单相桥式光伏逆变器拓扑结构的比较与仿真.docx

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单相桥式光伏逆变器拓扑结构的比较与仿真

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山东农业大学

毕业论文

单相桥式光伏逆变器拓扑结构的比较与仿真

院部机械与电子工程学院

专业班级电气工程及其自动化3班

届次20**届

学生姓名张前进

学号

指导教师

二О一五年六月一日

二О一一年六月十日

装

订

线

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目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题背景与意义1

1.2光伏发电简介2

1.3本文研究的主要内容3

2逆变器及其分类3

2.1逆变器简介3

2.2逆变器的分类3

2.2.1依据直流侧直流电源的性质3

2.2.2根据输出交流电压的性质4

2.2.3根据逆变主电路的结构4

2.2.4根据开关器件及其关断方式的不同4

2.3独立光伏逆变器4

2.4并网光伏系统逆变器5

3光伏并网逆变器的设计要求5

3.1逆变原理6

3.2隔离型光伏并网逆变器6

3.2.1隔离型光伏并网逆变器的特点6

3.2.2隔离型光伏逆变器的拓扑结构7

3.3非隔离型光伏并网逆变器8

3.3.1非隔离型光伏并网逆变器的优缺点8

3.3.2非隔离型光伏并网逆变器的典型拓扑结构8

4仿真分析9

5总结与展望16

参考文献17

致谢18

Contents

AbstractI

1Introduction1

1.1Setbackandmeaningofthesubject1

1.2IntroductointoPhotovoltaicpowergeneration2

1.3Maincontentsofthispaper3

2Invertersanditsclassification3

2.1Introductiontoinverters3

2.2Classicationofinverters3

2.2.1ByDCsidedirectcurrentsource3

2.2.2BythecharactersofACside4

2.2.3Bythestructureofinverter4

2.2.4Byswitchdeviceanditsmethod4

2.3IndependentPhotovoltaicinverters4

2.4GridconnectedPhotovoltaicinverters5

3ThedemandsofthedesignofPhotocoltaicinverters5

3.1Theprincipleofinverters6

3.2IsolatedPhotovoltaicinverters6

3.2.1CharactersofisolatedPhotovoltaicinverters6

3.2.2StuctureofisolatedPhotovoltaicinverters7

3.3NotisolatedPhotovoltaicinverters8

3.3.1CharactersofnotisolatedPhotovoltaicinverters8

3.3.2StuctureofnotisolatedPhotovoltaicinverters8

4Simulationandanalysis9

5Summaryandexpections16

Reference17

Thanks18

单相桥式光伏逆变器拓扑结构的比较与仿真

作者：

，指导教师：

（山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018）

摘要:

随着人类的发展，科技的进步，我们的无时无刻不在消耗着大量的能源，然而传统能源正面临着枯竭的危险，这将对我们经济的发展造成巨大的压力，而且化石燃料的燃烧释放的大量的有害气体也会造成环境的污染，导致温室效应等重大环境问题，从而危及人类的发展。

对新型能源的开发利用在日益枯竭的资源面前显得尤为重要。

当下，太阳能、风能等新型能源的研究和开发正激励着一代又一代的科研人员不懈努力着。

本文首先介绍了光伏发电的背景和光伏发电的基本原理及意义，并且简要介绍了国内和国外光伏发电产业及相应的政策，然后通过单相桥式非隔离光伏逆变器介绍了光伏并网逆变器的分类原理及光伏并网逆变器几种典型的拓扑结构，然后着重介绍了单相桥式隔离型光伏并网逆变器和非隔离型光伏并网逆变器的特点功能并根据其适用范围进行优缺点的对比及仿真。

