Ud的矩形波展开傅里叶级数得：(4-2)其中基波的幅值和基波的有效值(4-3)(4-4)其变压器的匝数比为：（4-5)即，应选择初级匝数为12，次级匝数为110。因此，应选择24V/220V的交流变压器，该变压器 小功率太阳能电源逆变装置的设计实现电压由24V交流电压转变为220V交流电压。此交流电压经过整流滤波电路变成220V高压直流电压。变压器T的工作频率选为50Hz左右。其初级匝数为12，次级匝数为110。4.7整流滤波电路的设计整流电路采用半波整流；滤波电路采用LC滤波电路。考虑到LC电路谐振时滤波效果较好，根据公式:（4-6）其中，f=50HZ,为了较好地稳定电流，选择，那么容易计算出电容值，考虑到电容型号，在此选择电解电容。其电路图如下4-5所示：如图4-5整流滤波电路 小功率太阳能电源逆变装置的设计5保护电路的设计5.1保护电路的方案设计（1）输入欠过电压保护：为了使输入电压过小或者电压过大不会对电路等造成损坏，所以需要加入欠过压保护电路；（2）输出过电压保护：为了减少输出电压过大时对用户及整个电路造成的损失，则需加入输出过电压保护电路；（3）故障报警电路：当发生以上故障时，PWM波输出为零，同时进行报警。5.1各种保护电路的设计5.2.1欠电压的保护的设计（1）过电压保护电路当采样主电路中的蓄电池输入的电压大于LM358的正向输入端的电压时，其LM358输出低电平，从而使发光二极管发亮，输出低电平给EG8010，从而使PWM输出零电平。同时启动故障报警电路。注意：为了防止烧坏LM358，在其保护电路之前应设置用电位器分压的措施。其电路原理图如下图5-2所示： 小功率太阳能电源逆变装置的设计图5-2输入过电压保护电路图（2）欠电压保护电路当采样主电路中的蓄电池输入的电压小于LM358的反向输入端的电压时，其LM358输出低电平，从而使发光二极管发亮，输出低电平给EG8010，从而使PWM输出零电平。同时启动故障报警电路。注意：为了防止烧坏LM358，在其保护电路之前应设置用电位器分压的措施。其电路原理图如下图5-3所示：图5-3输入欠电压保护电路图5.2.2过电流的保护的设计（1）SR触发器的组成及功能a)电路结构与符号表示基本RS触发器是组成门控触发器的基础，一般有与非门和或非门组成的两种，以下介绍与非门组成的基本RS触发器。用与非门组成的RS触发器见图5-3。图中为置1输入端，为置0输入端，都是低电平有效，Q、为输出端，一般以Q的状态作为触发器的状态。 小功率太阳能电源逆变装置的设计图5-3与非门组成的SR触发器b)工作原理与真值表①当=0，=1时，因=0，G2门的输出端，G1门的两输入为1，因此G1门的输出端Q=0。②当=1，=0时，因=0，G1门的输出端Q=1，G2门的两输入为1，因此G2门的输出端。③当=1，=1时，G1门和G2门的输出端被它们的原来状态锁定，故输出不变。④当=0，=0时，则有。若输入信号=0，=0之后出现=1，=1，则输出状态不确定。因此=0，=0的情况不能出现，为使这种情况不出现，特给该触发器加一个约束条件=1。由以上分析可得到表5-1所示真值表。这里表示输入信号到来之前Q的状态，一般称为现态。同时，也可用表示输入信号到来之后Q的状态，一般称为次态。其真值表如下表5-1所示：表5-1SR触发器真值表01011010110011（2）霍尔元件在过电流保护中，需先将输出的电流进行检测，采用霍尔传感器检测电流，霍尔传感器能够间接测电流信号，当电流增加时，霍尔元件两端的电压就会上升，将该信号经过整流、滤波后，可以很方便的实现过流保护。（3）过电流保护电路a)当经霍尔元件、整流、滤波后输出的电压大于所设定的电压（运算放大器的正输入端），则运算放大器输出低电平，使SR触发器的置数端有效，从而SR触发器的输出为低电平，从而使三极管基极为低电平，即三极管截止，从而三极管集电极输出高电平，使芯片IR2110的引脚端SD(关断)为高电平，从而达到保护的目的。b) 小功率太阳能电源逆变装置的设计当经霍尔元件、整流、滤波后输出的电压小于所设定的电压（运算放大器的正输入端），则运算放大器输出高电平，使SR触发器的复位端及置数端无效，从而SR触发器不动作，为原来的初始状态，电路正常工作。图5-4过电流保护电路图5.2.3故障报警电路的设计在该电路中，当整个电路发生任何故障时，都会使EG8010的引脚为高电平，从而使该电路中的三极管导通，其集电极为低电平，使二极管发光，同时喇叭开始鸣叫，从而起到对故障进行报警的作用。图5-6故障报警电路图6相关电路的仿真6.1PWM波的产生仿真(1)仿真电路图如图6-1所示： 小功率太阳能电源逆变装置的设计图6-1PWM波产生电路仿真图（2）仿真结果图如图6-2所示：a)XSC1仿真波形图 小功率太阳能电源逆变装置的设计b)XSC2仿真波形图图6-2PWM波仿真结果其中，XSC1的仿真波形图为PWM波；XSC2仿真波形图为三角波与正弦波的比较。根据PWM波产生的原理及仿真可知，PWM波可有三角波与正弦波的比较可得，并可通过运算放大器所接的反相电路对其进行反相。6.2整流滤波电路的仿真(1)仿真电路图如图6-3所示：图6-3整流滤波电路仿真图 小功率太阳能电源逆变装置的设计（2）仿真结果图如图6-4所示：图6-4XSC1仿真波形图6.3欠电压保护电路的仿真(1)仿真电路图如图6-7所示：图6-7欠电压仿真电路 小功率太阳能电源逆变装置的设计(1)XHH1及XHH2的示数如下仿真电路图如图6-4所示：a)XHH1的示数b)XHH2的示数c)XHH3的示数图6-8仿真示数其中，XHH1的示数为比较电压的设定值；XHH2的示数为LM358的输出端电压；XHH3的示数为LM358的正向输入端电压。