单相全桥并网逆变器的设计研究开题报告

毕业设计开题报告

题目

单相全桥并网逆变器设计分析

学院电气与信息工程

学院专业

电气工程及其

自动化

班级0914112 学号091411210 学生姓名崔灿指导教师何国锋

开题日期2015年4月7日

《单相全桥并网逆变器设计分析》开题报告

一、选题的背景与意义：

（一）课题研究来源：能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。近年来，世界化石能源的有限性和开发利用过程中引起的环境污染问题日益突出，已经成为制约世界经济可持续发展的主要瓶颈，清洁的可再生能源的开发利用受到世界各国的高度重视。世界能源发展趋势如图1—1所示，由图可以看出，太阳能是最有发展前景的可再生能源。

图1—1世界能源发展趋势

据国际能源权威年鉴《BP世界能源统计2014》发布的数据显示，2014年世界一次能源消耗量为108.785亿吨油当量。图1—2为中国与世界主要常规一次能源的探明剩余储量图，由此可见能源问题的严重性。

图1—2中国与世界主要常规一次能源的探明剩余储量图

因此，光伏发电作为一种分布式发电，是一种绿色清洁、具有巨大潜力的新能源，无论在国内还是国际上都受到了广泛的关注和重视。

（二）课题研究的目的：理论联系实际，将书本上所学到的知识与实际设计结合起来，掌握单项全桥并网逆变器的工作原理，并进行详细的设计分析，掌握其控制方式及在电力并网系统中的重要作用。

（三）课题研究的意义：在世界能源和环境污染严重的今天，深入开展利用太阳能等的并网发电技术的研究，对于缓解能源危机和加快环境保护、促进经济的可持续发展等具有深远而重大的理论和现实意义。并网逆变器作为能量传输的桥梁，直接决定着光伏发电的效率和输出电能的质量，在光伏发电系统中起着举足轻重的作用，因此，研究单相光伏并网逆变器对高效、高质量的输出电能尤为重要，具有很大的意义。

二、国内外研究现状：

（一）国外研究现状：国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA、Fronius、Sputnik、Sun Power和西门子等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA在欧洲市场中占有50%的份额。除欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及日本在并网型逆变器方面也都已经产品化。目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单极能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要在用数字控制，注重系统的安全性、可靠性和扩展性，且具有各种完善的保护电路。

（二）国内研究现状：国内对并网光伏逆变器的研究比较多的是采用最大功率跟踪和逆变部分相分离的两级能量转换结构，而且市场产品的种类还相对单一，系统构建死板。光伏并网发电系统在我国还没有真正投入商业化运行的应用，目前所建光伏并网系统均为示范工程。作为光伏并网发电系统核心环节的并网型逆变器还主要依赖进口或合作研究。

（三）逆变器及其种类：与整流相对应，把直流电流变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相连接时，称为无源逆变。逆变电路可以从不同的角度进行分类。如可以按换流方式分类，按输出的相数分类，也可按直流电源的性质分类。若按直流电源的性质分类，可分为电压型和电流型两大类。

半桥逆变器：半桥逆变器有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个互相串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点。其电路原理图和工作波形如图2—1所示。

图2—1半桥逆变器及其工作波形

全桥逆变器：将4个IGBT管子组成一个桥形的电路之后，使成对的两个桥臂同时导通，两队交替各导通180度，这样的电路称为全桥逆变电路。其电路原理图和工作波形如图2—2所示。

图2—2全桥逆变器及其工作波形

并网:所谓的并网是指逆变器交流侧输出接入电网中，也称并网运行。

并网逆变器：在光伏并网系统中，并网逆变器是实现光伏阵列与电网间能量的传递与转换的关键环节。当光伏电池的输出在较大的范围内变化时，并网逆变器能够始终尽可能高效地将光伏电池输出的低压直流电转化为与电网匹配的交流电流送入电网。

并网逆变器的种类：逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流

测是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。并网型逆变器按照其控制方式的不同可以非为以下四种：电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制。