本文简要介绍了课题背景及光伏发电的简介，使大家对光伏并网技术有一个大体的认识和了解。

对单项桥式非隔离光伏并网逆变器的仿真过程既是学习也是提升的过程，通过仿真得出并网电流的波形，电压波形，并进行分析对比，从而得出结论。

关键词：

光伏并网逆变器拓扑结构仿真

TheCompareAndSimulationofSinglePhaseFull-bridgeConvert’sTopology

（Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018）

Abstractwiththedevelopmentoftheeconomyandtechnologiesinourworld,wearealwaysconsumingtheenergyandwiththemoreandmorefastspeed.Intheresult,theexhaustedenergyisthreateningthefurtherdevelopmentofoureconomyandtheburningofsomuchfossilfuelisreleasingmoreandmoregaseswhichareharmfulforourhealthyandourearth’shealth.So,thedevelopmentandutilizationofallkindsofnewenergyseemstobemoreandmoreimportantinfaceoftheexhaustingresources.Today,solarandwindpowerareattractingscientiststostudyhardforthedevelopmentofnewenergy.First,thispaperexplainedthesetbackandmeaningofsolarenergy,inthesametime,thecurrentsituationofsolarenergyofallkindsofcompaniesandindustriesinournationandforeigncountries.Second,Iexplainthetheoryofsinglephasefull-bridgeconverterandsomekindsoftypicaltopology.Then,singlephasefull-bridgeconverterofisolationtypeandnotisolationtypeareintroducedastheimportantpart.And,thispapercomparethattwoconverttypesaccordingcertainconditionsandgivetheconclusionandexpectationsfinally.Inthesimulation,Itrymyhardtoadjusttheparameterstomakethefrequencyandphaseofthecurrenttobeconsistentwiththevoltageinordertogivethepowerinunitpowerfactortothegrid.

Keywords:

Photovoltaicgrid;Converter;Topology;Simulation

1绪论

1.1课题背景与意义

众所周知，能源是整个世界不断发展，人类一代代繁衍所必须的。

我们的衣食住行，国防现代化，经济的不断发展都离不开能源的支持。

不敢想象如果没有了能源，那我们的世界将会变成什么样子。

司随着经济的发展，人类对于能源的需求量越来越大，特别是化石燃料依然是我们的主要能源，但是我们都知道，化石燃料是不可再生能源，我们用一点就会少一点。

根据调查，目前随着经济的发展人们为了谋求一时的富裕正在无节制地开发煤炭，石油，天然气等不可再生能源，特别是近几年的开发，已经使化石燃料的持续大量供给成为困难，如果继续这样开采下去，有人预言全世界的煤炭储量将会在230年左右消耗完毕，石油和天然气的持续供给也就还能维持60年左右，甚至比这更短[12]。

人类的永续发展必然要求我们要找到一种可再生的清洁能源来代替传统的能源。

经过人们的不断探索，终于找到了像风能，太阳能之类的清洁能源，但是由于人类技术的限制，太阳能和风能利用效率，并网问题等还不是很成熟，因此现在还都未能代替传统的能源，人类也在不断地努力着，为新型能源的普及不断贡献着自己的力量。

而光伏发电也逐渐获得人们的注意，太阳能光伏发电技术正在全世界获得越来越广泛的应用。

根据权威部门统计，随着人们意识的觉醒，可再生能源的不断开发，到2030年世界可再生能源发电装机容量将会达到1000gw，与此同时，工业底蕴很强的欧洲也在加大他们对可再生能源的开发，据悉，到2030年欧洲国家的可再生能源发电中装机容量将会达到200gw。

国际上其他国家像美国，加拿大，日本等也加紧了光伏产业的发展，专业的逆变器及相关系统已经逐渐成熟，其中很多国家也早已实现了光伏并网逆变器的产业化生产，光伏发电产业作为高新技术产业已经的到了世界范围的共同努力发展。

面对世界在新能源领域的快速步伐我国也加进了新能源发电技术的研究，预计到2050年我国的可再生能源将会占到全国能源的25%，其中光伏发电将会占到5%[11]。

我国正处在经济快熟发展期，人口多，经济总量大，对能源的需求量也相当的大，研究光伏发电系统对我国的发展意义非常重大，我国光伏发电系统的研发也相当的有优势，我国国土面积大，光照时间长，特别是西部地区发展光伏发电潜力巨大。

西部地区光伏发电课以直接供给用户，推动当地经济的发展，促进东西部协调发展，为我国的西部大开发计划做出贡献。

为了鼓励光伏发电，我国加大投资，大力扶植光伏企业，并且提出了“金屋顶”政策，使大型地面光伏电站建设成为光伏发电的主路。

另外，由于技术限制，国内光伏企业还有待发展，需要加大力气克服技术瓶颈，进一步提高装机容量，降低建设成本，增加光伏产业链的协调性并进一步提高效率。

我们知道到光伏发电的核心技术是其光伏并网逆变器的研究。

逆变器的研究方面很多，人们也取得了很大的成就。

其中逆变器的拓扑结果选择是研究逆变器的基础，好的拓扑结构对于发挥好逆变器的效能具有重要的意义。

对于小功率光伏并网系统人们也提出了不同的逆变器拓扑，其中多以单相桥式逆变器为主，其中又有隔离性和非隔离型的区分，本文将对隔离性和非隔离型单相桥式光伏逆变器进行比较分析并进行仿真验证。

