太阳能光伏并网逆变器电路设计
AN1444 - 并网太阳能微型逆变器参考设计
© 2012 Microchip Technology Inc.DS01444A_CN 第 1页AN1444作者：Alex Dumais 和Sabarish Kalyanaraman Microchip Technology Inc.简介风力发电系统和光伏（PV ）发电系统等可再生资源使用方便且前景广阔，在过去几年获得了大量关注。
太阳能系统具有很多优势，例如：•清洁的可再生能源，可替代煤、石油和核能产生的能量•可降低/消除用电费用•用于制造PV 电池板的硅是地球上含量第二多的元素•能够为边远地点提供电能随着晶体电池板制造能力的增强，总体制造成本随之降低，PV 电池板的效率也得以提高，因此近来对太阳能系统的需求不断增长。
使太阳能需求增长的其他原 因包括：PV 技术经过验证且可靠，PV 模块具有30年以上的保修期，以及政府的鼓励措施。
太阳能逆变器系统有两个主要要求：从PV 电池板收集可用能量，以及将与电网电压同相的正弦电流注入电网。
为了从PV 电池板收集能量，需要使用最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking ，MPPT ）算法。
该算法决定了在任何给定时间可从PV 模块获取的最大功率。
与电网接口要求太阳能逆变器系统符合公共事业公司指定的特定标准。
这些标准（如EN61000-3-2、IEEE1547和美国国家电气规范（NEC ）690）涉及电源质量、安全、接地和孤岛情况检测。
太阳能电池的特性要开始开发太阳能微型逆变器系统，了解太阳能电池的不同特性非常重要。
PV 电池是半导体器件，其电气特性与二极管相似。
但是，PV 电池是电力来源，当其受到光（如太阳光）照射时会成为电流源。
目前最常见的技术是单晶硅模块和多晶硅模块。
PV 电池的模型如图1所示。
Rp 和Rs 为寄生电阻，在理想情况下分别为无穷大和零。
图1：PV 电池的简化模型RpRsVoIoPV 电池的表现会因其尺寸或与其连接的负载的类型，以及太阳光的强度（照度）而有所不同。
100w模拟光伏并网逆变器装置采样电路设计
100w模拟光伏并网逆变器装置采样电路设计光伏逆变器装置是将太阳能电池直流输出转换为交流电能供给给用电设备的装置。
根据光伏逆变器的功能和要求，必须设计一个相应的采样电路。
本文根据100W模拟光伏并网逆变器装置需求，主要针对装置采样电路设计进行探讨，分析并设计100W典型光伏并网逆变器装置采样电路，为实现光伏电站安全并网提供技术支持。
1.样电路原理概述光伏逆变器装置是将太阳能电池直流输出转换为交流电能供给给用电设备的装置，其中采样电路可以实现电流流量采样，用于检测并调整光伏逆变器的电流，从而实现电站的安全性能。
采样电路的原理主要分为三个部分：采样电压放大器，锁相环，滤波电路，如下图所示。
2.路设计步骤2.1样电压放大器的设计采样电压放大器用于放大输入电压，使得采样信号达到5V电平，进而实现后面的锁相环和滤波电路的正常工作，具体设计步骤如下：（1）首先，根据设计要求，设定相应的电压输入端在变压器上提供稳定的电压输入，可考虑用三端稳压器来提供；（2）然后，设计放大器电路，并根据设计要求选取合适的芯片，如TL084，进行运算放大；（3）最后，调整放大增益至理想值，测试采样信号的电压，使其达到5V电平。
2.2相环的设计锁相环是一种控制技术，用于根据输入信号控制输出信号，从而实现光伏逆变器的安全性能。
锁相环的设计步骤如下：（1）首先，根据系统的传输特性，确定期望的调节性能；（2）然后，根据期望调节性能，选取合适的控制器，一般来说，需要考虑芯片的封装形式，电路的复杂度，以及功能的完整性，综合分析后可以选择MC9S12XEQ384等控制器；（3）最后，设计锁相环电路，结合控制器参数和模块特性，完成锁相环电路的连接以及调试工作。
2.3波电路的设计滤波电路起到过滤采样信号的作用，从而使采样信号的幅值和波形受到有效的控制。