三、课题的研究方法：

首先，针对众多适用于光伏并网的逆变器拓扑进行详细的比较，选择最合适的逆变器拓扑，最终确定一台单相满载功率为5KW，并网电压为220V的逆变器拓扑及其主电路参数，对其输出滤波参数进行设计，并对其进行幅频特性分析。

其次分析和研究逆变器的并网控制策略。

接着，在分析光伏阵列的基础上，比较常用的几种MPPT控制方法，得出最优的设计方案和实验验证。

最后，根据以上结果，研制一台基于DSP控制的光伏并网逆变器的试验样机。

四、课题研究内容及创新

主要内容与基本要求：

1、主要内容：

⑴、熟悉逆变器并网控制种类、掌握单相全桥逆变器控制原理。

⑵、确定控制方案并设计相应的主功率电路及控制电路。

⑶、用原理图PCB设计软件，画出相应的PCB板（原理图必须画出）。

⑷、设计电压控制环路、电流控制环路的开环、闭环伯德图。

⑸、编写控制程序流程图。

⑹、进行仿真验证。

⑺、完善设计并汇总，撰写设计说明书。

2、基本要求：

⑴、按计划进度，查阅资料，熟悉逆变器并网控制种类、掌握单相全桥逆变器控制原理，理论结合实际，独立思考，完成设计任务，做好毕业设计日志。

⑵、设计成果：选择方案，设计方案说明书，设计图纸（包括：电气原理图、软件流程图），仿真验证。

⑶、设计方案应针对给定功率等级系统进行设计，所有器件的选取应根据实际datasheet确定。

五、研究计划及预期成果：

第5周：掌握单相全桥并网逆变器控制系统的组成及其工作原理，查阅相关文献资料，完成开题报告。

第6周：拟定设计方案及步骤，并对方案的合理性做出论证。

第7-8周：对5kW逆变器的主功率电路、滤波器进行设计，选择合适的功率开关管、电容和电感；设计相应的调理电路,包括电压采样、电流采样。用原理图PCB 设计软件，画出相应的PCB板（原理图必须画出）。

第9-10周：根据硬件设计电路，设计电压控制环路、电流控制环路的开环、闭环伯德图。确定控制算法。

第10-11周：编写控制程序流程图、进行仿真验证。

第12周：针对控制指标，调试并优化控制器PI参数。

第13-14周：将前期设计进行总结，对整体的硬件与软件做出合理的调整与调试。第15周：答辩前的充分准备，迎接答辩。

六、参考文献：

[1] 马琳. 无变压器结构光伏并网逆变器拓扑及控制研究. [D].北京交通大学，2011.

[2] 孙龙林. 单相非隔离性光伏并网逆变器的研究. [D].北京交通大学，2009.

[3] 梁雪峰. 5kW光伏并网逆变器的研究. [D].北京交通大学，2008.

[4] 余运江. 单相光伏并网逆变器的研究. [D].浙江大学，2008.

[5] 黄蕾. SIC单相光伏逆变器效率分析. [D].浙江大学，2014.

[6] 马琳，孙凯. 高效率中点钳位型光伏逆变器拓扑比较. [J].中国电机工程学报，2011.

[7] 张犁，孙凯. 中点钳位非隔离全桥光伏并网逆变器. [J].中国电机工程学报，2012.

[8] 肖华锋，杨晨，谢少军. 基于改进型全桥电路的非隔离光伏并网逆变器. [J]. 中国电机工程学报，2011.

[9] 刘伟鹏. 单相光伏并网逆变器控制策略研究. [D].北方工业大学，2014.

[10] 张荣. 光伏并网逆变器的研究. [D].重庆大学，2006.

[11] 刘伟. 单相光伏并网逆变器数字控制策略研究与实现. [D].湖南大学，2007.

[12] 董密，罗安. 光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法. [J].电力系统自动化，2006.

[13] BP公司.《BP世界能源统计年鉴2014》.2014.

[14] 昌金铭. 国内外光伏发电的新进展. [J].中国建设动态（阳光能源），2007.

[15] 《电源咨询》杂志. 06年分析：光伏并网发电系统国内外的发展现状.

七、指导教师评语：

签名:

年月日八、教研室审核意见

签名:

年月日