从以上仿真可得，当比较电压的设定值为12.812V，同时正向输入端为3.659V（小于反向输入端的电压）时，LM358输出低电平，二极管发光。6.4过电压保护电路的仿真(1)仿真电路图如图6-5所示：图6-9过电压仿真电路 小功率太阳能电源逆变装置的设计(1)XHH1及XHH2的示数如下仿真电路图如图6-6所示：a)XHH1的示数b)XHH2的示数c)XHH3的示数图6-10仿真示数其中，XHH1的示数为比较电压的设定值；XHH2的示数为LM358输出电压值；XHH3的示数为LM358反向输入电压值。从以上仿真可得，当LM358的正向输入端为10V,即比较电压设为10V，同时反向输入端为10.714V（大于反向输入端的电压）时，LM358输出低电平，二极管发光。6.5过电流保护电路的仿真(1)仿真电路图如图6-11所示：图6-11过电流保护仿真电路 小功率太阳能电源逆变装置的设计(1)XHH1、XHH2、XHH3、XHH4的示数如下仿真电路图如图6-12所示：a)XHH1的示数b)XHH2的示数c)XHH3的示数d)XHH4的示数图6-12仿真示数其中，XHH1的示数为过电流保护电路的输出电压值；XHH2的示数为比较电流的设定值；XHH3的示数为LM358的反向输入端电流值；XHH4的示数为为LM358的输出端电压值。从以上仿真可得，当LM358的反向输入端电流为2A，LM358的正向输入端电流（比较电流设定值）为1.2A时，主电路的输出电流大于比较电流设定值，则LM358输出低电平，经SR触发器，三极管基极电压为低电平，三极管截止，该电路输出高电平给芯片IR2110的引脚端SD(关断)，从而使引脚SD有效，以达到保护的目的。6.6故障报警电路的仿真(1)仿真电路图如图6-13所示： 小功率太阳能电源逆变装置的设计图6-13故障报警仿真电路从以上仿真可得，当整个电路发生任何故障时，此时，故障保护电路的输入端为高电平，使该电路中的三极管导通，其集电极为低电平，使二极管发光，从而起到对故障报警的作用。7结论在充分研究逆变电源的成果的基础上，本文设计了小功率太阳能电源逆变装置。该逆变器主要由主电路和保护电路组成。经过理论分析和仿真调试，本文结论如下:（1）方波输出的逆变器目前多采用脉宽调制集成电路，如EG8010、HT1112、SG3525、TL494等。（2）逆变器的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（BJT），功率场效应管（MOS-FET），绝缘栅晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（100KVA以上）系统中，一般均采用GTO作为功率元件。 小功率太阳能电源逆变装置的设计（1）根据系统特点，设计电路原理图。模拟电路通过multisim仿真调试，验证了设计的可行性；本文提出了一种小功率太阳能电源逆变装置的设计，侧重从硬件方面研究，获得了一定成果，但是由于学识水平、实践经验以及时间等的限制，在很多方面做得还不够完善:（1）应对MPPT（最大功率点跟踪）的算法做进一步研究，还有对孤岛效应要做进一步的检测研究；（2）由于实验条件限制，本文主要从仿真方面进行验证，下一步应该做进一步的实物研究。致谢在本次毕业设计过程中，冯引安老师对该论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我对逆变电源有了深刻的认识，在此表示衷心感谢。同时还要感谢其他老师与同学，他们在本文写作的各个阶段给了许多帮助。在四年的本科学习和生活期间，我也始终感受着老师的精心指导和无私的关怀，这些都让我受益匪浅。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向陕西科技大学电信学院的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们四年来的辛勤栽培。最后，向所有帮助过我们的老师和同学们表示诚挚的感谢。 小功率太阳能电源逆变装置的设计参考文献[1]中国能源网.太阳能基本知识[EB/OL].http://www.china5e.com/kb/kbshow.aspx?kbid=7da7dd07-7c69-4be0-96f5-b84b06c81318&pageid=1.html，2006，09，02[2]苏建徽.光伏水泵系统及其控制的研究.合肥工业大学博士论.2003.02[3]吴杰.光伏井网/独立供中两用逆变电源的研究.合肥工业大学.2005.06[4]李志江.逆变电源控制方案的研究与实现.浙江大学.2004.3[5]金成日.多功能智能化高性能正弦波逆变电源的研究.合肥工业大学.2003.5[6]李昊华.太阳能发电系统正弦波逆变电源的研制.河北工业大学.2007.11[7]俞志根.小功率太阳能电源逆变装置的设计.湖州.2009[8]王兆安,黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社.2007 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