毕业设计：1kW太阳能光伏独立逆变系统设计研究

苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第1页共41页摘要：太阳能作为绿色生态能源，以光伏技术与电力电子技术为依托，结合我国的实际利用它为人类服务，是能源工作者的重要任务之一。市场上，户用光伏电源系统产品正在逐步走向成熟，并以其标准化与兼容性等优点引起了越来越多人的注意，但这些产品仍存在着体积大、重量大、交流噪音大等不足之处。本文围绕光伏发电系统的组件展开，重点研究了如何开发一个高性能、纯正弦波输出的高频独立光伏发电系统逆变器，以实现户用光伏逆变电源系统体积与重量小、效率与性价比高、功率密度大、易于市场化。关键词：独立式太阳能光伏逆变器苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第2页共41页AbstractSolarenergyasagreenecologicalenergy,whichisbasedonphotovoltaictechnologyandpowerelectronictechnology,combinedwithChina'sactualuseofitfortheserviceofhumanity,isoneoftheimportanttasksofenergyworkers.Onthemarket,householdphotovoltaicpowersystemproductsisgraduallymature,andwithitsadvantagesofstandardizationandcompatibilityhasattractedtheattentionofmoreandmorepeople,buttheseproductsstillexistinlargevolume,weightbig,noisycommunicationetc.Addressesthecomponentsofphotovoltaicpowergenerationsystem,thispaperfocusesonhowtodevelopahighperformance,puresinewaveinverteroutputhighfrequencyindependentphotovoltaicpowergenerationsystem,inordertorealizethehouseholdphotovoltaicinverterpowersupplysystemhassmallvolumeandweight,efficiencyandhighcostperformance,largepowerdensity,easytomarket.KeywordsDetachedSolarenergyPhotovoltaicInverter苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第3页共41页目录1引言..............................................................51.1独立光伏发电系统概述..............................................51.2太阳能电池方阵....................................................81.3蓄电池组..........................................................91.4控制器...........................................................101.5逆变器...........................................................101.6本文的主要研究内容...............................................102逆变器概述........................................................122.1逆变器特点.......................................................122.2逆变基本工作原理.................................................132.3逆变器的分类.....................................................132.4PWM控制原理......................................................163逆变器设计........................................................193.1逆变器控制方案确定...............................................193.2逆变器系统电路框图...............................................203.3升压电路原理.....................................................203.4升压电路参数设计.................................................223.5基于EG8010芯片的纯正弦波驱动电路.................................264系统调试...........................................................314.1SG3525驱动板调试..................................................314.2升压电路调试......................................................314.4后级逆变电路调试..................................................34苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第4页共41页结论................................................................37致谢................................................................38参考文献：...........................................................39苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第5页共41页1引言随着传统能源的不断减少，新能源发展迅猛。随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，世界范围内对能源的需求日益增长，目前世界能源的利用仍以煤炭、石油、天然气和水与核能等一次能源为主，然而这些有限的能源储量正在日趋枯竭。据世界能源委员会（WEC）预测，按照资源己探明储量和目前的发展速度，石油将在45年后枯竭，天然气将在60年后殆尽，资源量最大的煤炭也只够再开采220年。另外，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排向天空，使大气环境遭到严重污染，同时由于大量排放CO2等温室气体而使地球产生明显的温室效应，引起全球气候变化；水力发电受到水力资源的限制和季节的影响，并且有时会破坏当地的生态平衡；核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样十分严重，并且核废料的处理直至今日仍然是一个全球性待解决的问题。自1973年世界石油危机以来，常规能源频频告急。人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源己经是当前人类面临的迫切课题。太阳能以其清洁、无污染，并且取之不尽、用之不竭等优点越来越得到人们的关注。地球表面每年接受太阳的辐射量达5.4×1024J，相当于1.8×1014t标准煤。若将其中的0.1%按转换率5%转换为电能，每年发电量可达5600TW·h，相当于目前全世界能耗的40倍。因此，太阳能发电，必将成为21世纪后期的主导能源。据欧洲JRC预测，到未来的2100年时，太阳能在整个能源结构中将占68%的份额。因此，太阳能发电对今后能源发展有着特别重要的意义。太阳能发电因环保清洁等因素备受各国青睐，并且日益广泛地应用于各个领域。为了保证太阳能系统稳定，可靠，我们在设计初期就会综合考虑多种因素，合理化设计系统方案，以达到光伏系统最优化配置。1.1独立光伏发电系统概述光伏系统是利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。一般我们将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。如果根据太阳能光伏系统的应用形式，应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分。还可以将光伏系统细分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（SmallDC）、简单直流系统（SimpleDC）、大型太阳能供电系统（LargeDC）、交流、直流供电系统（AC/DC）、并网系统（UtilityGridConnect）、混合供电系统（Hybrid）;并网混合系统。下面就苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第6页共41页每种系统的工作原理和特点进行说明。1）小型太阳能供电系统（SmallDC）该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。其主要用途是一般的家庭户用系统，各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西部地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流灯，用来解决无电地区的家庭照明问题。2）简单直流系统（SimpleDC）该系统的特点是系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器，系统结构简单，直接使用光伏组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程，以及控制器中的能量损失，提高了能量利用效率。其常用于PV水泵系统、一些白天临时设备用电和一些旅游设施中。下图显示的就是一个简单直流的PV水泵系统。这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮的地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。3）大型太阳能供电系统（LargeDC）与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍然是适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统通常负载功率较大，为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的蓄电池组，其常见的应用形式有通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电，航标灯塔、路灯等。我国在西部一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用的这种形式，中国移动公司和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通讯基站也有采用这种光伏系统供电的。如山西万家寨的通讯基站工程。4）交流、直流供电系统（AC/DC）与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。5）并网系统（UtilityGridConnect）这种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第7页共41页换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中PV方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用PV方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用