滤波电路的设计步骤如下：（1）首先，根据系统的实际要求，确定滤波电路的频率特性；（2）然后，根据滤波电路的频率特性，设计相应的滤波电路，这里一般使用LC滤波电路；（3）最后，完成PCB连接设计，并完成各节点的连接，最后完成滤波电路的调试工作。
毕业设计-单相光伏并网逆变器的控制原理及电路实现
第一章绪论1.1 光伏发电背景与意义作为一种重要的可再生能源发电技术，近年来，太阳能光伏(Photovoltaie，PV)发电取得了巨大的发展，光伏并网发电已经成为人类利用太阳能的主要方式之一。
目前，我国已成为世界最大的太阳能电池和光伏组件生产国，年产量已达到100万千瓦。
但我国光伏市场发展依然缓慢，截至2007年底，光伏系统累计安装100MWp，约占世界累计安装量的1％，产业和市场之间发展极不平衡。
为了推动我国光伏市场的发展，国家出台了一系列的政策法规，如《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《可再生能源十一五发展规划》等。
这些政策和法规明确了太阳能发电发展的重点目标领域。
《可再生能源中长期发展规划》还明确规定了大型电力公司和电网公司必须投资可再生能源，到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例要达到3％以上。
对于这一目标的实现，光伏发电无疑会起到非常关键的作用。
当下，我国地方和企业正积极共建兆瓦级以上光伏并网电站，全国已建和在建的兆瓦级并网光伏电站共11个（2008年5月前估计），典型的如甘肃敦煌10MW 并网光伏特许权示范项目，青海柴达木盆地的1000MW大型荒漠太阳能并网电站示范工程，云南石林166MW并网光伏实验示范电站。
可以预见，在接下来的几年里，光伏并网发电市场将会为我国摆脱目前的金融危机提供强大的动力，光伏产业依然会持续以往的高增长率，光伏市场的前景仍然令人期待。
光伏并网发电系统是利用电力电子设备和装置，将太阳电池发出的直流电转变为与电网电压同频、同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网馈电的有源逆变系统。
按照系统功能的不同，光伏并网发电系统可分为两类：一种是带有蓄电池的可调度式光伏并网发电系统；一种是不带蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统。
典型的不可调度式光伏并网发电系统如图1-1所示。
图1-1 不可调度式光伏并网发电系统从图1-1中可知，整个并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、连接组件、计量装置等组成，对于可调度式光伏并网发电系统还包括储能用的蓄电池组。
太阳能光伏系统的并网逆变器设计与控制研究
太阳能光伏系统的并网逆变器设计与控制研究近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的发展，太阳能光伏系统作为一种清洁、可持续的能源供应方式得到了广泛的推广和应用。
而在光伏系统中，逆变器的设计与控制是其中关键的一环。
在太阳能光伏系统中，光伏电池将太阳辐射转化为直流电能，而光伏逆变器则负责将直流电转化为交流电，以满足家庭或工业用电的需求。
逆变器具有将直流电转为交流电的功能，同时还能实现电网注入和电网同步等功能。
在太阳能光伏系统中，逆变器的设计与控制是非常重要的，它直接关系到光伏系统的效率、功率因素和电网安全等方面。
首先，逆变器的设计要考虑到太阳能光伏系统的工作环境和特性。
由于光伏电池发电受到太阳辐射的影响，因此逆变器的设计要充分考虑到太阳能的辐射强度和角度等因素，以获得尽可能高的发电效率。
其次，逆变器的设计还要考虑到系统的安全性和可靠性。
在光伏系统中，逆变器需要将直流电转化为交流电并注入电网，因此逆变器的设计要符合国家相关标准和规定，确保系统的安全运行。
同时，逆变器还要具备过压、欠压和过流等保护功能，以保护系统的设备和电网的安全。