1.2光伏发电简介

随着工业的发展，特别是经济飞速发展的今天，各行各业基本上都离不开对电能的依赖。

现在人们获取电能主要是依靠火力发电、水利发电和核能发电。

火力发电是主要的发电方式，水利电站主要是用来调节作用太阳能发电和风力发电都还没能大面积的普遍应用。

只是用于小型系统，直接供给给小型用户的偏多。

火力发电作为主要的发电方式，其能量的来源主要是燃烧化石燃料，然而，化石燃料的燃烧将会产生二氧化碳，二氧化硫等废气，这些废气是导致温室效应的罪魁祸首，造成臭氧层的破坏，导致酸雨等恶劣自然现象，对环境造成巨大的破坏，危害人们赖以生存的自然环境。

水力发电，主要是用来调节火力发电，给火力发电相互配合，在负荷较小时水电站消耗能量抽水蓄能，当负荷较大时水电站防水发电，供给负荷用电。

虽然水电站比较环保，但是受到季节影响较大，发电量不稳定，而且建造水电站还受到地形条件的约束，因此水利发电所能承担的任务也是比较有限的。

相信随着技术的发展，光伏发电等新型能源将会成为电能的主要来源，为人类的永续发展提供条件。

这不仅是我国经济持续发展的需要，更是全世界经济持续发展的需要，更是人类能够一代代发展光辉文明的需要。

光伏发电顾名思义，即利用太阳能电池，通过光生伏特效应将光能转化为电能。

光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。

光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。

光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，它的功能主要是实现光能和电能的转换，通过光生伏特效应将太阳能转化为电能并输出。

单个太阳能电池的发电量是非常小的，为了获得较大的电能，实践中要将太阳能电池进行串并联组成较大的光伏阵列从而获得较大的电能[1]。

经光伏阵列获得的电能是直流电，需要经过逆变器逆变之后才能并入电网或供给用户。

可以说逆变器是光伏发电系统的核心。

对光伏逆变器拓扑结构及其控制方式的研究也是层出不穷。

太阳能作为一种新型能源，他有着很多优势，光伏发电的主要优势如下：

太阳能获取非常方便，只要有光的地方都可以获得，可以说是取之不尽用之不竭，而且，如果在全球的大片地区铺设光伏发电系统将会获得大量的电能，在屋顶，荒漠等地方不仅不会占用有限的空间资源，还会有很多其它附带功能。

另外，太阳能的获取非常简单，获取的太阳能可以就近供用户用电，还可以与电网并联向电网输送能量。

光伏发电系统没有电机等旋转运动部件，使用寿命长，便于维护不需要大量的人力资源来专门看守也可正常工作。

太阳能发电不用耗费燃料，运行成本很低。

光伏发电是可再生能源发电，不会产生废弃物，有利于环境保护。

建设太阳能光伏发电站所用时间短，建设安装地址选取方便，除此之外，可以根据发电需要设计光伏阵列的串并联数目，避免资源浪费[2]。

1.3本文研究的主要内容

随着传统能源的逐渐减少，新型能源的研究如火如荼，太阳能发电技术也渐趋成熟。

而逆变器技术是太阳能发电系统的核心，关于逆变器技术的研究也是非常的多，由于本人水平有限，对于光伏逆变器的研究还处于学习阶段，故本文主要是围绕光伏逆变器典型拓扑结构进行简要的介绍对比，并在此基础上进行仿真验证并得出结论。

在绪论部分主要简要介绍了课题的背景及意义并在此基础上对光伏发电系统进行了介绍，在第二章主要先介绍了一下逆变器的分类，光伏并网逆变器等，第三章提出了光伏并网逆变器的设计原则并且提出了隔离型和非隔离型光伏逆变器的典型拓扑结构，针对并网系统介绍两种典型的逆变器器拓扑结构并对其优缺点进行对比分析，第四章进行仿真验证最后得出结论。

