利用DSP功率电感5kW离网型光伏逆变器设计
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太阳能光伏发电是当今世界上最有发展前景的新能源技术，太阳能光伏发电系统按照系统运行方式的不同可分为离网型光伏发电系统、并网型光伏发电系统以及混合型光伏发电系统。随着我国光伏发电系统 的迅速发展，尤其是光伏屋顶计划的实施，国内对离网型的需求将越来越大。离网型光伏发电系统主要是由光伏电池阵列、控制器、逆变器、储能装置等 环节组成，如图1所示，其中逆变器是光伏系统中重要的器件之一，其可靠性和转换效率对推行光伏系统、降低系统造价至关重要。目前，国内同类产品主要存在以下不足：a.大多采用单片机控制，实时性差，数据处理及通信能力有限;b.采用变压器，体积大、笨重;c.输出电压精度不高，不能满足社会发展的需要。本文提出了光伏控制器的设计方案，可以广泛用于离网型光伏发电系统、风光互补发电系统，具有体积小、重量轻、输出电压精度高、波形好、现场总线实现智能监控等特点。5kW离网型光伏逆变器基本结构光伏逆变器的结构如下所示，包含一次回路和二次回路两部分，其中一次回路由输入滤波电路、Boost升压电路、全桥逆变电路和输出滤波电路等组成，二次回路由TMS320Fz812控制器电路、信号检测电路、人机交互电路和通讯电路组成。下面就5kW离网型光伏逆变器的硬件主电路和控制策略进行设计。5kW离网型光伏逆变器硬件设计目前，常用的离网型逆变电路主要有三种拓扑结构：工频隔离单级逆变器、高频隔离两级逆变器和无隔离两级逆变器。经理论计算和实践验证，使用一种更适合用在光伏发电系统中的电路拓扑结构：无隔离两级逆变，也叫做Boost逆变器，如图3所示。通过输入滤波电路对光伏太阳能输入的48V直流电进行滤波处理，然后通过Boost升压电路进行升压，采用全桥逆变进行逆变处理，输出SPWM波，最后经过LC低通滤波器进行滤波，输出50Hz频率的正弦波。1、输入滤波电路的设计输入滤波电路是由滤波电容组成，用来减小输入端电压的脉动，假设变换器传输最大功率为Pmax，由输入输出功率相等可得出一个周期内输入滤波电容所提供的能量约为2、Boost电路Boost电路如图4所示，其中Q为全控型的功率器件IGBT，Boost电路是一种输出电压等于或高于输入电压的非隔离直流变换电路，当光伏控制器的输入电压在允许范围波动时，通过控制功率开关器件Q的导通比D，使输出电压保持稳定。根据Boost电路中电感电流是否连续可以分为电感电流连续、电感电流断续和电感电流临界连续三种工作模式。当工作于临界工作模式时，电感的取值满足式(3)。3、单相全桥逆变电路本文中单相全桥逆变电路的驱动波形是通过调制法得到的，信号波和载波的产生以及调制都是通过2812实现的。SPWM有三种调制方式：同步调制、异步调制和分段同步调制，本设计输出频率是50Hz，频率不是太低，所以采用同步调制方式。4、LC低通滤波器SPWM波中含有载波频率的整数倍及其附近的谐波分量。为了获得良好的输出电压波形，必须利用LC 低通滤波器消除高次谐波。随着载波比的升高，最低次谐波离基波越远，也就更容易进行滤波，提高载波比将有效改善输出电压质量，但载波比的提高受制于功率开 关器件的开关速度以及开关损耗等因素，LC低通滤波器的选取主要考虑几个方面的因素，噪声、抑制能力、输出阻抗、逆变电流应力。设计中还要综合考虑滤波电路的体积、重量以及制作成本，通常截止频率选择在开关频率的1/10~1/20，本设计中选择系统开关频率为18kHz，逆变器输出交流电源频率为50Hz，初步确定截止频率为1kHz，滤波器中有两个待定的参数，即滤波电感和滤波电容。LC低通滤波器的结构如图5所示，3、5kW离网型光伏逆变器的控制策略SPWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，本文采用PID控制与闭环负反馈控制相结合的数字控制策略。1、控制脉冲的产生本文采用TI公司的TMS320F2812为主控芯片，F2812 共有两个事件管理器EVA和 EVB，每个都可产生8路的脉冲输出，其中由全比较单元输出3对互补的信号，每对互补信号的延迟时间可由相应的死区定时器产生，事件管理器利用内部的定时 器和比较单元产生相应的脉冲。文中通过EVA输出一对互补的SPWM脉冲信号和一路独立输出的PWM信号，分别控制Boost升压电路和逆变器电路。