与逆变器的设计相比，逆变器的控制则更为复杂。
逆变器的控制主要包括功率控制、电流控制和频率控制等方面。
功率控制是指逆变器在不同负载条件下能够输出相应的功率，并实现最大功率点追踪，以提高系统的发电效率。
电流控制是指逆变器能够根据电网的需求实时调整输出电流，以满足电网的要求。
而频率控制则是指逆变器能够实现与电网同步运行，确保输出电流的频率与电网相匹配。
为了实现逆变器的控制，常常采用数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）等集成电路设备，通过对光伏系统的监测和控制，实现对逆变器的精确控制。
同时，还可以利用复杂传感器和智能算法等技术手段，提高逆变器的控制精度和稳定性。
总之，太阳能光伏系统的并网逆变器设计与控制是太阳能光伏系统中至关重要的一环。
在逆变器的设计方面，要考虑到光伏电池的工作环境和特性，实现高效率的发电。
光伏发电并网逆变器设计及其控制实现
光伏发电并网逆变器设计及其控制实现光伏发电并网逆变器是一种将光伏电池组发出的直流电能转换为交流电能并与电网连接的装置。
它在光伏发电系统中起着重要的作用，能够将光伏电池组产生的直流电能转化为交流电能供电网使用，从而实现将太阳能转化为电能的目的。
本文将对光伏发电并网逆变器的设计原理及其控制实现进行详细介绍。
光伏发电并网逆变器的设计原理是将光伏电池组发出的直流电能经过逆变器的转换，变为符合电网要求的交流电能。
其主要功能包括功率调节、电网电压频率跟踪以及电网短路保护等。
在设计过程中，需要考虑逆变器的效率、可靠性以及控制精度等因素。
光伏发电并网逆变器的组成主要包括直流侧和交流侧两个部分。
直流侧主要由光伏电池组、直流输入滤波电路和直流侧逆变器构成。
交流侧主要由交流输出滤波电路、逆变桥和输出变压器构成。
在设计中，需要对每个部分进行设计和参数选择，以保证逆变器的正常运行。
光伏发电并网逆变器的控制实现主要包括两个方面：MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制和电网逆变控制。
MPPT控制是为了保证光伏电池组能够始终工作在最大功率点上，通过调整光伏电池组的工作电压和电流，以获得最大功率输出。
电网逆变控制是为了保证逆变器能够将直流电能转换为符合电网要求的交流电能，包括电压和频率的跟踪控制。
在MPPT控制方面，一般采用模拟控制和数字控制相结合的方式。
模拟控制主要通过比较光伏电池组输出电压和电流与最大功率点的关系，通过调整控制信号来实现。
数字控制是采用数字信号处理器（DSP）等处理器实现的，能够实时采集光伏电池组的输出电压和电流，并进行计算和调整。
在电网逆变控制方面，主要包括电网电压跟踪和频率控制两个方面。
电网电压跟踪是通过测量电网电压和逆变器输出电压的差值，并通过调整逆变器的控制信号来实现电网电压的稳定。
频率控制是通过测量电网频率和逆变器输出频率的差值，并通过调整逆变器的控制信号来实现电网频率的跟踪。
光伏并网逆变器设计方案讲解
100kW光伏并网逆变器设计方案目录1. 百千瓦级光伏并网特点 (2)2 光伏并网逆变器原理 (3)3 光伏并网逆变器硬件设计 (3)3.1主电路 (6)3.2 主电路参数 (7)3.2.1 变压器设计............................................................................. 错误!未定义书签。
3.2.3 电抗器设计 (7)3.3 硬件框图 (10)3.3.1 DSP控制单元 (11)3.3.2 光纤驱动单元 (11)3.3.2键盘及液晶显示单元 (13)3 光伏并网逆变器软件 (13)1. 百千瓦级光伏并网特点2010年全球太阳能光伏发电系统装机容量将达到10000MWp（我国将达到400MWp），2010年以后还将呈进一步加速发展趋势。