第五章对本文进行总结概括，并在此基础上对光伏发电产业及光伏并网逆变器的研究提出展望。

2逆变器及其分类

2.1逆变器简介

逆变器又称为直流交流变换器，是指能将直流电转换成交流电的一种变换器。

逆变器是由电力电子电路和控制电路所组成。

实际应用中习惯上把逆变电路的主电路称为逆变电路，它由电力电子开关器件及其辅助电路组成。

逆变器的输入时直流电，输出是交流电。

若把逆变器的交流侧接到交流电源上，即把直流电你变成同频率的交流电送到电网上，叫有源逆变；把逆变器的交流侧直接和电网相连，即把直流电逆变成某一频率的交流电供给负载，则称为无源逆变。

逆变器是一个重要的变换器，在国民生活的各个领域中都有广泛的应用，如电力拖动自动控制系统中的变频器、输配电中的有源滤波器、不同用途的特种电源等。

2.2逆变器的分类

2.2.1依据直流侧直流电源的性质

逆变器分为电压源型逆变器（VSI）和电流源行逆变器（CSI）。

输入为恒压源的逆变器称为电压源型逆变器，其电路特点是在直流侧并有大电容，电压元逆变电路是目前应用最广泛的逆变器。

电压型逆变器有以下主要特点：

（1）逆变器输入为电压源或并有大电容，相当于电压源。

直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

（2）由于电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波。

（3）当交流侧是阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容器到缓冲无功能量的作用。

输入为恒流源的逆变器是电流源逆变器，通常简称为电流型逆变器，其电路特征是在直流侧串游大电感，电流型逆变器主要特点是：

（1）直流侧串有大电感，相当于电流源。

直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高主抗。

（2）电路中开关器件的作用只是改变电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

而交流侧输出电压波形则因负载主抗情况的不同而不同。

（3）当交流侧是阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起着缓冲无功能量的作用。

2.2.2根据输出交流电压的性质

逆变器可以分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器、变频变压逆变器和高频脉冲电压逆变器。

方波逆变器输出电压波形为方波，线路比较简单，功率开关器件比较少。

设计功率一般在百瓦至千瓦之间。

但是方波逆变器由于输出电压是方波，含有大量的高次谐波，在含有铁芯电感和变压器负载时将会产生附加损耗，对其它电子设备产生干扰等，而且调压范围不够宽，保护功能不完善，噪声大等缺点。

阶梯波逆变器输出电压波形为阶梯波，比方波较为改善，而且当波形达到十七以上时将会和准正弦波差不多。

但是，阶梯型逆变器叠加线路使用的功率开关器件较多而且有的电路形式还要求多组直流电源输入。

对于通讯设备仍会有一些干扰。

正弦波逆变器输出波形为正弦波，高次谐波少，输出波形好，失真度低，对其它电子设备干扰少，保护功能也比较齐全，但是线路复杂，不易维修，而且价额贵。

2.2.3根据逆变主电路的结构

逆变器可分为单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器。

2.2.4根据开关器件及其关断方式的不同

逆变器可以分为采用全控型模拟开关的自关断模拟逆变器和采用晶闸管半控型开关的强迫关断晶闸管逆变器两类。

晶闸管逆变器也可以经过负载交流电压换向、负载反电动势换向或负载谐振换向。

早期，中、大功率逆变器采用晶闸管开关器件，晶闸管一旦导通就不能自行关断，关断晶闸管需要设置强迫换向电路。

这种电路增加了逆变器的重量、体积、成本降低了可靠性，也限制了开关频率。

现今，绝大多数逆变器采用全控电力半导体开关器件。

中、大功率逆变器多采用IGBT、IGCT、IEGT，小功率逆变器多采用P-MOSFET[3]。

2.3独立光伏逆变器

独立逆变器，顾名思义就是独立的不并网运行的逆变器，一般带有蓄电池，比如偏远地区的村庄供电系统，太阳能用户供电系统，太阳能路灯等独立发电系统即我们所说的无源逆变。

像一些偏远地区，比如我国的西部地区，很多地方的供电不能满足用户需求，甚至一些地方没有供电，一些牧民过着游牧的生活，固定的供电不太现实，他们大部分就需要携带一些太阳能发电设备，发出的电供他们自己用，不向电网传输，他们这就是独立供电系统。