2、输出频率的计算输出SPWM脉冲信号的频率是50Hz，SPWM波形每个正弦波周期输出的点数主要取决于目 标输出正弦波的频率和SPWM脉冲波的载波频率。如SPWM的载波频率为18kHz，要输出的正弦波的频率分别为50Hz，所需要的正弦表的点数N为 3.3闭环负反馈控制DSP2812实时检测输出输入的电压、电流值，反馈到DSP内部，经PI调节后，改变相关寄存器参数，控制驱动脉冲的波形，实现实 时闭环控制，系统的控制框图如图6所示，系统采用二个闭环负反馈调节，根据反馈信号的不同，实时调节输出，使输出稳定。另外，当输出电流信号突然增大到超 过最大允许电流时，关闭PWM输出，以保护逆变装置不受损害。5kW离网型光伏逆变器软件设计SPWM控制程序本设计利用事件管理器的一个完全比较单元输出一对互补的PWM脉冲，时钟由通用定时器1提供，计数 器的工作方式设置为连续增减方式。功率开关器件有一定关断延迟，当同一桥臂的上管关断时，下管不能马上开通，否则将会由于短路而击穿，使用DSP事件管理 器的全比较单元中的死区控制器，在同一桥臂的开通与关断间插入一个死区时间，防止短路现象发生，保护功率器件。SPWM程序主要包括：对EV初始化、相关 变量初始化、正弦表的产生和CMPR1的重载，前3个功能都是在主程序中完成。正弦表产生语句如下：2、A/D转换中断服务程序R》A/D转换的触发源设置为EV中的事件源触发，当AD单元接收到触发信号时，自 动开始A/D转换，且将转换结果自动存入结果寄存器ADC-RESULT中，当转换结束信号到来时，进入ADCINT中断服务程序进行相应处理。在中断服 务程序中首先读取转换结果，利用算术平均值滤波算法对转换结果进行数字滤波，按一定关系转换成相应的实际电压和电流，计算电流和电压的有效值，传递到主程 序中进行判断和谐波分析并通过液晶显示出来，程序流程图如图8所示。测试验证将5kW光伏逆交器的一次回路和二次回路进行组装测试，结合软件编译环境CCS3.3输出波形如图9所示，结果中给出了逆变电路在稳态运行时的实验结果。在稳态运行时，测得到电压有效值在216V到226V之间波动，频率在49.6到50.5Hz之间波动，测试结果表明，本设计满足设计要求。
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5kw居民光伏电站真实运行情况及收益分析
&&15年年底深圳宝安首家居民光伏电站采用 “自发自用，余电上网”的模式正式并网发电。当时南方都市报、宝安电视台、广东电视台珠江频道等各大媒体先后报道该5kW光伏电站的新闻。不知不觉间，光伏电站并网发电已满一年，光伏电站运行如何，发了多少电，收益情况如何，相信大家一定迫不及待地想知道答案吧？一、投资费用建造整套5kW居民光伏发电站的总投资约为45,000元，包括项目设计、设备、安装、调试、2年免费维护。二、发电自用收益该自建楼共有8层，其中楼下4层出租，收取租户的电价为1.5元/度；楼上4楼为自家人居住，使用市电单价为0.717元/度。自家用电和租户用电基本各占一半，因此自用发电收益大约为(1.5+0.717)/2=1.1元/度。若出租比率越高，且自用比率也高，发电收益也随之提高，投资回收年限缩短。三、卖电(上网)收益卖电电价按照当地脱硫燃煤机组标杆上网电价，2015年广东省上网电价为0.4735元/度(参见国家发改委公布的'发改价格【号'通知)四、发电补贴光伏电站所发的电量享受0.42元/度的国家发电补贴，补贴期限为20年。无论自用还是余电上网，只要是光伏电站产生的电力都能享受该补贴。广东省的佛山市、广州市和东莞市相继出台地方政府的光伏发电补贴和装机补贴的政策。不过深圳市目前还没有地方光伏补贴，所以以下发电收益分析是不含地方补贴，若以后深圳市出台地方补贴，那么发电收益提高，投资回收年限缩短。[pagebreak]五、真实发电数据5kW光伏电站正式并网发电的日期是日，截止至日，累计发电时间刚好满1年(365天)，期间3天由于停电而不能发电，实际发电时间为362天。并网至今累计发电度4,969.94度(逆变器监控系统的读数5,030度，7楼的逆变器通过6平米毫米的交流线连接到1楼的光伏计量电表，存在线路损耗，另外逆变器和记录电表的计量方式也存在差异，一年内两者数据相差60度，属于正常范围)，日均发电量为13.73度。