百千瓦级大型光伏发电并网用逆变控制功率调节设备，成本低，效率高，容量大，被国内外光伏界公认为是适合大功率光伏发电并网用的最具技术含量、最有发展前景的新一代主流产品，直接影响到未来光伏发电的走向。
百千瓦级大功率光伏并网逆变电源其应用对象主要为大型光伏并网电站，从原理上讲，其并网控制技术与中小功率光伏并网系统的控制技术基本相同，但由于装置容量较大，在技术指标的实现达标和功能设计方面却有较大区别。
在技术指标上，主要会影响：1.并网电流畸变率在系统的额定容量达到一定数量级时，一些存在的技术问题将会逐步暴露并影响到系统的性能指标，其最重要的一点就是并网电流波形畸变率的控制和电流滤波方式。
该系统中的主变压器一般选择为三相Δ/Y型式，且容量较大，此时变压器的非线性和励磁电流对并网电流波形的影响不容忽视，否则会引起并网电流波形的明显畸变和三相电流不平衡。
2.电磁噪声由于是三相桥式逆变结构，受IGBT功率模块的开关频率限制及考虑系统的效率指标，系统的电流脉动要远高于中小功率系统，对电流的滤波和噪声控制需要特别注意，此时对系统的滤波电路设计和并网电流PWM控制方式的研究至关重要。
太阳能光伏并网逆变器的设计原理框图
跟着生态环境的日趋恶化，人们渐渐认识到一定走可连续发展的道路，一定达成从增补能源向代替能源的过渡。
光伏并网是太阳能利用的发展趋向，光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。
在光伏并网系统中，并网是中心部分。
当前并网型系统的研究主要集中于DC-DC和 DC-AC 两级能量变换的构造。
DC-DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其追踪最大功率点;DC-AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获取单位功率因数。
此中DC-AC 是系统的重点设计。
太阳能光伏并网系统构造图如图 1 所示。
本系统采纳两级式设计，前级为升压斩波器，后级为全桥式逆变器。
前级用于最大功率追踪，后级实现对并网电流的控制。
控制都是由DSP芯片 TMS320F2812 协调达成。
图1 光伏并网系统构造图逆变器的设计太阳能并网逆变器是并网发电系统的中心部分，其主要功能是将发出的直流电逆变为单相沟通电，并送入电网。
同时实现对中间电压的稳固，便于前级升压斩波器对最大功率点的追踪。
而且拥有完美的并网保护功能，保证系统能够安全靠谱地运转。
图 2 是并网逆变器的原理图。
图2 逆变器原理框图控制系统以TI 企业的TMS320F2812 为中心，能够实现反应信号的办理和A/D 变换、DC/DC 变换器和PWM 逆变器控制脉冲的产生、系统运转状态的监督和控制、故障保护和存储、 485 通信等功能。
实质电路中的中间电压VDC、网压、并网电流和太阳能电池的电压电流信号采样后送至F2812 控制板。
控制板主要包含：CPU及其外头电路，信号检测及调治电路，驱动电路及保护电路。
此中信号检测及调治单元主要达成强弱电隔绝、电平变换和信号放大及滤波等功能，以知足DSP 控制系统对各路信号电平范围和信号质量的要求。
驱动电路起到提升脉冲的驱动能力和隔绝的作用。
保护逻辑电路则保证发生故障时，系统能从硬件上直接封闭输出脉冲信号。
在实现同频的条件下可用矢量进行计算，从图 3 能够看出逆变器输出端存在如图3a 所示的矢量关系，关于光伏并网逆变器的输入端有以下基本矢量关系式：Vac=Vs+jωL·IN+RS·IN (1)式中 Vac—电网基波电压幅值，Vs—逆变器输出端基波幅值。
分布式光伏发电系统的并网型逆变器设计与控制
分布式光伏发电系统的并网型逆变器设计与控制摘要：随着可再生能源的快速发展，分布式光伏发电系统成为了一个受到广泛关注的领域。
在分布式光伏发电系统中，逆变器的设计与控制是关键的环节之一。
本文将介绍分布式光伏发电系统的基本原理，然后重点讨论并网型逆变器的设计与控制方法。
同时，将探讨当前存在的一些问题，并提出可能的解决方案。
1. 引言分布式光伏发电系统是一种将太阳能转化为电能的系统。