这些太阳能发电设备给当地的牧民带来了巨大的实惠和方便，这也是光伏发电产业的一个重大意义所在。

图2-1独立光伏发电系统图

2.4并网光伏系统逆变器

如前所诉，并网光伏系统即将光伏发电与电网连接，向电网输送电力的光伏发电系统。

光伏组件将太阳能转化为直流电通过逆变器转化为与电网电压同频，同相的交流电供给电网[4]即我们所说的有源逆变。

图2-2并网光伏发电系统图

3光伏并网逆变器的设计要求

光伏并网逆变器是链接光伏阵列和电网的关键设备，主要承担着光伏阵列的最大功率点控制和向电网注入单位功率的正弦交流电的任务[5]。

鉴于光伏逆变器在光伏发电系统中的作用，光伏逆变器应该拥有较高的效率并且具有可靠地的安全性，考虑到制造和投资，光伏并网逆变器还应具有成本低使用寿命长等特点从用户的角度来说，成本低、效率高、可靠性高，使用寿命长是对逆变器的要求。

，我们知道，光伏阵列发出的直流电电压受到温度、天气等因数的影响会很不稳定，因此变化范围比较大，因此光伏逆变器应该增强承受光伏阵列电压变化的能力，必须使逆变器能在较宽的直流输入电压范围内正常工作，且调节光伏阵列输出电压趋近于最大功率点的输出电压并且扩大容量。

另外，逆变器的开关频率不宜太高，高开关频率将会增加电路的开关损耗，降低能源利用率且影响器件的寿命。

光伏逆变器的输出波形应为与电网同频率、同相位的正弦波具有较高的输出电能质量，较小的THD值，单位功率因数等。

3.1逆变原理

光伏逆变器，即将光伏阵列发出的直流电逆变成为交流电，在介绍典型的逆变电路之前先简要介绍一下逆变器的逆变原理。

图3-1逆变器结构图

设为逆变桥输出电压的基波分量Us，Ig为并网电流的基波分量，在上述原理图中，忽略线路电阻，有以下基波向量关系。

其中为电网角频率w，L为滤波电感量。

则有Us1=Ug+jwLIg在光伏并网逆变器中应用PWM控制，可以使其对电网的谐波污染度降到最低，尽量向电网送入相位相反的正弦电流。

在控制中，可以使逆变桥产生出与网压同频率的调制电压，同时使得并网电流的基波分量与网压的相位相反。

通过对开关区器件的控制当Ug为正弦波且Us大于Ug的峰值时电感承受正向电压，为电感充电，电感电流增大。

当逆变桥输出电压为零时，电感承受反向电压即-Ug，电感释放能量，电感电流减小。

当逆变桥输出电压为-Us时电感电压为-Us-Ug，电感向电网释放能量，电感电流减小。

只要控制开关器件的开关次序及频率即可使光伏阵列发出的能量不断地传送到电网。

3.2隔离型光伏并网逆变器

3.2.1隔离型光伏并网逆变器的特点

如前所说，隔离性光伏并网逆变器及光伏阵列与电网隔离一般是通过变压器进行隔离，常见的有工频变压器隔离和高频变压器隔离。

隔离型光伏并网逆变器较非隔离光伏并网逆变器的优点主要是能有效的减小漏电流，实际的太阳能发电系统中，每个光伏组件与地之间存在一个对地寄生电容，该寄生电容是由于光伏电池板内部电路与电池板金属框架间大面积的平板结构造成的，在潮湿天气或阴雨天气时寄生电容会明显加大，特别是当光伏阵列进行大规模的串并联时将会寄生电容将会更大，对地寄生电容和光伏阵列主电路和电网之间将形成共模回路，在寄生电容上寄生电压的作用下将会产生共模电流，在共模回路中，对地寄生电容能够与并网逆变器中的滤波元件和电网阻抗形成谐振通路，当共模电流的频率和谐振回路的谐振频率相一致时，将会在电路中出现较大的漏电流，该共模电流不仅会增加光伏发电系统的损耗还会对光伏并网逆变器的正常工作产生不良影响，并且会向电网注入大量谐波，对系统安全产生威胁[6]。

通过变压器进行隔离，隔离变压器将电能转化为磁能，再将磁能转化为电能，隔离性光伏并网逆变器有效的提高了光伏测的电气安全性。

可以有效消除光伏系统中的共模电流问题，但是隔离变压器一般