上网(反向)电量为1,056.1度(.更换光伏发电专用并网电表，旧并网计量电表反向读数306.21度，新并网计量电表反向读数为749.89度)，自用电量为3,913.84度，自用比例78.8%。由于2015年下半年以阴雨天气为主，因此光伏电站实际运行功率较低，发电量随之偏低，这跟日均发电量理论值得15度相差并不算特别大。另外光伏电站当初选用的规格为250Wp多晶硅太阳能电池板，转换效率相对较低。现在普遍使用255Wp或以上更高效的多晶硅电池板，若使用转换效率更高的单晶硅电池板，在同样的光照条件下，发电量更多。按照目前太阳能电池板的制造工艺水平，若气候状况属于正常范围，且使用更高效的太阳能电池板，珠三角地区的1kW光伏电站年均发电量普遍在1,000-1,250度之间。若年均发电量的数据远超这范围，数据是不真实的。可见，虽然2015年的气象状况较为异常，该光伏电站运行依然稳定可靠，带来稳固可观的发电收益，并且带来不可忽视的节能减排效益，促进能源结构的升级换代，值得大力推广普及！六、发电收益分析白天光伏发电大部分供整栋自建楼用电，只有少部分多余电量反向输入电网(上网卖电)。自用比例0.788，则上网为0.212，含国家发电补贴的发电单位收益为(1.1*0.788+0.+0.42)=1.387元/度。实际并网1年的发电量为4,969.94度，该年发电收益约为4,969.94*1.387=6,893.3元七、投资收益分析太阳能电池板为工业级别产品，设计寿命约为30年，实际使用25年是没问题的。且维护成本很低，相对于投资净收益，可忽略不计。投资回收期约为45,000/6,893.3=6.5年，投资净收益约为(25-6.5)* 6,893.3=127,526元，投资回报率为283%。若维护得当，光伏电站使用寿命延长至30年，那么另外5年收益也很可观，将近3.5万元。责任编辑：殷殷/（微信同号）文章来源：太阳库
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5KW小型太阳能光伏并网发电系统设计
　　摘 要：太阳能发电技术以无污染、使用安全可靠等优点，受到了世界各国人们的青睐。本文对太阳能并网发电系统进行了研究，并设计出5kw小型并网发电系统，设计内容主要包括：发电形式、电池组件、逆变器等。该系统具有供电稳定、转换效率高、无噪声等特点。 中国论文网 http://www.xzbu.com/6/view-5741020.htm　　关键词：光伏并网、光伏阵列、发电系统、逆变器 　　引言： 　　太阳能作为一种新型的可再生能源，具有分布广泛、储量大、无污染等特点，因此成为一种最有利用前途的能源。光伏并网发电技术是太阳能光电利用中一项重要的技术，它不但具有安全可靠、无噪声、无污染等优点，而且有助于节能减排，节约宝贵的土地资源，减少环境污染，改善生态环境，缓解当前的用电压力。因此，太阳能并网发电技术已在诸多国家得到大规模的应用。 　　1、光伏并网发电系统简述 　　1.1光伏并网发电系统的工作原理及运行方式 　　太阳能光伏并网发电系统是利用光电效应，利用光电转换的基本装置（太阳能电池）将太阳能转化为直流电能，直流电经过逆变器的作用，装换成和当地电网相匹配的交流电，供交流负载使用，多余的电力则反馈给电网。 　　光伏发电系统的运行方式有并网运行和离网运行。离网运行系统主要用于没有电的偏远地区，大多采用的都是是中小型系统。并网发电系统和离网系统相比，有它自己的优点：不需要经过蓄电池，多余的电能直接储存在电网中，从而大大降低了发电成本，避免了使用蓄电池产生的二次污染；光伏组件可以作为建筑和装饰材料使用，实现与建筑的完美结合，从而降低了建筑成本，具有良好的经济效益；发电过程中不产生温室气体和污染物，保护了生态环境，具有良好的生态效应。 　　1.2光伏并网发电系统的组成 　　光伏并网发电系统主要有两大部分构成：太阳能电池组件、并网逆变器。 　　光伏电池是系统的基本单元。单个电池的电压很低，不足以满足实际的需要，因此需要将若干电池采用串并联的方式连接在一起工作，就构成了光伏组件。目前光伏电池的种类繁多，按照材料分可以分为硅类、非硅类和薄膜类等。太阳电池的转换效率是评价太阳电池性能的一个重要指标。