该系统将太阳能电池板转化的直流电能通过逆变器转化为交流电能，并输入到电网中。
逆变器是实现这一转换的核心设备之一。
并网型逆变器允许光伏发电系统与电网之间的双向电能流动。
当光伏发电系统产生的电能超过负载需求时，多余的电能将被输送到电网中，从而实现电能的共享与利用。
然而，为了确保安全稳定地将电能输送到电网中，逆变器的设计与控制变得尤为重要。
2. 分布式光伏发电系统的基本原理分布式光伏发电系统主要由太阳能电池板、逆变器、电网和负载组成。
太阳能电池板将太阳能转化为直流电能，逆变器将直流电能转化为交流电能，然后输入到电网中，最后供给负载使用。
光伏发电系统的工作过程如下：1) 太阳能电池板将太阳光转化为直流电能。
2) 逆变器将直流电能转化为交流电能。
3) 交流电能通过变压器升压之后，输入到电网中。
4) 电网将电能供给给负载使用。
3. 并网型逆变器的设计由于并网型逆变器需要将直流电能转化为交流电能并输入到电网中，因此其设计需要满足以下要求：1) 高效性：逆变器的转换效率应尽可能高，以最大程度地减少能源损耗。
2) 可靠性：逆变器需要具备稳定、可靠的运行能力，以确保电能的安全输送。
3) 控制性能：逆变器需要具备灵活、精确的控制能力，以应对电能输出的要求。
4. 并网型逆变器的控制并网型逆变器的控制包括全局控制和局部控制两个方面。
全局控制主要是通过监测电网的运行状态和负载需求来控制逆变器的电能输出，以实现对电网功率的调节。
局部控制主要是通过反馈控制回路来调整逆变器的输出特性，以保持稳定的输出电压和频率。
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太阳能光伏并网逆变器电路设计
1、引言
太阳能的大规模应用将是21世纪人类社会进步的重要标志，而光伏并网发电系统是光伏系统的发展趋势。
光伏并网发电系统的最大优点是不用蓄电池储能，因而节省了投资，系统简化且易于维护。
这类光伏并网发电系统主要用于调峰光伏电站和屋顶光伏系统。
目前，美、日、欧盟等发达国家都推出了相应的屋顶光伏计划，日本提出到2010年要累计安装总容量达50、000MW的家用光伏发电站。
作为屋顶光伏系统的核心，并网逆变器的开发越来越受到产业界的关注[1]。
2、光伏并网系统设计
2.1、系统结构
光伏并网逆变器的结构如图1所示。
光伏并网逆变器主要由二部分组成：前级DC-DC变换器和后级DC-AC逆变器。
这2部分通过DClink相连接，DClink的电压为400V。
在本系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压为100V～170V。
DC—DC变换器采用boost结构，DC—AC部分采用全桥逆变器，控制电路的核心是TMS320F240型DSP。
其中DC-DC变换器完成最大功率跟踪控制）MPPT）功能，DC-AC逆变器维持DClink 中间电压稳定并将电能转换成220V／50Hz的正弦交流电。
系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频和同相。
2.2、控制电路设计
2.2.1、TMS320F240控制板
TMS320F240控制板如图2所示，以TI公司的TMS320F240型DSP为核心，外围辅以模拟信号调理电路、CPLD、数码管及DA显示、通信及串行E2PROM，完成电压和电流信号的采样、PWM脉冲的产生、与上位机的通信和故障保护等功能。
2.2.2、电压和电流信号检测电路
模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为DSP可以读取的弱电数字信号，同时要保证强电和弱电的隔离。
笔者选用惠普公司的HCPL7800A型光电耦合器，其非线性度为0.004％，共模电压为l、000V时的共模抑制能力为15kV／lμs，增益温漂为0.000、25V／℃，带宽为100kHz。
具体隔离检测电路如图3所示。