单晶硅电池转换效率达到188%，多晶硅电池的转换效率达到186%，薄膜晶体硅目前还处于研发阶段，尚未进入工业化阶段； 　　并网逆变器是光伏系统的核心单元之一，其作用是将光伏方阵提供的低压直流电逆变成与电网频率、相位一致的交流电，供交流负载和用户使用。逆变器需要具有稳定的输出电压、足够的输出容量、高的你变效率、噪声小、有过电压和过电流保护能力。为了充分利用太阳能，逆变器还需要有防止孤岛效应、最大功率点跟踪以及自动调节电压的功能。如何降低逆变器在使用过程中能量的损耗，如何提高逆变器的容量，降低光伏发电的成本成为光伏行业内研究的热点。 　　2、5kw光伏并网发电系统设计 　　2.1设计原则 　　（1）由于并网系统与离网系统相比，具有使用安全可靠，对电网有调峰的作用，因此设计时采用并网式太阳能光伏系统。（2）采用低压并网系统，此系统不使用蓄电池，结构简单，电力损耗小，很适合一般的住宅小区和办公大楼使用，节约了输电线的使用量，方便维修。（3）在进行光伏系统的设计前需考虑光伏系统所在地区的纬度、气象资料等。（4）逆变器的输出方式采用三相四线制，符合安全的要求。 　　2.2光伏方阵的设计 　　太阳电池转换效率的高低，直接影响太阳电池的性能。在此选用转换效率较高的单晶硅电池进行实验。采用型号为SOlarstar星粤，主要参数是：输出功率100w，工作电压为335v，短路电流299A，外形尺寸mm。 　　根据现场调查和查阅一定的资料，光伏方阵的摆放的最佳倾角最佳倾角为33°，光伏组件的安装朝向正南方向。据不完全统计，城市一般家庭平均每月耗电量为120kW.h，实验场所的一年平均日辐射量为357kw.h/m2则依存率为1，设计余量系数取11，综合设计系数选取047，将上述数据代入公式3-1， 　　PASELDR（HA'Gs）K 　　（3-1） 　　式中：PAS――标准状态时太阳电池阵列的容量； 　　HA――一定时间内阵列表面的日辐射量（KW/m2）； 　　Gs――标准状态下的日照强度（KW/m2）； 　　EL――一年内内负载需要量（KW.h/年）； 　　D――负载对光伏系统的依存率； 　　R――设计余量系数； 　　K――综合设计系数； 　　则满足一年耗电量所需要的太阳电池的容量为： 　　PAS=×11（357/10）×047259（kw） 　　需要的太阳电池的数量为=259kW/100W=259（块），因此确定的太阳能电池的数量为26块。 　　由于功率调节器的输入电压为220v，单块电池的输出电压为335v，因此串联的电池数量=220v/335v=657（块）。因此选择7块电池串联构成一组，总功率为100W×7=700W，电压为335v×7=2345。 　　2.3并网逆变器的选择 　　并网逆变器是太阳能并网发电系统的重要单元，其作用是将光伏阵列输出的直流电逆变为与当地电网相匹配的交流电，直接上国家电网，供交流负载和当地用户使用。它需要具有完善的防孤岛、过热和过载保护的功能。 　　本系统中采用佛山南海区雷斯诺电器有限公司生产的逆变器，型号为FI，输入电压范围：165V～265V（V），输出电压：110V～220V（V），输出功率：300～100KW（W）。 　　3、结论： 　　光伏产业作为一种新型的产业，有着广阔的发展前景。它作为对常规电的一种补充和替代，这种绿色的新型能源一定会得到越来越广泛的应用。但是，要让普通的居民都能用得起太阳能光伏并网发电系统，还需要做大量的努力：降低电池的制造成本，延长产品的使用寿命，降低系统的总体投入，努力达到好的经济效益和社会效益。（作者单位：河南机电职业学院） 　　参考文献： 　　[1] 彭丽新.太阳能利用技术[M].化学工业出版社，2005. 　　[2] 蒋路平.风电、电发电中逆变器的选择[J].太阳能，2003（5），25～27 　　[3] 赵飞，梁志瑞，王宁.光伏并网发电系统孤岛检测技术[J].中国电力，），65～67 　　[4] 王宝忠，刘卫法，付宁宁，宋东锋.光伏并网发电MPPT算法研究[J].科学技术与工程，）， 　　[5] 杨承.太阳能光伏并网发电系统设计体会[J].太阳能，2010，（8），9～31 　　[6] 曹磊，王健，李建波.光伏发电系统在试验住宅中的应用设计[J].智能建筑电气化，），33～37 　　[7] 胡冉.建立新能源应用实验基地打造绿色电网[J].大众科技，2011，（1），89～90
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