2.2.3、IGBT驱动电路
DSP控制电路产生的PWM信号先通过驱动电路，然后控制IGBT开关管的开通状态。
笔者选用惠普公司的HCPL3120型专用IGBT驱动电路，如图4所示。
驱动电路的输入和输出是相互隔离的，驱动电路还有电平转换功能，将DSP的+5V控制电压转换为+15V的IGBT驱动电压，驱动电路电源采用金升阳公司的B0515型隔离电源模块。
2.2.4、辅助电源
为了给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供各种工作电源，需要设计1个与主电路隔离的辅助电源。
辅助电源的输入电压为100VDC～170VDC；输出的3路电压分别为+15VDC）2.5W）、-15VDC）2.5W）和+5VDC）5W）；输出电压波动小于1％。
笔者采用最新的Topswitch系列FOP222型电路进行辅助电源的设计[3]。
辅助电源主电路采用单端反激式拓扑结构，如图5所示。
3、最大功率跟踪控制MPPT
MPPT的实质是一种自寻优过程[4]，常用的方法有固定电压跟踪法、扰动观测法、导纳微增法和间歇扫描跟踪法。
笔者采用的是间歇扫描跟踪法。
其核心思想是定时扫描一段）一般为0.5倍～0.9倍的开路电压1阵列电压，同时记录不同电压下对应的阵列输出功率值，然后比较不同点太阳电池阵列的输出功率，得出最大功率点。
笔者对间歇扫描法进行了改进，即在较短时间间隔内只在缩小的跟踪范围内）Vm-0.1Voc 和Vm+0.1Voc）扫描1次。
其中Vm和Voc分别是太阳能电池阵列的最大功率点工作电压和阵列开路电压。
每隔一段较长时间后再在整个跟踪范围内对各工作点扫描1次。
改进后的间歇扫描法控制既保持了跟踪的控制精度又提高了系统运行的稳定性。
4、反孤岛效应控制方法
孤岛效应是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断供电时各个用户端的太阳能光伏并网逆变器仍独立运行的现象。
一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户的设备造成不利的影响，包括并网逆变器持续供电可能危机电网线路维护人员的生命安全：干扰电网的正常合闸过程：电网不能控制孤岛中的电压和频率。
可能造成用户用电设备的损坏[5]。
因此解决光伏并网系统的孤岛问题显得尤为重要。
笔者提出了一种正反馈频率扰动的反孤岛检测方法。
该方法的主要思想是首先判断当前电网电压频率的漂移方向，然后周期性地对输出电流频率施以相应的扰动。
同时观测实际输出电流频率。
当输出电流频率跟随扰动信号变化即输出电流频率可由并网逆变器控制时，就成倍增加扰动量。
以达到使输出电流频率快速变化而触发反孤岛频率检测的目的。
5、实验
笔者对500W光伏并网逆变器进行了测试。
采用8块额定功率为50W的多晶硅太阳电池阵列串连，输入电压为100VDC-170VDC，输出电压为220VAC，输出频率为50Hz。
输入侧分别用安培表和伏特表测量太阳电池的输入电压和电流，输出侧采用FLUKE、43B型电能质量分析仪检测并网逆变器输出交流电压和电流的参数和波形。
由于输出交流电流值太小，因此采用在电流探头上绕8匝后测量。
测试结果是太阳电池的输出电压基本在122V左右，输出电流为2A，输出功率为244W。
由测试结果可以看出。
逆变器的输出电压为230.9V，输出功率为1.45kW／8=181.2W，所以逆变器的效率为0.74，逆变
器的效率包括DC-DC变换和DC-AC变换及辅助电源的总效率。
逆变器输出功率因数为0.97，基本保持与网压同频和同相。
输出电流的基波分量占电流总量的99.6％，输出的电能质量是令人满意的。
6、结束语
由实验波形可以看出，所设计的光伏并网逆变器工作稳定。
性能良好。
由于采用了以TMS320F240型：DSP为主的控制电路，系统具有较好的动态响应特性。
采用了具有最大功率跟踪和反孤岛控制功能的软件设计，因而能充分利用太阳能电池的能源且能检测孤岛效应的发生。